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

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

Части, из которых состоит солнечная батарея:

1. 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.
2. . Служит для накопления получаемой энергии, которую затем можно использовать в темное время суток.
3. Контроллер . Он следит за разрядкой и зарядкой аккумулятора.
4. . 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:

1. Монокристаллические . Изготовлены в виде цилиндрических кремниевых слитков. Преимущества элементов заключается в высокой производительности, компактности и в наибольшем сроке службы.
2. Тонкопленочные . Делается напыление слоев фотоэлектрического преобразователя на тонкую подложку. КПД тонкопленочных модулей относительно невысок (7-13%).
3. 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:

1. Сконструировать рамку (корпус).
2. Спаять все солнечные элементы в параллельную цепь.
3. Закрепить солнечные элементы на рамке.
4. Сделать корпус герметичным – прямое попадание атмосферных осадков на фотоэлектрические элементы недопустимо.
5. 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:

1. Отмерить нужную длину шины и нарезать на куски нужное количество полосок.
2. Протереть контакты пластин спиртом.
3. Тонким слоем нанести на контакт флюс по всей длине контакта с одной стороны.
4. Приложить шину точно по длине контакта и разогретым паяльником медленно провести по всей поверхности пайки.
5. 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:

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

Механический монтаж панелей:

1. В корпусе сделать разметку для пластин.
2. 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.
3. 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:

1. 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.
2. Поставить на все края элементов небольшой груз , допустим, головки из автомобильного набора инструментов.
3. Дать герметику хорошо высохнуть , пластины за это время надежно зафиксируются.
4. 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

1. Сбоку корпуса установить соединительный разъем, разъем соединить с Шоттки.
2. Закрыть с наружной стороны пластины защитным экраном из прозрачного материала. В данном случае, оргстеклом. Конструкция должна быть герметичной и исключать проникновение в нее влаги.
3. 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:

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

Недостатки:

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

В каких случаях целесообразно использовать установку на фотоэлектрических элементах:

1. Если объект (дом или дача) находится на большом удалении от линии электропередач. Это может быть загородный коттедж в сельской глубинке.
2. Когда объект расположен в южном солнечном районе.
3. 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.

1. 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.
2. Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом , велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
3. Если элементы пока не используются , следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
4. При первой сборке следует изготовить шаблон , на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
5. Паять необходимо маломощным паяльником , и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
6. 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.
7. 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:

1. 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.
2. Контроллер зарядки . Устройство предохраняет аккумуляторы от преждевременного разряда, а также ограничивает напряжение в цепи постоянного тока. Тем самым, контроллер защищает аккумуляторы от перегрузки.
3. Инвертор напряжения . Преобразует постоянный ток в переменный ток, обеспечивая тем самым возможность потребления электроэнергии бытовыми приборами.
4. 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.
5. 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.

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

История создания и перспективы использования

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

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

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

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

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

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

Солнечная батарея: как это работает

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

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

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

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

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

Классификация и особенности современных фотоэлементов

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

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

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

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

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

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

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

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

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

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

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

Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6x0.7) =2.7 кВт.

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

Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11x0.3) = 14.3 кВтxчас энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Втxч / 12 В = 1200 Аxч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.

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

Расчёт размера батареи

Размер батареи зависит от требуемой мощности и габаритов источников тока. При выборе последних вы обязательно обратите внимание на предлагаемое разнообразие фотоэлементов. Для использования в самодельных устройствах удобнее всего выбирать солнечные ячейки среднего размера. Например, рассчитанные на выходное напряжение 0.5 В и силу тока до 3 А поликристаллические панели размером 3x6 дюймов.

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

Постройка самодельной солнечной батареи

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

Правильный выбор места установки - это важно

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

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

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

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

Что понадобится в процессе работы

Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:

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

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

Инструкция по изготовлению

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

Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции

Корпус

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

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

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

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

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

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

Пайка пластин

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

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

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

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

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

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

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

Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами

Сборка панели

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

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

Установка и подключение солнечной батареи к потребителям

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

Чертёж каркаса солнечной батареи

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

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

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

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

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

Сегодня всё больше людей задумывается об альтернативном получении энергии. Солнечная панель – одно из таких устройств. Это комплект батареек для преобразования энергии солнца в электричество. Как и другие альтернативные источники, такое устройство является дорогим удовольствием. Однако монтаж батареи можно удешевить, если сделать прибор своими силами. Статья расскажет и покажет с помощью видео, как сконструировать собственными руками панель для получения солнечной энергии в домашних или иных условиях.

Принцип работы солнечной батареи

Солнце – бесплатный источник энергии. Нужно только научиться правильно ее добывать. В безоблачный день небесное светило «заряжает» землю примерно 1000 Вт на 1 кв. м. Этого хватило бы, чтобы обеспечить бытовые потребности жителей планеты. Но пока устройство для получения такой энергии не очень доступно широким слоям населения.

Солнечная панель представляет собой набор фотоэлектрических элементов. По сути, они являются полупроводниками, чаще всего — из кремния. Свет попадает на солнечный элемент и частично поглощается им. Энергия освобождает электроны. Присутствующее в фотоэлементе электрическое поле направляет электроны – а это уже ток. Солнечные элементы модуля соединены между собой и выведены на металлический контакт, с помощью которого полученная энергия снимается для внешнего использования.

Для создания солнечной батареи в домашних условиях нужно позаботиться о реализации таких тезисов:

1. Сконструировать модуль, который будет принимать и преобразовывать энергию с минимальными затратами.
2. Обеспечить максимально возможную мощность (читай – эффективность) источника питания.

Солнечная батарея на крыше дома

Для сборки солнечной панели вам понадобятся:

• фотоэлементы;
• стекло или оргстекло;
• фанера, ДСП или алюминиевый уголок;
• герметик;
• паяльник небольшой мощности;
• шины для пайки, флюс, олово;
• мультиметр.

Где взять солнечные элементы

Фотоэлемент – ключевая деталь будущей солнечной батареи. Их поиск и покупка по адекватной стоимости – основная сложность в конструировании солнечной батареи. Существует несколько доступных вариантов:

1. Извлечь полупроводниковые кристаллы из диодов и транзисторов, которые можно найти в старых радиоприемниках и телевизорах.
2. Купить на eBay или AliExpress.
3. Купить в отечественных магазинах, которые чаще всего просто перепродают товар из AliExpress и eBay.

Солнечные элементы

Первый способ может вообще не потребовать финансовых затрат, однако для более-менее мощной батареи нужно найти не один десяток диодов. Во втором варианте обязательно учтите стоимость доставки, которая может обойтись в несколько десятков долларов. Кроме того, чтобы совершать покупки в иностранных интернет-магазинах, нужно пройти процедуры регистрации и привязки банковской карты. Однако по отзывам, так всё равно обойдется дешевле, чем заказать батарею по месту (третий вариант).

Совет. В интернет-магазинах часто продаются целиком рабочие фотоэлектрические преобразователи, которые в процессе производства были отбракованы (т.н. B-тип). Стоимость их на порядок ниже, а эффективность такая же. Для сборки домашней солнечной панели сгодятся и разбитые элементы.

Прежде чем начать поиск солнечных элементов, определитесь с задачами, которые поставите перед батареей. Далее высчитайте необходимую мощность. Для этого сложите нагрузку приборов, которые запитаете от солнечной панели. Под эту величину и набирайте элементы.

Разновидности солнечных элементов

Фотоэлектрические преобразователи – это небольшие панельки со стороной от 38 до 156 мм. Для более-менее нормальной мощности вам понадобится не менее 35-50 элементов. Они могут быть как с припаянными проводниками, так и без них. Второй случай доставит больше хлопот с паяльником.

Панели очень хрупкие. Продавцы придумывают разные способы уберечь их от трещин и царапин во время доставки. Но даже такие меры не всегда спасают элементы. В процессе работы шанс повредить элементы еще больше: если их согнуть, они могут лопнуть, если сложить стопкой – поцарапать одна другую. Незначительные сколы не сильно повлияют на мощность.

На рынке есть два самых популярных типа фотоэлементов:

• поликристаллические;
• монокристаллические.

Поликристаллические имеют срок эксплуатации порядка 20 лет. Они достаточно эффективны в сложных погодных условиях. КПД – 7-9%. Монокристаллические преобразователи более долговечны (около 30 лет) и имеют больший КПД (13%). Однако они слишком чувствительны к плохой погоде: если солнце закрыто облаками или лучи падают не под прямым углом, эффективность существенно падает.

Виды солнечных элементов

Выбор каркаса и пайка элементов

Солнечная батарея представляет собой неглубокий короб. Лучше всего в домашней обстановке – фанерный или из , но можно и алюминиевый уголок. Он одновременно будет опорой и защитой для элементов. Для этих целей подойдёт, например, фанера 9,5 мм. Главное, чтобы бортик не затенял элементы. Можно для надёжности разделить им панель на две части.

Фотоэлектрические преобразователи обычно располагают на оргстекле или другой поверхности. Важно, чтобы она не пропускала ИК-спектр. Это необходимо для того, чтобы не нагревались сами фотоэлементы. Стекло, перед тем как расположить на нём преобразователи, нужно обезжирить. Паять можно до укладывания фотоэлементов или после.

Процесс пайки выглядит так:

1. На проводники, которые будут паяться, предварительно нанесите флюс и припой.
2. Солнечные элементы расположите на поверхности, оставляя зазор между ними около 5 мм.
3. Припаяйте крайние детали к шинам — это более широкие проводники (они обычно присутствуют в наборах с фотоэлементами).
4. Выведите «-» и «+». У большинства элементов лицевая сторона — это отрицательный полюс, а обратная — положительный.
5. Выведите «среднюю точку», чтобы затем поставить шунтирующие диоды (диоды Шотке) для каждой половины панели – они не дадут батарее разряжаться ночью или в облачную погоду.

Герметизация элементов панели

Герметизация элементов и монтаж панели

Этот процесс – финальный этап создания солнечного источника энергии. Герметизация нужна, чтобы уменьшить негативное воздействие окружающей среды на элементы. Отличный герметик (его используют за границей) – компаунд, однако он стоит недешево. Поэтому для домашней панели подойдет и силиконовый, но довольно густой. Начните с фиксации системы в середине и по бокам, после этого залейте вещество в промежутки между элементами. На обратную сторону нанесите акриловый лак, смешанный с тем же силиконом.

Совет. Перед началом герметизации еще раз удостоверьтесь в хорошем качество пайки – протестируйте панель. Иначе потом внести изменения будет сложно.

Панель можно эксплуатировать такими способами:

1. В электрическую цель включается инвертор, который будет преобразовывать постоянное напряжение от солнечной панели в переменное.
2. Электрическая цель комплектуется аккумулятором (АКБ) и контроллером заряда АКБ. Они накапливают энергию от солнечной панели постоянно (в пределах вместимости АКБ), даже в тот момент, пока вы ею не пользуетесь.

Помните: вы всегда сможете нарастить количество элементов, расширив панель. Солнечная батарея будет максимально эффективной только на солнечной стороне дома. Предусмотрите возможность механического поворота и смены угла наклона, ведь солнце движется по небу, иногда его затягивают тучи. Также для эффективности важно, чтобы на устройство не налипал снег.

Изготовление солнечной панели своими руками: видео

Солнечная батарея на даче: фото