Главная Козырьки

Изготовление солнечной батареи для дома своими руками. Солнечная батарея своими руками Солнечные элементы с припаянными проводниками

Солнечная энергетика - это просто здорово, но вот в чем проблема: даже одна батарея стоит немалых денег, а для хорошего эффекта нужна не одна, и даже не две. Потому и приходит идея - собрать все самому. Если есть у вас небольшой навык пайки - это сделать просто. Вся сборка заключается в том, чтобы последовательно соединить элементы в дорожки, а дорожки закрепить на корпусе. Сразу скажем о цене. Набор для одной панели (36 штук) стоит в районе 70-80$. А полностью со всеми материалами солнечные батареи своими руками обойдутся вам примерно в 120-150$. Намного меньше, чем заводские. Но нужно сказать, что и по мощности они будут тоже меньше. В среднем каждый фотопреобразователь выдает 0,5 В, если последовательно соединить 36 штук, это будет порядка 18 В.

Немного теории: типы фотоэлементов для солнечных батарей

Самая большая проблема - приобрести фотоэлектрические преобразователи. Это те самые кремниевые пластины, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Вот тут нужно немного разбираться в типах фотоэлементов. Их выпускают двух типов: поликристаллические и монокристаллические. Монокристаллические более дорогие, но имеют более высокий КПД - 20-25%, поликристаллические - дешевле, но и производительность у них меньше - 17-20%. Как их отличить внешне? Поликристаллические имеют ярко-синий цвет. Монокристаллические немного темнее и у них не квадратная, а многогранная форма - квадрат со срезанными краями.

О форме выпуска. Есть фотоэлементы для солнечных батарей с уже припаянными проводниками, а есть наборы, где проводники прилагаются и все нужно паять самостоятельно. Что покупать решает каждый сам, но нужно сказать, что без навыка хотя-бы одну пластину вы повредите, а скорее, не одну. А если и паять умеете не очень… то лучше немного дороже заплатить, но получить уже почти готовые к использованию детали.

Сделать фотоэлементы для солнечных батарей своими руками нереально. Для этого нужно уметь выращивать кристаллы кремния, а потом его еще обрабатывать. Потому нужно знать, где купить. Об этом дальше.

Где и как купить фотоэлементы

Теперь о качестве. На всех китайских площадках типа Ebay или Alibaba продается отбраковка. Те детали, которые не прошли тесты на заводе. Потому идеальной батареи вы не получите. Но цена у них не самая большая, так что можно смириться. Во всяком случае, на первых порах. Соберите пару тестовых солнечных батарей своими руками, набейте руку, а потом можно брать с завода.

Некоторые продают фотоэлементы запаянными в воск. Это предотвращает их порчу при перевозке, но избавиться от воска и не повредить пластины довольно сложно. Нужно все вместе их окунуть в горячую, но не кипящую воду. Подождать пока воск растает, потом аккуратно разъединять. Потом поочередно купать каждую пластину в горячем мыльном растворе, потом окуная в чистую горячую воду. Таких «омовений» моет понадобиться несколько, воду и мыльный раствор придется менять, и не один раз. После того как воск удалите, чистые пластины разложите на махровом полотенце для просушки. Очень хлопотное это дело. Так что лучше покупайте без воска. Так намного проще.

Теперь о покупках на китайских площадках. Конкретно о Ebay и Alibaba. Они проверены, тысячи людей ежедневно там что-то покупают. Система ничем не отличается. После регистрации, как обычно, в строке поиска набираете название элемента. Потом выбираете понравившееся по какой-то причине предложение. Обязательно выбирайте из тех вариантов, где есть бесплатная доставка (на английском free shipping). Если такой пометки нет, то доставку придется оплачивать отдельно. А она часто больше стоимости товара и уж точно больше той разницы, что вы выгадаете на цене.

Ориентироваться нужно не только на цену, но и на рейтинг продавца и на отзывы. Внимательно читайте и состав товара, его параметры и отзывы. Можно с продавцом общаться, только сообщения писать нужно на английском.

По поводу оплаты. Она на этих площадках переводится продавцу только после того, как вы отпишитесь в получении товара. А пока идет доставка, ваши деньги лежат на счете торговой площадки. Оплачивать можно с карты. Если боитесь светить данные карты, воспользуйтесь промежуточными сервисами. Они есть разные, но суть одна - ваша карта не засветится. Есть на этих площадках и возврат товара, но это долгая песня, так что лучше брать у проверенных продавцов (с хорошим рейтингом и отзывами).

Да. Посылка идет в зависимости от региона. И дело не столько в том, как долго она будет идти из Китая, как в том, как скоро ее доставит почта. В лучшем случае - недели три, но может и полтора месяца.

Как собрать

Сборка солнечной батареи своими руками состоит из трех этапов:

Изготовление каркаса.
Пайка солнечных элементов.
Укладка в каркас и герметизация.

Каркас изготовить можно из алюминиевых уголков или из деревянных реек. Но форма каркаса, материалы, последовательность изготовления зависят от способа установки.

Способ первый: установка на окне

Батарею вешают на окне, на раму изнутри помещения или снаружи, но тоже на окне. Тогда нужно делать каркас из алюминиевого уголка, а к нему приклеивать стекло или поликарбонат. В этом случае между фотоэлементами остаются хоть небольшие зазоры, через которые немного света проникает в помещение. Размеры рамы выбираете исходя из размеров ваших фотоэлементов и того, как вы собираетесь их располагать. Также некоторую роль могут сыграть габариты окна. Учтите, что плоскость должна быть ровная - фотоэлектрические преобразователи очень хрупкие, и при малейшем перекосе будут трескаться.

Развернув готовую раму с приклеенным стеклом лицом вниз, на поверхность стекла нанести слой герметика. На герметик, снова-таки лицевой стороной вниз, разложить собранные из фотоэлементов линейки.

Из толстого упругого поролона (толщина не менее 4 см) и куска полиэтиленовой пленки (200 мк) сделать мат: поролон обтянуть пленкой и хорошо скрепить. Лучше полиэтилен спаять, но можно и скотчем воспользоваться, только все стыки должны находиться на одной стороне. Вторая должна быть ровной и гладкой. По размерам мат должен хорошо ложиться в раму (без загибов и усилий).

Уложили мат на фотоэлементы, утопленные в герметике. На него доску, которая по размерам чуть меньше рамы, а на доску солидный груз. Это нехитрое устройство поможет выгнать пузыри воздуха, которые оказались под фотоэлементами. Воздух снижает производительность, причем очень сильно. Потому чем меньше пузырьков будет, тем лучше. Всю конструкцию оставляете на 12 часов.

Теперь время снять груз и отлепить мат. Делаете это медленно и не спеша. Важно не повредить пайку и проводники. Потому тяните плавно, без рывков. После того, как мат сняли, панель нужно оставить на некоторое время - досохнуть. Когда герметик перестанет липнуть, можно навешивать панель и пользоваться.

Вместо длительной процедуры с герметиком можно взять специальную пленку для герметизации. Она называется EVA. Просто сверху на собранную и уложенную на стекло батарею расстилаете пленку и греете ее строительным феном до полной герметизации. Времени уходит в разы меньше.

Способ второй: установка на стене, крыше и т.д.

В этом случае все иначе. Задняя стенка должна быть плотной и не проводящей ток. Возможно - деревянной, фанерной и т.п. Потому имеет смысл и раму сделать из деревянных брусков. Только высота корпуса должна быть небольшой, чтобы тень от бортиков не мешала.

На фото корпус состоит из двух половинок, но это совсем необязательно. Просто легче собирать и укладывать короткие линейки, но соединений в этом случае будет больше. Да. Несколько нюансов: нужно в корпусе предусмотреть несколько отверстий. В нижней части нужны несколько штук для выхода конденсата, а также два отверстия для вывода проводников от батареи.

Затем корпус батареи покрасить белой краской - кремниевые пластины имеют довольно широкий диапазон рабочих температур, но он не безграничен: от -40 o Cдо +50 o C. А летом в закрытой коробке +50 o C набегает легко. Потому и нужен белый цвет, чтобы не перегревались фотопреобразователи. Перегрев, как и переохлаждение, ведет к снижению эффективности. Это, кстати, может стать объяснением непонятного явления: полдень, солнце жарит, а батарея стала давать меньше электричества. А она просто перегрелась. Для южных регионов, наверное, нужно уложить фольгу. Это будет эффективнее. Причем производительность, скорее всего, возрастет: будет улавливаться еще и отраженное фольгой излучение.

После того как краса высохла, можно укладывать собранные дорожки. Но в этот раз лицом вверх. Как их крепить? На каплю термостойкого герметика посредине каждой пластины. Почему не нанести по всей поверхности? Из-за температурного расширения пластина будет менять размеры. Если приклеить ее только посередине, с ней ничего не случиться. Если будет хотя-бы две точки - она рано или поздно лопнет. Потому аккуратно посередине наносите каплю, мягко прижимаете пластину. Не давите - раздавить очень легко.

В некоторых случаях пластины сначала крепились на основу - лист ДВП, выкрашенный в тот же белый цвет. А потом уже на основе закреплялись к корпусу шурупами.

После того, как все линейки уложены, последовательно их соединяете. Чтобы проводники не болтались, их можно зафиксировать несколькими каплями герметика. Вывести провода от элементов можно через днище или через бортик - как удобнее. Протяните их через отверстие, а потом залейте дырку все тем же герметиком. Теперь нужно дать всем соединениям высохнуть. Если накрыть крышкой раньше, на стекле и фотоэлементах образуется налет, который сильно снижает эффективность батареи. Потому ждем как минимум сутки (или столько, сколько указано на упаковке герметика).

Теперь дело за малым - накрыть все стеклом или прозрачным пластиком. Как крепить — дело ваше. Но на первых порах не герметизируйте. По крайней мере, до испытания. Может где-то обнаружится проблема.

И еще один нюанс. Если планируете в систему подключать аккумуляторы, понадобится поставить диод, который будет предотвращать разряд аккумулятора через батарею в ночное время или в плохую погоду. Лучше всего поставить диод «Шоттки». Его подсоединяю к батарее последовательно. Установить его лучше внутри конструкции - при высоких температурах у него уменьшается падение напряжения, т.е. в рабочем состоянии он будет меньше «садить» напряжение.

Как паять элементы для солнечной батареи

Немного об обращении с кремниевыми пластинами. Они очень-очень хрупкие, легко трескаются и ломаются. Потому обращаться нужно с ними с крайней осторожностью, хранить в жесткой таре подальше от детворы.

Работать нужно на ровной твердой поверхности. Если стол покрыт клеенкой, положите лист чего-то твердого. Пластина не должна прогибаться, а всей поверхностью жестко опираться на основу. Причем основание должно быть гладким. Как показывает опыт, идеальный вариант - кусок ламината. Он, жесткий, ровный, гладкий. Паяют на тыльной стороне, не на лицевой.

Для пайки использовать можно флюс или канифоль, любой из составов в маркере для пайки. Тут у каждого свои пристрастия. Но желательно, чтобы состав не оставлял следов на матрице.

Укладываете кремниевую пластину лицом вверх (лицо - синяя сторона). На ней есть две или три дорожки. Их промазываете флюсом или маркером, спиртовым (не водно-спиртовым) раствором канифоли. В комплекте с фотопреобразователями идет обычно тонкая контактная лента. Иногда она нарезана на куски, иногда идет в катушке. Если лента намотана на катушку, отрезать нужно кусок, равный двойной ширине солнечного элемента, плюс 1 см.

На обработанную флюсом полосу припаиваете отрезанный кусок. Лента получается намного длиннее пластинки, весь остаток остается с одной стороны. Старайтесь вести паяльник не отрывая. Насколько это возможно. Для более качественной пайки на кончике жала у вас должна быть капля припоя или олова. Тогда пайка будет качественной. Непропаянных мест быть не должно, хорошо все прогревайте. Но не давите! Особенно по краям. Это очень хрупкие изделия. Поочередно припаиваете ленты на все дорожки. Фотопреобразователи получаются «хвостатые».

Теперь, собственно, о том, как собрать солнечную батарею своими руками. Приступаем к сборке линейки. С обратной стороны пластинки тоже есть дорожки. Теперь «хвост» от верхней пластины припаиваем к нижней. Технология такая же: дорожку промазываем флюсом, потом пропаиваем. Так последовательно соединяем нужное количество фотоэлектрических преобразователей.

В некоторых вариантах на задней стороне не дорожки, а площадки. Тогда пайки меньше, но претензий по качеству может быть больше. В этом случае промазываем флюсом только площадки. И паяем тоже только на них. Вот, собственно, все. Собранные дорожки можно переносить на основание или корпус. Но есть еще множество хитростей.

Так, например, между фотоэлементами нужно выдерживать определенное расстояние (4-5 мм), что без фиксаторов не так и легко. Малейший перекос, и есть возможность порвать проводник, или сломать пластинку. Потому для задания определенного шага на кусок ламината приклеивают строительные крестики (используются при укладке плитки), или делают разметку.

Все проблемы, которые возникают при изготовлении солнечных батарей своими руками, связаны с пайкой. Потому перед герметизацией, а лучше еще и перед переносом линейки на корпус, проверить сборку амперметром. Если все нормально, можно продолжать работу.

Итоги

Теперь вы знаете, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Дело не самое сложное, но требует кропотливой работы.

Солнечная батарея – это несколько фотоэлементов, собранных в одном корпусе, снабжающих электричеством потребителя. Сами фотоэлементы с каждым днем становятся все доступнее, во многом благодаря тому, что их в хорошем качестве стал выпускать Китай.

Выбор фотоэлементов для солнечной батареи

Поликристалл или монокристалл. Однозначного ответа нет, поликристаллические модули дешевле, но у них ниже энергоэффективность. Большинство промышленных производителей отдают предпочтение поликристаллическим фотоэлементам. В России ни те ни другие не производятся, следовательно делаем покупки на com или aliexpress.com.
Размерность. Есть размеры 6х6(156 х 156 мм), 5х5 (127 127 мм), 6х2 (156 х 52 мм) дюйма. Следует брать последние. Дело в том, что все фотоэлементы очень тонкие и хрупкие, легко ломаются при монтаже, поэтому выгоднее сломать маленький фотоэлемент. Также, чем меньше размер одного элемента, тем легче заполнить площадь батареи.
Припаянные контакты. Каждая пластина будет соединяться последовательно с другими, следовательно работать с паяльником придется много. Значительно облегчают эту работу припаянные контакты к панелям. Подключить такие контакты к общей шине будет гораздо проще. Если таких контактов нет, вам придется паять их самостоятельно.

Инструменты и материалы

Материалы:

Алюминиевый уголок 25х25;
Болты 5х10 мм – 8 шт;
Гайки 5 мм – 8 шт;
Стекло 5-6 мм;
Клей – герметик Sylgard 184;
Клей-герметик Ceresit CS 15;
Поликристаллические фотоэлементы;
Флюс фломастер (смесь канифоли и спирта);
Серебряная лента для подключения к фотоэлементам;
Лента для шины;
Припой (нужен тонкий, т.к. чрезмерный нагрев выведет из строя фотоэлемент);
Пенополиуретан (поролон), толщиной 3 см;
Плотная полиэтиленовая пленка 10 мкм.

Инструмент:

Напильник;
Ножовка по металлу с полотном 18;
Дрель, сверла на 5 и 6 мм;
Ключи рожковые;
Паяльник;

Пошаговая фотоинструкция

Максимально подробно рассказано, как своими руками собрать солнечную батарею из фотоэлементов на алюминиевом каркасе.

Сточить напильником углы на одной грани с каждой стороны алюминиевого угла под 45 градусов.

Обрезать уголки ножовкой по металлу под 45 градусов. Для удобства можно воспользоваться стуслом:

С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:

Обрезанный алюминиевый уголок

Делаем скобы для соединения уголков:

Прикладываем уголки срезанными углами друг к другу
Перпендикулярно ставим уголок и на нем намечаем линию отреза Должно получиться 4 соединительных уголка

На сторонах каждой полученной скобы находим центр и сверлим отверстие, диаметром 6 мм:

Находим центр каждой стороны скобы
Отверстие в скобе

Делаем разметку через отверстие в каждой скобе на уголке. Чтобы потом не перепутать, помечаем каждый угол и каждую скобу цифрой:

Разметка отверстий «по месту»
Ставим цифры, чтобы потом не перепутать

Сверлим отверстия в уголке сверлом 5 мм, должно получиться так:

Отверстия в уголке

Собираем рамку с помощью болтов и гаек:

Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:

Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри

Обезжирить поверхность стекла изнутри и разложить фотоэлементы лицевой стороной вниз таким образом, чтобы контактные шины были параллельны:

Соедините между собой фотоэлементы скотчем, так они не распадутся при дальнейших операциях.

Соединить между собой элементы по схеме:

Схема соединения фотоэлементов в батарее

Собираем уплотняющую конструкцию:

Из листа пенополиуретана вырезаем прямоугольник, меньше внутренней части рамки на 1 см с каждой стороны;
Запаиваем получившийся прямоугольник в полиэтиленовую пленку с помощью скотча или паяльника

Конструкция укладывается внутрь рамки:

Поролон укладывается внутрь рамки

Рамка вместе с поролоном переворачивается и снимается. Остаются только уложенные и скрепленные между собой скотчем фотоэлементы:

Снять алюминиевую рамку
Фотоэлементы на поролоне

На всю поверхность фотоэлементов кистью наносится герметик Sylgard 184 и накрывается сверху рамкой со стеклом:

Герметик на фотоэлементах
Накрыть фотоэлементы рамкой со стеклом

Ставим груз на стекло на несколько часов, за это время должны удалиться пузыри воздуха:

Пузыри уходят за 2-3 часа

Через 12 часов снимаем груз и отрываем поролон. Батарея готова к подключению!

Ошибки при сборке солнечной батареи своими руками

Несколько характерных ошибок, совершаемых при самостоятельной сборке панелей, о которых хотелось бы предупредить.

Сборка на каркасе из дерева или ДСП. Солнечная батарея, собранная своими руками, окупается только если служит несколько лет, поэтому ненадежная конструкция из бруса для нее точно не подходит, т.к. разбухнет и потеряет форму через год – два. Конструкция получается громоздкой и тяжелой, плохо поддается транспортировке и переносу.
Небрежное хранение Sylgard 184. Если вы не расходуете всю банку этого клея, после использования его нужно переместить в меньшую тару, чтобы остатки не имели контакта с воздухом внутри нее. В противном случае, спустя полгода хранения весь клей может затвердеть.
Использование оргстекла. Батарея всегда находится на солнце (в этом её суть), поэтому сильно греется. Оргстекло очень плохо отводит тепло от фотоэлементов. Это снижает их эффективность. Каждый градус выше 25 °С снижает эффективность на 0,45%. Но это не главный минус оргстекла! При температуре больше 50 °С оно деформируется во всех плоскостях, разрывая контакты внутри схемы, разгерметизируя батарею и приводя ее в негодность.
Недостаточное внимание изолированию соединений. При сборке солнечных батарей для своего дома своими руками лучше использовать специальные коннекторы (MC4), соединяющие несколько панелей в единую сеть. Дело в том, что в дальнейшем, возможно, их придется демонтировать для ремонта, поворота в другую сторону, замены элементов и т.д. Скручивать контакты «намертво» или использовать для этой цели соединительные клеммы, которые предназначены для внутренних работ – не наилучший вариант.

Долгое время уделом солнечных батарей были либо громоздкие панели спутников и космических станций, либо маломощные фотоэлементы карманных калькуляторов. Это было связано с примитивностью первых монокристаллических кремниевых фотоэлементов: они имели не только низкий КПД (не более 25% в теории, на практике – около 7%), но и заметно теряли эффективность при отклонении угла падения света от 90˚. Учитывая, что в Европе в облачную погоду удельная мощность солнечного излучения может падать ниже 100 Вт/м 2 , для получения сколько-нибудь значительной мощности требовались слишком большие площади солнечных батарей. Поэтому первые солнечные электростанции строились только в условиях максимальной мощности светового потока и ясной погоды, то есть в пустынях вблизи экватора.

Значительный прорыв в создании фотоэлементов вернул интерес к солнечной энергетике: так, наиболее дешевые и доступные поликристаллические кремниевые элементы, хотя и имеют меньший КПД, чем у монокристаллических, но зато и менее чувствительны к условиям работы. Солнечная панель на основе поликристаллических пластин выдаст достаточно стабильное напряжение при переменной облачности . Более современные фотоэлементы на основе арсенида галлия имеют КПД до 40%, но слишком дороги для изготовления солнечной батареи своими руками.

На видео идет рассказ об идее постройки солнечной батареи и ее реализации

Стоит ли делать?

Во многих случаях солнечная батарея окажется очень полезной : например, владелец частного дома или дачи, расположенного вдалеке от электросети, сможет даже от компактной панели поддержать свой телефон заряженным, подключить маломощные потребители наподобие автомобильных холодильников.

С этой целью выпускаются и продаются готовые компактные панели, выполненные в виде быстро сворачиваемых сборок на основе из синтетической ткани. В средней полосе России такая панель размером около 30х40 см сможет обеспечить мощность в пределах 5 Вт при напряжении 12 В.

Более крупная батарея сможет обеспечить до 100 Вт электрической мощности. Казалось бы, это не так много, но стоит вспомнить принцип работы небольших : в них вся нагрузка запитывается через импульсный преобразователь от батареи аккумуляторов, которые заряжаются от маломощного ветряка. Таким образом становится возможным использование более мощных потребителей.

Использование аналогичного принципа при постройке домашней солнечной электростанции делает ее более выгодной по сравнению с ветряком: летом солнце светит большую часть дня, в отличие от непостоянного и часто отсутствующего ветра. По этой причине аккумуляторы смогут набирать заряд днем гораздо быстрее, а сама солнечная панель гораздо проще в установке, чем требующий высокой мачты .

Есть свой смысл и в использовании солнечной батареи исключительно как источника аварийного питания. Например, если в частном доме установлен газовый котел отопления с циркуляционными насосами, при отключении электропитания можно через импульсный преобразователь (инвертор) запитать их от аккумуляторов, которые поддерживаются заряженными от солнечной батареи, сохраняя систему отопления работоспособной.

Телевизионный сюжет на эту тему

Углеводороды были и остаются основным источником энергии, однако все чаще человечество обращается к восполнимым и экологически безопасным ресурсам. Это стало причиной повышенного интереса к солнечным батареям и генераторам.

Однако многие не решаются на установку гелиосистемы из-за дороговизны обустройства комплекса. Удешевить продукцию можно, если взяться за ее создание самостоятельно. Сомневаетесь в собственных силах?

Мы расскажем вам, как сделать солнечную батарею своими руками, используя доступные комплектующие. В статье вы найдете всю необходимую информацию для того, чтобы выполнить расчет гелиосистемы, подобрать составляющие комплекса, осуществить сборку и установку фотопанели.

По статистике, взрослый человек ежедневно использует около десятка различных приборов, работающих от сети. Хотя электричество считается относительно экологичным источником энергии, это иллюзия, ведь при его получении используются ресурсы, загрязняющие окружающую среду.

Какие комплектующие нужны и где их купить

Основная деталь – солнечная фотопанель. Обычно кремниевые пластины покупают через интернет с доставкой из Китая или США. Это связано с высокой ценой на комплектующие отечественного производства.

Себестоимость отечественных пластин получается настолько высокой, что выгоднее заказать на Еbay. Что касается брака, то на 100 пластин лишь 2-4 непригодны к использованию. Если заказывать китайские пластины, то риски выше, т.к. качество оставляет желать лучшего. Преимущество – только в цене.

Готовая панель гораздо удобнее в использовании, но и втрое дороже, поэтому лучше все-таки озадачиться поиском комплектующих и собрать устройство своими руками

Остальные комплектующие можно купить в любом магазине электротоваров. Также потребуются оловянный припой, рама, стекло, пленка, лента и карандаш для разметки.

Галерея изображений

В современном мире сложно представить себе существование без электрической энергии. Освещение, отопление, связь и прочие радости комфортной жизни напрямую зависят от неё. Это заставляет искать альтернативные и независимые источники, одним из которых является солнце. Эта область энергетики пока ещё не слишком развита, и промышленные установки стоят недёшево. Выходом станет изготовление солнечных батарей своими руками.

Что такое солнечная батарея

Солнечная батарея представляет собой панель, состоящую из соединённых между собой фотоэлементов. Она напрямую преобразует солнечную энергию в электрический ток. В зависимости от устройства системы, электрическая энергия аккумулируется или сразу идёт на энергообеспечение зданий, механизмов и приборов.

Солнечная батарея состоин из соединённых между собой фотоэлементов

Простейшими фотоэлементами пользовался почти каждый. Они встроены в калькуляторы, фонарики, аккумуляторы для подзарядки электронных гаджетов, садовые фонарики. Но этим использование не ограничивается. Существуют электромобили с подзарядкой от солнца, в космосе это один из основных источников энергии.

В странах с большим количеством солнечных дней батареи устанавливаются на крышах домов и используются для отопления и нагрева воды. Этот вид называют коллекторами, они преобразуют энергию солнца в тепловую.

Нередко электроснабжение целых городов и посёлков происходит только за счёт этого вида энергии. Строятся электростанции, работающие на солнечной радиации. Особенное распространение они получили в США, Японии и Германии.

Устройство

В основе устройства солнечной батареи лежит явление фотоэффекта, открытое в ХХ веке А.Энштейном. Выяснилось, что в некоторых веществах под действием солнечного света или других веществ, происходит отрыв заряженных частиц. Это открытие и привело в 1953 году к созданию первого гелиомодуля.

Материалом для изготовления элементов служат полупроводники - совмещённые пластины из двух материалов с разной проводимостью. Чаще всего для их изготовления используется поликристаллический или монокристаллический кремний с различными добавками.

Под действием солнечного света в одном слое появляется избыток электронов, а в другом - их недостаток. «Лишние» электроны переходят в область с их недостатком, этот процесс получил название р-n переход.

Солнечный элемент состоит из двух полупроводниковых слоём с разной проводимостью

Между материалами, образующими избыток и недостаток электронов, помещён барьерный слой, препятствующий переходу. Это необходимо для того, чтобы ток возникал только при наличии источника потребления энергии.

Попадающие на поверхность фотоны света выбивают электроны и снабжают их необходимой энергией для преодоления барьерного слоя. Отрицательные электроны переходят из р-проводника в n-проводник, а положительные совершают обратный путь.

За счёт разной проводимости материалов полупроводника удаётся создать направленное движение электронов. Таким образом возникает электрический ток.

Элементы последовательно соединены между собой, образуя панель большей или меньшей площади, которую и называют батареей. Такие батареи можно напрямую подключать к источнику потребления. Но поскольку солнечная активность в течение суток меняется, а ночью прекращается вообще, используют аккумуляторы, накапливающие энергию на время отсутствия солнечного света.

Необходимой составляющей в этом случае является контроллер. Он служит для контроля за зарядкой аккумулятора и отключает батарею при полном заряде.

Вырабатываемый солнечной батареей ток является постоянным, для использования его необходимо преобразовать в переменный. Для этого служит инвертор.

Поскольку все электрические приборы, потребляющие энергию, рассчитаны на определённое напряжение, в системе необходим стабилизатор, обеспечивающий нужные значения.

Между гелиомодулем и потребителем устанавливают дополнительные приборы

Только при наличии всех этих составляющих можно получить функциональную систему, снабжающую энергией потребители и не грозящую вывести их из строя.

Виды элементов для модулей

Существует три основных типа гелиопанелей: поликристаллические, монокристаллические и тонкоплёночные. Чаще всего все три типа производятся из кремния с различными добавками. Используются также теллурид кадмия и селенид меди-кадмия, особенно для производства плёночных панелей. Эти добавки способствуют увеличению эффективности ячеек на 5-10 %.

Кристаллические

Самые популярные - монокристаллические. Они изготавливаются из монокристаллов, имеют равномерную структуру. Такие пластины имеют форму многоугольника или прямоугольника со срезанными углами.

Монокристаллическая ячейка имеет форму прямоугольника со скошеными углами

Батарея, собранная из монокристаллических элементов, имеет большую по сравнению с другими видами производительность, её КПД 13 %. Она легка и компактна, не боится небольшого изгиба, может быть установлена на неровную поверхность, срок службы 30 лет.

К недостаткам можно отнести значительное снижение мощности при облачности, вплоть до полного прекращения выработки энергии. Это же происходит и при затемнении, ночью батарея работать не будет.

Поликристаллическая ячейка имеет форму прямоугольника, что позволяет собрать панель без пропусков

Поликристаллические производятся методом литья, имеют прямоугольную или квадратную форму и неоднородную структуру. Эффективность их ниже монокристаллических, КПД всего 7-9 %, но падение выработки при облачности, запылении или в сумерках несущественно.

Поэтому их применяют при устройстве уличного освещения, их же чаще используют самоделкины. Стоимость таких пластин ниже монокристаллов, срок эксплуатации 20 лет.

Плёночные

Токкоплёночные или гибкие элементы изготавливаются из аморфной формы кремния. Гибкость панелей делает их мобильными, свернув рулоном их можно взять с собой в путешествия и иметь независимый источник энергии в любом месте. Это же свойство позволяет монтировать их на криволинейных поверхностях.

Плёночная батарея изготавливается из аморфного кремния

По эффективности плёночные панели уступают кристаллическим в два раза, для производства одинакового количества необходима двойная площадь батареи. Да и долговечностью плёнка не отличается - в первые 2 года их эффективность падает на 20-40 %.

Но при облачности или затемнении выработка энергии сокращается всего на 10-15 %. Несомненным достоинством можно считать их относительную дешевизну.

Из чего можно сделать гелиопанель в домашних условиях

Несмотря на все преимущества батарей промышленного производства, главным их недостатком является высокая цена. Этой неприятности можно избежать, изготовив простейшую панель своими руками из подручных материалов.

Из диодов

Диод - это кристалл в пластиковом корпусе, выступающем в роли линзы. Она концентрирует солнечные лучи на проводнике, в результате возникает электрический ток. Соединив между собой большое количество диодов, получаем солнечную батарею. В качестве платы можно использовать картон.

Проблема в том, что мощность полученной энергии мала, для выработки достаточного количества понадобится огромное количество диодов. По финансовым и трудозатратам такая батарея намного превосходит заводскую, а по мощности сильно ей уступает.

Кроме того, выработка резко падает при уменьшении освещённости. Да и сами диоды ведут себя некорректно - нередко возникает самопроизвольное свечение. То есть сами же диоды потребляют произведённую энергию. Вывод напрашивается сам: неэффективно.

Из транзисторов

Как и в диодах, главный элемент транзистора - кристаллик. Но он заключён в металлический корпус, не пропускающий солнечный свет. Для изготовления батареи крышка корпуса спиливается ножовкой по металлу.

Батарею небольшой мощности можно собрать из транзисторов

Затем элементы крепят к пластине из текстолита или другого материала, подходящего на роль платы, и соединяют между собой. Таким способом можно собрать батарею, энергии которой достаточно для работы фонарика или радиоприёмника, но большой мощности ожидать от такого устройства не стоит.

Но в качестве походного источника энергии небольшой мощности вполне подойдёт. Особенно если вас увлекает сам процесс создания и не очень важна практическая польза от результата.

Умельцы предлагают использовать в качестве фотоэлементов CD-диски и даже медные пластины. Портативную зарядку для телефона несложно изготовить из фотоэлементов от садовых фонариков.

Лучшим решением будет покупка готовых пластин. Некоторые интернет-площадки продают модули с небольшим производственным браком по приемлемой цене, они вполне пригодны для использования.

Рациональное размещение батарей

От размещения модулей в большой степени зависит, сколько энергии будет производить система. Чем больше лучей попадёт на фотоэлементы, тем больше они произведут энергии. Для оптимального расположения нужно соблюдать следующие условия:

Важно! Сила тока батареи задаётся производительностью самого слабого элемента. Даже небольшая тень на одном модуле может снизить производительность системы от 10 до 50%.

Как рассчитать необходимую мощность

Прежде чем приступить к сборке батареи, необходимо определиться с требуемой мощностью. От этого зависит количество приобретаемых ячеек и общая площадь готовых батарей.

Система может быть как автономной (самостоятельно обеспечивающей электричеством дом), так и комбинированной, совмещающей энергию солнца и традиционного источника.

Расчёт состоит из трёх шагов:

Выясните общую потребляемую мощность.
Определите достаточную ёмкость аккумуляторной батареи и мощность инвертора.
Вычислите необходимое количество ячеек на основе данных об инсоляции в вашем регионе.

Потребляемая мощность

Для автономной системы определить её можно по вашему электросчётчику. Общее количество потребляемой энергии за месяц разделите на количество дней и получите среднее значение ежедневного потребления.

Если от батареи будет запитана только часть устройств, выясните их мощность по паспорту или маркировке на приборе. Полученные значения умножьте на количество часов работы в сутки. Сложив полученные значения для всех устройств, получите среднее потребление в сутки.

Ёмкость АБ (аккумуляторной батареи) и мощность инвертора

АБ для солнечных систем должны выдерживать большое количество циклов разряда и разряда, иметь малый саморазряд, выдерживать большой ток зарядки, работать при высоких и низких температурах, при этом требовать минимального обслуживания. Эти параметры оптимальны у свинцово-кислотных АБ.

Ещё один немаловажный показатель - ёмкость, максимальный заряд, который может принять и сохранить аккумулятор. Недостаточную ёмкость увеличивают, соединяя АБ параллельно, последовательно или комбинируя оба соединения.

Выяснить необходимое количество АБ поможет расчёт. Рассмотрим его для концентрации запаса энергии на 1 день в АБ ёмкостью 200 А.ч и напряжением 12 В.

Предположим, ежедневная потребность составляет 4800 В.час, выходное напряжение системы 24 В. Учтём, что потери на инверторе составят 20%, введём поправочный коэффициент 1,2.

4800:24х1.2=240 А.ч

Глубина разряда АБ не должны превышать 30-40%, учтём это.

240х0.4= 600 А.ч

Полученное значение втрое превышает ёмкость аккумулятора, поэтому для запаса необходимого количества потребуется 3 АБ, соединённых параллельно. Но при этом напряжение аккумулятора 12 В, чтобы увеличить его в два раза, понадобится ещё 3 АБ, соединённых последовательно.

Для получения напряжения в 48 В соедините параллельно две параллельные цепочки по 4 АБ

Инвертор служит для преобразования постоянного тока в переменный. Выбирают его по пиковой, максимальной нагрузке. На некоторых потребляющих устройствах величина пускового тока значительно выше номинальной. Именно этот показатель и берётся в расчёт. В остальных случаях учитываются номинальные значения.

Имеет значение и форма напряжения. Лучший вариант - чистая синусоида. Для приборов, нечувствительных к перепадам напряжения подойдёт квадратная форма. Следует также учитывать возможность переключения прибора от АБ напрямую к солнечным батареям.

Необходимое количество ячеек

Показатели инсоляции в разных областях сильно отличаются. Для правильного расчёта необходимо знать эти цифры для вашей местности, данные несложно найти в интернете или на метеостанции.

Таблица инсоляции по месяцам для разных регионов

Инсоляция зависит не только от времени года, но и от угла наклона батареи

При расчёте ориентируйтесь на показатели наименьшей инсоляции в течение года, иначе в этот период батарея не будет вырабатывать достаточное количество энергии.

Предположим, минимальные показатели - в январе, 0.69, максимальные - в июле, 5.09.

Поправочные коэффициент для зимнего времени - 0.7, для летнего - 0.5.

Необходимое количество энергии - 4800 Вт.ч.

Одна панель имеет мощность 260 Вт и напряжение 24 В.

Потери на АБ и инверторе составляют 20%.

Вычисляем потребление с учётом потерь: 4800×1,2=5760 Вт·ч=5,76 кВтч.

Определяем производительность одной панели.

Летом: 0,5× 260×5,09= 661,7 Втч.

Зимой: 0,7× 260×0,69=125,5 Втч.

Высчитываем необходимое количество батарей, разделив потребляемую энергию на производительность панелей.

Летом: 5760/661,7=8,7 шт.

Зимой: 5760/125,5=45,8 шт.

Получается, что для полного обеспечения, зимой понадобится в пять раз больше модулей, чем летом. Поэтому стоит сразу устанавливать больше батарей или на зимний период предусмотреть гибридную систему электроснабжения.

Как собрать солнечную батарею своими руками

Сборка состоит из нескольких этапов: изготовление корпуса, пайка элементов, сборка системы и её установка. Прежде чем приступить к работе, запаситесь всем необходимым.

Батарея состоит из нескольких слоёв

Материалы и инструменты

фотоэлементы;
плоские проводники;
спиртово-канифольный флюс;
паяльник;
алюминиевый профиль;
алюминиевые уголки;
метизы;
силиконовый герметик;
ножовка по металлу;
шуруповёрт;
стекло, оргстекло или плексиглаз;
диоды;
измерительные приборы.

Фотоэлементы лучше заказать в комплекте с проводниками, они специально предназначены для этой цели. Другие проводники обладают большей хрупкостью, что может стать проблемой при пайке и сборке. Есть ячейки с уже припаянными проводниками. Стоят они дороже, но существенно экономят время и трудозатраты.

Приобретите пластины с проводниками, это сократит время работы

Рамка корпуса обычно изготавливается из алюминиевого уголка, но возможно использование деревянных реек или брусков квадратного сечения 2х2. Этот вариант менее предпочтителен, так как не обеспечивает достаточную защиту от атмосферного воздействия.

Для прозрачной панели выбирайте материал с минимальным показателем преломления света. Любое препятствие на пути лучей увеличивает потери энергии. Желательно, чтобы материал пропускал как можно меньше инфракрасного излучения.

Важно! Чем больше наргевается панель, тем меньше она вырабатывает энергии.

Расчёт каркаса

Габариты каркаса высчитываются исходя из размеров ячеек. Важно между соседними элементами предусмотреть небольшое расстояние в 3-5 мм и учесть ширина рамки, чтобы она не перекрывала кромки элементов.

Ячейки выпускаются различных типоразмеров, рассмотрим вариант из 36 пластин, размером 81х150 мм. Элементы располагаем в 4 ряда, по 9 штук в одном. Исходя из этих данных, размеры каркаса получаются 835х690 мм.

Изготовление короба

Пайка элементов и сборка модулей

Если элементы приобретены без контактов, сначала их нужно припаять к каждой пластине. Для этого нарежьте проводник на одинаковые отрезки.

Вырежьте из картона прямоугольник нужного размера и намотайте на него проводник, затем разрежьте с обеих сторон.
На каждый проводник нанесите флюс, приложите полоску к элементу.
Аккуратно припаяйте проводник по всей длине ячейки.
Припаяйте проводники к каждой пластине
Ячейки выложите в ряд друг за другом с зазором 3-5 мм и последовательно спаяйте между собой.
При монтаже периодически проверяйте работоспособность модулей
Готовые ряды по 9 ячеек перенесите в корпус и выровняйте относительно друг друга и контура рамки.
Спаяйте параллельно, используя более широкие шины и соблюдая полярность.
Выложите ряды элементов на прозрачную подложку и спаяйте между собой
Выведите контакты «+» и «-».
На каждый элемент нанесите по 4 капли герметика и уложите сверху второе стекло.
Дайте клею высохнуть.
Залейте по периметру герметиком, чтобы внутрь не попадала влага.
Закрепите панель в корпусе при помощи уголков, прикрутив их в боковым сторонам алюминиевого профиля.
Установите при помощи герметика блокировочный диод Шоттке, чтобы исключить разрядку АБ через модуль.
Выходной провод снабдите двухконтактным разъёмом, к нему в дальнейшем подсоедините контроллер.
Прикрутите к рамке уголки для крепления батареи к опоре.

Видео: пайка и сборка солнечного модуля

Батарея готова, осталось её установить. Для более эффективной работы можно изготовить трекер.

Изготовления поворотного механизма

Простейший поворотный механизм несложно изготовить самостоятельно. Принцип его работы основан на системе противовесов.

Из деревянных брусков или алюминиевого профиля соберите опору для батареи в виде стремянки.
С помощью двух подшипников и металлической штанги или трубы установите на вершине батарею так, чтобы она была закреплена по центру большей стороны.
Сориентируйте конструкцию с востока на запад и дождитесь, когда солнце будет в зените.
Поверните панель, чтобы лучи падали на неё вертикально.
Укрепите на одном конце ёмкость с водой, уравновесьте её на другом конце грузом.
В ёмкости проделайте отверстие, чтобы вода понемногу вытекала.

По мере вытекания воды, вес сосуда будет уменьшаться и край панели поднимется вверх, поворачивая батарею за солнцем. Величину отверстия придётся определять опытным путём.

Простейший солнечный трекер изготавливается по принципу водяных часов

Всё, что вам понадобится, это утром налить воды в ёмкость. Такую конструкцию не установишь на крыше, а для садового участка или лужайки перед домом она вполне подойдёт. Есть и другие, более сложные конструкции трекера, но они потребуют больших затрат.

Видео: как изготовить самостоятельно электронный солнечный трекер

Установка батарей

Теперь можно провести испытание, и пользоваться бесплатным электричеством.

Обслуживание модулей

Особенного обслуживания солнечные панели не требуют, ведь у них нет движущихся частей. Для их нормального функционирования достаточно время от времени очищать поверхность от грязи, пыли и птичьего помёта.

Помойте батареи из садового шланга, при хорошем напоре воды для этого не понадобится даже забираться на крышу. Следите за исправностью дополнительного оборудования.

Как скоро окупятся затраты

Не стоит ждать сиюминутной выгоды от гелиосистемы снабжения электричеством. Средняя её окупаемость приблизительно 10 лет для автономной системы дома.

Чем больше вы потребляете энергии, тем быстрее окупятся ваши затраты. Ведь и для маленького, и для большого потребления требуется приобретение дополнительного оборудования: АКБ, инвертора, контроллера, а они оставляют нималую часть расходов.

Учитывайте также срок службы оборудования, да и самих панелей, чтобы не пришлось их менять прежде, чем они окупятся.

Несмотря на всё издержки и недостатки, за солнечной энергией будущее. Солнце относится к возобновляемым источникам энергии и он прослужит, по крайней мере, ещё 5 тысяч лет. Да и наука не стоит на месте, появляются новые материалы для фотоэлементов, с гораздо большим КПД. А значит, скоро они будут доступнее по цене. Но использовать энергию солнца можно уже сейчас.