Солнечная батарея своими руками (пошагово, фото). Как сделать солнечные батареи своими руками Как собрать солнечные

Желание стать независимым потребителем электричества заставляет проводить эксперименты и опыты в поиске альтернативной экологически чистой энергии.

Одним из набирающих популярность способов является , которые преобразовывают солнечную энергию в привычное для нас электричество.

На рынке оборудования альтернативной энергии достаточно предложений, но стоимость одной системы может доходить до нескольких тысяч долларов. Именно поэтому представляем вашему вниманию подробный обзор по изготовлению солнечных панелей в домашних условиях.

Какие материалы потребуются

Посылка с ячейками Перед тем как приступать к непосредственной сборке панелей, необходимо подготовить материалы, которые будут использоваться.

В первую очередь нам понадобятся фотоэлементы. Делятся они на два вида:

1. Поликристаллические. Фотоэлементы имеют относительно низкий КПД (9-11%), но способны одинаково работать солнечную и пасмурную погоду.
2. Монокристаллические. Этот вид элементов неэффективно работает в пасмурную погоду, но имеет высокий КПД - 15-17%.

Как правило, в домашних условиях используют первый вариант. Все элементы можно приобрести на ресурсах «eBay» и «Aliexpress».

Далее нам понадобятся ячейки для фотоэлементов. Важно купить их одной модели, так как ячейки разных производителей могут не подойти друг к другу и плохо функционировать, не давая ожидаемой мощности. Кроме этого, понадобятся соединительные проводники для фиксации ячеек между собой.

Корпус из алюминиевых уголков - оптимальный выбор Для сборки корпуса понадобятся уголки (1-1,5 длиной) из легкого металла (алюминий).

Некоторые умельцы, чтобы сэкономить, изготовляют корпус из дерева, но это материал быстро придет в негодность из-за постоянного воздействия солнечных лучей, воды, мороза и т.д.

Для защиты можно воспользоваться поликарбонатом или оргстеклом.

Совет специалистов: на многих сайтах можно приобрести поврежденные фотоэлементы или с дефектом, со значительной скидкой. Они имеют неудовлетворительный внешний вид, но работать будут, как новые. Это касается и корпуса панели, которые можно купить уже готовым.

Список необходимых инструментов

Хороший паяльник - залог качественной работы В процессе сборки солнечной панели из поликристаллических фотоэлементов понадобятся следующие инструменты:

• паяльник 25-30 Вт, канифоль, олово;
• паяльная кислота;
• карандаш для подготовки места пайки;
• кусачки;
• пинцет.

Для сборки корпуса:

• деревянные брусья или алюминиевые уголки (размеры индивидуальны);
• шуруповерт;
• силиконовый клей или герметик;
• болты, гайки или другие крепления (метиз);
• пила и ножовка по металлу (для нарезания оргстекла).

Этапы работы

Процесс пайки элементов При покупке всех необходимых материалов и инструментов можно переходить к сборке панели.

Сборка солнечной панели несложное мероприятие, требует определенных навыков пайки и общего понимания схемы.

Пайка проводников панели:

1. При помощи кусачек нарезаем проводники нужной длины.
2. Пинцетом аккуратно вставляем в ячейку отрезанный проводник.
3. Наносим две капли паяльной кислоты и припой. Для точного нанесения припоя лучше использовать настольное увеличительное стекло, которое продается в каждом супермаркете.
4. Аккуратно припаиваем проводник, не нажимая на фотоэлемент.

Вот в принципе и вся пайка. Сам процесс долгий и потребует несколько часов. Желательно после каждого часа работы нужно отдохнуть хотя бы 30 минут. Это позволит идеально припаять фотоэлементы.

Желательно заранее карандашом разметить места, где будут фиксироваться элементы. Это позволит сократить время сборки.

Объединяем ячейки в одну энергосистему:

Преимущества солнечных панелей, собранных своими руками очевидны:

• можно самому заказывать подходящие фотоэлементы различных видов;
• самостоятельно подбирать схемы, проводить сборку и тестировать панель;
• себестоимость готовой конструкции собранной в домашних условиях намного дешевле предлагаемых интернет порталами.

Из минусов можно отметить потраченное время и терпение на сборку. Еще есть шанс ошибиться, если нет определенных навыков в работе с паяльником.

Но в любом случае сборка солнечной панели - это отличный способ стать независимым от общей электроэнергии.

Смотрите видео, в котором опытный пользователь подробно показывает процесс сборки солнечной панели своими руками:

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.

Солнце является неистощимым источником энергии. Люди давно научились тому, как эффективно пользоваться ей. Мы не будем вдаваться в физику процесса, а посмотрим, как можно использовать этот бесплатный энергетический ресурс. Поможет нам в этом самодельная солнечная панель.

Принцип действия

Что представляет собой солнечный элемент? Это специальный модуль, который состоит из огромного количества самых элементарных фотодиодов. Данные полупроводниковые элементы выращивали с использованием специальных технологий в условиях завода на пластинах из кремния.

К сожалению, такие устройства отнюдь не дешевые. Большинство людей не может их приобрести, однако на этот случай есть множество способов изготовить солнечные панели своими руками. И эта батарея вполне сможет создать конкуренцию коммерческим образцам. Причем цена ее будет совсем не сопоставима с тем, что предлагают магазины.

Постройка батареи из кремниевых пластин

Комплект для включает 36 кремниевых пластинок. Они предлагаются с размерами 8*15 сантиметров. Общие показатели мощности составят порядка 76 Вт. Также понадобятся провода для того, чтобы соединить элементы между собой, и диод, который будет выполнять функцию блокировки.

Одна кремниевая пластина выдает 2,1 Вт и 0,53 В при токе до 4 А. Соединять пластины необходимо только последовательно. Лишь таким образом наш источник энергии сможет выдать 76 Вт. На лицевой стороне нанесены две дорожки. Это «минус», а «плюс» расположен на тыльной стороне. Каждую из панелей необходимо расположить с зазором. Должно получиться девять пластин в четыре ряда. При этом второй и четвертый ряды необходимо развернуть наоборот относительно первого. Это требуется для того, чтобы все удобно соединилось в одну цепь. Обязательно нужно учесть диод. Он позволяет предотвратить разряд накопительного аккумулятора в ночное время суток либо в облачный день. «Минус» диода нужно соединить с «плюсом» батареи. Для заряда аккумулятора понадобится специальный контроллер. При помощи инвертора можно получить обычное бытовое напряжение в 220 В.

Сборка солнечных панелей своими руками

Самый малый коэффициент преломления света - у плексигласа. Он и будет использоваться в качестве корпуса. Это достаточно недорогой материал. А если нужно еще дешевле, тогда можно приобрести оргстекло. В худшем случае можно использовать поликарбонат. Но он мало подходит для корпуса по своим характеристикам. В магазинах можно отыскать специальный поликарбонат с покрытием, которое защищено от конденсата. Он позволяет также обеспечить батарее высокий уровень защиты от тепла. Но это еще не все элементы, из которых будет состоять солнечная панель. Своими руками стекло с хорошей прозрачностью несложно подобрать, это одна из основных составляющих конструкции. Кстати, подойдет даже обычное стекло.

Изготовление рамки

При монтаже кремниевые кристаллы необходимо крепить на небольшом расстоянии. Ведь нужно учесть различные атмосферные воздействия, которые могут повлиять на изменения основы. Так, желательно, чтобы расстояние составляло около 5 мм. В результате размер готовой конструкции составит где-то 835*690 мм.

Изготавливается солнечная панель своими руками с использованием профиля из алюминия. Он имеет максимальное сходство с фирменными изделиями. При этом самодельная батарея более герметична и прочна.

Для сборки понадобится уголок из алюминия. Из него делается заготовка для будущей рамки. Размеры - 835*690 мм. Для того чтобы скрепить профили между собой, необходимо заранее сделать технологические отверстия.

Внутреннюю часть профиля следует промазать герметиком на основе силикона. Наносить его нужно очень внимательно, чтобы все места были промазаны. От того, насколько качественно он будет нанесен, полностью зависит эффективность и надежность, которой будет обладать солнечная панель.

Своими руками теперь нужно положить в рамку из профиля лист из заранее подобранного прозрачного материала. Это может быть либо что-нибудь еще. Важный момент: силиконовый слой должен просохнуть. Это нужно учесть обязательно, иначе на кремниевых элементах появится пленка.

На следующем этапе прозрачный материал необходимо хорошо прожать и зафиксировать. Чтобы крепление получилось максимально надежным, следует воспользоваться метизами. Закрепим стекло по периметру и с четырех углов. Теперь солнечная панель, своими руками изготавливаемая, практически готова. Осталось лишь соединить кремниевые элементы между собой.

Пайка кристаллов

Теперь нужно как можно аккуратнее проложить проводник на пластинку из кремния. Далее наносим флюс и припой. Чтобы было удобнее работать, можно зафиксировать проводник с одной стороны чем-нибудь.

В этом положении аккуратно подпаиваем проводник к контактной площадке. Не давите на кристалл паяльником. Он очень хрупкий, вы можете его сломать.

Последние сборочные операции

Если для вас изготовление солнечных панелей своими руками впервой, то лучше использовать специальную разметочную подложку. Она поможет расположить необходимые элементы максимально ровно на необходимом расстоянии. Для того чтобы правильно отрезать провода нужной длины, соединяющие отдельные элементы, следует учесть, что проводник должен припаиваться к контактной площадке. Она немного вынесена за край кристалла. Если сделать предварительные расчеты, то выяснится, что провода должны быть по 155 мм.

Когда будете собирать все это в единую конструкцию, лучше взять лист фанеры или оргстекла. Для удобства кристаллы лучше предварительно расположить горизонтально и зафиксировать. Это легко делается с помощью крестиков для укладки плитки.

После того как вы соедините все элементы между собой, на каждый кристалл с обратной стороны наклейте двухсторонний строительный скотч. Нужно лишь немного прижать заднюю панель, и все кристаллы с легкостью перенесутся на базу.

Такой тип крепления никак ни герметизируется дополнительно. Кристаллы могут расширяться при высоких температурах, но это не страшно. Герметизировать нужно лишь отдельные части.

Теперь при помощи необходимо закрепить все шины и само стекло. Прежде чем заклеивать и полностью собирать батарею, желательно протестировать ее.

Герметизация

Если у вас обычный силиконовый герметик, то не нужно полностью заливать им кристаллы. Так можно исключить риск повреждения. Для заливки этой конструкции нужен не силикон, а эпоксидная смола.

Вот так просто и непринужденно можно получать электрическую энергию почти даром. Теперь рассмотрим, как еще можно сделать солнечные панели своими руками.

Экспериментальная батарея

Эффективные системы для преобразования солнечной энергии требуют наличия фабрик огромных размеров, особого ухода за ними и серьезной суммы денег.

Давайте попробуем изготовить что-то самостоятельно. Все, что понадобится для эксперимента, легко можно купить в хозяйственном магазине или найти на вашей кухне.

Солнечная панель своими руками из фольги

Для сборки понадобится медная фольга. Ее без труда можно найти в гараже или на крайний случай легко приобрести в любом хозяйственном магазине. Для сборки батареи нужно 45 квадратных сантиметров фольги. Также следует купить два «крокодильчика» и маленький мультиметр.

Чтобы получить рабочий солнечный элемент, желательно иметь электрическую печку. Нужно не меньше 1100 Ватт мощности. Она должна накалиться до ярко-красного цвета. Еще подготовьте обычную пластиковую бутылку без горлышка и пару столовых ложек соли. Достаньте из гаража дрель с абразивной насадкой и лист металла.

Приступаем к работе

Первым делам отрежем часть медной фольги такого размера, чтобы она полностью ложилась на электроплитку. От вас потребуется вымыть руки, чтобы на меди не оставалось жирных пятен от пальцев. Медь тоже желательно помыть. Чтобы убрать покрытие с медного листа, воспользуйтесь наждаком.

из медной фольги

Далее очищенный лист кладем на плитку и включаем ее на самый максимум возможностей. Когда плитка начнет греться, вы сможете наблюдать появление на медном листе красивых оранжевых пятен. Затем цвет изменится на черный. Необходимо подержать медь порядка получаса на раскаленной докрасна плитке. Это очень важный момент. Так, толстый слой оксида легко отслаивается, а тонкий будет липнуть. После того как пройдет полчаса, уберите с плиты медь и дайте ей остыть. Вы сможете наблюдать, как от фольги отваливаются куски.

Когда все остынет, оксидная пленка пропадет. Вы сможете легко очистить при помощи воды большую часть черного оксида. Если что-то не отдирается, не стоит и пытаться. Главное - не деформируйте фольгу. В результате деформации можно повредить тонкий слой оксида, он очень нужен для эксперимента. Если его не будет, солнечная панель, своими руками изготовленная, не будет работать.

Сборка

Второй кусок фольги отрежьте по тем же размерам, что и первый. Далее очень аккуратно требуется согнуть две части так, чтобы они вошли в пластиковую бутылку, но при этом не касались друг друга.

Затем цепляйте «крокодильчики» к пластинам. Провод от "нежареной" фольги - к "плюсу", провод от "жареной" - к "минусу". Теперь берем соль и горячую воду. Соль размешивайте до полного растворения. Выльем раствор в нашу бутылку. И теперь можно наблюдать на плоды трудов. Эта самодельная солнечная панель, своими руками сделанная, может быть в дальнейшем немного усовершенствована.

Другие способы использования солнечной энергии

Солнечную энергию уже как только не используют. В космосе она запитывает на Марсе от Солнца питается знаменитый марсоход. А в Соединенных Штатах Америки от Солнца работают дата-центры Google. В тех местах нашей страны, где отсутствует электричество, люди могут посмотреть новости по телевизору. Все это благодаря Солнцу.

А еще данная энергия позволяет обогревать дома. Воздушно-солнечная панель своими руками очень просто изготавливается из пивных банок. Они накапливают тепло и отдают его в жилое помещение. Это эффективно, бесплатно и доступно.

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

История создания и перспективы использования

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

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

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

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

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

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

Солнечная батарея: как это работает

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

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

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

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

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

Классификация и особенности современных фотоэлементов

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

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

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

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

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

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

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

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

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

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

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

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

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

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

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

Расчёт размера батареи

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

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

Постройка самодельной солнечной батареи

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

Правильный выбор места установки - это важно

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

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

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

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

Что понадобится в процессе работы

Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:

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

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

Инструкция по изготовлению

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

Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции

Корпус

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

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

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

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

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

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

Пайка пластин

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

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

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

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

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

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

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

Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами

Сборка панели

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

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

Установка и подключение солнечной батареи к потребителям

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

Чертёж каркаса солнечной батареи

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

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

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

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

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

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, так как 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