Руководство по самостоятельному изготовлению солнечной батареи

Солнечные панели представляют собой эффективные устройства для получения энергии, которая может быть использована для генерации электроэнергии или обогрева небольших домов. Однако их высокая цена делает такие системы недоступными для многих граждан. Согласны?

Алтернатива заключается в создании солнечной батареи своими руками — это позволяет значительно сократить расходы, а такая самодельная панель в не меньшей степени эффективна, чем коммерчески произведенные варианты. Поэтому, если вы действительно обдумываете возможность получить альтернативный источник электрической энергии, попробуйте собрать его самостоятельно — это вполне осуществимо.

В данной статье будет обсуждаться процесс создания солнечных батарей. Мы расскажем, какие материалы и инструменты вам понадобятся. Ниже вы также найдете пошаговую инструкцию с изображениями, которые иллюстрируют каждый этап работы.

Первым шагом в изготовлении солнечной батареи является выбор подходящих материалов. Вам понадобятся: солнечные элементы (фотоэлементы), пластина для монтажа (например, фанера или специализированный материал), проводники, диоды, а также защитный стеклянный экран и оболочка. При покупке солнечных элементов стоит обратить внимание на их мощность и эффективность, чтобы ваша панель имела оптимальные характеристики.

Не забудьте про инструменты! Для работы вам понадобятся: паяльник, мультиметр, отвертки, ножницы или нож для резки и дрель. Также стоит подготовить рабочее место, чтобы удобно и безопасно собирать панель.

Прежде чем начинать сборку, важно заранее спроектировать схему расположения солнечных элементов на монтажной основе. Это поможет вам оптимально распределить элементы и избежать ошибок в процессе. Рекомендуется использовать схему, которая включает в себя последовательно-параллельное соединение для увеличения напряжения и тока, если это необходимо.

При сборке солнечной панели соблюдайте рекомендации по безопасной работе с электрическими компонентами. После завершения сборки не забудьте протестировать панель на предмет работоспособности, с помощью мультиметра проверьте выходное напряжение и ток. Если все прошло успешно, вы сможете наслаждаться безвозмездной энергией солнца!

Общие сведения об устройстве и принципе работы

Солнечную энергию можно преобразовать как в тепловую, так и в электрическую. В первом случае теплоносителем будет жидкость, а во втором — энергия накапливается в аккумуляторах. По сути, солнечная батарея представляет собой генератор, функционирующий благодаря фотоэлектрическому эффекту.

Преобразование солнечного света в электричество происходит, когда солнечные лучи воздействуют на фотоэлементы, составляющие основную часть батареи.

Световые кванты высвобождают электроны с внешних орбит, и эти свободные электроны генерируют электрический ток, который проходит через контроллер и накапливается в аккумуляторе, откуда энергия подается потребителям.

Собранная в примере батарея состоит из 36 пластин размером 80х150 мм. Каждая пластина производит около 2,1 Вт, что в совокупности дает общую мощность 76 Вт.

На лицевой стороне конструкции располагаются положительные токоведущие жилы, сформированные методом пайки.

С обратной стороны с помощью пайки образуются отрицательные токоведущие линии, соединенные с шестью контактами.

Пластины соединяются по последовательной схеме, а для защиты аккумулятора от разрядки в облачную погоду устанавливается диод Шоттки.

В качестве фотоэлементов используются кремниевые пластины. Одна сторона кремниевой пластины покрыта тонким слоем фосфора или бора — этих элементов, которые действуют на нее как пассивный химикат.

При получении солнечного света здесь выделяется значительное количество электронов, удерживаемых фосфорной пленкой.

На поверхности пластины находятся металлические «дорожки», которые служат для упорядочивания движения свободных электронов и образуют электрический ток.

Чем больше кремниевых пластин, тем больше электрического тока можно создать. Об использовании принципа работы солнечной батареи поговорим подробнее ниже.

Верхний слой фотоэлементов защищен от отражения солнечного света, что способствует повышению их КПД.

Необходимые материалы для сборки солнечной панели

Чтобы начать создавать солнечную батарею, вам понадобятся следующие материалы:

• силиконовые пластины-фотоэлементы;
• листовые материалы, такие как ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жесткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент в качестве основания для пластиковых пластин;
• шурупы и саморезы;
• силиконовый герметик для внешних работ;
• электрические провода, диоды и клеммы.

Количество необходимых материалов будет зависеть от размеров вашей батареи, которые в основном ограничиваются количеством доступных фотоэлементов. Вам понадобятся инструменты: электрическая отвертка или набор отверток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для тестирования готовой панели потребуется амперметр.

Теперь давайте более подробно рассмотрим основные материалы.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы, используемые в батареях, бывают трех типов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины имеют относительно низкий КПД, который составляет около 10-12%, однако этот показатель практически не снижается со временем. Средний срок службы поликристаллов составляет около 10 лет.

Солнечные батареи сформированы из модулей, которые, в свою очередь, состоят из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с твердыми кремниевыми элементами представляют собой структуру из нескольких слоев, закрепленных внутри алюминиевого каркаса.

Монокристаллические элементы демонстрируют более высокий КПД — от 13% до 25%, и их срок службы может превышать 25 лет. Тем не менее, эффективность этих элементов также снижается со временем.

Монокристаллические преобразователи изготавливаются из искусственно выращенных кристаллов, что обеспечивает их высокую фотопроводимость и производительность.

Пленочные фотоэлектрические элементы создаются с помощью нанесения тонкого слоя аморфного кремния на гибкую полимерную поверхность.

Гибкие системы с аморфным кремнием — это новейшее решение. Их фотоэлектрический преобразователь нанесен или сплавлен на полимерную основу. Эффективность таких систем обычно составляет 5-6%, но пленочные модули очень легко укладываются.

Пленочные элементы с аморфными материалами появились на рынке относительно недавно. Они являются простейшими и наиболее доступными, однако скорость потери потребительских качеств у них выше, чем у конкурентов.

Не рекомендуется использовать фотоэлементы разного размера, так как максимальный ток от батареи будет зависеть от самого маленького элемента в системе. Таким образом, более крупные пластины не смогут работать на максимальной мощности.

Когда вы покупаете фотоэлементы, уточните у продавца условия доставки, поскольку многие используют метод воскования для обеспечения защиты хрупких элементов.

Чаще всего для самодельных панелей используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3х6 дюймов, которые можно купить в интернет-магазинах, таких как E-bay.

Цена на фотоэлементы сравнительно высока, но иногда можно найти продукцию группы В, которая имеет незначительные дефекты, однако все еще пригодна для использования и стоит на 40-60% дешевле, чем стандартные элементы.

Большинство интернет-магазинов предлагают фотоэлементы наборами по 36 или 72 преобразователя. Для соединения различных модулей в батарею понадобятся шины, а также клеммы для подключения к системе.

Поликристаллические кремниевые пластины имеют невысокую цену, однако их недостаток заключается в низкой эффективности и жесткости, что требует надежной основы для укладки.

С обратной стороны пластины располагаются 6 контактов для пайки токоведущих путей. С внешней стороны контакт может быть выполнен в виде сплошной линии или прерывистого узора.

Монокристаллические кремниевые пластины имеют мощность почти в три раза больше, чем поликристаллические и стоят почти в четыре раза дороже.

Монокристаллические элементы отличаются своей гибкостью, что позволяет укладывать их на сложные неровные поверхности.

Каркас и прозрачный элемент

Каркас для будущей панели можно создать из деревянных реек или алюминиевых уголков.

Алюминиевый вариант предпочтительнее по целому ряду причин:

• Легкий металл, который не создает большой нагрузки на основную конструкцию, на которую будет установлена батарея.
• При проходящей антикоррозийной обработке алюминий не подвержен ржавчине.
• Не впитывает влагу и не гниет со временем.

Выбирая прозрачный элемент, обратите внимание на такие характеристики, как показатель преломления света и способность поглощать инфракрасное излучение.

КПД фотоэлементов зависит от показателя преломления: чем ниже он, тем выше эффективность кремниевых пластин.

Наименьший коэффициент отражения света у плексигласа и его более экономичного варианта — оргстекла. Показатели преломления чуть хуже у поликарбоната.

Параметры поглощения инфракрасного излучения также влияют на нагревание фотоэлементов: чем меньше они нагреваются, тем дольше служат. Специальное термопоглощающее оргстекло и стекло с инфракрасным поглощением лучше всего защищают от перегрева. Обычное стекло менее эффективно в этом вопросе.

Если есть возможность, идеальным вариантом станет антибликовое стекло в качестве прозрачного элемента.

Оргстекло является наиболее оптимальным выбором по соотношению цены, показателей преломления и поглощения инфракрасного излучения для создания солнечной батареи.

Проектирование системы и выбор места установки

Разработка проекта солнечной системы включает расчеты необходимого размера солнечных панелей. Как уже упоминалось, размер батареи часто ограничен стоимостью доступных фотоэлементов.

Гелиобатарея должна располагаться под определенным углом, обеспечивающим максимально возможное попадание солнечного света на кремниевые пластины. Идеальным решением являются модули, позволяющие изменять угол наклона.

Место установки солнечных панелей может быть разнообразным: на земле, на наклонной или плоской крыше здания, а также на крышах подсобных помещений.

Главное требование — солнечные батареи должны устанавливаться на участках, открытых для солнечного света, вдали от затеняющих деревьев с высокой кроной. Оптимальный угол наклона панели необходимо рассчитать, используя специальную формулу или калькулятор.

Угол наклона зависит от географического положения, времени года и климатических условий. Рекомендуется, чтобы устанавливаемая батарея имела возможность изменять угол наклона в зависимости от сезонного изменения солнечной высоты, так как максимальная эффективность достигается при попадании солнечных лучей перпендикулярно к поверхности.

Для территории европейской части СНГ оптимальный стационарный угол наклона составляет от 50 до 60 градусов. В случае установки механизма для изменения угла в зимний период лучше наклонять батареи на 70 градусов, а летом — на 30 градусов.

Исследования показывают, что одна квадратная метра солнечной панели может обеспечить 120 Вт. На основании расчетов можно выяснить, что для обеспечения среднестатистической семьи энергией в объеме 300 кВт в месяц потребуется, по меньшей мере, 20 квадратных метров солнечных панелей.

Установить такую гелиосистему целиком сразу может быть трудно. Однако даже установка 5-метровой панели позволит немного сэкономить на электроэнергии и внести небольшой вклад в защиту окружающей среды. Рекомендуем ознакомиться с расчетами, необходимыми для определения количества требуемых солнечных батарей.

Солнечные панели также могут служить резервным источником энергии в условиях частых отключений центрального электроснабжения. Для автоматического переключения нужно предусмотреть систему бесперебойного питания.

Такое решение удобно тем, что при использовании традиционного источника электроэнергии параллельно осуществляется зарядка аккумуляторов солнечной системы. Оборудование для обслуживания солнечных панелей следует разместить внутри здания, для чего нужно предусмотреть специальное помещение.

При установке панелей на наклонной крыше дома не забывайте про угол наклона. Лучше всего, если ваши батареи будут иметь возможность изменять угол наклона в зависимости от времени года.

Этапы установки солнечной батареи

Определив место для установки солнечной панели и подготовив необходимое оборудование и инструменты, можно приступать к монтажу.

При выполнении работ следует соблюдать все меры безопасности, особенно на этапе установки панели на крыше. Ниже представлен пошаговый процесс монтажа солнечной батареи.

Этап #1 — Пайка контактов кремниевых элементов

Процесс создания самодельной солнечной панели часто начинается с пайки проводников к фотоэлементам. Наилучший вариант — приобрести фотоэлементы с уже прикрепленными проводниками, так как пайка является сложной и трудоемкой задачей.

Пайка выполняется по следующему алгоритму:

1. Потребуется кремнии́вый элемент без проводников и металлическая полоса-проводник.
2. Проводники нарезаются с помощью картонных шаблонов так, чтобы их длина была в два раза больше размера кремниевой пластины.
3. Проводник аккуратно размещается на пластине — для одного элемента потребуется два проводника.
4. На место пайки наносят флюс для работы с паяльником.
5. Происходит пайка с использованием паяльника, аккуратно соединяя проводник с пластиной.

При пайке нельзя оказывать излишнее давление на кремниевый элемент, так как он очень хрупкий и может легко сломаться! Если вам повезло купить фотоэлементы с готовыми контактами, то можно сразу перейти к созданию каркаса для батареи.

Пайка контактных проводников для бракованных фотоэлементов группы В осуществляется по той же технологии, что и для нормальных пластин.

Этап #2 — Изготовление каркаса для солнечной панели

Каркас — это основа, на которую будут устанавливаться фотоэлементы. Для его изготовления мы используем алюминиевые уголки и рейки, формируя рамки. Рекомендуемая ширина уголков составляет 70-90 мм.

На внутренней поверхности углов нужно аккуратно нанести силиконовый герметик. Тщательная герметизация уголков важна для долговечности конструкции.

После завершения изготовления алюминиевой рамки, приступаем к созданию задней части. Она изготавливается из дерева ДСП с невысокими бортиками.

Высота бортиков не должна превышать 2 см, чтобы не создавать тень на фотоэлементах. Бортики прикручиваются саморезами с использованием шуруповерта.

Размеры корпуса рассчитываются с учетом необходимого зазора между элементами, который должен составлять 3-5 мм.

В бортиках и в перегородке, разделяющей корпус на два сегмента для удобства укладки, нужно просверлить отверстия для вентиляции всей системы.

Для повышения прочности крепления элементов и точного распределения зазоров применяется подложка из ДВП.

Чтобы защитить детали корпуса от воздействия внешней среды, его необходимо покрыть водоотталкивающей краской.