Как самостоятельно сделать солнечную батарею

Выйти из кабальной зависимости от поставляющих электроэнергию в наши дома компаний, мечта буквально каждого жителя планеты. С каждым годом электричества для бытовых нужд требуется все больше. И в связи со спросом на него, увеличивается и стоимость услуг. Поэтому любой житель нашей страны мечтает перейти на альтернативное электроснабжение. Рассмотрим, как сделать солнечную батарею самостоятельно, что для этого понадобится, и как правильно подключить ее к аккумулятору.

Источник news.pn

Устройство и принцип работы

За описание механизма фотоэлектрического эффекта Альберт Эйнштейн получил нобелевскую премию. А первое преобразование солнечных лучей в электричество стало возможным еще в середине девятнадцатого века, когда француз Александр Беккерель открыл это явление. Правда понадобилось еще 50 лет, чтобы русский ученый Александр Столетов в своей лаборатории смог получить практический результат.

Первый солнечный фотоэлемент из кристаллического кремния разработала компания Bell Laboratories в 1954 году. Именно с этого момента и взяла старт технология, благодаря которой рассчитывают полностью убрать из обихода углеродное топливо. Причем перспективы поистине огромны. С квадратного метра земной поверхности за день можно получить 4.2 кВт/час солнечной энергии. Что эквивалентно расходу одного барреля нефти.

Одна фотоэлектрическая ячейка производит ток, который измеряется в миллиамперах. И чтобы сделать солнечную панель, вырабатывающую электроэнергию достаточной мощности, такие звенья соединяют в модульную конструкцию. Целые массивы, из разного количества фотоэлементов, и составляют солнечную батарею.

Источник remont-system.ru

Из-за сложности и дороговизны изготовления, технология изначально нашла применение только в космической отрасли. Но когда придумали способ производить фотоэлементы из более дешевых материалов, то солнечная батарея пришла и в наши дома. Сначала для портативных калькуляторов, затем для фотоаппаратов и небольших светильников.

Вскоре технология перекочевала из космоса и на землю. Начались создаваться геоэлектрические установки, которые закреплялись на крышах домов. Благодаря такому новшеству, эти здания отключались от проводного электричества и становились автономными. И сейчас уже не редкость встретить многокилометровые поля с установленными на них кремниевыми панелями. Такие электростанции способны обеспечить электроэнергией целые города.

Сложный фотоэлектрический эффект оказался чрезвычайно прост. Но это на сегодняшний день. Ведь еще 50 лет назад не было технологии, позволяющей получать материалы с неустойчивой атомной структурой. А именно это свойство вещества и является ключом к получению энергии. Когда отдельные неустойчивые атомы бомбардируются фотонами света, то из их орбит выбиваются электроны. Вот последние и представляют из себя источник тока.

Источник rusinfo.info

Открытие полупроводников выступило огромным скачком в развитии отрасли получения альтернативных источников электроэнергии. Эти материалы имеют атомы, у которых или слишком много электронов, или очень мало. Деление на катод (излишек) и анод (нехватка) и позволяет при обстреле фотонами света выбивать частицы из атомов с избытком электронов.

Таким способом катод передает их на свободные орбиты аноду. А если создать нагрузку, то электроны возвращаются на свои первоначальные места. Таким образом движение частиц в замкнутом контуре создает электрический ток. А привычное магнитное поле в громоздких электрических генераторах заменяется на поток частиц солнечного излучения.

Виды панелей и их достоинства

Давайте разберемся, из чего делают солнечные батареи. Для изготовления самой первой ячейки использовали селен. Но полученные фотоэлементы имели очень высокую химическую активность и быстро старились. К тому же и КПД было смехотворное – всего 1 %. В поисках замены был опробован кристаллический кремний. Но этот элемент является диэлектриком. Поэтому для проводимости пришлось добавлять различные редкоземельные металлы.

Источник userapi.com

На сегодняшний момент существует три типа фотоэлементов из кремния:

• на монокристаллах;
• поликристаллические;
• аморфные.

Для каждого вида применяется своя технология изготовления. В первом случае слитки кремния проходят самую высокую степень очистки. И только после этого с них срезаются тончайшие слои. А на заключительном этапе получают темно-синие пластины, похожие на стекло и с ярко выраженной электродной сеткой на поверхности.

Монокристаллические фотоэлементы имеют самое высокое КПД – 19 %. А срок эксплуатации рассчитан на 50 лет. Любая ячейка из кремния со временем теряет производительность. И в этом случае лидируют аморфные. Но монокристаллы делают это очень медленно. Построенные из них 40 лет назад батареи еще работают и сохранили 80% своей первоначальной производительности.

Если к электропитанию дома выполнить подключение солнечных панелей с поликристаллическими фотоэлементами, то их замена потребуется через 25 лет. КПД такого устройства хоть и меньше монокристаллического, но еще достаточно неплохое – 15 %. Понижение параметров связано с тем, что в этом случае используется более дешевый кремний. А он не такой чистый. Поэтому изготовленные пластины получаются с более светлым узором, образующим границы между кристаллами.

Источник hab.specstali.ru

Но поликристаллические фотоэлементы имеют и свои плюсы. Во-первых, это сравнительно низкая цена, чем у монокристаллических. Во-вторых, они не так сильно зависимы от низкой облачности и ориентации на светило. А также легче переносят внешние загрязнения. Это делает поликристаллические солнечные батареи намного популярнее для пользователей.

Аморфный кремний не имеет кристаллической структуры. При изготовлении тончайший слой химического элемента наносится либо на стекло, либо полимер. Такие панели работают недолго. Аморфный слой быстро выгорает на солнце и полностью деградирует. Да и КПД составляет только 9 %. Причем со временем быстро падает. Но дешевый способ производства несколько оправдывает их применение в некоторых областях. Например, быстрое снижение КПД нивелирует высокая солнечная активность в пустынях.

Поскольку отрасль считается высоко перспективной, то ее изучение и разработка идет полным ходом. Продолжается поиск новых материалов, которые позволят удешевить производство и максимально повысить КПД. И на сегодняшний день уже получена новая технология по изготовлению пленочных фотоэлементов, которые обладают очень хорошей долговечностью. Да и производительность их выше, чем у сделанных из кремния.

Источник raspberry.com.ua

Тонкопленочные фотоэлементы изготавливают из:

• теллурида кадмия;
• полимеров;
• индия и селенида меди.

Подключение таких солнечных батарей в частном секторе только планируется. А пока их выпуском занимается лишь несколько лидеров в этой отрасли. Гибкие фотоэлементы еще большая редкость. Поэтому использование их в самостоятельном моделировании возможно только в будущем.

Смотрите также:
Каталог компаний, что специализируются на электротехнических работах любой сложности

Фотоэлементы и их замена

Кустарное изготовление солнечной батареи неизбежно будет уступать изделиям промышленных компаний. Даже если использовать самые лучшие материалы. Дело в том, что у производителей налажен скрупулезный отбор фотоэлементов, с выбраковыванием всех, с малейшим занижением параметров.

А для защиты модульных ячеек используется специальное стекло. Оно имеет максимальную способность к пропусканию света. А вот отражающая составляющая в нем снижена. Такой материал в торговые сети просто не поступает.

Источник hdnux.com

Но самая важная составляющая – это наличие лаборатории. Прежде, чем запустить образец в массовое производство, его обкатывают на различных математических моделях. Улучшая систему отвода тепла, снижая зависимость производительности от нагрева. А также происходит поиск оптимального сечения соединительных шин и способа снижения деградации у фотоэлемента.

Но между тем, самостоятельно сделанные солнечные панели имеют право на жизнь. Если не принимать во внимание слишком узкие моменты, то кустарная батарея показывает не такие уж плохие результаты по производительности. А выигрыш в цене получается более, чем в два раза. Главное найти самые подходящие фотоэлементы.

Пленочные для самоделки отпадают даже для тех, кто не ограничен в затратах. Их просто нет в продаже. На аморфные и смотреть не стоит. Слишком низкое КПД и быстрая деградация не оправдает даже низких расходов. Поэтому ориентироваться нужно на кристаллический кремний. И начинать нужно с более дешевых поликристаллов. Кроме оправданной экономии, существует и другая причина для этого выбора. Чтобы работать с монокристаллом, необходим хороший навык.

Источник mywatt.ru

На сегодняшний день рынок уже широко предлагает продукцию из кристаллического кремния. Кроме основных производителей, существует немало мелких компаний, причем на наших отечественных просторах, которые торгуют, как готовыми изделиями, так и их комплектующими. Другое дело, что товар попадается не всегда качественный, а его цена все равно завышена.

Поэтому нужно смотреть в сторону зарубежных торговых площадок. На Taobao, Ebay, Aliexpress и Amazon всегда предложат недорогой товар в широком ассортименте. Причем можно купить не только нужное количество фотоэлементов по отдельности, но и полуготовое изделие. Многие продавцы предлагают удобные наборы для самостоятельной сборки солнечной панели. Можно даже подобрать нужную мощность.

Порой очень выгодно приобретать товар класса «В». Продавец предлагает элемент солнечной батареи с механическими дефектами. Нужно сказать, что небольшие сколы и даже трещины существенно не влияют на производительность фотоэлементов. Зато их стоимость получается гораздо меньше.

Источник pechiexpert.ru

А между тем опытные радиолюбители знают, что сырье для солнечной батареи можно найти буквально под ногами. И даже неплохого качества. Речь идет о старых радиодеталях. Оказывается, что кристаллический кремень можно выпаять из диодов и транзисторов. Но если рассуждать здраво, такой способ заслуживает мало внимания.

Даже самый мощный германиевый транзистор обладает кремнием, который на самом ярком солнце даст силу тока всего в несколько микроампер. Придется изрядно попотеть, чтобы собрать сеть из нескольких сотен полупроводников. И на практике получится изготовить солнечный элемент, разве что для зарядки мобильного телефона. Но если есть желание, в виде эксперимента и для приобретения навыков можно попробовать.

Расчет и проект

Перед тем, как удастся подключить солнечную панель в своем доме, придется проделать немало работы. И прежде всего нужно взяться за расчеты. Желание отказаться от проводного электричества и обзавестись собственной электростанцией есть у каждого. Но нужно хорошо проанализировать возможность реализации такой затеи.

Источник portal-kolomna.ru

Читайте также:
Аккумулятор для солнечных батарей: характеристики и советы для правильного выбора

Сначала изучаем счет на оплату от поставщика электроэнергии. В нем указано, за сколько киловатт требуется погасить задолженность. Это число нужно делить на 30 (количество дней в месяце). Так можно узнать среднюю суточную потребность в электричестве. И предположим, что у нас получилось 10 кВт в сутки.

В идеальных условиях понадобится батарея мощностью 1,5 кВт, чтобы закрыть нашу потребность. Но придется учесть все враждебные обстоятельства. А их немало. Во-первых, батарея будет вырабатывать электричество только днем. Причем наибольшая эффективность приходится на время от девяти утра до четырех пополудни. А это только 70 % генерации от суточной нормы.

Во-вторых, даже легкая дымка в атмосфере снизит токоотдачу в 2-3 раза. А сплошная облачность заставит производительность упасть сразу в 15-20 раз. Поэтому мощность батареи уже нужно увеличивать, как минимум на 40 %. Но это еще не все.

Источник kosmossolar.com

Для накопления электричества понадобится объемный аккумулятор и не менее мощный преобразователь напряжения. Без последнего никак не обойтись, поскольку все бытовые приборы запитываются от тока напряжением 220 В. Но накопление и трансформация неизбежно сопровождаются потерями. Эксперты утверждают, что они доходят до 30 %. Поэтому к ранее прибавленным 40 % плюсуем и это число. И в итоге уже понадобится солнечная батарея от 2,5 до 3 кВт мощностью.

Далее вычисляем количество аккумуляторов. Причем нужны низковольтные, рассчитанные на напряжение в 12, 24 и 48 Вольт. Если использовать обычный автомобильный вариант (12 В), то принимая во внимание суточную норму и неизбежные потери, их понадобится 6 штук. Конечно можно взять лучшие, на 48 В, но это только увеличит общую стоимость всей установки.

Сразу нужно развеять миф, об использовании солнечной батареи для обогрева дома в зимний период. Если к произведенным расчетам добавить вычисления на установку электрических ТЭНов, то в итоге понадобится очень серьезная гелио электрическая станция. И ее самоокупаемости, а тем более экономии, придется ждать долгие годы.

Источник panasonic.com

Что касается размеров батареи, то они опять же зависят от ее мощности, а также от вида фотоэлемента. Если брать элементы с поликристаллическими ячейками, которые выдают напряжение 0,5 В, а силу тока 3 А, то такая мини панель будет со сторонами 3 на 6 дюймов. Как правило, для зарядки аккумулятора их понадобится соединять в блоки по 30 штук. Поскольку мощность одного такого модуля составляет 45 Вт, то уже нетрудно подсчитать необходимое количество блоков для создания необходимой мощности, чтобы закрыть суточные потребности.

Инструкция по изготовлению

Разберемся в подробностях, как самому сделать солнечную батарею. Учитывая вышеизложенные расчеты, для нее понадобится 120 пластин. Для монтажа удобнее всего использовать их размещение в соотношении 1:1. Поэтому нужно уложить 15 рядов по 8 элементов в каждом. При этом два соседних столбика соединяются последовательно. А полученные 4 блока легко состыковать параллельно.

Корпус

Начинать сборку необходимо с создания каркаса. Для этого по нашим размерам делаем рамку из алюминиевых уголков. Можно использовать деревянную квадратную рейку сечением не более 25×25 мм. Чтобы борта каркаса не отбрасывали тень на крайние элементы. Можно в середине рамки для усиления расположить такую же рейку.

Источник oboiman.ru

Обратная сторона корпуса закрывается фанерой или OSB. С нижнего торца высверливаются вентиляционные отверстия для выравнивания влажности. Иначе не избежать запотевания стекла. Последнее должно быть самым высококачественным и с максимальной степенью прозрачности. Его вырезают по внешним размерам корпуса. Для крепления используют уголковые кронштейны.

Можно использовать плексиглас. Тогда его крепят к раме, высверлив по его краям отверстия для саморезов. Деревянный корпус обязательно обрабатывают антибактериальной пропиткой и покрывают масляной краской. Это убережет его от влаги и плесени.

Читайте также:
Альтернативные источники энергии и что можно использовать для частного дома

Пайка пластин

Поскольку укладка будет выполняться в 15 рядов, то рациональнее соединять между собой только по 5 пластин. Чтобы не повредить хрупких деталей. А окончательную сборку проводить на подложке. Для пайки необходим маломощный паяльник (40 Вт) и добротный легкоплавкий припой. При соединении деталей друг с другом необходимо соблюдать полярность.

Собрав небольшую цепочку, нужно ее протестировать. Для этого помещаем пластины под включенную лампу и снимаем показания вольтметром. Запись значений силы тока и напряжения позволит сравнить параметры модулей.

Источник aekvwtunyo.cloudimg.io

После этого на тыльную часть пластин наносится силиконовый герметик. Приклеиваем модули к подложке из обычного ДВП, которую нужно подготовить заранее, вырезав по внутренним размерам рамки. Окончательное соединение элементов проводим по схеме, указанной в самом начале инструкции. А каждый 15-вольтовый блок снабжается диодом Шоттки. Это не позволит разряжаться аккумулятору, когда напряжение панели упадет.

Сборка панели

Собранную подложку помещают внутрь корпуса и закрепляют саморезами. В поперечной рейке, служащей усилением для рамы, заранее высверливаются отверстия для монтажных проводов. Кабель выводят наружу и припаивают к выводам сборки. Лучше использовать двухцветные жилы. Это поможет не ошибиться с полярностью.

На внешнюю лицевую сторону рамки наносится силиконовый герметик сплошным слоем. И уже на него укладывается стекло. Для надежности его фиксируют уголковыми кронштейнами. А выступившие излишки герметика удаляют.

Установка и подключение

В частном секторе обычно панель располагают прямо на наклонном скате крыши дома, надежно фиксируя ее на кровле. При этом выбирают самую солнечную сторону. Но эффективнее установить батарею на ровной плоскости, не имеющей тени в любое время дня. А для этого понадобится еще одна конструкция, которую можно сделать из любых крепких материалов.

В промышленных масштабах применяют автоматизированные подставки, которые снабжены электродвигателями и различными датчиками. Последние следят за положением солнца и передают команду моторам. А те изменяют угол наклона панели. Для бытового использования собирается простая, но крепкая наклонная конструкция, положение которой придется изменять пару раз в день самостоятельно.

Источник pinimg.com

Рассмотрим, как подключить солнечную батарею к аккумуляторам и потребителям. Для этого в первом случае понадобится контролер зарядка. Прибор контролирует токоотдачу и автоматически переключает дом на сетевое питание, когда напряжение в аккумуляторах даст просадку. Контролер подбирается согласно мощности собранной электростанции.

Для питания бытовых приборов, необходимо низковольтное выходное напряжение аккумулятора пропустить через инвертор. Он трансформирует его в 220 В. Оба прибора можно приобрести на месте, а не искать их на западных торговых площадках. Отечественные образцы достаточно надежны и обладают всеми необходимыми характеристиками. К тому же такая покупка подкрепляется реальной гарантией.

Читайте также:
Что надо знать про солнечные батареи для дома: их выбор, размещение и использование

Коротко о главном

Самостоятельно собрать солнечную батарею сложно только на первый взгляд. Если не заниматься изготовлением фотоэлементов, а приобрести уже готовые пластины, то с монтажом модулей справится человек, без специальных узконаправленных знаний. Желательно при этом иметь опыт обращения с паяльником.

Перед сборкой необходимо провести расчеты для определения требуемой мощности панели. Это нужно, чтобы подсчитать количество фотоэлементов, которое уйдет на монтаж. Для этого берется среднее значение потребляемой в сутки электроэнергии и делаются поправки в большую сторону на неизбежные потери при трансформации и накоплении, а также на погодные условия.