Как сделать своими руками солнечную батарею в домашних условиях

Как сделать солнечную батарею своими руками?

Многие компании в интернете реализуют уже готовые собранные панели, которые напрямую подключаются к потребителю. Но, такие устройства имеют куда большую стоимость, чем отдельные элементы. В связи с особенностью климатического пояса полностью перейти на солнечную электроэнергию у вас вряд ли получится, поэтому и готовые солнечные батареи смогут окупиться только через 10 – 40 лет. Чтобы сэкономить на дорогостоящих заводских панелях, куда выгоднее приобрести фотоэлектрические модули, комплектующие к ним и заняться сборкой ячеек в единую солнечную батарею самостоятельно.

Какой вариант выбрать?

Первое, что вам нужно – приобрести фотоэлектрический преобразователь. Различные модели предлагаются как отечественными производителями, так и зарубежными. Наиболее дешевыми вариантами являются китайские кремниевые фотоэлементы. Они имеют ряд недостатков, но, в сравнении с американскими и отечественными, куда более дешевые. Все модели, в зависимости от типа, подразделяются на три вида:

• монокристаллические модули – состоят из искусственно выращенных кристаллов достаточно больших размеров. Отличаются самым высоким КПД в 13 – 26% и самым длительным сроком эксплуатации в 25 лет. Недостатком солнечных батарей на их основе является снижение максимального КПД в течении периода эксплуатации.
• поликристаллические фотоэлементы – в сравнении с предыдущими имеют куда меньший срок эксплуатации, как заявляет производитель – 10 лет. Также они могут выдать только 10 – 12% КПД, в с равнении с предыдущими, зато этот параметр остается постоянным для них в течении всего периода работы.
• аморфные батареи – это пленочные батареи, в которых на гибкую основу нанесен аморфный кремний. Такие фотоэлементы появились сравнительно недавно и могут наклеиваться на любые поверхности – окна, стены и т.д. Они характеризуются самым низким КПД – 5 – 6%.

Выбор определенного типа зависит от ваших пожеланий и поставленных задач. К примеру, если количество солнечного излучения сравнительно невелико в вашем регионе, лучше устанавливать монокристаллические преобразователи, так как у них самый высокий КПД.

Подготовка инструментов и выбор материалов

Помимо преобразователей, для сборки полноценной солнечной панели вам понадобятся такие материалы:

• Припой – для солнечной батареи необходимы легкоплавкие оловянные сплавы.
• Соединительные провода – подбираются однопроволочные медные марки. Для соединения монокристаллических и поликристаллических пластин применяются голые проводники, а для отвода электроэнергии изолированные.
• Рамка – создает основной каркас, в котором располагается вся солнечная батарея. Состоит из основания – ДСП, USB, фанеры и прочих, металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для их соединения.
• Стекло или полимерная пластина – создают защитный слой поверх монокристаллических пластин, также, в сочетании с рамой, служат для скрытия элементов от воздействия атмосферных осадков и механических воздействий.
• Герметик – наилучшим материалом для герметизации является эпоксидный компаунд, но это достаточно дорогостоящее удовольствие, поэтому его можно заменить силиконовым герметиком.
• Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления электрической энергии в светлое время суток с целью дальнейшего использования. Экономить при выборе батареи не стоит, так как качественная модель прослужит гораздо дольше.
• Инвертор – используется для преобразования постоянного напряжения в переменное. Преобразователь напряжения необходим для подключения к солнечной батареи любых бытовых приборов.

Из инструментов вам пригодиться ножовка, дрель, шуруповерт или обычная отвертка для закручивания саморезов, мультиметр или амперметр для определения работоспособности солнечной батареи, паяльник.

Составление проекта

На этапе подготовки проекта необходимо определить наиболее подходящее место для установки солнечной батареи. Определите, с какой стороны участка находиться больше всего солнечных лучей, не падает тень от деревьев и других построек. Место установки может быть на земле, скатах крыши, стенах или отдельно стоящих конструкциях. К примеру, если вы хотите установить солнечную батарею на крыше, следует убедиться, что конструкция выдержит ее вес.

Из-за того, что максимальная производительность моно- и поликристаллических ячеек обеспечивается исключительно при перпендикулярном попадании на них солнечных лучей, желательно собрать для них регулируемую конструкцию. Которая позволит изменять угол наклона солнечной батареи, в зависимости от времени года или даже времени суток. Так как положение источника света в различные периоды года и суток значительно отличаются (рисунок 1).

Рис. 1: зависимость положения солнца от времени года

Также обратите внимание, что в стационарно установленной батарее, к примеру, вырабатывающая в идеальных условиях 7 кВт/ч, утром и вечером будет вырабатыватся только 3 кВт/ч. Соответственно, при установке только в одном положении, батарея будет выдавать номинальную мощность лишь несколько месяцев в году. Если вы решите монтировать ее в стационарном положении, панели следует располагать под углом от 50 до 60º, для регулируемых устанавливается два предела – зимний в 70º и летний в 30º, а в промежуточный период, их наклоняют как стационарные.

Чтобы определить количество пластин, необходимо подсчитать, какой электрический ток или мощность генерирует одна из них или 1 м 2 . Как правило, 1 м 2 выдает порядка 125 Вт, поэтому чтобы получить около 2,5 кВт для бытовых нужд, необходимо установить 20 м 2 панелей.

Порядок изготовления солнечной батареи

Элементы на поли- или монокристаллическом кремнии необходимо объединить в единую панель. Для этого осуществляется пайка контактов к проводникам. Порядок пайки следующий:

• Оголенные проводники нарежьте одинаковыми отрезками под лекало, такой длины, чтобы она в два раза превышала размер элемента солнечной батареи. Рисунок 2: отмерьте проводники с помощью лекала
• Выложите модули на ровную поверхность (секло, лист фанеры, стол и т.д.).
• Очистите электрические контакты и полудите оловом, накладывать большое количество припоя сюда не нужно, достаточно слегка покрыть контакт. Рисунок 3: полудите контакты
• Припаяйте заранее полуженные проводники к контактам, обратите внимание, что сильно придавливать пластины нельзя, так как они очень хрупкие. Рисунок 4: припаяйте провод к элементу
• Замерьте ток от одного элемента с проводниками, это поможет подсчитать суммарную величину для всей батареи.

Если приобретенные вами элементы для солнечных батарей уже оснащены соединительными проводниками, этот этап можно пропустить и сразу переходить к изготовлению рамки.

Изготовление рамки

Рамка солнечной батареи представляет собой короб с невысокими бортами, который накрывается прозрачным стеклом. Для изготовления рамки:

• Возьмите прямоугольный лист фанеры или ДСП такого размера, чтобы на нем могло располагаться нужное количество элементов. Просверлите в нем небольшие отверстия на расстоянии 10 см друг от друга для вентиляции. Рис. 5: просверлите отверстия для вентиляции
• Приклейте по краю листа деревянные планки высотой не более 2 см, чтобы они не отбрасывали тень на солнечные приемники. Дополнительно прикрутите планки небольшими шурупами.
• Вырежьте крышку из стекла или прозрачного полимера. Ее размеры должны соответствовать нижнему листу или быть меньше, в зависимости от того, поддается она сверлению или нет. Если крышку можно прикрутит шурупом, то размер может быть идентичен, если стекло может лопнуть при попытке сверления, сделайте его меньше на 0,5 – 1 см. Рис. 6: заготовьте крышку из стекла
• Изготовьте из алюминиевого уголка прижимной каркас для верхней прозрачной крышки солнечной батареи, но пока ничего не прижимайте.

Постарайтесь подобрать материал для прозрачной крышки без бликов, иначе часть энергии солнца будет отражаться, что значительно снизит КПД. После того, как изготовите рамку, соберите солнечную батарею.

Изготовление модулей

Данный этап требует особой осторожности и внимания, поскольку на нем вы формируете электрическую цепь солнечной батареи. Если допустите прожоги или трещины, вы можете испортить не только какой-либо конкретный элемент, но и весь модуль, который в итоге придется переделывать.

• Разместите солнечные коллекторы лицевой стороной на прозрачной крышке. Оптимально между элементами должно быть 3 – 5 мм, если этого трудно добиться с первого раза, можете сделать разметку на стекле. Рис. 8: разместите элементы
• Аккуратно спаяйте выводы от каждого элемента “+” к “+”, и “–” к “–”. Плюсовые контакты должны располагаться на лицевой стороне, а минусовые на внутренней. Рис. 9: спаяйте выводы элементов

Все элементы соединяются последовательно сверху вниз, чтобы не раздавить нижние, когда будете паять. Вертикальные ряды припаяйте на общую шину.

• Приклейте фотоэлементы к прозрачной крышке, для этого нанесите в центр элемента немного герметика и аккуратно придавите его. Следите, чтобы он располагался строго по разметке, рабочей поверхностью к стеклу, иначе переклеить потом будет проблематично. Рис. 10: приклейте элементы к стеклу
• Просверлите в рамке отверстия для вывода плюсовой и минусовой шины солнечной батареи. В цепь батареи включите контроллер заряда, который предотвратит разряд заряда аккумулятора на солнечную батарею в темное время суток. Для этого подберите такие характеристики диодов, которые обеспечат полную блокировку цепи от обратного тока.
• Зафиксируйте выводы солнечной батареи в отверстиях при помощи герметика и поместите в рамку. Рисунок 11: зафиксируйте провода герметиком

После того, как вы собрали батарею, проверьте ее работоспособность. Вынесите ее под солнечные лучи и замерьте величину тока на выводах.

Рис. 12: вынесите на улицу и проверьте мультиметром

Сравните это значение с ранее замеренной величиной для одного элемента солнечной батареи. Чтобы проверить правильность, умножьте количество элементов на ток от одного, если прибор показал такое значение или близкое к нему, солнечная батарея собрана правильно и ее можно герметизировать.

Для герметизации используются компаунды или силиконовые герметики, которые подходят для температуры ниже нуля. Для этого солнечную батарею можно как заливать полностью, так и нанести герметик только между модулями.

Рис. 13: залейте герметиком

Второй вариант более экономный, но первый обеспечит вам куда большую надежность и лучшую герметизацию. После герметизации сверху устанавливается умеренный пресс до полного застывания.

Рис. 14: установите умеренный пресс

До заливки вы можете установить демпфер из плотного поролона между фотоэлементами солнечной батареи и плитой из ДСП. Ширина поролона выбирается менее высоты борта, в рассматриваемом случае высота – 2 см, соответственно можно взять поролон 1,5 см в толщину. Готовые и проверенные батареи установите согласно составленного проекта и подключите к электрической сети дома через аккумулятор и инвертор.

Как сделать своими руками солнечную батарею в домашних условиях

Сегодня на рынке доступно большое количество солнечных батарей, некоторые обещают зарядить ваш телефон, в то время как у других достаточно энергии для зарядки ipad. Они стали вполне доступными и портативными. Однако у всех них есть один существенный недостаток, и он связан с тем, как зарядная схема в телефоне и планшете заряжает свою внутреннюю батарею.

Итак, вы нашли идеальную солнечную панель, которая имеет идеальный USB-разъем для вашего телефона, установили его под яркое солнце, и телефон заряжается, как и ожидалось. Однако, если вы не живете в пустыне, в небе всегда есть вещи, которые разрушат вашу идеальную систему зарядки. Это облака, птицы, дрожащие деревья или даже пролетающие самолеты. Зарядная цепь телефона оснащена защитой и когда она обнаруживает падение напряжения в источнике питания, он начинает считаться ненадежным, а она отключает его от внутренней батареи.

Тем не менее, для источников солнечной энергии на даче внезапные прерывания питания происходят постоянно. Достаточно просто пройти мимо кого-нибудь и бросить тень на солнечную панель, чтобы отключить процесс зарядки. Несмотря на то, что вы купили идеальную систему, вы можете вернуться через час и обнаружить, что телефон не заряжается. А иногда, что еще хуже, телефон запускает свои цепи, чтобы заблокировать колеблющийся источник питания и это на самом деле в конечном итоге использует еще больше заряда от батареи.

Данная инструкция о том, как сделать солнечную батарею в домашних условиях для хранения избыточного заряда при полном солнечном освещении и использовать этот избыточный заряд для того, чтобы выждать время, когда на панели есть тень. Я разработал систему для работы с 12 В, потому что это нормальное напряжение для обычных коммерческих солнечных панелей, с которыми можно работать.

Основные характеристики для моей схемы:

• Номинальное напряжение ……………. 13,0 В
• Емкость аккумулятора …………….. 3,3Ач
• Энергетическая мощность……..> 40Wh
• Химия аккумуляторов …………… LiFePO4
• Максимальный ток зарядки ……….. 3А
• Максимальный ток разряда …… 7А (непрерывный)
• Импульсный ток разряда …. 27А (10сек)
• Напряжение падения заряда … 1 В
• Напряжение полного заряда ………… 14,4 В

Выходная мощность батареи оказалась намного более мощной, чем я первоначально ожидал, и она была достаточно мощной, чтобы питать небольшой инвертор для работы фар и других небольших приборов.

Химия LiFePO4 аккумуляторов выбрана потому, что она хорошо сочетается с выходным напряжением солнечной панели, а также за ее отличные характеристики мощности и длительный срок службы. Хорошая батарея должна обеспечивать более 1000 циклов зарядки.

Материалы, которые вам понадобятся для изготовления солнечных батарей:

• 4 ячейки LiFePO4, приобретите их как предварительно собранный аккумулятор, либо соберите свой собственный
• 1x 12V LiFePO4 схема защиты аккумулятора. Я использую PCM-LFP7A4S из-за низкого потребления тока холостого хода

Для контроллера заряда аккумулятора:

• TL431 — Ленточный регулятор
• VN2222 — Может быть заменен на любой слабый N-канальный MOSFET
• 2x красных светодиода — тип не важен
• LTV-816 — Оптический изолятор с выходом BJT, может быть заменен на аналогичный
• IRF9Z24N — Мощный МОП-транзистор с каналом P-типа, для уменьшения потерь, можно использовать устройство большего тока.
• диод Шоттки 2А — здесь будет работать любой диод с низким прямым напряжением
• Потенциометр на 100К
• Резисторы: 4,7 кОм, 100 кОм, 510 кОм и 1 кОм. Обычные 1/8 Вт работают нормально, или выберите SMD, если вы предпочитаете их

Я использую обычный 5-миллиметровый цилиндрический разъем для подключения питания к солнечной панели и автомобильный разъем для выхода

Amazon продает несколько светодиодных или жидкокристаллических измерителей напряжения по довольно низкой цене, любой из которых будет работать нормально.

Шаг 1: Справочная информация: Узнаём максимальную мощность солнечной панели

Вот некоторая основная справочная информация, которая поможет понять дизайн батарейного блока.

Солнечные батареи имеют постоянное напряжение и постоянную силу тока. Они имеют определенное расчетное напряжение, на которое рассчитана каждая панель. По мере того как нагрузка потребляет все больше и больше тока от панели, выходное напряжение немного падает, но не сильно. В какой-то момент потребление тока превышает количество тока, которое может генерировать панель (напрямую связано с количеством света, падающего на панель.) Эта точка называется точкой максимальной мощности. Проходя точку максимальной мощности, напряжение панели начинает падать, а выходная мощность уменьшается.

Таким образом, чтобы максимизировать количество энергии, генерируемой солнечной панелью, необходимо использовать солнечную панель как можно ближе к точке максимальной мощности. Это иллюстрируется графиком солнечной панели, которую я планирую использовать для проекта. Хотя окончательный дизайн будет работать со многими различными солнечными панелями, он будет наиболее эффективным, когда напряжение точки максимальной мощности солнечной панели соответствует проектному напряжению.

Для этого проекта я использую складную солнечную панель Mercury 27 производства Instapark.

Из графика мощности видно, что максимальная точка питания этой конкретной панели составляет 14 В.

Шаг 2: Базовые блоки схемы

Конструкция состоит из контроллера заряда, блока батарей, измерителя напряжения для наблюдения за состоянием заряда батареи и разъемов для ввода и вывода тока.

Шаг 3: Контроллер зарядки

Наиболее сложной частью конструкции является контроллер заряда. Есть несколько требований к дизайну, которым должен соответствовать контроллер заряда:

1. Низкое падение напряжения, поскольку напряжение на солнечной панели немного превышает 14 В, а номинальное напряжение аккумулятора составляет 13,4 В (3,35 В на элемент), допустимое напряжение отключения контроллера заряда должно быть как можно меньше.
2. Высокая сила тока. При максимальной выходной мощности солнечная панель будет выдавать ток около 2А. Таким образом, проходной транзистор должен иметь возможность пропускать как минимум 2 А тока с минимальным выпадением и не должен перегреваться.
3. Минимальный ток утечки на аккумулятор при отсутствии тока от солнечной панели. Это необходимо для предотвращения разряда аккумулятора при хранении.
4. Нет необходимости в регулировании силы тока. Поскольку солнечная панель является устройством постоянного тока, нет необходимости регулировать ток, протекающий через него, необходимо только регулировать напряжение.
5. Настраиваемая регулировка напряжения. Идеально настроить её для максимального напряжения зарядки литиевого элемента. Для данной конструкции это 14,4 В (3,6 В на элемент).

Схема показана в верхней части страницы.

Главный проход через транзистор это силовой P-MOS. В нормальном рабочем состоянии МОП-транзистор приводится в действие выше порогового значения, чтобы обеспечить минимальное сопротивление во включенном состоянии (линейный режим).

Регулирование напряжения осуществляется с помощью регулятора TL431.

Выход МОП-транзистора соединен с диодом Шоттки, чтобы предотвратить обратный ток от батареи в контроллер заряда. Диод Шоттки используется для минимизации падения напряжения во включенном состоянии.

Оптический изолятор используется для разрыва соединения между батареей и цепью обратной связи TL431. Несмотря на то, что делитель напряжения имеет довольно высокое сопротивление (100 кОм), он все равно даёт нежелательную утечку тока, когда батарея не используется. Таким образом, использование оптического изолятора, подключенного к напряжению питания солнечной панели, может эффективно отключить делитель напряжения, когда солнечная энергия отсутствует, что обеспечит минимальные потери мощности.

Шаг 4: Батарея

Самодельная солнечная батарея сделанная своими руками состоит из четырех 26650 LiFePO4-элементов, соединенных последовательно. Я использовал модули на 3,3Ач. Аккумуляторная батарея подключена к монитору батареи 8А, который защитит аккумулятор от перезарядки, недозарядки и короткого замыкания.

Есть и другие готовые аккумуляторы, которые также можно использовать. Для людей, которые не имеют опыта в создании аккумуляторов, я рекомендую купить один из готовых аккумуляторов со встроенной схемой контроля аккумулятора.

Аккумуляторная батарея опасна, так как это просто литиевая батарея очень высокой мощности и может при коротком замыкании она может взорваться.

Готовый аккумуляторный блок содержит контрольную цепь, которая защитит аккумулятор при обнаружении короткого замыкания.

Шаг 5: Собираем всё воедино

Контроллер заряда построен с использованием макетной платы с проволочной обмоткой. Весь девайс помещен в коробку, которая была у меня на руках.

На верхнюю крышку я добавил измеритель напряжения, купленный на Amazon. Он позволяет контролировать напряжение батареи во время зарядки и разрядки.

Перед использованием, для первоначальной регулировки необходимо снизить выходное напряжение до расчетного заданного значения. Лучший способ сделать это — использовать лабораторный источник питания, чтобы полностью зарядить аккумулятор до 14,4 В, а затем оставить аккумулятор на 5 минут, напряжение должно упасть примерно до 14 В.

Подсоедините источник питания (солнечный или лабораторный источник питания) и отрегулируйте потенциометр, пока аккумулятор снова не зарядится до 14,4 В.

Транзистор P-MOS немного нагревается при использовании, я поместил на него небольшой радиатор, чтобы он не перегревался в жаркий день.

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.

Солнечная батарея своими руками: дорогая игрушка или реальная возможность сэкономить?

Наверное, нет такого человека, который не хотел бы стать более независимым. Возможность полностью распоряжаться собственным временем, путешествовать, не зная границ и расстояний, не задумываться о жилищных и финансовых проблемах — вот что даёт ощущение настоящей свободы. Сегодня мы расскажем о том, как, используя солнечное излучение, снять с себя бремя энергетической зависимости. Как вы догадались, речь пойдёт о солнечных батареях. А если быть точнее, то о том, можно ли своими руками построить настоящую солнечную электростанцию.

История создания и перспективы использования

Идею превращения энергии Солнца в электричество человечество вынашивало давно. Первыми появились гелиотермальные установки, в которых перегретый сконцентрированными солнечными лучами пар вращал турбины генератора. Прямое преобразование стало возможным лишь в середине XIX века, после того, как француз Александр Эдмон Баккарель открыл фотоэлектрический эффект. Попытки создать на основании этого явления действующую солнечную ячейку увенчались успехом лишь полвека спустя, в лаборатории выдающегося русского учёного Александра Столетова. Полностью описать механизм фотоэлектрического эффекта удалось ещё позже — человечество обязано этим Альберту Энштейну. К слову, именно за эту работу он получил Нобелевскую премию.

Баккарель, Столетов и Энштейн — вот те учёные, которые заложили фундамент современной солнечной энергетики

О создании первого солнечного фотоэлемента на основе кристаллического кремния возвестили мир сотрудники компании Bell Laboratories в далёком апреле 1954 года. Эта дата, по сути, и является отправной точкой технологии, которая в скором времени сможет стать полноценной заменой углеводородному топливу.

Поскольку ток одной фотоэлектрической ячейки составляет миллиамперы, то для получения электроэнергии достаточной мощности их приходится соединять в модульные конструкции. Защищённые от внешнего воздействия массивы солнечных фотоэлементов и являются солнечной батареей (из-за плоской формы устройство нередко называют солнечной панелью).

Преобразование солнечного излучения в электричество имеет огромные перспективы, ведь на каждый квадратный метр земной поверхности приходится в среднем 4.2 кВт/час энергии в день, а это экономия практически одного барреля нефти в год. Изначально используемая лишь для космической отрасли технология уже в 80-х годах прошлого века стала настолько обыденной, что фотоэлементы стали использовать в бытовых целях — в качестве источника питания калькуляторов, фотоаппаратов, светильников и т. д. Параллельно создавались и «серьёзные» гелиоэлектрические установки. Закреплённые на крышах домов, они позволяли полностью отказаться от проводного электричества. Сегодня можно наблюдать рождение электростанций, представляющих собой многокилометровые поля из кремниевых панелей. Вырабатываемая ими мощность позволяет питать целые города, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что будущее — за солнечной энергетикой.

Современные солнечные электростанции представляют собой многокилометровые поля фотоэлементов, способные снабжать электричеством десятки тысяч домов

Солнечная батарея: как это работает

После того как Энштейн описал фотоэлектрический эффект, миру открылась вся простота такого, казалось бы, сложного физического явления. В его основе лежит вещество, отдельные атомы которого находятся в неустойчивом состоянии. При «бомбардировке» фотонами света из их орбит выбиваются электроны — вот они-то и являются источниками тока.

Практически полвека фотоэффект не имел практического применения по одной простой причине — отсутствовала технология получения материалов с неустойчивой атомной структурой. Перспективы дальнейших исследований появились лишь с открытием полупроводников. Атомы этих материалов имеют либо избыток электронов (n-проводимость), или же испытывают в них нехватку (p-проводимость). При использовании двухслойной структуры со слоем n-типа (катод) и p-типа (анод), «обстрел» фотонами света выбивает электроны из атомов n-слоя. Покидая свои места, они устремляются на свободные орбиты атомов p-слоя и далее через подключённую нагрузку возвращаются на исходные позиции. Наверное, каждый из вас знает, что движение электронов в замкнутом контуре представляет собой электрический ток. Вот только заставить электроны перемещаться удаётся не благодаря магнитному полю, как в электрических генераторах, а за счёт потока частиц солнечного излучения.

Солнечная панель работает благодаря фотоэлектрическому эффекту, который был открыт ещё в начале XIX века

Поскольку мощность одного фотоэлектрического модуля недостаточна для питания электронных устройств, то для получения требуемого напряжения используется последовательное подключение множества ячеек. Что же касается силы тока, то её наращивают параллельным соединением определённого количества таких сборок.

Генерация электричества в полупроводниках напрямую зависит от количества солнечной энергии, поэтому фотоэлементы не только устанавливают под открытым небом, но и стараются сориентировать их поверхность перпендикулярно падающим лучам. А чтобы защитить ячейки от механических повреждений и атмосферного воздействия, их монтируют на жёстком основании и сверху защищают стеклом.

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы — эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами

В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин — они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических — не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок — следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов

Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью — их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях — высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.

Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:

• на основе теллурида кадмия;
• из тонких полимеров;
• с использованием индия и селенида меди.

О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.

Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти

Изготовленные кустарным способом солнечные панели всегда будут находиться на шаг позади своих заводских собратьев, и на то есть несколько причин. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая ячейки с нестабильными или сниженными параметрами. Во-вторых, при изготовлении гелиоэлектрических батарей используется специальное стекло с повышенным светопропусканием и сниженной отражающей способностью — найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступать к серийному выпуску, все параметры промышленных образцов обкатывают с использованием математических моделей. В итоге минимизируется влияние нагрева ячеек на КПД батареи, улучшается система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединяющих шин, исследуются пути снижения скорости деградации фотоэлементов и т. д. Решать подобные задачи, не имея оборудованной лаборатории и соответствующей квалификации, невозможно.

Низкая стоимость самодельных солнечных батарей позволяет построить установку, позволяющую полностью отказаться от услуг энергокомпаний

Тем не менее сделанные своими руками солнечные батареи показывают неплохие результаты производительности и не так уж и сильно отстают от промышленных аналогов. Что же касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при одинаковых затратах самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.

Учитывая всё вышесказанное, вырисовывается картина того, какие фотоэлементы подходят под наши условия. Плёночные отпадают по причине отсутствия в продаже, а аморфные — из-за короткого срока службы и низкого КПД. Остаются ячейки из кристаллического кремния. Надо сказать, что в первом самодельном устройстве лучше использовать более дешёвые «поликристаллы». И только обкатав технологию и «набив руку», следует переходить на монокристаллические ячейки.

Для обкатки технологий подойдут дешёвые некондиционные фотоэлементы — как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках

Что касается вопроса, где взять недорогие солнечные элементы, то их можно найти на зарубежных торговых площадках типа Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. Там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов различных размеров и производительности, так и готовыми наборами для сборки солнечных панелей любой мощности.

Продавцы нередко предлагают фотоэлементы так называемого класса «B», которые представляют собой повреждённые солнечные батареи моно- или поликристаллического типа. Небольшие сколы, трещины или отсутствие уголков практически не сказывается на производительности ячеек, зато позволяет приобрести их по гораздо меньшей стоимости. Именно по этой причине их выгоднее всего использовать в самодельных гелиоэнергетических устройствах.

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

Редко у какого домашнего мастера не найдётся заветной коробочки со старыми радиодеталями. А ведь диоды и транзисторы от старых приёмников и телевизоров являются всё теми же полупроводниками с p-n-переходами, которые при освещении солнечным светом вырабатывают ток. Воспользовавшись этими их свойствами и соединив несколько полупроводниковых приборов, можно сделать самую настоящую солнечную батарею.

Для изготовления маломощной солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов

Внимательный читатель сразу же спросит, в чём подвох. Зачем платить за фабричные моно- или поликристаллические ячейки, если можно использовать то, что лежит буквально под ногами. Как всегда, дьявол скрывается в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют получить на ярком солнце напряжение не более 0.2 В при силе тока, измеряемой микроамперами. Для того чтобы достичь параметров, которые выдаёт плоский кремниевый фотоэлемент, понадобится несколько десятков, а то и сотен полупроводников. Сделанная из старых радиодеталей батарея сгодится разве что для зарядки кемпингового светодиодного фонаря или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более масштабных проектов, без покупных солнечных ячеек не обойтись.

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

Задумываясь о строительстве собственной солнечной электростанции, каждый мечтает о том, чтобы полностью отказаться от проводного электричества. Для того чтобы проанализировать реальность этой затеи, сделаем небольшие расчёты.

Узнать суточное потребление электроэнергии несложно. Для этого достаточно заглянуть в присланный энергосбывающей организацией счёт и разделить количество указанных там киловатт на число дней в месяце. К примеру, если вам предлагают оплатить 330 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

В расчётах следует обязательно учитывать тот факт, что солнечная панель будет вырабатывать электричество только в светлое время суток, причём до 70% генерации осуществляется в период с 9 до 16 часов. Кроме того, эффективность работы устройства напрямую зависит от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.

Небольшая облачность или дымка снизят эффективность токоотдачи гелиоустановки в 2–3 раза, тогда как затянутое сплошными облаками небо спровоцирует падение производительности в 15–20 раз. В идеальных условиях для генерации 11 кВт×час энергии было бы достаточно солнечной батареи мощностью 11/7 = 1.6 кВт. Учитывая влияние природных факторов, этот параметр следует увеличить примерно на 40–50%.

Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6×0.7) =2.7 кВт.

Использование сборок из высокотоковых литиевых аккумуляторов является одним из наиболее изящных, но отнюдь не самым дешёвым способом хранения солнечной электроэнергии

Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.

Как видите, даже для того, чтобы обеспечить электричеством бытовые потребности средней семьи, понадобится серьёзная гелиоэлектрическая установка. Что касается использования самодельных солнечных батарей для отопления, то на данном этапе такая затея не выйдет даже на границы самоокупаемости, не говоря уж о том, чтобы можно было что-то сэкономить.

Расчёт размера батареи

Размер батареи зависит от требуемой мощности и габаритов источников тока. При выборе последних вы обязательно обратите внимание на предлагаемое разнообразие фотоэлементов. Для использования в самодельных устройствах удобнее всего выбирать солнечные ячейки среднего размера. Например, рассчитанные на выходное напряжение 0.5 В и силу тока до 3 А поликристаллические панели размером 3×6 дюймов.

При изготовлении солнечной батареи они будут последовательно соединяться в блоки по 30 шт, что позволит получить требуемое для зарядки автомобильной батареи напряжение 13–14 В (учитывая потери). Максимальная мощность одного такого блока составляет 15 В × 3 А = 45 Вт. Исходя из этого значения, будет нетрудно подсчитать, сколько элементов понадобится для постройки солнечной панели заданной мощности и определить её размеры. Например, для постройки 180-ваттного солнечного электрического коллектора понадобится 120 фотоэлементов общей площадью 2160 кв. дюймов (1.4 кв.м).

Постройка самодельной солнечной батареи

Прежде чем приступать к изготовлению солнечной панели, следует решить задачи по её размещению, рассчитать габариты и подготовить необходимые материалы и инструмент.

Правильный выбор места установки — это важно

Поскольку солнечная панель будет изготавливаться своими руками, соотношение её сторон может быть любым. Это очень удобно, поскольку самодельное устройство можно более удачно вписать в экстерьер кровли или дизайн загородного участка. По этой же причине выбирать место для монтажа батареи следует ещё до начала проектировочных мероприятий, не забывая учитывать несколько факторов:

• открытость места для солнечных лучей в течение светового дня;
• отсутствие затеняющих построек и высоких деревьев;
• минимальное расстояние до помещения, в котором установлены аккумулирующие мощности и преобразователи.

Конечно, установленная на крыше батарея выглядит более органично, однако размещение устройства на земле имеет больше преимуществ. В этом случае исключается возможность повреждения кровельных материалов при установке поддерживающего каркаса, снижается трудоёмкость монтажа устройства и появляется возможность своевременного изменения «угла атаки солнечных лучей». И что самое главное — при нижнем размещении будет намного проще поддерживать чистоту поверхности солнечной панели. А это является залогом того, что установка будет работать в полную силу.

Монтаж солнечной панели на крыше вызвана скорее нехваткой места, чем необходимостью или удобством эксплуатации

Что понадобится в процессе работы

Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:

• фотоэлементами;
• многожильным медным проводом или специальными шинами для соединения солнечных ячеек;
• припоем;
• диодами Шоттки, рассчитанными на токоотдачу одного фотоэлемента;
• качественным антибликовым стеклом или плексигласом;
• рейками и фанерой для изготовления каркаса;
• силиконовым герметиком;
• метизами;
• краской и защитным составом для обработки деревянных поверхностей.

В работе понадобится самый простой инструмент, который всегда есть под рукой у домовитого хозяина — паяльник, стеклорез, пила, отвёртка, малярная кисть и др.

Инструкция по изготовлению

Для изготовления первой солнечной батареи лучше всего использовать фотоэлементы с уже припаянными выводами — в этом случае уменьшается риск повреждения ячеек при сборке. Тем не менее, если вы имеете навыки обращения с паяльником, то сможете немного сэкономить, купив солнечные элементы с нераспаянными контактами. Для постройки панели, которую мы рассматривали в приведённых выше примерах, понадобится 120 пластин. Используя соотношение сторон примерно 1:1, потребуется укладка 15 рядов фотоэлементов по 8 штук в каждом. При этом мы сможем каждые два «столбика» соединить последовательно, а четыре таких блока подключить параллельно. Таким образом можно избежать путаницы в проводах и получить ровный, красивый монтаж.

Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции

Корпус

Сборку солнечной панели всегда следует начинать с изготовления корпуса. Для этого нам понадобятся алюминиевые уголки или деревянные рейки высотой не более 25 мм — в этом случае они не будут бросать тень на крайние ряды фотоэлементов. Исходя из размеров наших кремниевых ячеек размером 3х6 дюймов (7.62х15.24 см), размер рамы должен составлять не менее 125х 125 см. Если вы решите использовать другое соотношение сторон (например, 1:2), то каркас можно дополнительно усилить поперечиной из рейки такого же сечения.

Обратную сторону корпуса следует зашить панелью из фанеры или OSB, а в нижнем торце рамы просверлить вентиляционные отверстия. Соединение внутренней полости панели с атмосферой понадобится для выравнивания влажности — в противном случае не избежать запотевания стёкол.

Для изготовления корпуса солнечной панели подойдут самые простые материалы — деревянные рейки и фанера

По внешнему размеру каркаса вырезают панель из плексигласа или высококачественного стекла высокой степени прозрачности. В крайнем случае можно использовать оконное стекло толщиной до 4 мм. Для его крепления подготавливают уголковые кронштейны, в которых выполняют сверления для крепления к раме. При использовании оргстекла можно проделать отверстия непосредственно в прозрачной панели — это упростит сборку.

Чтобы защитить деревянный корпус солнечной батареи от влаги и грибка, его пропитывают антибактериальным составом и окрашивают масляной краской.

Для удобства сборки электрической части, из ДВП или другого диэлектрического материала вырезают подложку по внутреннему размеру рамы. В дальнейшем на ней будет выполняться монтаж фотоэлементов.

Пайка пластин

Перед тем как начать пайку, следует «прикинуть» укладку фотоэлементов. В нашем случае понадобится 4 массива ячеек по 30 пластин в каждом, причём располагаться в корпусе они будут пятнадцатью рядами. С такой длинной цепочкой будет неудобно работать, к тому же возрастает риск повреждения хрупких стеклянных пластин. Рационально будет соединять по 5 деталей, а окончательную сборку выполнять после того, как фотоэлементы будут смонтированы на подложке.

Для удобства, фотоэлементы можно смонтировать на непроводящей подложкке из текстолита, оргстекла или ДВП

После соединения каждой цепочки, следует проверить её работоспособность. Для этого каждую сборку помещают под настольную лампу. Записывая значения силы тока и напряжения, можно не только контролировать работоспособность модулей, но и сравнивать их параметры.

Для пайки используем маломощный паяльник (максимум 40 Вт) и хороший, легкоплавкий припой. Его в небольшом количестве наносим на выводные части пластин, после чего, соблюдая полярность подключения, соединяем детали друг с другом.

При пайке фотоэлементов следует проявлять максимальную аккуратность, поскольку эти детали отличаются повышенной хрупкостью

Собрав отдельные цепочки, разворачиваем их тыльной частью к подложке и при помощи силиконового герметика приклеиваем к поверхности. Каждый 15-вольтовый блок фотоэлементов снабжаем диодом Шоттки. Этот прибор позволяет току протекать только в одном направлении, поэтому не позволит аккумуляторам разряжаться при низком напряжении солнечной панели.

Окончательное соединение отдельных цепочек фотоэлементов выполняют согласно представленной выше электрической схеме. В этих целях можно использовать специальную шину или многожильный медный провод.

Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами

Сборка панели

Подложки с расположенными на них фотоэлементами укладывают в корпус и крепят саморезами. Если рама усиливалась поперечиной, то в ней выполняют несколько сверлений под монтажные провода. Кабель, который выводят наружу, надёжно фиксируют на раме и припаивают к выводам сборки. Чтобы не путаться с полярностью, лучше всего использовать двухцветные провода, подключая красный вывод к «плюсу» батареи, а синий — к её «минусу». По верхнему контуру рамы наносят сплошной слой силиконового герметика, поверх которого укладывают стекло. После окончательной фиксации сборку солнечной батареи считают законченной.

После того, как на герметик будет установлено защитное стекло, панель можно транспортировать к месту установки

Установка и подключение солнечной батареи к потребителям

В силу ряда причин самодельная солнечная панель является достаточно хрупким устройством, поэтому требует обустройства надёжного поддерживающего каркаса. Идеальным вариантом будет конструкция, которая позволит ориентировать источник бесплатной электроэнергии в обеих плоскостях, однако сложность такой системы чаще всего является весомым доводом в пользу простой наклонной системы. Она представляет собой подвижную раму, которую можно выставить под любым углом к светилу. Один из вариантов каркаса, сбитого из деревянного бруса, представлен ниже. Вы же можете использовать для его изготовления металлические уголки, трубы, шины и т. д. – всё, что есть под руками.

Чертёж каркаса солнечной батареи

Чтобы подключить солнечную батарею к аккумуляторам, понадобится контроллер заряда. Этот прибор будет следить за степенью заряда и разряда батарей, контролировать токоотдачу и выполнять переключение на сетевое питание при значительной просадке напряжения. Прибор необходимой мощности и требуемого функционала можно купить в тех же торговых точках, где продаются фотоэлементы. Что касается питания бытовых потребителей, то для этого потребуется трансформировать низковольтное напряжение в 220 В. С этим успешно справляется другое устройство — инвертор. Надо сказать, что отечественная промышленность выпускает надёжные приборы с хорошими ТТХ, поэтому преобразователь можно купить на месте — бонусом в этом случае будет «настоящая» гарантия.

Одной солнечной батареи для полноценного электроснабжения дома будет недостаточно — понадобятся еще и аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор

В продаже можно найти инверторы одной и той же мощности, отличающиеся по цене в разы. Подобный разброс объясняется «чистотой» выходного напряжения, что является необходимым условием питания отдельных электрических устройств. Преобразователи с так называемой чистой синусоидой имеют усложнённую конструкцию, и как следствие, более высокую стоимость.

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

Постройка домашней солнечной электростанции является нетривиальной задачей и требует как финансовых и временных затрат, так и минимальных знаний основ электротехники. Приступая к сборке солнечной панели, следует соблюдать максимальное внимание и аккуратность — только в этом случае можно рассчитывать на удачное решение вопроса. Напоследок хотелось бы напомнить о том, что загрязнение стекла является одним из факторов падения производительности. Не забывайте своевременно чистить поверхность солнечной панели, иначе она не сможет работать на полную мощность.

Источник https://www.asutpp.ru/solnechnaya-batareya-svoimi-rukami.html

Источник https://masterclub.online/topic/16688-solnechnaya-batareya-svoimi-rukami

Источник https://postroika.biz/16119-solnechnaya-batareya-svoimi-rukami.html