Солнечные батареи самостоятельно. Солнечные батареи своими руками. из медной фольги

Перед созданием автор много читал об использовании возобновляемой альтернативной энергии, и больше всего его притягивало использование энергии солнца при помощи солнечных панелей, так как способ наиболее простой и панели не требуют специального обслуживания при эксплуатации. Единственный минус заключался в том, что цена на заводские модели солнечных панелей весьма высока. Поэтому автор решил сделать их сам.

Рассмотрим основные этапы моделирования и создания солнечных панелей.

Основные элементы для создания солнечных панелей автор заказывал через eBay. Основной набор элементов вышел на сумму около 100$, а эпоксидная смола, которая была заказана уже в питерской компании вышла на 1300 рублей на килограмм. Стекла на которые все крепилось вышли по 350 рублей каждое.

Основной целью автор ставил создание качественных солнечных панелей в домашних условиях, которые будут нормально выглядеть и прослужат очень долго. Именно по этой причине автор не стал экономить на оптической эпоксидной смоле и на самих элементах.

Вот так выглядел набор всех основных элементов для сборки солнечной панели. В комплекте с основным набором шли так же шины и карандаш с флюсом, которые понадобятся в процессе пайки элементов:

А вот фотография той самой специальной оптической сверх-прозрачной эпоксидной смолы:

Чтобы проверить прозрачной эпоксидной смолы, а так же скорость ее затвердевания автор для начала применил ее всего на одном элементе. На снимке ниже представлен результат этого действия.

В итоге прозрачность получилась идеальная и цена эпоксидной смолы себя полностью оправдала.

Вдохновившись столь качественным результатом автор продолжил сборку всех элементов в солнечную панель.
Но перед пайкой основных элементов было решено изготовить основу, на которую эти элементы будут крепиться, чтобы в процессе пайки уже можно было ориентироваться на определенные размеры будущей панели.

Была изготовлена алюминиевая рама из уголка. После чего автор нанес слой силиконового герметика и установил стекло. В итоге получилась герметичная рама для фотоэлементов будущей солнечной панели.

Пока рама высыхала, автор приступил к пайке элементов.

Было подготовлено 250 грамм эпоксидной смолы, которую автор нанес на стекло ровным слоем по всей поверхности. Уже в эту смолу установил все 36 элементов в порядке рядов, после чего спаял их между собой.

На этом этапе возникла первая проблема, которую автор не заметил сразу. Сами элементы оказались не полностью плоскими, а слегка выгнутыми к краям, поэтому чтобы надежно прикрепить их смолой к стеклу приходилось аккуратно прижимать тяжелыми предметами и ждать пока они приклеятся, этот процесс занял достаточно много сил, так как сами по себе элементы для солнечной панели весьма хрупкие. Именно по этой причине автор и решил паять элементы прямо внутри рамы, а не заранее. Ведь при переносе уже спаянной конструкции элементов на стекло риск повредить спаянные элементы многократно возрастает. К тому же закрепление элементов на стекле перед пайкой дает ряд преимуществ касательно эстетического вида самой панели. Благодаря такому подходу под элементами не осталось воздушных пузырей и вся конструкция в итоге выглядела монолитно.

Вот фотография панелей уже в собранном состоянии:

Затем он приступил к испытаниям солнечной панели. Для этого он разместил ее фотоэлементами к солнечному свету и замерил ток короткого замыкания, сила которого составила 3.6 А. Именно эта цифра была заявлена в характеристике элементов, а следовательно панель собрана правильно и функционирует в полном объеме.

Ниже представлена фотография тыльной стороны солнечной панели. Как видно все элементы защищены от природных явлений внешней среды (дождь, снег, ветер, грязь), что гарантирует долгий срок их службы.

Панели даже выдерживают вот такой град:

В последнее время все популярнее становится солнечная энергетика.
Мы решили попробовать сделать солнечную батарею своими руками.
Информации в интернете не так много. Чаще всего один и тот же текст перепечатан с одного сайта на другой.
Цель сборки солнечного коллектора своими руками - оценить возможность такой сборки и экономический смысл.
Итак, в Китае заказан комплект поликристаллических солнечных элементов размером 6*6 дюймов для солнечного коллектора. Комплект включал в себя 40 солнечных элементов, карандаш для пайки, а так же соединительная лента для спайки элементов. Для удешевления куплены солнечные элементы класса В, т. е. с дефектами. Дефектные пластины не могут идти на промышленное производство солнечных панелей, но вполне работоспособны. Наша цель уменьшить бюджет.
Заявленные продавцом параметры: мощность одного элемента размером 6*6 дюймов 4Вт, напряжение 0,5В.
Для того, чтобы была возможность заряжать аккумулятор 12В, необходимо собрать панель с напряжением 18В, т. е. понадобится 36 элементов. 4 элемента запасные.
После получения комплекта из 40 солнечных элементов они были изучены. Качество элементов оставляет желать лучшего. Практически все они имеют достаточно серьезные дефекты. Ну ладно, наша цель оценить возможность сборки солнечной панели своими руками.
Купленные элементы не имеют припаянных проводников, поэтому паять их придется самостоятельно.
Как оказалось, это совсем не сложно. После пайки нескольких элементов выработалась определенная технология. Используя паяльник мощностью 25Вт, карандаш для подготовки поверхности пайки и имеющееся олово. Главное не наносить на место пайки много олова, тогда паять легко и делается это достаточно быстро. Проверка соединения повлекла за собой расколовшийся солнечный элемент, т. е. пайка получается достаточно надежной.
После обработки мест пайки карандашом наносим на эти места олово.
После пайки получается достаточно культурное изделие.
Так паяем все 40 элементов.
Паяльником работаем аккуратно. Для работы необходимо выбрать ровную поверхность. Удобнее всего паять на стеклянной поверхности.
Первый припаянный элемент был проверен на улице. Без нагрузки выдает 0.55В. Это дает надежду о реальности получить 18В с 36 элементов, спаянных последовательно.
Нашей целью не являлось конечное изделие, поэтому мы решили не делать корпус для солнечной панели, а ограничиться ровной поверхностью для набора солнечных элементов. Начинаем пайку элементов между собой.
Паять, как уже говорилось, не сложно. Но элементы настолько хрупкие, что требуют очень бережного к ним обращения. После соединения между собой последовательно 12 элементов несколько штук раскололись. Неравномерный цвет солнечных элементов - это качество исходных элементов.
Они, конечно, остались работоспособны, но ожидать от них заявленной мощности уже не придется.
Измеряем ток без нагрузки прямо в помещении. Конечно, эти цифры ничего не скажут, но нам стало интересно.
12 солнечных элементов выдали около 4В.
Несем нашу солнечную панель на улицу. На улице ясное небо и активное солнце.
Панель выдает напряжение без нагрузки около 7В. Т. е. мы получили ожидаемое напряжение.
Некоторые итоги.
Несколько советов по подобной работе. Проводник для соединения солнечных элементов необходимо делать строго в размер, учитывая полную длину одного солнечного элемента, расстояние между элементами и длину проводника на внутренней части солнечного элемента. Дело в том, что на обратной части солнечного элемента необходимо использовать проводник короче, чем сам элемент. Точная подгонка проводника позволит быстро и аккуратно паять элементы. Подрезание уже припаянного проводника грозит сломанным элементом.
Не наносите много олова на место пайки. Оно плохо разогревается, что приводит к более сильному нажатию паяльником. Существует риск расколоть солнечный элемент.
Для сборки солнечной батареи своими руками для начала необходимо подготовить корпус для будущей солнечной батареи. Затем в него уже вставлять и крепить солнечные элементы с припаянными проводниками, а уже затем паять солнечные элементы между собой. Это позволит избежать повреждений при переносе спаянных элементов.
Теперь несколько слов о экономике. Купленный на Ebay комплект обошелся около 3000 руб. Солнечные элементы класса А, т. е. без дефектов, стоят дороже. При условии, что нам бы хватило 40 полученных солнечных элементов на солнечную батарею из 36 этих солнечных элементов, а их мощность соответствовала бы заявленной в 4Вт, то мы бы получили панель с напряжением 18В мощностью 144Вт. Дополнительно придется изготовить своими руками корпус солнечной батареи, затратив какие либо средства.
Заглядываем в интернет и легко находим солнечные батареи заводского производства с подобными характеристиками за 6000 руб.
Нужно ли делать солнечную батарею своими руками? На наш взгляд нет. Солнечная панель заводского производства выиграет по всем параметрам: надежности, долговечности, техническим параметрам и цене.

Содержание:

Обеспечение комфортных условий проживания в современных квартирах и частных домах не может обойтись без электрической энергии, потребность в которой постоянно увеличивается. Однако с достаточной регулярностью увеличиваются и цены на этот энергоноситель. Соответственно возрастают и общие затраты на содержание жилья. Поэтому все более актуальной становится солнечная батарея своими руками для частного дома, наряду с другими альтернативными источниками электроэнергии. Данный способ дает возможность сделать объект энергонезависимым в условиях постоянного роста цен и отключений электричества.

Эффективность солнечных батарей

Проблема автономного электроснабжения приборов и оборудования в частных домах рассматривается уже в течение длительного времени. Одним из вариантов альтернативного питания стала солнечная энергия, которая в современных условиях нашла широкое применение на практике. Единственным фактором, вызывающим сомнения и споры, является эффективность солнечных батарей, которая не всегда оправдывает возлагаемые надежды.

Работа солнечных батарей напрямую зависит от количества солнечной энергии. Таким образом, батареи будут наиболее эффективны в регионах, где преобладают солнечные дни. Даже в самом идеальном варианте эффективность батарей составляет всего 40%, а в реальных условиях этот показатель гораздо ниже. Другое условие нормального функционирования заключается в наличии значительных площадей для монтажа автономных солнечных систем. Если для загородного дома это не является серьезной проблемой, то владельцам квартир приходится решать множество дополнительных технических задач.

Устройство и принцип работы

В основе работы солнечных батарей лежит способность фотоэлементов выполнять преобразование солнечной энергии в электрическую. Все вместе они собираются в виде многоячеистого поля, объединенного в общую систему. Действие солнечной энергии превращает каждую ячейку в источник электрического тока, собирающегося и накапливающегося в аккумуляторных батареях. Размеры общей площади такого поля напрямую влияют на мощность всего устройства. То есть с возрастанием числа фотоэлементов, соответственно увеличивается и количество вырабатываемой электроэнергии.

Это вовсе не означает, что необходимое количество электричества может вырабатываться только на очень больших площадях. Существует множество мелких бытовых приборов, использующих солнечную энергию - калькуляторы, фонарики и другие устройства.

В современных загородных домах все более популярными становятся приборы освещения на солнечных батареях. С помощью этих простых и экономичных устройств освещаются садовые дорожки, террасы и другие необходимые места. В темное время суток используется электроэнергия, накопленная днем, когда светит солнце. Использование экономных ламп позволяет расходовать накопленную электроэнергию в течение длительного времени. Решение основных задач энергоснабжения осуществляется с помощью других, более мощных систем, позволяющих вырабатывать достаточное количество электричества.

Основные виды солнечных батарей

Перед тем как приступать к собственноручному изготовлению солнечных батарей, рекомендуется ознакомиться с их основными видами, чтобы выбрать для себя наиболее подходящий вариант.

Все преобразователи солнечной энергии разделяются на пленочные и кремневые, в соответствии с их устройством и конструктивными особенностями. Первый вариант представлен тонкопленочными батареями, где преобразователи выполнены в виде пленки, изготовленной по специальной технологии. Эти конструкции также известны как полимерные. Их можно устанавливать в любые доступные места, однако, они требуют много места и обладают низким коэффициентом полезного действия. Даже средняя облачность способна снизить эффективность пленочных устройств сразу на 20%.

Кремниевые батареи представлены тремя типами:

. Конструкция состоит из многочисленных ячеек с встроенными кремневыми преобразователями. Они соединяются в одно целое и заполняются силиконом. Отличаются простотой эксплуатации, легкостью, гибкостью, водонепроницаемостью. Но, чтобы обеспечить эффективную работу таких батарей, требуется действие прямых солнечных лучей. Несмотря на сравнительно высокий КПД - до 22%, при наступлении облачности выработка электроэнергии может значительно снизиться или прекратиться полностью.
. По сравнению с монокристаллическими, у них больше преобразователей, размещаемых в ячейках. Их установка выполнена в разных направлениях, что существенно повышает эффективность работы даже при слабом свете. Эти батареи получили наибольшее распространение, особенно в городских условиях.
Аморфные. Обладают низкой эффективностью - всего 6%. Однако, они считаются очень перспективными, благодаря способности к поглощению светового потока во много раз больше, чем у первых двух типов.

Все рассмотренные виды солнечных батарей изготавливаются в заводских условиях, поэтому их цена остается пока еще очень высокой. В связи с этим можно попытаться изготовить солнечную батарею самостоятельно, с использованием недорогих материалов.

Выбор материалов и деталей для изготовления солнечной батареи

Поскольку высокая стоимость автономных источников солнечной энергии делает их недоступными для широкого использования, домашние мастера могут попробовать организовать изготовление солнечных батарей своими руками из подручных материалов. Следует помнить, что при изготовлении батареи невозможно обойтись лишь подручными материалами. Обязательно придется покупать заводские детали, пусть даже и не новые.

В состав преобразователя солнечной энергии входит несколько основных элементов. В первую очередь, это сама батарея определенного типа, которая уже была рассмотрена выше. Далее идет контроллер батареи, контролирующий уровень заряда аккумуляторов полученным электрическим током. Следующим элементом являются аккумуляторы, накапливающие электричество. В обязательном порядке потребуется , преобразующий постоянный ток в переменный. Таким образом, все домашние бытовые приборы, рассчитанные на 220 вольт, смогут нормально работать.

Каждый из этих элементов можно свободно приобрести на рынке электроники. Если же имеются определенные теоретические знания и практические навыки, то большую часть из них можно собрать самостоятельно по типовым схемам, в том числе и контроллер солнечной батареи. Для того чтобы рассчитать мощность преобразователя, необходимо знать, с какой целью он будет использоваться. Это может быть только освещение или отопление, а также полное обеспечение потребностей объекта. В связи с этим будут выбираться материалы и комплектующие детали.

При изготовлении солнечной батареи своими руками, нужно определиться не только с мощностью, но и с рабочим напряжением сети. Дело в том, что сети на солнечной энергии могут работать на постоянном или переменном токе. Последний вариант считается более предпочтительным, так как позволяет разносить электроэнергию потребителям на расстояние свыше 15 метров. При использовании поликристаллических батарей, с одного квадратного метра можно получить, в среднем, за один час примерно 120 Вт. То есть, для получения 300 кВт в месяц потребуются солнечные панели общей площадью 20 м2. Именно столько расходует обычная семья в составе 3-4 человек.

В частных домах и на дачах применяются солнечные панели, каждая из которых включает 36 элементов. Мощность одной панели составляет около 65 Вт. В небольшом частном доме или на даче вполне достаточно 15 панелей, способных вырабатывать электрическую мощность до 5 кВт в час. После выполнения предварительных расчетов можно приобретать преобразующие пластины. Допускается приобретение поврежденных элементов с небольшими дефектами, влияющими только на внешний вид батареи. В рабочем состоянии каждый элемент способен выдавать около 19 В.

Изготовление солнечных батарей

После того как все материалы и детали подготовлены, можно начинать сборку преобразователей. При спаивании элементов нужно предусмотреть зазор на расширение между ними в пределах 5 мм. Паять следует очень внимательно и осторожно. Например, при отсутствии проводков у пластинок, их нужно будет напаять вручную. Для работы понадобится паяльник на 60 ватт, к которому последовательно подключена обычная лампа накаливания на 100 Вт.

Все пластины спаиваются последовательно между собой. Пластины отличаются повышенной хрупкостью, поэтому их спаивание рекомендуется производить с использованием каркаса. Во время распайки в схему совместно с фотопластинками вставляются диоды, предохраняющие фотоэлементы от разряда при снижении уровня освещенности или наступлении полной темноты. С этой целью половинки панели объединяются в общей шине, которая в свою очередь выводится на клеммник, за счет чего и происходит создание средней точки. Те же самые диоды предохраняют аккумуляторные батареи от разряда в ночное время.

Одним из основных условий эффективной работы батарей является качественная пайка всех точек и узлов. Перед тем как устанавливать подложку, эти места обязательно тестируются. Для вывода тока рекомендуется использовать проводники с малым сечением, например, акустический кабель в силиконовой изоляции. Все провода закрепляются с помощью герметика. После этого выбирается материал для поверхности, к которой будут прикрепляться пластины. Наиболее подходящими характеристиками обладает стекло, гораздо лучше пропускающее световой поток, чем карбонат или оргстекло.

При изготовление солнечной батареи из подручных средств, необходимо позаботиться и о коробе. Обычно короб изготавливается из деревянного бруса или алюминиевого уголка, после чего в него на герметик укладывается стекло. Герметик должен заполнить все неровности, а затем полностью высохнуть. За счет этого пыль не попадет внутрь, и фотопластинки в процессе эксплуатации не будут загрязняться.

Далее на стекло устанавливается лист с припаянными фотоэлементами. Он может закрепляться разными способами, однако, наиболее оптимальными вариантами считаются прозрачная эпоксидная смола или герметик. Эпоксидной смолой равномерно покрывается вся поверхность стекла, затем на нее устанавливаются преобразователи. При использовании герметика крепление осуществляется точками в центре каждого элемента. По концу сборки должен получиться герметичный корпус, внутри которого размещается солнечная батарея. Готовое устройство будет выдавать примерно 18-19 вольт, что вполне достаточно для зарядки аккумуляторной батареи на 12 вольт.

Возможность домашнего отопления

После того как самодельная солнечная батарея собрана, каждый хозяин наверняка захочет проверить ее в действии. Наиболее важной проблемой считается отопление дома, поэтому в первую очередь проверяются возможности обогрева за счет солнечной энергии.

Для отопления используется гелиоколлекторы. С помощью вакуумного коллектора солнечный свет превращается в тепло. Тонкие стеклянные трубки заполняются жидкостью, которая нагревается от солнца и передает тепло воде, помещенной в бак-накопитель. В нашем случае этот способ не подходит, поскольку речь идет исключительно о преобразовании солнечной энергии в электрическую.

Все зависит от мощности используемого устройства. В любом случае на нагрев воды в бойлере будет уходить большая часть получаемой энергии. Если 100 литров воды нагреть до 70-80 градусов, понадобится примерно 4 часа времени. Потребление электроэнергии водяным котлом с ТЭНами на 2 кВт составит 8 кВт. При вырабатывании электроэнергии 5 кВт в час, никаких проблем не будет. Однако при площади батарей менее 10 м2 отопление частного дома с их помощью становится невозможным.

являются фотоэлектрические преобразователи (солнечные модули), которые обращают энергию солнечного света в электричество. Для того, чтобы в доме пользоваться бытовыми приборами за счет солнечной батареи, таких модулей должно быть достаточно много.

Энергии, вырабатываемой одним модулем, недостаточно для удовлетворения энергетических потребностей. Между собой фотоэлектрические преобразователи связаны одной последовательной цепью.

Части, из которых состоит солнечная батарея:

Солнечные модули ,объединенные в рамки.В одной рамке объединяются от единиц до нескольких десятков фотоэлектрических элементов. Для обеспечения электроэнергией целого дома понадобится несколько панелей с элементами.
. Служит для накопления получаемой энергии, которую затем можно использовать в темное время суток.
Контроллер . Он следит за разрядкой и зарядкой аккумулятора.
. Преобразует постоянный ток, полученный от солнечных модулей в переменный.

Солнечный модуль (или фотоэлектрический элемент) основан на принципе p-n перехода, и по своему устройству очень напоминает транзистор. Если у транзистора спилить шляпку и на поверхность направить солнечные лучи, то подключенным к нему прибором можно определить мизерный электрический ток. Солнечный модуль работает по такому же принципу, только поверхность перехода у солнечного элемента значительно больше.

Как и многие типы транзисторов, солнечные элементы изготавливаются из кристаллического кремния.

По технологии изготовления и материалам различают три вида модулей:

Монокристаллические . Изготовлены в виде цилиндрических кремниевых слитков. Преимущества элементов заключается в высокой производительности, компактности и в наибольшем сроке службы.
Тонкопленочные . Делается напыление слоев фотоэлектрического преобразователя на тонкую подложку. КПД тонкопленочных модулей относительно невысок (7-13%).
Поликристаллические . Расплавленный кремний заливается в квадратную форму, затем остуженный материал режется на квадратные пластинки. Внешне отличаются от монокристаллических модулей тем, что края углов у поликристаллических пластин не обрезаны.

Аккумулятор. В солнечных батареях наибольшее применение нашли свинцово-кислотные аккумуляторы. Стандартный аккумулятор имеет напряжение 12 вольт, для получения большего напряжения собирают аккумуляторные блоки. Так можно собрать блок напряжением 24 и 48 вольт.

Контроллер заряда солнечных батарей. Контроллер заряда действует по принципу регулятора напряжения в автомобиле. В основном на 12 вольт выдают напряжение от 15 до 20 вольт, и без контроллера могут быть повреждены перегрузкой. При 100% заряженном аккумуляторе контроллер отключает модули и предохраняет аккумулятор от закипания.

Инвертор. Солнечные модули вырабатывают постоянный ток, а для использования бытовых приборов и техники требуется переменный ток и напряжение 220 вольт. Инверторы предназначены для преобразования постоянного тока, делая его переменным.

Выбор комплектующих для изготовления

Чтобы снизить себестоимость солнечной станции, нужно попробовать собрать ее самостоятельно. Для этого потребуется закупить необходимые комплектующие, какие-то элементы можно изготовить самому.

Самостоятельно получится собрать:

рамки с фотоэлектрическими преобразователями;
контроллер зарядки;
инвертор напряжения;

Самые большие затраты будут связаны с приобретением самих солнечных элементов. Детали можно заказать из Китая или на eBay, такой вариант обойдется дешевле.

Благоразумно приобретать работоспособные преобразователи с повреждениями и дефектами – они просто забракованы производителем, но вполне исправны. Нельзя покупать элементы разных размеров и мощности – максимальный ток солнечной батареи будет ограничен током самого малого элемента.

Для изготовления рамки с солнечными элементами потребуется:

алюминиевый профиль;
солнечные элементы (обычно 36 штук для одной рамки);
припой и флюс;
дрель;
крепежные делали;
силиконовый герметик;
медная шина;
лист прозрачного материала (оргстекло, поликарбонат, плексиглас);
лист фанеры или текстолита(оргстекла);
диоды Шоттки;

Собирать инвертор самостоятельно имеет смысл только при небольшом энергопотреблении. Контроллер заряда в простом исполнении не так дорого стоит, поэтому нет особого смысла тратить время на изготовление прибора.

Технология изготовления своими руками

Для сборки солнечной батарей потребуется:

Сконструировать рамку (корпус).
Спаять все солнечные элементы в параллельную цепь.
Закрепить солнечные элементы на рамке.
Сделать корпус герметичным – прямое попадание атмосферных осадков на фотоэлектрические элементы недопустимо.
Разместить батарею в районе наибольшей солнечной освещенности.

Для удовлетворения энергетических потребностей частного дома одной солнечной панели (рамки) будет недостаточно. Исходя из практики, с одного квадратного метра солнечной панели можно получить 120 Вт мощности. Для нормального энергообеспечения жилого дома потребуется где-то 20 кв. м. площади солнечных элементов.

Чаще всего батареи размещают на крыше дома с солнечной стороны.

Сборка корпуса

Корпус можно собирать из фанерного листа и реек, или из алюминиевых уголков и листа и оргстекла (текстолита). Необходимо определиться, сколько элементов будет размещаться в рамке. Следует учитывать, что между элементами необходим зазор в 3-5 мм, и размер рамки рассчитывается с учетом этих расстояний. Расстояние необходимо для того, чтобы при тепловом расширении пластины не прикасались друг с другом.

Сборка конструкции из алюминиевого профиля и оргстекла:

из алюминиевого уголка делается прямоугольный каркас;
По углам в алюминиевом корпусе сверлятся отверстия для крепежа;
на внутреннюю часть профиля корпуса наносится силиконовый герметик по всему периметру;
в раму устанавливается лист оргстекла (текстолита) и плотно прижимается к раме;
по углам корпуса с помощью шурупов ставятся крепежные уголки, которые надежно фиксируют лист прозрачного материала в корпусе;
герметику дают основательно высохнуть;

Все, корпус готов. Перед размещением солнечных элементов в корпусе необходимо тщательно протереть поверхность от грязи и пыли.

Соединение фотоэлементов

Обращаясь с фотоэлектронными элементами, следует помнить, что они очень хрупкие и требуют бережного отношения. Перед соединением пластин в последовательную цепочку их сначала тщательно, но аккуратно протирают– пластины должны быть идеально чистыми.

Если фотоэлементы были куплены уже с припаянными проводниками, это упрощает процесс соединения модулей. Но перед сборкой в этом случае необходимо проверить качество готовой пайки, и если есть неровности – устранить их.

На фотоэлектрических пластинах предусмотрены контакты по обеим сторонам – это контакты разной полярности. Если проводники(шины) еще не припаяны, необходимо сначала припаять их к контактам пластин, а затем уже соединить фотоэлектрические элементы между собой.

Чтобы припаять шины к фотоэлектрическим модулям, нужно:

Отмерить нужную длину шины и нарезать на куски нужное количество полосок.
Протереть контакты пластин спиртом.
Тонким слоем нанести на контакт флюс по всей длине контакта с одной стороны.
Приложить шину точно по длине контакта и разогретым паяльником медленно провести по всей поверхности пайки.
Перевернуть пластину и повторить все операции пайки на другой стороне.

Нельзя сильно прижимать паяльник к пластине, элемент может лопнуть. Также необходимо проверить качество пайки – неровностей на лицевой стороне фотоэлементов быть не должно. Если бугорки и шероховатости остались, нужно еще раз аккуратно пройтись паяльником по шву контакта. Пользоваться необходимо маломощным паяльником.

Что нужно сделать, чтобы правильно и точно произвести соединение фотоэлектрических элементов:

Если нет опыта в сборке элементов, рекомендуется воспользоваться разметочной поверхностью, на которой следует разместить элементы (фанерный лист).
Расположить солнечные панели строго по разметке. Размечая, не забывать оставлять расстояние между элементами 5 мм.
Пропаивая контакты пластин, обязательно следить за полярностью. Фотоэлементы должны быть правильно собраны в последовательную цепочку, иначе батарея не будет нормально работать.

Механический монтаж панелей:

В корпусе сделать разметку для пластин.
Солнечные элементы поместить в корпус, положив их на оргстекло. В рамке закрепить силиконовым клеем по размеченным местам. Клея много не наносить, только крохотную каплю по центру пластины. Нажимать осторожно, чтобы не повредить пластины.В корпус лучше перемещать пластины вдвоем, одному будет неудобно.
Соединить все провода по краям пластин с общими шинами.

Прежде чем герметизировать панель, нужно протестировать качество пайки. Конструкцию аккуратно выносят поближе к солнечному свету и замеряют напряжение на общих шинах. Оно должно быть в пределах ожидаемых значений.

Как вариант, герметизацию можно провести следующим образом:

Нанести капельки силиконового герметика между пластинами и по краям корпуса, аккуратно пальцами руки края фотоэлементов прижать к оргстеклу. Нужно, чтобы элементы как можно плотнее легли к прозрачному основанию.
Поставить на все края элементов небольшой груз , допустим, головки из автомобильного набора инструментов.
Дать герметику хорошо высохнуть , пластины за это время надежно зафиксируются.
Затем промазать аккуратно все стыки между пластинами и краями рамки. То есть, нужно промазать в корпусе все, кроме самих пластин. Попадание герметика на края тыльной стороны пластин допустимо.

Финальная сборка солнечной батареи

Сбоку корпуса установить соединительный разъем, разъем соединить с Шоттки.
Закрыть с наружной стороны пластины защитным экраном из прозрачного материала. В данном случае, оргстеклом. Конструкция должна быть герметичной и исключать проникновение в нее влаги.
Лицевую сторону (оргстекло) желательно обработать , например, лаком (лак PLASTIK-71).

Для чего нужен диод Шоттки? Если свет падает только на часть солнечной батареи, а другая часть затемнена, возможен выход элементов из строя.

Диоды помогают избежать поломки конструкции в таких случаях. При этом теряется мощность на 25%, но без диодов не обойтись – они шунтируют ток, ток идет в обход фотоэлементов. Чтобы падение напряжения было минимальным, необходимо применять низкоомные полупроводники, такими являются диоды Шоттки.

Преимущества и недостатки солнечной батареи

У солнечных батарей есть как преимущества, так и недостатки. Если бы были только одни плюсы от применения фотоэлектрических преобразователей, весь мир давно бы уже перешел на этот вид получения электроэнергии.

Преимущества:

Автономность источника питания , нет зависимости от перебоев напряжения в централизованной электросети.
Отсутствие абонентской платы за использование электроэнергией.

Недостатки:

Высокая себестоимость оборудования и элементов.
Зависимость от солнечного освещения.
Возможность повреждения элементов солнечной батареи вследствие неблагоприятных погодных условий (град, буря, ураган).

В каких случаях целесообразно использовать установку на фотоэлектрических элементах:

Если объект (дом или дача) находится на большом удалении от линии электропередач. Это может быть загородный коттедж в сельской глубинке.
Когда объект расположен в южном солнечном районе.
При совмещении различных видов энергии. Например, отопление частного дома с помощью печного отопления и солнечной энергии. Себестоимость маломощной солнечной станции будет не столь высока, и может быть экономически оправдана в данном случае.

Установка

Монтировать батарею необходимо по месту максимальной освещенности солнечным светом. Панели могут крепиться на крыше дома, на жестком или поворотном кронштейне.

Лицевая часть солнечной батареи должна быть обращена на юг или юго-запад под углом от 40 до 60 градусов. При монтаже нужно учитывать внешние факторы. Панели не должны загораживаться деревьями и другими предметами, на них не должна попадать грязь.

Лучше покупать фотоэлементы с небольшими дефектами. Они также работоспособны, только имеют не такой красивый внешний вид. Новые элементы очень дороги, сборка солнечной батареи будет экономически не оправдана. Если нет особой спешки, пластины лучше заказать на eBay, это обойдется еще дешевле. С пересылкой и Китая нужно быть осторожнее – большая вероятность получить бракованные детали.
Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом , велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
Если элементы пока не используются , следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
При первой сборке следует изготовить шаблон , на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
Паять необходимо маломощным паяльником , и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
Для сборки корпуса удобнее применять алюминиевые уголки , деревянная конструкция менее надежная. В качестве листа с тыльной стороны элементов лучше использовать оргстекло или другой подобный материал и надежнее, чем крашеная фанера, и эстетично выглядит.
Располагать фотоэлектрические панели следует в местах, где солнечное освещение будет максимальным в течение всего светового дня.

Схема электроснабжения дома

Последовательная цепь энергоснабжения частного дома на солнечных батареях выглядит следующим образом:

Солнечная батарея из нескольких панелей , которые расположены на скате крыши дома, либо на кронштейне. В зависимости от энергопотребления, панелей может быть до 20 штук и больше. Батарея вырабатывает постоянный ток 12 вольт.
Контроллер зарядки . Устройство предохраняет аккумуляторы от преждевременного разряда, а также ограничивает напряжение в цепи постоянного тока. Тем самым, контроллер защищает аккумуляторы от перегрузки.
Инвертор напряжения . Преобразует постоянный ток в переменный ток, обеспечивая тем самым возможность потребления электроэнергии бытовыми приборами.
Аккумуляторы . Для частных домов и дач ставят несколько аккумуляторов, соединяя их последовательно. Служат для накопления энергии. Энергия аккумуляторов используется в темное время суток, когда элементы солнечной батареи не вырабатывают ток.
Электросчетчик .

Довольно часто в частных домах система энергоснабжения дополняется резервным генератором.

В целом, собрать солнечную батарею своими руками не так уж и сложно. Необходимы только определенные средства, терпение и аккуратность.

Уже не одно десятилетие человечество ищет альтернативные источники энергии, способные хотя бы частично заменить существующие. И самыми перспективными из всех на сегодняшний день представляются два: ветро‑ и солнечная энергетика.

Правда, ни тот ни другой не могут предоставить непрерывного производства. Это связано с непостоянством розы ветров и суточно‑погодно‑сезонными колебаниями интенсивности солнечного потока.

Сегодняшняя энергетика предлагает три основных метода получения электрической энергии, но все они тем или иным образом вредны для окружающей среды:

Топливная электроэнергетика — самая экологически грязная, сопровождается значительными выбросами в атмосферу углекислого газа, сажи и бесполезной теплоты, вызывая сокращение озонового слоя. Добыча топливных ресурсов для нее также наносит значительный вред природе.
Гидроэнергетика связана с очень значительными ландшафтными изменениями, затоплением полезных земель, причиняет ущерб рыбным ресурсам.
Атомная энергетика — самая экологически чистая из трёх, но требует очень значительных расходов на поддержание безопасности. Любая авария может быть связана с нанесением непоправимого долголетнего вреда природе. К тому же требует специальных мер по утилизации отходов использованного топлива.

Строго говоря, получить электроэнергию от солнечного излучения можно несколькими способами, но большинство из них используют промежуточное её преобразование в механическую, вращающую вал генератора и только затем в электрическую.

Такие электростанции существуют, они используют в работе двигатели внешнего сгорания Стирлинга, имеют неплохой КПД, но у них есть и существенный недостаток: чтобы собрать как можно больше энергии солнечного излучения, требуется изготовление огромных параболических зеркал с системами слежения за положением солнца.

Надо сказать, что существуют решения, позволяющие улучшить ситуацию, но все они достаточно дорогостоящие.

Есть методы, дающие возможность прямого преобразования энергии света в электрический ток. И хотя явление фотоэффекта в полупроводнике селене было открыто уже в 1876 году, но только в 1953 году, с изобретением кремниевого фотоэлемента, появилась реальная возможность создания солнечных батарей для получения электроэнергии.

В это время уже появляется теория, позволившая объяснить свойства полупроводников, и создать практическую технологию их промышленного производства. К сегодняшнему дню это вылилось в настоящую полупроводниковую революцию.

Работа солнечной батареи основана на явлении фотоэффекта полупроводникового p-n перехода, по сути представляющего собой обычный кремниевый диод. На его выводах при освещении возникает фото‑эдс величиной 0,5~0,55 В.

При использовании электрических генераторов и батарей необходимо учитывать различия, которые существуют между . Подключая трехфазный электродвигатель в соответствующую сеть, можно в три раза увеличить его выходную мощность.

Следуя определенным рекомендациям, с минимальными затратами по ресурсам и времени можно изготовить силовую часть высокочастотного импульсного преобразователя для бытовых нужд. Изучить структурные и принципиальные схемы таких блоков питания можно .

Конструктивно каждый элемент солнечной батареи выполнен в виде кремниевой пластины площадью в несколько см 2 , на которой сформировано множество соединённых в единую цепь таких фотодиодов. Каждая такая пластина является отдельным модулем, дающим при солнечном освещении определённое напряжение и ток.

Соединяя такие модули в батарею и комбинируя параллельно‑последовательное их подключение, можно получить широкий диапазон значений выходной мощности.

Основные недостатки солнечных батарей:

Большая неравномерность и нерегулярность энергоотдачи в зависимости от погоды, и сезонной высоты солнца.
Ограничение мощности всей батареи, если затенена хотя бы одна её часть.
Зависимость от направления на солнце в различное время суток. Для максимально эффективного использования батареи нужно обеспечивать её постоянную направленность на солнце.
В связи с вышесказанным, необходимость аккумулирования энергии. Наибольшее потребление энергии приходится на то время, когда выработка её минимальна.
Большая площадь, требующаяся для конструкции достаточной мощности.
Хрупкость конструкции батареи, необходимость постоянной очистки её поверхности от загрязнений, снега и т. п.
Модули солнечной батареи работают наиболее эффективно при 25°C. Во время работы же они нагреваются солнцем до значительно более высокой температуры, сильно снижающей их эффективность. Чтобы поддерживать КПД на оптимальном уровне, необходимо обеспечивать охлаждение батареи.

Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.

Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.

Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.

Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:

Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
Минимальные расходы на эксплуатацию.
Долговечность 30~50 лет.
Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.

В приэкваториальных районах Земли средний поток солнечной энергии составляет в среднем 1,9 кВт/м 2 . В средней полосе России он находится в пределах 0,7~1,0 кВт/м 2 . КПД классического кремниевого фотоэлемента не превышает 13%.

Как показывают опытные данные, если прямоугольную пластину направить своей плоскостью на юг, в точку солнечного максимума, то за 12‑часовой солнечный день она получит не более 42% суммарного светового потока из‑за изменения угла его падения.

Это означает, что при среднем солнечном потоке 1 кВт/м 2 , 13% КПД батареи и её суммарной эффективности 42% удастся получить за 12 часов не более 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, или 0,6 кВтч за день с 1 м 2 . Это при условии полного солнечного дня, в облачную погоду — значительно меньше, а в зимние месяцы эту величину нужно разделить ещё на 3.

Учитывая потери на преобразование напряжения, схему автоматики, обеспечивающую оптимальный зарядный ток аккумуляторов и предохраняющую их от перезаряда, и прочие элементы можно принять за основу цифру 0,5 кВтч/м 2 . Этой энергией можно в течение 12 часов поддерживать ток заряда аккумулятора 3 А при напряжении 13,8 В.

То есть для заряда полностью разряженной автомобильной батареи ёмкостью 60 Ач потребуется солнечная панель в 2 м 2 , а для 50 Ач — примерно 1,5 м 2 .

Для того чтобы получить такую мощность можно приобрести готовые панели, выпускающиеся в диапазоне электрических мощностей 10~300 Вт. Например, одна 100 Вт панель за 12‑ти часовой световой день с учётом коэффициента 42% как раз обеспечит 0,5 кВтч.

Такая панель китайского производства из монокристаллического кремния с очень неплохими характеристиками стоит сейчас на рынке около 6400 р. Менее эффективная на открытом солнце, но имеющая лучшую отдачу в пасмурную погоду поликристаллическая — 5000 р.

При наличии определённых навыков в монтаже и пайке радиоэлектронной аппаратуры можно попробовать собрать подобную солнечную батарею и самому. При этом не стоит рассчитывать на очень большой выигрыш в цене, кроме того, готовые панели имеют заводское качество как самих элементов, так и их сборки.

Но продажа таких панелей организована далеко не везде, а их транспортировка требует очень жёстких условий и обойдётся достаточно дорого. Кроме того, при самостоятельном изготовлении появляется возможность, начав с малого, постепенно добавлять модули и наращивать выходную мощность.

Подбор материалов для создания панели

В китайских интернет‑магазинах, а также на аукционе eBay предлагается широчайший выбор элементов для самостоятельного изготовления солнечных батарей с любыми параметрами.

Ещё в недалёком прошлом самодельщики приобретали пластины, отбракованные при производстве, имеющие сколы или другие дефекты, но существенно более дешёвые. Они вполне работоспособны, но имеют немного пониженную отдачу по мощности. Учитывая постоянное снижение цен, сейчас это уже вряд ли целесообразно. Ведь теряя в среднем 10% мощности, мы теряем и в эффективной площади панели. Да и внешний вид батареи, состоящей из пластин с отколотыми кусочками выглядит довольно кустарно.

Можно приобрести такие модули и в российских онлайн‑магазинах, например, molotok.ru предлагает поликристаллические элементы с рабочими параметрами при световом потоке 1,0 кВт/м 2:

Напряжение: холостого хода — 0,55 В, рабочее — 0,5 В.
Ток: КЗ — 1,5 А, рабочий — 1,2 А.
Рабочая мощность — 0,62 Вт.
Габариты — 52х77 мм.
Цена 29 р.

Совет: Надо учитывать, что элементы очень хрупкие и при транспортировке часть из них может быть повреждена, поэтому при заказе следует предусмотреть некоторый запас по их количеству.

Изготовление солнечной батареи для дома своими руками

Для изготовления солнечной панели нам понадобится подходящая рама, которую можно сделать самостоятельно или подобрать готовую. Из материалов для нее лучше всего использовать дюралюминий, он не подвержен коррозии, не боится сырости, долговечен. При соответствующей обработке и покраске для защиты от атмосферных осадков подойдёт и стальная, и даже деревянная.

Совет: Не стоит делать панель очень больших размеров: она будет неудобна в монтаже элементов, установке и обслуживании. К тому же маленькие панели имеют низкую парусность, их можно удобнее разместить под требуемыми углами.

Рассчитываем комплектующие

Определимся с размерами нашей рамы. Для зарядки 12-ти вольтового кислотного аккумулятора требуется рабочее напряжение не ниже 13,8 В. Примем за основу 15 В. Для этого нам придётся соединить последовательно 15 В / 0,5 В = 30 элементов.

Совет: Выход солнечной панели следует подключать к аккумулятору через защитный диод во избежание его саморазряда в темное время суток через солнечные элементы. Так что на выходе нашей панели будет: 15 В – 0,7 В = 14,3 В.

Чтобы получить зарядный ток 3,6 А, нам необходимо соединить в параллель три таких цепочки, или 30 x 3 = 90 элементов. Это будет нам стоить 90 x 29 р. = 2610 р.

Совет: Элементы солнечной панели соединяются параллельно‑последовательно. Необходимо соблюдать равенство количества элементов в каждой последовательной цепочке.

Таким током мы можем обеспечить стандартный режим заряда для полностью разряженного аккумулятора ёмкостью 3,6 x 10 = 36 Ач.

Реально эта цифра будет меньше из‑за неравномерности солнечного освещения в течение дня. Таким образом, для заряда стандартной автомобильной батареи 60 Ач, нам нужно будет соединить параллельно две таких панели.

Эта панель может нам обеспечить электрическую мощность 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.

Или в течение 12‑часового солнечного дня с учётом поправочного коэффициента 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтч.

Разместим наши элементы в 6 рядов по 15 штук. Для установки всех элементов нам потребуется поверхность:

Длина — 15 x 52 = 780 мм.
Ширина — 77 x 6 = 462 мм.

Для свободного размещения всех пластин примем габариты нашей рамы: 900×500 мм.

Совет: Если есть готовые рамы с другими габаритами, можно пересчитать количество элементов в соответствии с приведёнными выше намётками, подобрать элементы других типоразмеров, попробовать разместить их, комбинируя длину и ширину рядов.

Также нам потребуются:

Паяльник электрический 40 Вт.
Припой, канифоль.
Монтажный провод.
Силиконовый герметик.
Двусторонний скотч.

Этапы изготовления

Для монтажа панели необходимо подготовить ровное рабочее место достаточной площади с удобным подходом со всех сторон. Сами пластины элементов лучше разместить отдельно в стороне, где они будут защищены от случайных ударов и падений. Брать их следует аккуратно, по одной.

Устройства защитного выключения повышают безопасность домашней электросети, снижая вероятность поражения электричеством и возникновения пожаров. Детальное ознакомление с характерными особенностями разных видов выключателей дифференциального тока подскажет, для квартиры и дома.

При эксплуатации электросчетчика возникают ситуации, когда его надо заменить и заново подключить — об этом можно прочитать .

Обычно для изготовления панели используют способ приклеивания предварительно распаянных в единую цепь пластин элементов на плоскую основу‑подложку. Мы предлагаем другой вариант:

Вставляем в раму, хорошо закрепляем и герметизируем по краям стекло или кусок плексигласа.
Раскладываем на нем в соответствующем порядке, приклеивая их двусторонним скотчем, пластины элементов: рабочей стороной к стеклу, выводами для пайки — к задней стороне рамы.
Положив раму на стол стеклом вниз, мы сможем удобно распаивать выводы элементов. Выполняем электрический монтаж в соответствии с выбранной принципиальной схемой включения.
Склеиваем окончательно пластины с задней стороны скотчем.
Подкладываем какую‑либо демпфирующую прокладку: листовую резину, картон, ДВП и т. п.
Вставляем в раму заднюю стенку и герметизируем её.

При желании вместо задней стенки можно залить раму сзади каким‑нибудь компаундом, например, эпоксидкой. Правда, это уже исключит возможность разборки и ремонта панели.

Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.

Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.

Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м 2 = 20 м 2 .

Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.

Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.

Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.

Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.

Делаем выводы

При условии аккумулирования и рационального использования энергии, уже сегодня нетрадиционные виды электроэнергетики начинают создавать солидную прибавку в общем объёме её выработки. Можно даже утверждать, что они постепенно становятся традиционными.

Учитывая значительно снизившийся в последнее время уровень энергопотребления современной бытовой техники, применение энергосберегающих осветительных приборов и значительно увеличившийся КПД солнечных батарей новых технологий, можно сказать, что уже сейчас они способны обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом в южных странах с большим количество солнечных дней в году.

В России же они вполне могут применяться, как резервные или дополнительные источники энергии в комбинированных системах электроснабжения, а если эффективность их удастся повысить хотя бы до 70%, то вполне реально будет и их использование в качестве основных поставщиков электроэнергии.