Солнце как источник бесплатной энергии: делаем солнечную батарею своими руками

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

Содержание

  • Что такое солнечная батарея
  • Устройство
  • Виды элементов для модулей
  • Из чего можно сделать гелиопанель в домашних условиях
  • Рациональное размещение батарей
  • Как рассчитать необходимую мощность
  • Как собрать солнечную батарею своими руками
  • Установка батарей
  • Обслуживание модулей
  • Как скоро окупятся затраты
  • 1 Что такое солнечная батарея

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


    Солнечная батарея состоин из соединённых между собой фотоэлементов

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

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

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

    2 Устройство

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

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

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


    Солнечный элемент состоит из двух полупроводниковых слоём с разной проводимостью

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

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

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

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

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

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

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


    Между гелиомодулем и потребителем устанавливают дополнительные приборы

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

    3 Виды элементов для модулей

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

    Кристаллические

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


    Монокристаллическая ячейка имеет форму прямоугольника со скошеными углами

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

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


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

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

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

    Плёночные

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


    Плёночная батарея изготавливается из аморфного кремния

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

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

    4 Из чего можно сделать гелиопанель в домашних условиях

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

    Из диодов

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

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

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

    Из транзисторов

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


    Батарею небольшой мощности можно собрать из транзисторов

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

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

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

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

    5 Рациональное размещение батарей

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

  • Для экономии места батареи чаще всего размещают на крышах.

    Размещение солнечных баратей на крыше позволяет сэкономить место

  • Модули устанавливают с наклоном в 450С, в идеале лучи должны попадать на панель под прямым углом.
  • Лучше всего их ориентировать на юг или снабдить поворотной системой, обеспечивающей максимальную освещённость в течение всего дня.
  • Чтобы избежать перегрева, летом для установки рекомендуется использовать поверхность, окрашенную в светлые тона или покрытую блестящей фольгой.
  • На модули не должны падать тени высотных домов, деревьев, труб и других помех, препятствующих прохождению лучей.
  • Зимой модули устанавливают почти вертикально для обеспечения самоочистки от снега.
  • Важно! Сила тока батареи задаётся производительностью самого слабого элемента. Даже небольшая тень на одном модуле может снизить производительность системы от 10 до 50%.

    6 Как рассчитать необходимую мощность

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

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

    Расчёт состоит из трёх шагов:

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

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

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

    Ёмкость АБ (аккумуляторной батареи) и мощность инвертора

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

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

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

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

    4800:24х1.2=240 А.ч

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

    240х0.4= 600 А.ч

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


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

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

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

    Необходимое количество ячеек

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

    Таблица инсоляции по месяцам для разных регионов


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

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

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

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

    Необходимое количество энергии — 4800 Вт.ч.

    Одна панель имеет мощность 260 Вт и напряжение 24 В.

    Потери на АБ и инверторе составляют 20%.

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

    Определяем производительность одной панели.

    Летом: 0,5× 260×5,09= 661,7 Втч.

    Зимой: 0,7× 260×0,69=125,5 Втч.

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

    Летом: 5760/661,7=8,7 шт.

    Зимой: 5760/125,5=45,8 шт.

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

    7 Как собрать солнечную батарею своими руками

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


    Батарея состоит из нескольких слоёв

    Материалы и инструменты

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

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


    Приобретите пластины с проводниками, это сократит время работы

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

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

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

    Расчёт каркаса

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

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

    Изготовление короба

  • Из алюминиевого уголка шириной 35 мм и вырезаем две заготовки по 835 мм, две по 690 мм.
  • Просверлите по краям отверстия под крепление.
  • На больших заготовках просверлите по 4 отверстия на каждой.
  • Собираем каркас, скрепив снаружи уголками при помощи шурупов.

    Каркас для батареи изготавливается из алюминиевого профиля и скрепляется уголками

  • Из стекла, оргстекла или плексиглаза вырезаем прямоугольный лист чуть меньших размеров.
  • Готовый каркас изнутри промазываем силиконовым герметиком, не допуская пропусков.

    Вставьте в рамку прозрачную пластину

  • Вкладываем в каркас стекло, хорошенько прижимаем, фиксируем и даём высохнуть.
  • Пайка элементов и сборка модулей

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

  • Вырежьте из картона прямоугольник нужного размера и намотайте на него проводник, затем разрежьте с обеих сторон.
  • На каждый проводник нанесите флюс, приложите полоску к элементу.
  • Аккуратно припаяйте проводник по всей длине ячейки.

    Припаяйте проводники к каждой пластине

  • Ячейки выложите в ряд друг за другом с зазором 3—5 мм и последовательно спаяйте между собой.

    При монтаже периодически проверяйте работоспособность модулей

  • Готовые ряды по 9 ячеек перенесите в корпус и выровняйте относительно друг друга и контура рамки.
  • Спаяйте параллельно, используя более широкие шины и соблюдая полярность.

    Выложите ряды элементов на прозрачную подложку и спаяйте между собой

  • Выведите контакты «+» и «-».
  • На каждый элемент нанесите по 4 капли герметика и уложите сверху второе стекло.
  • Дайте клею высохнуть.
  • Залейте по периметру герметиком, чтобы внутрь не попадала влага.
  • Закрепите панель в корпусе при помощи уголков, прикрутив их в боковым сторонам алюминиевого профиля.
  • Установите при помощи герметика блокировочный диод Шоттке, чтобы исключить разрядку АБ через модуль.
  • Выходной провод снабдите двухконтактным разъёмом, к нему в дальнейшем подсоедините контроллер.
  • Прикрутите к рамке уголки для крепления батареи к опоре.
  • Видео: пайка и сборка солнечного модуля

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

    Изготовления поворотного механизма

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

  • Из деревянных брусков или алюминиевого профиля соберите опору для батареи в виде стремянки.
  • С помощью двух подшипников и металлической штанги или трубы установите на вершине батарею так, чтобы она была закреплена по центру большей стороны.
  • Сориентируйте конструкцию с востока на запад и дождитесь, когда солнце будет в зените.
  • Поверните панель, чтобы лучи падали на неё вертикально.
  • Укрепите на одном конце ёмкость с водой, уравновесьте её на другом конце грузом.
  • В ёмкости проделайте отверстие, чтобы вода понемногу вытекала.
  • По мере вытекания воды, вес сосуда будет уменьшаться и край панели поднимется вверх, поворачивая батарею за солнцем. Величину отверстия придётся определять опытным путём.


    Простейший солнечный трекер изготавливается по принципу водяных часов

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

    Видео: как изготовить самостоятельно электронный солнечный трекер

    8 Установка батарей

  • Перед тем, как устанавливать батареи на крышу, проверьте её прочность, при необходимости укрепите кровлю.
  • Смонтируйте опоры, на которые будут крепиться батареи, и укрепите их на крыше. Конструкция должна выдерживать сильный ветер.
  • Установите модули, чтобы они плотно прилегали к элементам опоры, закрепите саморезами.

    На крыше панель устанавливается на опору из алюминиевого профиля или другого материала

  • Подключите разъёмы к проводам, ведущим к контроллеру. Все приборы, кроме панелей устанавливаются внутри помещения.
  • Установите АКБ, инвертор, автоматы, подсоедините всё к сети.

  • Укрепить модуль можно и на вертикальной опоре

    Теперь можно провести испытание, и пользоваться бесплатным электричеством.

    9 Обслуживание модулей

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

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

    10 Как скоро окупятся затраты

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

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

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

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

    Здравствуйте! Меня зовут Ирина, мне 48 лет.

    Оцените статью:

  • 5
  • 4
  • 3
  • 2
  • 1
  • (1 голос, среднее: 1 из 5)
    Поделитесь с друзьями!

    Источник

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *