Ухудшение экологии, рост цен на энергоносители, стремление к автономности и независимости от прихотей государственных мужей - вот лишь несколько факторов, заставляющих самых закоренелых обывателей обращать мечтательные взгляды в сторону альтернативных источников энергии. У большинства наших соотечественников мысли о «зелёной» энергетике так и остаются идеей фикс - сказываются высокие цены на оборудование, и, как следствие, нерентабельность затеи. Но ведь никто не запрещает изготовить установку для получения бесплатной энергии самостоятельно! Сегодня мы расскажем о том, как своими руками построить солнечную батарею и рассмотрим перспективы её использования в быту.

Солнечная батарея: что это такое

Человечество загорелось идеей трансформации солнечного излучения в электрическую энергию с 30-х годов прошлого века. Именно тогда учёные из Академии наук СССР заявили о создании полупроводниковых медно-таллиевых кристаллов, в которых под действием световых лучей начинал протекать электрический ток. Сегодня это явление известно как фотоэлектрический эффект и широко используется как в гелиоэлектрических установках, так и в разнообразных датчиках.

Первые солнечные батареи известны ещё с 50-х годов прошлого века

Сила тока одного фотоэлемента измеряется в микроамперах, поэтому для получения сколь-нибудь значимой электрической мощности их объединяют в блоки . Множество таких модулей и составляют основу солнечной батареи (СБ), которую можно использовать для подключения различных электронных устройств. Если же говорить о законченном устройстве, которое можно установить под открытым небом, то корректнее говорить о солнечной панели (СП) с конструкцией, защищающей сборку фотоэлектрических модулей от внешних факторов.

Надо сказать, что КПД первых электрических гелиосистем не достигал и 10% - сказывались как недостатки полупроводниковой технологии, так и неустранимые потери, связанные с отражением, рассеиванием или поглощением светового потока. Десятилетия упорного труда учёных дали свой результат, и сегодня КПД самых современных солнечных батарей достигает 26%. Что же касается перспективных разработок, то здесь он ещё выше - до 46%! Конечно, внимательный читатель может возразить, что другие генераторы энергии работают с энергоэффективностью 95–98%. Тем не менее не следует забывать, что речь идёт о совершенно бесплатной энергии, величина которой в солнечный день превышает 100 Вт на один кв. м земной поверхности в секунду.

Современные солнечные панели генерируют электроэнергию в промышленных масштабах

Полученная с помощью солнечных панелей электроэнергия может использоваться аналогично той, что получают на обычных электростанциях - для питания различных электронных устройств, освещения, отопления и т. д. Единственное отличие, которое состоит в том, что на выходе фотоэлектронного модуля присутствует постоянный, а не переменный ток, на самом деле является преимуществом. Всё дело в том, что любая гелиосистема работает только в течение светового дня, причём её мощность очень сильно зависит от высоты солнца над горизонтом. Поскольку ночью СБ работать не может, электроэнергию приходится накапливать в аккумуляторах, а они-то все как раз и являются источниками постоянного тока.

Устройство и принцип действия

Принцип действия электрической батареи базируется на таких физических явлениях, как полупроводимость и фотоэлектрический эффект. В основе любого солнечного элемента лежат полупроводники, атомы которых испытывают недостаток в электронах (p-тип проводимости), либо имеют их избыток (n-тип). Другими словами, используется двухслойная структура с n-слоем в качестве катода и p-слоем в качестве анода. Поскольку силы удержания «лишних» электродов в n-слое ослаблены (у атомов не хватает на них энергии), то они легко выбиваются из своих мест при бомбардировке фотонами света. Далее электроны перемещаются в свободные «дырки» p-слоя и через подключённую электрическую нагрузку (или аккумулятор) возвращаются к катоду - вот так и течёт электрический ток, спровоцированный потоком солнечного излучения.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно благодаря фотоэлектрическому эффекту, который описал в своих работах Эйнштейн

Как уже отмечалось выше, энергия от одного фотоэлемента крайне мала, поэтому их объединяют в модули. Последовательным подключением нескольких таких блоков наращивают напряжение батареи, а параллельным увеличивают силу тока. Таким образом, зная электрические параметры одной ячейки можно собрать батарею требуемой мощности.

Полученную от солнечной батареи электроэнергию можно накапливать в аккумуляторах и после преобразования в напряжение 220 В использовать для питания обычных бытовых прибораз

Для защиты от атмосферного воздействия полупроводниковые модули устанавливают в жёсткий каркас и закрывают стеклом с повышенным светопропусканием. Поскольку солнечную энергию можно использовать лишь в течение светового дня, то для её накопления используются аккумуляторы - расходовать их заряд можно по мере необходимости. Для повышения напряжения и его адаптации в соответствии с потребностями бытовых приборов используются инверторы.

Видео: как работает солнечная панель

Классификация фотоэлектрических модулей

Сегодня производство солнечных батарей идёт двумя параллельными путями. С одной стороны на рынке присутствуют фотоэлектрические модули, созданные на основе кремния, а с другой - плёночные, созданные с использованием редкоземельных элементов, современных полимеров и органических полупроводников.

Популярные сегодня кремниевые фотоэлементы подразделяются на несколько типов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• аморфные.

Для использования в самодельных солнечных батареях лучше всего использовать модули из поликристаллического кремния. Хоть КПД последних и ниже, чем у монокристаллических элементов, но зато на их работоспособность не так сильно влияет загрязнённость поверхности, низкая облачность или угол падения солнечных лучей.

Отличить поликристаллические кремниевые модули от монокристаллических несложно - первые имеют более светлый синий оттенок с выраженными «морозными» узорами на поверхности. Кроме того, тип фотоэлектрических пластин можно определить по их форме - монокристалл имеет скруглённые края, тогда как его ближайший конкурент (поликристалл) представляет собой выраженный прямоугольник.

Что же касается батарей из аморфного кремния, то они ещё менее зависимы от погодных условий и за счёт своей гибкости практически не подвержены риску повреждений при сборке. Тем не менее использование их в собственных целях ограничивается как достаточно низкой удельной мощностью на 1 квадратный метр поверхности, так и по причине высокой стоимости.

Кремниевые солнечные элементы представляют собой самый распространённый класс электрических фотопластин, поэтому они чаще всего используются для изготовления самодельных устройств

Появление плёночных фотоэлектрических модулей обусловлено как необходимостью в снижении стоимости солнечных батарей, так и потребностью получить более производительные и долговечные системы. Сегодня промышленность осваивает выпуск тонких гелиоэлектрических модулей на основе:

• теллурида кадмия с КПД до 12% и стоимостью 1 Вт на 20–30% ниже, чем у монокристаллов;
• селенида меди и индия - КПД 15–20%;
• полимерных соединений - толщина до 100 нм, с КПД - до 6%.

О возможности использования плёночных модулей для постройки электрической солнечной станции своими руками говорить пока ещё рано. Несмотря на доступную стоимость, изготовлением теллуридо-кадмиевых, полимерных и меде-индиевых фотоэлементов занимаются лишь отдельные компании.

Такие достоинства плёночных фотоэлементов, как высокий КПД и механическая прочность позволяют с полной уверенностью говорить, что за ними - будущее солнечной энергетики

Хоть в продаже и можно найти батареи, созданные по плёночной технологии, в большинстве своём они представлены в виде готовых изделий. Нам же интересны отдельные модули, из которых можно построить недорогую самодельную солнечную панель - на рынке они пока ещё в дефиците.

Сводные данные по КПД солнечных элементов, которые выпускаются промышленностью, представлены в таблице.

Таблица: КПД современных солнечных батарей

Где можно взять фотоэлементы и можно ли их заменить чем-то другим

Купить пригодные для сборки солнечной панели монокристаллические или поликристаллические пластины сегодня не является проблемой. Вопрос в том, что сама идея самодельного генератора бесплатного электричества предполагает результат, который будет значительно дешевле заводского аналога. Если же покупать фотоэлектрические модули на месте, то много сэкономить не получится.

На зарубежных торговых площадках солнечные элементы представлены в широком ассортименте - можно купить как единичное изделие, так и набор всего необходимого для сборки и подключения солнечной батареи

За разумную цену солнечные элементы можно найти на зарубежных торговых площадках, например, eBay или AliExpress . Там они представлены в широком ассортименте и по вполне доступным ценам. Для нашего проекта подойдут, например, распространённые поликристаллические пластины размером 3х6 дюймов. При идеальных условиях они могут генерировать электрический ток напряжением 0.5 В и силой до 3 А, то есть 1.5 Вт электрической мощности.

Если вы горите желанием максимально сэкономить или испробовать собственные силы, то нет никакой необходимости сразу же покупать хорошие, целые модули - можно обойтись и некондицией. Всё на том же eBay или AliExpress можно найти комплекты пластин с небольшими трещинками, сколами уголков и прочими дефектами - так называемые изделия класса «B». На технических характеристиках фотоэлементов внешние повреждения не сказываются, чего нельзя сказать о цене - бракованные детали можно купить в 2–3 раза дешевле тех, что имеют товарный вид. Поэтому-то их и рационально использовать, чтобы обкатать технологию на своей первой солнечной панели.

Выбирая фотоэлектронные модули, вы увидите элементы различного типа и размера. Не думайте, что чем больше площадь их поверхности, тем выше напряжение они производят. Это не так. Элементы одного типа генерируют одинаковое напряжение независимо от габаритов. Чего не скажешь о силе тока - здесь размер имеет решающее значение.

Хоть в качестве фотоэлементов и можно использовать морально устаревшую компонентную базу, вскрытые диоды и транзисторы имеют слишком низкое напряжение и силу тока - понадобятся тысячи таких устройств

Сразу же хочется предупредить о том, что нет смысла искать аналог среди различных подручных электронных устройств. Да, получить работающий фотоэлектронный модуль можно из мощных диодов или транзисторов, извлечённых из старого радиоприёмника или телевизора. И даже сделать батарею, соединив несколько таких элементов в цепочку. Однако запитать подобной «солнечной панелью» что-либо мощнее калькулятора или светодиодного фонаря не удастся ввиду слишком слабых технических характеристик единичного модуля.

Принцип расчёта мощности батареи

Для расчёта необходимой мощности самодельной электрической гелиосистемы необходимо знать месячное потребление электроэнергии. Определить это параметр легче всего - количество потребляемого электричества в киловатт-часах можно посмотреть по счётчику или узнать, заглянув в счета, которые регулярно присылает энергосбыт. Так, если затраты составляют, например, 200 кВт×ч, то солнечная батарея должна вырабатывать в день примерно 7 кВт×ч электроэнергии.

В расчётах следует учитывать, что солнечные панели генерируют электричество только в светлое время суток, причём их производительность зависит как от угла Солнца над горизонтом, так и погодных условий. В среднем до 70% всего количества энергии вырабатывается с 9 часов утра до 16 часов вечера и при наличии даже небольшой облачности или дымки мощность панелей падает в 2–3 раза. Если же небо затянут сплошные облака, то в лучшем случае вы сможете получить 5–7% от максимальных возможностей гелиосистемы.

По графику энергоэффективности солнечной батареи видно, что основная доля генерируемой энергии приходится на время от 9 до 16 часов

Учитывая всё вышесказанное, можно подсчитать, что для получения 7 кВт×ч энергии при идеальных условиях понадобится массив панелей мощностью не менее 1 кВт. Если же учитывать уменьшение производительности, связанное с изменением угла падения лучей, погодные факторы, а также потери в аккумуляторах и преобразователях энергии, то этот показатель необходимо увеличить как минимум на 50–70 процентов. Если брать в расчёт верхний показатель, то для рассматриваемого примера будет нужна солнечная панель мощностью 1.7 кВт.

Дальнейший расчёт зависит от того, какие фотоэлементы будут использоваться. Например, возьмём упоминаемые ранее поликристаллические элементы 3˝×6˝ (площадь 0,0046 кв. м) с напряжением 5 В и силой тока до 3 А. Чтобы набрать массив фотоэлементов с выходным напряжением 12 В и силой тока, равной 1 700 Вт/12 В = 141 А понадобится соединить 24 элемента в ряд (последовательное соединение позволяет суммировать напряжение) и использовать 141 А/ 3 А = 47 таких ряда (1 128 пластин). Площадь батареи при максимально плотной укладке составит 1 128 х 0.0046 = 5.2 кв. м

Для того чтобы накопить и трансформировать солнечную энергию в привычные 220 Вольт понадобится массив аккумуляторов, контроллер заряда и повышающий инвертор

Для накопления электричества используются аккумуляторы с напряжением 12 В, 24 В или 48 В, причём их ёмкости должно хватать для того, чтобы вместить те самые 7 кВт×ч энергии. Если брать распространённые 12-вольтовые свинцовые батареи (далеко не самый лучший вариант), то их ёмкость должна быть не менее 7 000 Вт×ч/12 В = 583 А×ч, то есть три больших аккумулятора по 200 ампер-часов каждый. Следует учитывать, что КПД аккумуляторных батарей составляет не более 80%, а также то, что при преобразовании напряжения инвертором в 220 В будет теряться от 15 до 20% энергии . Следовательно, придётся докупить как минимум ещё один такой же аккумулятор для компенсации всех потерь.

К вопросу о возможности использования электрических солнечных панелей в целях отопления

Как вы уже могли, наверное, заметить, словосочетание «солнечная батарея» или «солнечная панель» постоянно упоминается в контексте устройства электрической природы. Сделано это неслучайно, поскольку точно так же нередко называют и другие солнечные панели или батареи - геоколлекторы.

Несколько гелиоколлекторов смогут обеспечить дом горячей водой и возьмут на себя часть расходов по отоплению

Возможность прямого преобразования энергии солнечного излучения непосредственно в тепло позволяет значительно повысить производительность таких установок. Так, современные геоколлекторы с селективным покрытием вакуумных трубок имеют КПД 70–80% и вполне могут использоваться как в системах горячего водоснабжения, так и для обогрева помещений.

Конструкция солнечного коллектора с вакуумными трубками позволяет минимизировать теплопередачу во внешнюю среду

Возвращаясь к вопросу о том, можно ли использовать электрическую солнечную панель для питания отопительных приборов, давайте рассмотрим, сколько тепла понадобится, например, для дома в 70 кв. метров. Исходя из стандартных рекомендаций в 100 Вт тепла на 1 кв. м площади помещения, получим затраты 7кВт энергии в час или примерно 70 кВт×ч в сутки (обогревающие приборы ведь не будут включены постоянно).

То есть 10 самодельных батарей общей площадью 52 кв.м. Представляете себе махину шириной, скажем, 4 м и длиной более 13 м, а также блок из 12-вольтовых аккумуляторов суммарной ёмкостью 7200 ампер-часов? Такая система не сможет даже выйти на самоокупаемость до того, как будет выработан ресурс аккумуляторных батарей. Как видите, говорить о целесообразности применения солнечных батарей в целях отопления пока ещё слишком рано.

Выбор места для установки электрической гелиопанели

Выбирать место, где будет установлена солнечная панель, необходимо ещё на этапе проектирования. Это может быть либо обращённый на юг скат крыши, либо открытая площадка на загородном участке. Второе, конечно же, предпочтительнее в силу нескольких причин:

• установленную внизу солнечную батарею легче обслуживать;
• на земле проще смонтировать поворотное устройство;
• исключается дополнительная нагрузка на кровлю и её повреждение при установке гелиосистемы.

Место установки электрической панели должно быть открыто для солнечных лучей в течение всего светового дня, поэтому рядом не должно быть деревьев или построек, тень от которых могла бы падать на её поверхность.

Выбирая место для установки гелиосистемы, обязательно учитывают возможность затенения солнечных батарей окружающими предметами

Второе обстоятельство, вынуждающее искать такую площадку до начала сборки солнечной батареи, связано с определением габаритов панели. Собирая устройство своими руками, мы можем достаточно гибко подходить к выбору его размеров. В итоге можно получить установку, которая идеально впишется в экстерьер.

Приступаем к изготовлению солнечной батареи своими руками

Сделав все необходимые расчёты и определившись с местом для установки солнечной батареи, можно приступать к её изготовлению.

Что понадобится в работе

Кроме купленных фотоэлементов, при постройке электрической гелиопанели понадобятся такие материалы:

• медный многожильный провод;
• припой;
• специальные шины для соединения выводов фотоэлементов;
• диоды Шоттки, рассчитанные на максимальный ток одной ячейки;
• припой;
• деревянные рейки или алюминиевые уголки;
• фанера или OSB;
• ДВП или другой жёсткий листовой диэлектрический материал;
• оргстекло (можно использовать поликарбонат, антибликовые сверхпрозрачные стёкла или поглощающие ИК-лучи оконные стёкла толщиной не менее 4 мм);
• силиконовый герметик;
• саморезы;
• антибактериальная пропитка для дерева;
• масляная краска.

При выборе стекла для солнечной батареи следует выбирать поглощающие ИК-лучи сорта с максимальным светопропусканием и минимальным светоотражением

Для работы понадобится вот такой нехитрый инструмент:

• паяльник;
• ножовка или электролобзик;
• набор отвёрток или шуруповёрт;
• малярные кисти.

Если под солнечную панель будет сооружаться дополнительный кронштейн или поворотная опора, то, соответственно, список материалов и инструментов должен пополнить деревянный брус или металлические уголки, стальной пруток, сварочный аппарат и т. д. При установке СБ на земле площадку можно забетонировать или выложить плиткой.

Инструкция по ходу работ

В качестве примера рассмотрим процесс постройки электрической гелиосистемы из рассматриваемых выше солнечных элементов 3х6 дюйма с напряжением 0.5 В и силой тока до 3А. Для заряда 12-вольтового аккумулятора необходимо, чтобы наша батарея «выдавала» не менее 18 В, то есть понадобится 36 пластин. Сборку следует выполнять поэтапно, иначе не избежать ошибок в работе. Следует помнить, что любые переделки, равно как и излишние манипуляции с фотоэлементами могут привести к их повреждению - эти устройства отличаются повышенной хрупкостью.

Для изготовления полноценной солнечной батареи понадобится несколько десятков фотоэлементов

Изготовление корпуса

Корпус солнечной батареи представляет собой плоский ящик, закрытый с одной стороной фанерой, а с другой - прозрачным стеклом. Для изготовления каркаса можно использовать как алюминиевые уголки, так и деревянные рейки. Второй вариант проще в работе, поэтому для изготовления своей первой панели рекомендуем выбрать его.

Приступая к сооружению солнечной панели, сделайте небольшой чертёж - в дальнейшем это поможет сэкономить время и избежать ошибок с размерами

Из реек сечением 20х20 мм собирают прямоугольный каркас с внешними размерами 118х58 см, усиленный одной поперечиной.

Корпус солнечной батареи представляет собой деревянный щит с бортиками высотой не более 2 см - в таком случае они не будут затенять фотоэлементы

В нижних торцах корпуса, а также в распорной планке сверлят вентиляционные устройства. Они будут сообщать внутреннюю полость с атмосферой, благодаря чему стекло не будет запотевать с внутренней стороны. После этого из листа оргстекла вырезают прямоугольник, соответствующую внешним габаритам рамы.

Проделанные в рейках отверстия служат для вентиляции внутреннего пространства панели

Обратную сторону короба зашивают фанерой либо OSB. Корпус обрабатывают антисептиком и окрашивают масляной краской.

Чтобы защитить деревянный корпус от атмосферных воздействий, его окрашивают масляной краской

По размеру внутренних полостей корпуса вырезают 2 подложки для фотоэлементов. Их использование во время монтажа пластин не только сделает работу удобнее, но и снизит риск повреждения хрупкого стекла. Для подложек можно взять любой плотный материал - ДВП, текстолит и т. д. Главное, чтобы он не проводил электрический ток и хорошо противостоял нагреву.

В качестве подложек для фотоэлементов можно использовать любой подходящий диэлектрик, например, перфорированную ДВП

Сборка пластин

Сборку пластин начинают с распаковки. Нередко для сохранности фотоэлементов их собирают в стопку и заливают парафином. В этом случае изделия погружают в ёмкость с водой и подогревают на водяной бане. После того как парафин будет растоплен, пластины следует отделить друг от друга и хорошо просушить.

Удаление воска с пакета пластин лучше всего проводить на водяной бане. Способ, который показан на рисунке,зарекомендовал себя не лучшим образом - при кипении пластины начинают вибрировать и ударяться друг о друга

Фотоэлементы раскладывают на подложке таким образом, чтобы их выводы были направлены в нужную сторону. В нашем случае все 36 пластин соединяются последовательно - это позволит «набрать» нужные нам 18 В. Для простоты монтажа следует паять по 6 пластин, получая 6 отдельных цепочек.

Перед пайкой фотоэлементы раскладывают в цепочки нужной длины

Зная принцип формирования солнечных панелей, вы сможете легко подобрать требуемое напряжение и силу тока. Всё очень просто: сначала собирается группа последовательно соединённых пластин, которая даст нужное напряжение. После этого отдельные блоки соединяют параллельно - при этом будет суммироваться их сила тока. Таким образом, можно получить панель любой мощности.

На токопроводящие дорожки фотоэлементов наносится припой и при помощи маломощного паяльника детали соединяются друг с другом.

Покупая более дешёвые фотоэлементы без выводов, будьте готовы к кропотливой работе по пайке проводников

Собрав все шесть групп, в центр каждой пластины необходимо нанести каплю силиконового герметика. Затем цепочки фотоэлементов разворачивают и аккуратно приклеивают к подложке.

Для фиксации фотоэлементов на подложкке используют силиконовый герметик или резиновый клей

К плюсовому выводу каждой цепочки припаивают диод Шоттки - он защитит аккумулятор от разряда через панель в тёмное время суток или при сильной облачности. Используя специальную шину или медную оплётку, отдельные блоки соединяют в единую цепь.

На схеме электрических подключений элементы солнечной панели обведены пунктирной линией

При последовательном соединении плюсовой вывод должен присоединяться к минусовому контакту, а при параллельном - к одноимённому.

Установка пластин в корпус

Собранные на подложке фотоэлементы укладывают в корпус и фиксируют к фанере при помощи саморезов. Отдельные части солнечной батареи соединяют друг с другом медным проводником. Его можно пропустить через одно из вентиляционных отверстий в поперечине - так не будет создаваться помех при установке стекло.

К «плюсу» и «минусу» припаивают многожильный кабель, который выводят наружу через отверстие в нижней части корпуса - он понадобится для подключения панели к аккумулятору. Для предотвращения повреждения пластин, кабель прочно фиксируют к деревянной раме.

После установки пластин все навесные элементы фиксируют при помощи термоклея или герметика

Сверху солнечную батарею накрывают листом оргстекла, который крепят при помощи уголков или саморезов. Чтобы защитить фотоэлементы от влаги, между рамой и стеклом наносят слой силиконового герметика. На этом сборку можно считать законченной - можно выносить солнечную батарею на крышу и подключать к потребителям.

После укладки и фиксации стеклянного покрытия солнечная панель готова к работе

Эффективность работы солнечной батареи зависит от её ориентации на солнце - максимальная мощность достигается при падении солнечных лучей под прямым углом. Чтобы повысить производительность установки, её размещают на поворотном каркасе. Эта конструкция представляет собой деревянную или металлическую раму, установленную на поворотной горизонтальной оси.

Для максимальной эффективности солнечная панель должна быть сориентирована строго на Солнце. Лучше всего с этой задачей справляются автоматические установки, называемые гелиотрекерами

Для поворота и фиксации рамы можно использовать как механический привод (например, цепную передачу), так и подпорную планку со ступенчатой регулировкой. Наиболее совершенные поворотные устройства оснащают узлом вращения в вертикальной плоскости и системой автоматического слежения за Солнцем. Подобную аппаратуру можно собрать, используя шаговые двигатели и современный микроконтроллер, например, Arduino.

Постройка гелиотрекера в домашних условиях - чрезвычайно сложная задача, поэтому чаще всего умельцы обходятся простым каркасом с наклонной или зафиксированной рамой

Подключение солнечной батареи к системе автономного электроснабжения следует выполнять посредством контроллера заряда. Это устройство не только правильно распределит потоки электрической энергии, но и предотвратит глубокий разряд АКБ, увеличивая срок её эксплуатации. Все подключения, включая присоединение 220-вольтового инвертора, следует выполнять медными проводами сечением не менее 3–4 кв. мм - это позволит избежать оммических потерь энергии.

Контроллер заряда солнечной батареи позволит ей работать с максимальной токоотдачей и предохранит аккумуляторы от чрезмерного разряда

Напоследок хотелось бы порекомендовать следить за солнечной батареей не только по индикаторам и стрелкам приборов. Помните о том, что загрязнённое стекло может снизить производительность установки на 50% и более. Не забывайте проводить регулярную уборку, и собранная своими руками установка отплатит вам киловаттами совершенно бесплатной, а главное, экологически чистой энергии.

Видео: сборка солнечной панели своими руками

Сегодня нет никаких преград для сборки солнечной панели своими руками. Нет проблем ни с приобретением фотоэлементов, ни с покупкой контроллера или преобразователя энергии. Надеемся, что эта статья станет для вас отправной точкой на пути к автономному дому, и вы наконец-то возьмётесь за дело. Будем ждать от вас вопросов, идей и предложений относительно конструирования и улучшения солнечных батарей. До новых встреч!

Похожие записи:

Похожие записи не найдены.

Солнечные батареи - источник получения энергии, которую можно направить на выработку электричества или тепла для малоэтажного дома. Вот только солнечные батареи имеют высокую стоимость и недоступны большинству жителей нашей страны. Согласны?

Другое дело, когда сделана солнечная батарея своими руками - затраты значительно уменьшаются, а работает такая конструкция ничуть не хуже, чем панель промышленного производства. Поэтому, если вы всерьез задумываетесь о приобретении альтернативного источника электроэнергии, попытайтесь сделать его своими руками – это не очень сложно.

В статье речь пойдет об изготовлении солнечных батарей. Мы расскажем, какие материалы, и инструменты для этого потребуются. А немного ниже вы найдете пошаговую инструкцию с иллюстрациями, которые наглядно демонстрируют ход работы.

Энергию солнца можно преобразовать в тепловую, когда энергоносителем является жидкость-теплоноситель или в электрическую, собираемую в аккумуляторах. Батарея представляет собой генератор, работающий на принципе фотоэлектрического эффекта.

Преобразование энергии солнца в электроэнергию происходит после попадания солнечных лучей на пластины-фотоэлементы, которые являются основной частью батареи.

При этом световые кванты “отпускают” свои электроны с крайних орбит. Эти свободные электроны дают электрический ток, который проходит через контроллер и скапливается в аккумуляторе, а оттуда поступает энергопотребителям.

Галерея изображений

Материалы для создания солнечной пластины

Приступая к сооружению солнечной батареи необходимо запастись следующими материалами:

• силикатные пластины-фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• шурупы, саморезы;
• силиконовой герметик для наружных работ;
• электрические провода, диоды, клеммы.

Количество требуемых материалов зависит от размера вашей батареи, которая чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Из инструментов вам понадобиться: шуруповёрт или набор отвёрток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для проведения испытаний готовой батареи понадобиться тестер-амперметр.

Теперь рассмотрим самые важные материалы более подробно.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы для батарей бывают трёх видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины характеризуются низким КПД. Размер полезного действия составляет около 10 – 12 %, но зато этот показатель не понижается с течением времени. Продолжительность работы поликристаллов – 10 лет.

Солнечную батарею собирают из модулей, которые в свою очередь составляют из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с жесткими кремниевыми фотоэлементами представляют собой некий сэндвич с последовательно расположенными слоями, закрепленными в алюминиевом профиле

Монокристаллические фотоэлементы могут похвастаться более высоким КПД – 13-25% и долгими сроками работы – свыше 25 лет. Однако со временем КПД монокристаллов снижается.

Монокристаллические преобразователи получают путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что и объясняет наиболее высокую фотопроводимость и производительность.

Пленочные фотопреобразователи получают путем нанесения тонкого слоя аморфного кремния на полимерную гибкую поверхность

Гибкие батареи с аморфным кремнием – самые современные. Фотоэлектрический преобразователь у них напылен или наплавлен на полимерную основу. КПД в районе 5 – 6 %, но пленочные системы крайне удобны в укладке.

Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились сравнительно недавно. Это предельно простой и максимально дешевый вид, но быстрее соперников теряющий потребительские качества.

Нецелесообразно использовать фотоэлементы разного размера. В данном случае максимальный ток, вырабатываемый батарей, будет ограничен током наиболее маленького по размеру элемента. Значит, более крупные пластины не будут работать на полную мощность.

При покупке фотоэлементов поинтересуйтесь у продавца способом доставки, большинство продавцов используют метод воскования, чтобы предотвратить разрушение хрупких элементов

Чаще всего для самодельных батарей используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3х6 дюймов, которые можно заказать в интернет-магазинах типа Е-бай.

Стоимость фотоэлементов достаточно высока, но многие магазины продают так называемые элементы группы В. Изделия, отнесённые к этой группе имеют брак, но пригодны к использованию, а их стоимость ниже, чем у стандартных пластин на 40-60%.

Большинство интернет-магазинов продают фотоэлементы комплектами по 36 или 72 фотоэлектрической преобразовательной пластины. Для соединения отдельных модулей в батарею потребуются шины, для подключения к системе нужны будут клеммы.

Галерея изображений

Солнечная батарея может использоваться в качестве резервного энергоисточника при частом отключении централизованного энергоснабжения. Для автоматического переключения необходимо предусмотреть систему бесперебойного питания.

Подобная система удобна тем, что при использовании традиционного источника электроэнергии одновременно производится зарядка . Оборудование обслуживающее гелиобатарею размещается внутри дома, поэтому необходимо предусмотреть для него специальное помещение.

Жизнь в стиле «Органик», столь популярная идея в последние годы, предполагает гармоничные «отношения» человека с окружающей средой. Камнем преткновения любого экологического подхода является использование полезных ископаемых для получения энергии.

Выбросы токсичных веществ и углекислоты в атмосферу, выделяющихся при сгорании ископаемого топлива, постепенно убивают планету. Поэтому концепция «зеленой энергии», которая не вредит окружающей среде, является базовой основой многих новых энерготехнологий. Одним из таких направлений получения экологически чистой энергии является технология преобразования солнечного света в электрический ток. Да, именно так, речь пойдет о солнечных батареях и возможности установки систем автономного энергообеспечения в загородном доме.

В настоящий момент энергоустановки промышленного изготовления на базе солнечных батарей, применяемые для полного энерго- и теплообеспечения коттеджа, стоят не менее 15-20 тыс. долларов при гарантированном сроке эксплуатации около 25 лет. Стоимость любой гелиевой системы в перерасчете соотношения гарантированного срока эксплуатации к средним годичным затратам на коммунальное содержание загородного дома достаточно высокая: во-первых, сегодня средняя стоимость солнечной энергии соизмерима с покупкой энергоресурсов из центральных энергосетей, во-вторых, требуются одномоментные капитальные вложения для установки системы.

Обычно принято разделять гелиосистемы, предназначенные для тепло- и энергообеспечения. В первом случае используется технология солнечного коллектора, во втором — фотоэлектрический эффект для генерации электрического тока в солнечных батареях. Мы хотим рассказать о возможности самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Технология ручной сборки солнечной энергетической системы достаточно проста и доступна. Практически каждый россиянин может собрать индивидуальные энергосистемы с высоким КПД при сравнительно низких затратах. Это выгодно, доступно и даже модно.

Выбор солнечных элементов для солнечной панели

Приступая к изготовлению солнечной системы, нужно обратить внимание, что при индивидуальной сборке нет необходимости в одномоментной установке полнофункциональной системы, её вполне можно наращивать постепенно. Если первый опыт оказался удачным, то имеет смысл расширять функциональность гелиосистемы.

По своей сути, солнечная батарея — это генератор, работающий на основе фотоэлектрического эффекта и преобразовывающий солнечную энергию в электрическую. Кванты света, попадающие на кремниевую пластину, выбивают электрон с последней атомной орбиты кремния. Этот эффект создает достаточное количество свободных электронов, образующих поток электрического тока.

Перед сборкой батареи нужно определиться в типе фотоэлектрического преобразователя, а именно: монокристаллическом, поликристаллическом и аморфном. Для самостоятельной сборки солнечной батареи выбирают доступные в продаже монокристаллические и поликристаллические солнечные модули.

Вверху: Монокристаллические модули без припаянных контактов. Внизу: Поликристаллические модули с припаянными контактами

Панели на основе поликристаллического кремния имеют достаточно низкий КПД (7-9%), но этот недостаток нивелируется тем, что поликристаллы практически не понижают мощность при облачности и пасмурной погоде, гарантийная долговечность таких элементов составляет около 10 лет. Панели на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 13% при сроке эксплуатации около 25 лет, но эти элементы сильно снижают мощность при отсутствии прямого солнечного света. Показатели КПД кристаллов кремния от разных производителей могут существенно варьироваться. По практике работы солнечных электростанций в полевых условиях можно говорить о сроке службы монокристаллических модулей более 30 лет, а для поликристаллических — более 20 лет. Причем за весь период эксплуатации потеря мощности у кремниевых моно- и поликристаллических элементов составляет не более 10%, когда у тонкопленочных аморфных батарей за первые два года мощность снижается на 10-40%.

Солнечные элементы Evergreen Solar Cells с контактами в наборе 300 шт.

На аукционе Еbay можно приобрести набор Solar Cells для сборки солнечной батареи из 36 и 72 солнечных элементов. Такие наборы доступны в продаже и в России. Как правило, для самостоятельной сборки солнечных батарей используются солнечные модули В-типа, то есть модули, отбракованные на промышленном производстве. Эти модули не теряют своих эксплуатационных показателей и значительно дешевле. Некоторые поставщики предлагают солнечные модули на стеклотекстолитовой плате, что предполагает высокий уровень герметичности элементов, а, соответственно, надежности.

Разработка проекта гелиевой энергосистемы

Проектирование будущей гелиосистемы во многом зависит от способа её установки и монтажа. Солнечные батареи должны быть установлены под наклоном, чтобы обеспечить попадание прямых солнечных лучей под прямым углом. Производительность солнечной панели во многом зависит от интенсивности световой энергии, а также от угла падения солнечных лучей. Размещение солнечной батареи относительно солнца и угол наклона зависит от географического расположения гелиевой системы и времени года.

Сверху вниз: Монокристаллические солнечные панели (по 80 ватт) на даче установлены практически вертикально (зима). Монокристаллические солнечные панели на даче имеют меньший угол (весна)ю Механическая система управления углом наклона солнечной батареи.

Промышленные гелиосистемы часто снабжены датчиками, которые обеспечивают ротационное движение солнечной панели по направлению движения солнечных лучей, а также зеркалами-концентраторами солнечного света. В индивидуальных системах такие элементы значительно усложняют и удорожают систему, поэтому не применяются. Может быть применена простейшая механическая система управлением углом наклона. В зимнее время солнечные панели должны быть установлены практически вертикально, это также защищает панель от налегания снега и обледенения конструкции.

Схема расчета угла наклона солнечной панели в зависимости от времени года

Солнечные батареи устанавливаются с солнечной стороны здания, чтобы обеспечить максимально доступный объем солнечной энергии в светлое время суток. В зависимости от географического расположения и уровня солнцестояния вычисляется угол наклона батареи, который наиболее подходит для вашего местоположения.

При усложнении конструкции можно создать систему управления углом наклона солнечной батареи в зависимости от времени года и углом поворота панели в зависимости от времени суток. Энергоэффективность такой системы будет выше.

При проектировании солнечной системы, которая будет устанавливаться на крышу дома, нужно обязательно выяснить, сможет ли кровельная конструкция выдержать требуемую массу. Самостоятельная разработка проекта предполагает расчет кровельной нагрузки с учетом веса снежного покрова в зимнее время.

Выбор оптимального статического угла наклона для кровельной солнечной системы монокристаллического типа

Для изготовления солнечных панелей можно выбирать различные материалы по удельному весу и другим характеристикам. При выборе материалов конструкции необходимо учитывать максимально допустимую температуру нагрева солнечного элемента, так как температура солнечного модуля, работающего на полную мощность, не должна превышать 250С. При превышении пиковой температуры солнечный модуль резко теряет свою способность преобразовывать солнечный свет в электрический ток. Готовые гелиосистемы для индивидуального использования, как правило, не предполагают охлаждение солнечных элементов. Самостоятельное изготовление может подразумевать охлаждение гелиосистемы или управление углом наклона солнечной панели для обеспечения функциональной температуры модуля, а также выбор соответствующего прозрачного материала, поглощающего ИК-излучение.

Грамотная конструкция солнечной системы позволяет обеспечить требуемую мощность солнечной батареи, которая будет приближаться к номинальной. При расчете конструкции нужно учитывать, что элементы одного типа дают одинаковое напряжение, не зависящее от размера элементов. Причем сила тока у крупноразмерных элементов будет больше, но и батарея будет значительно тяжелее. Для изготовления солнечной системы всегда берутся солнечные модули одного размера, так как максимальный ток будет ограничен максимальным током малого элемента.

Расчеты показывают, что в среднем в ясный солнечный день можно получить с 1 м солнечной панели не более 120 Вт мощности. Такая мощность не обеспечит работу даже компьютера. Система в 10 м дает более 1 кВт энергии и может обеспечивать электроэнергией работу основных бытовых приборов: светильников, телевизора, компьютера. Для семьи из 3-4 человек необходимо около 200-300 кВт в месяц, поэтому солнечная система, установленная с южной стороны, размером 20 м может вполне обеспечить семейные энергопотребности.

Если рассматривать среднестатистические данные по электроснабжению индивидуального жилого дома, то: ежедневное энергопотребление составляет 3 кВт ч, солнечная радиация с весны по осень — 4 кВт ч/м в день, пиковая мощность потребления — 3кВт (при включении стиральной машины, холодильника, утюга и электрочайника). С целью оптимизации энергопотребления для освещения внутри дома важно использовать лампы переменного тока с низким энергопотреблением — светодиодные и люминесцентные.

Изготовление каркаса солнечной батареи

В качестве каркаса солнечной батареи используется алюминиевый уголок. На аукционе Еbay можно приобрести готовые рамы для солнечных батарей. Прозрачное покрытие выбирается по желанию, исходя из характеристик, которые необходимы для данной конструкции.

Комплект рамы со стеклом для солнечной батареи, стоимость от 33 долларов

При выборе прозрачного защитного материала можно также ориентироваться на следующие характеристики материала:

Если рассматривать показатель преломления света в качестве критерия выбора материала. Самый минимальный коэффициент преломления имеет плексиглас, более дешевым вариантом прозрачного материала является отечественное оргстекло, менее подходящим — поликарбонат. В продаже имеется поликарбонат с антиконденсатным покрытием, также этот материал обеспечивает высокий уровень термозащиты. При выборе прозрачных материалов по удельному весу и способности поглощать ИК-спектр лучшим будет поликарбонат. К лучшим прозрачным материалам для солнечных батарей относятся материалы с высоким светопропусканием.

При изготовлении солнечной батареи важно выбирать прозрачные материалы, которые не пропускают ИК-спектр и, таким образом, снижают нагревание кремниевых элементов, теряющих свою мощность при температуре свыше 250С. В промышленности используются специальные стекла, имеющие оксидно-металлическое покрытие. Идеальным стеклом для солнечных панелей считается тот материал, которые пропускает весь спектр кроме ИК-диапазона.

Схема поглощения УФ и ИК излучения различными стеклами.
а) обычное стекло, б) стекло с ИК-поглощением, в) дуплекс с термопоглощающим и обычным стеклом.

Максимальное поглощение ИК-спектра обеспечит защитное силикатное стекло с оксидом железа (Fe 2 O 3), но оно имеет зеленоватый оттенок. ИК-спектр хорошо поглощает любое минеральное стекло за исключением кварцевого, оргстекло и плексиглас относятся к классу органических стекол. Минеральное стекло более устойчиво к повреждениям поверхности, но является очень дорогим и недоступным. Для солнечных батарей также применяется специальное антибликовое сверхпрозрачное стекло, пропускающее до 98% спектра. Также это стекло предполагает поглощение большей части ИК-спектра.

Оптимальный выбор оптических и спектральных характеристик стекла значительно повышает эффективность фотопреобразования солнечной панели.

Солнечная панель в корпусе из оргстекла

Во многих мастер-классах по изготовлению солнечных батарей рекомендуется использовать оргстекло для передней и задней панели. Это позволяет проводить инспекцию контактов. Однако конструкцию из оргстекла сложно назвать полностью герметичной, способной обеспечить бесперебойную эксплуатацию панели в течение 20 лет работы.

Монтаж корпуса солнечной батареи

В мастер-классе показывается изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных элементов размером 81x150 мм. Исходя из этих размеров, можно вычислить размеры будущей солнечной батареи. При расчете размеров важно между элементами делать небольшое расстояние, которое будет учитывать изменение размеров основы под атмосферным воздействием, то есть между элементами должно быть 3-5 мм. Результирующий размер заготовки должен быть 835х690 мм при ширине уголка 35 мм.

	Самодельная солнечная батарея, сделанная с использованием алюминиевого профиля, наиболее похожа на солнечную панель фабричного изготовления. При этом обеспечивается высокая степень герметичности и прочности конструкции.
	Для изготовления берется алюминиевый уголок, и выполняются заготовки рамки 835х690 мм. Чтобы можно было провести крепление метизов, в раме следует сделать отверстия.
	На внутреннюю часть уголка дважды наносится силиконовый герметик.
	Обязательно проследите, чтобы не было незаполненных мест. От качества нанесения герметика зависит герметичность и долговечность батареи.
	Далее в раму кладется прозрачный лист из выбранного материала: поликарбоната, оргстекла, плексигласа, антибликового стекла. Важно силикону дать высохнуть на открытом воздухе, иначе испарения создадут пленку на элементах.
	Стекло нужно тщательно прижать и зафиксировать.
	Для надежного крепления защитного стекла понадобятся метизы. Нужно закрепить 4 угла рамки и по периметру разместить два метиза с длинной стороны рамки и по одному метизу с короткой стороны.
	Метизы фиксируются при помощи шурупов.
	Шурупы плотно затягиваются при помощи шуруповерта.
	Каркас солнечной батареи готов. Перед креплением солнечных элементов, необходимо очистить стекло от пыли.

Подбор и пайка солнечных элементов

В настоящий момент на аукционе Еbay представлен огромный ассортимент изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Набор Solar Cells включает комплект из 36 поликристаллических кремниевых элементов, проводники для элементов и шины, диоды Шотке и карандаш с кислотой для паяния

Так как солнечная батарея, сделанная своими руками, практически в 4 раза дешевле готовой, самостоятельное изготовление — это значительная экономия средств. На Еbay можно приобрести солнечные элементы с дефектами, но они не теряют своей функциональности, таким образом, стоимость солнечной батареи может существенно сократиться, если вы можете дополнительно пожертвовать внешним видом батареи.

Поврежденные фотоэлементы не теряют своей функциональности

При первом опыте лучше приобретать наборы для изготовления солнечных панелей, в продаже имеются солнечные элементы с припаянными проводниками. Пайка контактов — это достаточно сложный процесс, сложность усугубляется хрупкостью солнечных элементов.

Если вы приобрели кремниевые элементы без проводников, то сначала необходимо провести пайку контактов.

	Так выглядит поликристаллический кремниевый элемент без проводников.
	Проводники нарезаются с помощью картонной заготовки.
	Необходимо аккуратно положить проводник на фотоэлемент.
	На место припаивания нанести кислоту для паяния и припой. Проводник для удобства фиксируется с одной стороны тяжелым предметом.
	В таком положении необходимо аккуратно припаять проводник к фотоэлементу. Во время пайки нельзя нажимать на кристалл, потому что он очень хрупкий.

Пайка элементов — это достаточно кропотливая работа. Если не удастся получить нормального соединения, то необходимо повторить работу. По нормативам серебряное напыление на проводнике должно выдерживать 3 цикла пайки при допустимых тепловых режимах, на практике сталкиваешься с тем, что напыление разрушается. Разрушение серебряного напыления происходит из-за использования паяльников с нерегулируемой мощностью (65Вт), этого можно избежать, если понизить мощность следующим образом — нужно последовательно с паяльником включить патрон с лампочкой в 100 Вт. Номинальная мощность нерегулируемого паяльника слишком высока для пайки кремниевых контактов.

Даже если продавцы проводников уверяют, что припой на соединителе имеется, его лучше нанести дополнительно. Во время пайки старайтесь аккуратно обращаться с элементами, при минимальном усилии они лопаются; не стоит складывать элементы пачкой, от веса нижние элементы могут треснуть.

Сборка и пайка солнечной батареи

При первой самостоятельной сборке солнечной батареи лучше воспользоваться разметочной подложкой, которая поможет расположить элементы ровно на некотором расстоянии друг от друга (5 мм).

Разметочная подложка для элементов солнечной батареи

Основа выполняется из листа фанеры с маркированием уголков. После пайки на каждый элемент с обратной стороны крепится кусок монтажной ленты, достаточно прижать заднюю панель к скотчу, и все элементы переносятся.

Монтажная лента, использованная для крепления, с обратной стороны солнечного элемента

При таком типе крепления сами элементы дополнительно не герметизируются, они могут свободно расширяться под действием температуры, это не приведет к повреждению солнечной батареи и разрыву контактов и элементов. Герметизации поддаются только соединительные части конструкции. Такой вид крепления больше подходит для опытных образцов, но вряд ли может гарантировать долгосрочную эксплуатацию в полевых условиях.

Последовательный план сборки батареи выглядит так:

	Выкладываем элементы на стеклянную поверхность. Между элементами должно быть расстояние, что предполагает свободное изменение размеров без ущерба конструкции. Элементы нужно прижать грузами.
	Пайку производим по приведенной ниже электросхеме. «Плюсовые» токоведущие дорожки размещены на лицевой стороне элементов, «минусовые» — на обратной стороне. Перед пайкой нужно нанести флюс и припой, после аккуратно припаять серебряные контакты.
	По такому принципу соединяются все солнечные элементы.
	Контакты крайних элементов выводятся на шину, соответственно, на «плюс» и «минус». Для шины используется более широкий серебряный проводник, который имеется в наборе Solar Cells. Рекомендуем также вывести «среднюю» точку, с ее помощью ставятся два дополнительных шунтирующих диода.
	Клемма устанавливается также с внешней стороны рамы.
	Так выглядит схема подключения элементов без выведенной средней точки.
	Так выглядит клеммная планка с выведенной «средней» точкой. «Средняя» точка позволяет на каждую половину батареи поставить шунтирующий диод, который не даст батарее разряжаться при снижении освещения или затемнении одной половины.
	На фото показан шунтирующий диод на «плюсовом» выходе, он противостоит разрядке аккумуляторов через батарею в ночное время и разрядке других батарей во время частичного затемнения. Чаще в качестве шунтирующих диодов используют диоды Шотке. Они дают меньшую потерю на общей мощности электрической цепи. В качестве токовыводящих проводов может быть использован акустический кабель в силиконовой изоляции. Для изоляции можно применить трубки из-под капельницы. Все провода должны быть прочно зафиксированы силиконом.
	Элементы могут быть соединены последовательно (см. фото), а не посредством общей шины, тогда 2-й и 4-й ряд необходимо повернуть на 1800 относительно 1-го ряда.

Основные проблемы сборки солнечной панели связаны с качеством пайки контактов, поэтому специалисты предлагают перед герметизацией панели ее протестировать.

Тестирование панели перед герметизацией, напряжение сети 14 вольт, пиковая мощность 65 Вт

Тестирование можно делать после пайки каждой группы элементов. Если вы обратите внимание на фотографии в мастер-классе, то часть стола под солнечными элементами вырезана. Это сделано намеренно, чтобы определить работоспособность электрической сети после пайки контактов.

Герметизация солнечной панели

Герметизация солнечных панелей при самостоятельном изготовлении — это самый спорный вопрос среди специалистов. С одной стороны, герметизация панелей необходима для повышения долговечности, она всегда применяется при промышленном изготовлении. Для герметизации зарубежные специалисты рекомендуют использовать эпоксидный компаунд «Sylgard 184», который дает прозрачную полимеризованную высокоэластичную поверхность. Стоимость «Sylgard 184» на Еbay составляет около 40 долларов.

Герметик с высокой степенью эластичности «Sylgard 184»

С другой стороны, если вы не хотите нести дополнительные затраты, вполне можно использовать силиконовый герметик. Однако в этом случае не стоит полностью заливать элементы, чтобы избежать их возможного повреждения в процессе эксплуатации. В таком случае элементы к задней панели можно прикрепить при помощи силикона и герметизировать только края конструкции. Насколько эффективна такая герметизация, сказать сложно, но использовать не- рекомендованные гидроизоляционные мастики не советуем, очень высока вероятность разрыва контактов и элементов.

	Перед началом герметизации необходимо подготовить смесь «Sylgard 184».
	Сначала заливаются места стыков элементов. Смесь должна схватиться, чтобы закрепить элементы на стекле.
	После фиксации элементов делается сплошной полимеризирующий слой эластичного герметика, распределить его можно с помощью кисточки.
	Так выглядит поверхность после нанесения герметика. Герметизирующий слой должен просохнуть. После полного высыхания можно закрыть солнечную батарею задней панелью.
	Так выглядит лицевая сторона самодельной солнечной панели после герметизации.

Схема электроснабжения дома

Системы электроснабжения домов с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, то есть системами, обеспечивающими генерацию энергии с использованием фотоэлектрического эффекта. Для индивидуальных жилых домов рассматриваются три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.

Каждая из систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах применяют фотоэлектрические системы с резервными аккумуляторными батареями и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.

Более экономной альтернативой гибридной батарейно-сетевой системе электроснабжения будет безаккумуляторная солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.

Схемы трех типов фотоэлектрических систем

Рассмотрим типичную установку батарейно-сетевой фотоэлектрической системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии.

Гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система с переменным током

Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических системах: на базе постоянного и переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10-15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.

Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:

• суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
• аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
• инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24-48 В;
• контроллер солнечного разряда 40-50 А при напряжении в 24 В;
• источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.

Таким образом, для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов, пример сборки которых приведен в мастер-классе. Каждая панель дает суммарную мощность в 65 Вт. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет пиковую мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования в северной части России.

На сегодняшний день из всех известных человечеству источников альтернативной энергии наиболее популярными являются солнечные панели, батареи и прочие генераторы на основе гелиоэнергии. Учитывая текущую стоимость расходов на энергоресурсы, многие интересуются, где приобрести солнечные панели для своего дома, каковы цены на них и есть ли готовые решения. И поскольку рост курса валюты прямо отражается на платежной способности населения, все больше граждан стремятся узнать побольше о панелях российского производства.

Что такое солнечные панели и как их используют для дома

Несмотря на то что данному виду энергоснабжения домов уже более 30 лет, не так много специалистов в этой области. Почему использование солнечных панелей для частного дома так выгодно? Ответ прост: платить надо только за оборудование и установку, впоследствии энергоноситель бесплатен! В таких странах, как КНР, Соединенные Штаты, Франция, Италия и Германия, до 30 % населения устанавливает на крышу батареи, чтобы пользоваться миллиардами неиссякаемых киловатт солнечной энергии. Если это бесплатно, в чем секрет?

Принцип работы батареи следующий: представим себе полупроводники из кристаллов (например, из кремния), которые преобразовывают кванты света в составляющие электрического тока. Панель содержит сотни тысяч таких кристаллов. В зависимости от требуемой мощности площадь такого покрытия составляет от пары квадратных сантиметров (вспомним калькулятор) до сотен квадратных метров – например, для орбитальных станций.

Несмотря на кажущуюся простоту устройств, их использование на территории России очень ограничено – климатом, погодой, временем года и суток. Плюс к тому, чтобы система подавала ток в сеть, необходимо приобрести:

• аккумулятор, который будет накапливать энергию на случай перепадов напряжения;
• инвертор, который будет переводить постоянный ток в переменный;
• систему, контролирующую заряд аккумулятора.

Кратко о потреблении

Среднестатистическая семья из 4 человек потребляет 250–300 кВт в месяц. Солнечные модули для бытового пользования дают в среднем 100 Вт с 1 кв. м в сутки (в ясную погоду). Для того чтобы питать полностью дом, нужно установить минимум 30, в идеале 40 секций, что обойдется не менее чем в 10 000 у. е. При этом крыша должна быть ориентирована на южную сторону, а количество солнечных дней в месяц в среднем не должно быть не меньше 18–20. Ниже приведена карта солнечных дней.

Вывод: солнечные панели хороши в качестве резервного источника электрической энергии. Кроме того, нужно знать, как их подобрать, чтобы мощности хватало для обеспечения бытовых нужд. Зато, вне зависимости от аварий, ваш дом всегда будет снабжен электричеством.

1. Панели от ЗАО «Телеком-СТВ»

Российская компания «Телеком-СТВ» (г. Зеленоград) производит продукцию в среднем на 30 % дешевле, чем немецкие аналоги: цены начинаются от 5 600 руб. за панели на 100 Вт. Панели данного производителя имеют КПД до 20–21 %. Основной «фишкой» данного предприятия стала запатентованная технология изготовления кремниевых пластин диаметром до 15 мм и солнечных модулей на их основе.

Какую батарею от ЗАО «Телеком-СТВ» можно посмотреть? Наиболее популярная модель носит название ТСМ, далее идет маркировка в зависимости от мощности: от 15 до 230 Вт (цена указана приблизительно).

Основной тип производимых панелей – монокристаллические, хотя каждая модель также может быть представлена в виде мульти (поли-) кристаллической. Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки (см. таблицу).

Выбор, конечно, ограничивается возможностями бюджета, поэтому продолжим обзор других недорогих и надежных устройств от российских производителей.

2. Hevel – завод в Чувашии

Одним из крупнейших производителей солнечных панелей в России является компания «Хевел» . В 2017 году компания провела модернизацию производства и перешла с тонкопленочной на новую гетероструктурную технологию изготовления солнечных модулей. Модули нового поколения сочетают в себе преимущества тонкопленочной и кристаллической технологий, обеспечивают эффективную работу модуля при высоких и низких температурах (от -50 °С до +85°С), а также в условиях рассеянного света. Средний КПД солнечного модуля составляет 20%. По этому показателю модули ГК «Хевел» входят в мировую тройку лидеров. Срок службы модуля составляет не менее 25 лет.

Какую батарею от Hevel можно посмотреть для примера? Вот таблица с параметрами наиболее популярного гетероструктурного модуля:

3. Рязанский ЗМКП

Рязанский завод металлокерамических приборов функционирует с 1963 года, однако с 2002 года перешел на систему международного контроля качества ISO 9001 и выпускает панели строго в соответствии с ее требованиями, а также с нормами ГОСТ 12.2.007-75.

В прейскуранте компании можно найти две актуальные модели RZMP мощностью 130 и 220 Вт. Их КПД варьируется от 12 до 17,1 %. Наносятся солнечные элементы на окрашенную алюминиевую основу методом последовательного соединения. Вот их сравнительные характеристики:

RZMP 130-Т подходит для автономного снабжения отдельных помещений, бытовых приборов (например, нагревательный котел). Более мощная модель, от 220 до 240 Вт, покупается чаще для резервного снабжения всего дома. Ее стоимость варьируется от 13 200 до 14 400 руб. за модуль.

4. Краснодарский «Сатурн»

Панели кубанского производства выпускаются с 1971 года, за этот период предприятие выпустило более 20 000 квадратных метров продукции. «Сатурн» использует две собственно освоенных технологии производства – на основе монокристаллического выращенного кремния или арсенид-галлиевые с германиевой подложкой. Последние показывают максимально высокие характеристики и используются для снабжения ответственных объектов (АЗС, предприятия непрерывного цикла и т. д.)

Оба типа модулей можно выполнить на любом каркасе, от сетки и пленки до металлических (из анодированного алюминия) и струнных типов. Фотоэлектрические преобразователи могут быть:

• с полированной поверхностью;
• со встроенными диодами;
• с алюминиевым зеркалом.

Вот основные энергетические характеристики ФЭП «Сатурн», в зависимости от типа:

Эти характеристики актуальны для носителей любых размеров: на предприятии «Сатурн» можно заказать как сборные модули на крышу коттеджа, так и миниатюрные солнечные панели для датчиков, преобразователей, изделий электротехники, а также аккумуляторные батареи. По прайсам вас сориентируют только в отделе продаж.

5. «Солнечный ветер» (Solar Wind)

Это предприятие расположено в Украине. В России существует аналогичное предприятие, которое выступает скорее в роли инвестора и реализатора. Solar Wind выпускает солнечные модули мощностью от 1 до 15 кВт/ч. В зависимости от назначения и мощности в модуль может входить от пары до нескольких десятков батарей. Так, батарея 1 000 Вт включает 5 модулей, один контроллер заряда на 30 А, аккумулятор 150 А/ч (2 шт. в наборе) и инвертор 1 200 В. Срок службы батареи составляет до 18 лет.

Совет: если вы покупаете оборудование Solar Wind для круглогодичного обеспечения жилого дома энергией, стоит брать не менее 10 кВт/ч.

Чтобы получить представление о возможностях фотоэлектрических систем «Солнечный ветер» (Украина) мощностью от 1 000 до 15 000 Вт, предлагаем сравнительную таблицу из расчета на 1 день потребления.

6. Солнечные батареи «Квант»

НПП «Квант» первым предложило производство кремниевых солнечных батарей с 2-сторонней чувствительностью, а также монокристаллы арсенида галлия. Наиболее популярной моделью сегодня выступает «Квант КСМ» и ее модификация КСМ-180П. Стоимость такой батареи не превышает 18 000 руб., срок службы достигает 40 лет.

Однако приведем характеристики всех модулей. Их можно заказать как в моно-, так и в поликристалической вариации. Удельная энергетическая характеристика выше у монокристаллических панелей и достигает 200 Вт/кв.м. По сравнению с зарубежными аналогами «Квант» оптимален за счет низкой цены и относительно небольшого уменьшения КПД на протяжении всего срока службы.

7. Sun Power – портативные солнечные панели

Компания Sun Power расположена в Украине и большей частью прославилась выпускаемыми перевозными солнечными комплексами. С их помощью можно получить электричество даже в походных условиях. Эти комплексы отличаются своей мобильностью, небольшими размерами и портативностью. Имеют выход USB и обладают мощностью до 500 Вт.

Другие характеристики портативных панелей Sun Power:

• срок службы – до 30 лет;
• имеет международную сертификацию CE RoHC;
• новое поколение панелей может быть также интегрировано в фасад или крышу без потери эстетики.

Удобно использовать подобные решения в автономном освещении билбордов, дорог и участков, питании кемпингов и трейлеров, яхт и катеров.

8. «Квазар» – еще один украинский производитель

Компания «Квазар» выпускает широкий ассортимент фотовольтаического оборудования, в том числе солнечные панели и зарядные устройства. Солнечные батареи Kvazar изготавливаются из кремниевых кристаллов, выращенных на предприятии, и имеют усиленную алюминиевую базу. Гарантия качества, которая выдается производителем, немного настораживает – всего 10 лет. Однако электролюминесцентные и другие лабораторные тестирования подтверждают более длительный срок службы – до 25 лет.

Наш выбор: панели — KV175-200/24 M (монокристаллические), KV220-255M (также моно), KV210-240Р (вариант поли), в маркировке цифры указывают на мощность устройства.

Цена батарей – от 13 000 руб. (приблизительно) за 150 Вт. Кроме гелиопанелей «Квазар» выпускает фотоэлектрические преобразователи ячейками от 4 × 4 до 6 × 6 дюймов с КПД до 18,7 %.

9. ООО «Витасвет»

Московское предприятие ООО «Витасвет» выпускает одну базовую модель SSI-LS200 P3 в четырех вариациях мощности: от 225 до 240 Вт. Каждый модуль состоит из 60 кремниевых пластин типа мультикристалл и крепится на алюминиевый профиль.

Вот их основные параметры, полученные при испытаниях в нормальных условиях 800 Вт/кв.м:

Стоимость – 12 800 руб. за панель мощностью 240 Вт.

10. Завод «Термотрон» (г. Брянск)

Предприятие «Термотрон» производит автономные системы уличного освещения на солнечных батареях и мини-автономные солнечные станции. Первые поставляются на базе серийных модулей с высокой столбовой опорой.

Особенности автономных систем уличного освещения от «Термотрона»:

• температурный диапазон эксплуатации – -40…+50 °C;
• угол раскрытия луча – 135 на 90 градусов;
• гарантированный срок работы – 12 лет в городских условиях;
• высота опоры – от 6 до 11 м;
• мощность – от 30 до 160 Вт.

Автономная станция «Экотерм», выпускаемая заводом, будет интересна владельцам загородных домов и участков. Ее применяют также на фермах, телефонных станциях, для оснащения сельских школ, больниц, магазинов. Станция работает от дизель-генератора 14,5 кВт. Цена вырабатываемой энергии при количестве 18 фотоперерабатывающих элементов – 5,12 руб./кВт, срок окупаемости – до 5 лет (цену станции уточнять у производителя).

Заключение

Мы провели обзор нескольких ведущих предприятий так называемой фотоэнергетики России и Украины, который, надеемся, даст первичное представление о целесообразности применения солнечных батарей и позволит принять верное решение. Это не все бренды, однако наиболее популярные и доступные в продаже таковы.

(Пока оценок нет)

Получение электричества из альтернативных источников питания весьма затратное занятие. Например, использование солнечной энергии при покупке готового оборудования придется потратить значительную сумму денег. Но в наше время возможно собрать солнечные батареи своими руками для дачи или частного дома из готовых фотоэлементов или других подручных материалов. И прежде, чем приступить к покупке необходимых компонентов и проектированию конструкции, необходимо понять, что такое солнечная батарея и ее принцип работы.

Солнечная батарея: что это и как работает

У людей, которые впервые сталкиваются с этой задачей, сразу возникают вопросы: «Как собрать солнечную батарею?» или «Как сделать солнечную батарею?». Но изучив устройство и принцип его работы, проблемы с реализацией данного проекта отпадают сами собой. Ведь конструкция и принцип действия просты и не должны вызвать затруднений при создании источника питания в домашних условиях.

Солнечная батарея (СБ) - это фотоэлектрические преобразователи энергии, излучаемой солнцем, в электрическую, которые соединены в виде массива элементов и заключены в защитную конструкцию . Преобразователи - полупроводниковые элементы из кремния для генерации постоянного тока . Они производятся трех видов:

• Монокристаллический;
• Поликристаллический;
• Аморфный (тонкопленочный).

Принцип работы устройства основан на фотоэлектрическом эффекте . Солнечный свет, падая на фотоэлементы, выбивает свободные электроны с последних орбит каждого атома кремниевой пластины. Перемещение большого количества свободных электронов между электродами батареи вырабатывают постоянный ток. Далее, он преобразовывается в переменный ток для электрификации дома.

Выбор фотоэлементов

До начала проектных работ по созданию панели в домашних условиях нужно выбрать один из трех типов преобразователей солнечной энергии. Для выбора подходящих элементов нужно знать их технические характеристики:

• Монокристаллические . КПД этих пластин 12–14%. Однако, они чувствительны к количеству попадающего света. Небольшая облачность значительно снижает количество вырабатываемого электричества. Срок службы до 30 лет.
• Поликристаллические . Эти элементы способны выдавать КПД 7–9%. Но на них не влияет качество освещенности и они способны выдавать такое же количество тока в облачную и даже пасмурную погоду. Эксплуатационный период - 20 лет.
• Аморфные . Изготавливаются на основе гибкого кремния. Вырабатывают КПД около 10%. Количество производимого электричества не снижается из-за качества погоды. Но дорогое и сложное производство делает их труднодоступными.

Для изготовления СБ своими силами можно приобрести преобразователи типа В (второй сорт). К ним относятся элементы с небольшими дефектами, даже при замене некоторых компонентов себестоимость батарей будет в 2–3 раза меньше рыночной, благодаря этому сэкономите свои средства.

Для обеспечения частного дома электричеством от альтернативного источника энергии лучше всего подходят первые два типа пластин.

Выбор места и проектирование

Батареи лучше располагать по принципу: чем выше, тем лучше . Отличным местом будет крыша дома, на нее не попадает тень от деревьев или других построек. В случае, если конструкция перекрытий не позволяет выдержать вес установки, то место следует выбирать на участке дачи, который больше всего воспринимает излучение от солнца.

Собранные панели необходимо располагать под таким углом, чтобы солнечные лучи максимально перпендикулярно падали на кремниевые элементы . Идеальным вариантом будет наличие возможности корректирования всей установки по направлению за солнцем.

Изготовление батареи своими руками

Обеспечить дом или дачу электричеством в 220 В от солнечной батареи вам не удастся, т.к. размеры такой батареи будут огромны. Одна пластина генерирует электрический ток с напряжением 0,5 В. Оптимальным вариантом считается СБ с номинальным напряжением 18 В. Исходя из этого рассчитывается необходимое количество фотоэлементов для устройства.

Сборка каркаса

В первую очередь самодельная солнечная батарея нуждается в защитной рамке (корпусе) . Ее можно изготовить из алюминиевых уголков 30х30 мм или из деревянных брусков в домашних условиях. При использовании металлического профиля на одной из полок снимается напильником фаска под углом 45 градусов, а вторая полка отрезается под тем же углом. Отрезанные по нужным размерам с обработанными концами детали каркаса скручиваются при помощи угольников из того же материала. К готовой раме на силикон приклеивается защитное стекло.

Спайка пластин

При спаивании элементов в домашних условиях нужно знать, что для увеличения напряжения необходимо соединять последовательно , а для увеличения силы тока - параллельно . Кремневые пластины выкладываются на стекло, оставляя между ними зазор 5 мм с каждой стороны. Этот промежуток необходим для погашения возможного температурного расширения элементов при нагреве. Преобразователи имеют две дорожки: с одной стороны «плюс », с другой - «минус ». Все детали соединяются последовательно в единую цепь. Затем проводники с последних компонентов цепи выводятся на общую шину.

Для избегания саморазряда устройства в ночное время или облачную погоду специалисты рекомендуют предусмотреть монтаж диода Шоттки 31DQ03 или аналога на контакт от «средней» точки.

После окончания паяльных работ при помощи мультиметра необходимо проверить выходное напряжение, которое должно быть 18–19 В для полноценного обеспечения частного дома электроэнергией.

Сборка панели

В готовый корпус укладываются спаянные преобразователи, потом в центр каждого кремневого элемента наносится силикон , и сверху накрывается подложкой из ДВП для их фиксации. После чего конструкция закрывается крышкой, и все стыки герметизируются герметиком или силиконом . Готовая панель монтируется на держатель или каркас.

Солнечные батареи из подручных материалов

Помимо сборки СБ из купленных фотоэлементов их можно собрать из подручных материалов, которые есть у любого радиолюбителя: транзисторов, диодов и фольги.

Батарея из транзисторов

Для этих целей наиболее подходящими деталями являются транзисторы типа КТ или П . Внутри них находится довольно большой кремневый полупроводниковый элемент, необходимый для производства электричества. Подобрав необходимое количество радиодеталей, с них необходимо срезать металлическую крышку. Для этого нужно зажать его в тесках и ножовкой по металлу аккуратно произвести срез верхней части. Внутри можно увидеть пластину, которая будет служить в качестве фотоэлемента.

Транзистор для батареи со спиленной крышечкой

Все эти детали имеют три контакта: база, эмиттер и коллектор. При сборке СБ нужно выбирать коллекторный переход в связи с наибольшей разностью потенциалов.

Сборка осуществляется на ровной плоскости из любого диэлектрического материала. Спаивать транзисторы нужно в отдельные последовательные цепочки , а эти цепочки,в свою очередь соединять параллельно.

Расчет готового источника тока можно производить из характеристик радиодеталей. Один транзистор выдает напряжение 0,35 В и силу тока при КЗ в 0,25 мкА.

Батарея из диодов

Солнечная батарея из диодов Д223Б действительно может стать источником электрического тока. Эти диоды имеют наибольший вольтаж и выполнены в стеклянном корпусе, покрытом краской . Напряжение на выходе готового изделия можно определить из расчета, что один диод на солнце генерирует 350 мВ.

1. Необходимое количество радиодеталей складываем в емкость и заливаем ацетоном или другим растворителем и оставляем на несколько часов.
2. Затем, необходимо взять пластину нужного размера из не металлического материала и выполнить разметку под впаивание компонентов источника питания.
3. После размокания краску можно легко соскрести.
4. Вооружившись мультиметром, на солнце или под лампочкой определяем плюсовой контакт и загибаем его. Диоды впаиваются вертикально , т.к. в таком положении кристалл лучше всего генерирует электричество из энергии солнца. Поэтому на выходе получим максимальное напряжение, которое будет генерировать солнечная батарея.

Помимо описанных выше двух способов источник питания можно собрать из фольги. Самодельная солнечная батарея, сделанная согласно пошаговой инструкции, описанной ниже, сможет давать электроэнергию, хотя и очень малой мощности:

1. Для самоделки понадобится медная фольга площадью 45 кв. см. Отрезанный кусок обрабатывается в мыльном растворе для удаления жира с поверхности. Так же желательно вымыть руки, чтобы не оставлять жировые пятна.
2. Наждаком необходимо удалить защитную оксидную пленку и любой другой вид коррозии с плоскости отреза.
3. На горелку электрической плитки мощностью не меньше 1,1 кВт ложится лист фольги и нагревается до образования красно-оранжевых пятен. При дальнейшем нагреве образовавшиеся окислы превращаются в оксид меди. Этому свидетельствует черный цвет поверхности куска.
4. После образования оксида нагрев необходимо продолжать в течение 30 минут , чтобы образовалась оксидная пленка достаточной толщины.
5. Прожарка останавливается, и лист остывает вместе с печкой. При медленном охлаждении медь и оксид остывают с разной скоростью, что способствует последнему легко отслоиться.
6. Под проточной водой удаляются остатки оксида . При этом нельзя сгибать лист и механически отдирать мелкие кусочки, чтобы не повредить тонкий слой окиси.
7. Вырезается второй лист по размерам первого.
8. В пластиковый бутыль объемом 2–5 литров с обрезанным горлом нужно поместить два куска фольги. Закрепить их зажимами «крокодил». Располагать их надо, чтобы они не соединялись .
9. К обработанному куску подводится минусовая клемма, а ко второму - плюсовая.
10. В банку заливается солевой раствор. Его уровень должен быть ниже верхней кромки электродов на 2,5 см . Для приготовления смеси 2–4 столовые ложки соли (в зависимости от объема бутылки) растворяются в небольшом количестве воды.

Все солнечные батареи не пригодны для обеспечения дачи или частного дома помещения электричеством в виду своей маломощности. Но они способны служить источником питания для радиоприемников или зарядки мелких электроприборов.

Видео по теме