Что нужно чтобы собрать солнечную батарею. Электростанция на солнечных батареях своими руками

Собственное электроснабжение выручит как в условиях отсутствия централизованной сети (в удаленных и труднодоступных регионах, на даче, в походе), так и при построении более экологичного подхода к потреблению природных ресурсов.

Собрать собственную гелиостанцию несложно, она содержит всего четыре составных элемента:

солнечные панели;
аккумулятор заряда;
контроллер;
инвертор.

Все их легко найти и заказать через интернет-магазины. А вот как сделать солнечную электростанцию своими руками, чтобы создать полноценную автономную систему энергоснабжения дома? Для начала необходимо собрать информацию о ваших потребностях, возможностях местности, где будет работать гелиостанция, и произвести все необходимые расчеты для подбора составных элементов.

Как рассчитать количество гелиопанелей

Выбор гелиостанции начинается с поиска информации по инсоляции в вашей местности - количеству солнечной энергии, которое попадает на земную поверхность (измеряется в ваттах на кв. метр). Эти данные можно найти в специальных метеосправочниках или интернете. Обычно инсоляцию указывают отдельно для каждого месяца, потому что уровень сильно зависит от сезона. Если вы планируете пользоваться гелиостанцией круглый год, то ориентироваться нужно по месяцам с самыми низкими показателями.

Далее нужно подсчитать ваши потребности в электроэнергии на каждый месяц. Помните, что для автономной системы электроснабжения роль играет не только эффективность накопления энергии, но и экономное ее использование. Меньшие потребности позволят значительно сэкономить при покупке гелиопанелей и создании бюджетной версии солнечной электростанции своими руками.

Сравните ваши потребности в электричестве с уровнем инсоляции в вашей местности и вы узнаете площадь гелиопанелей, которая необходима для вашей гелиостанции. Учтите, что КПД панелей составляет всего 12-14%. Всегда ориентируйтесь на самый низкий показатель.

Таким образом, если уровень инсоляции в самый неблагоприятный месяц в вашей местности равен 20 кВт-час/м², то при КПД равном 12% одна панель площадью 0.7м² будет вырабатывать 1.68 кВт-час. Ваша энергопотребность, например, составляет 80 кВт-час/месяц. Значит, в самый несолнечный месяц удовлетворить эту потребность смогут 48 панелей (80/1,68). Подробнее о том, как выбирать солнечные батареи, вы можете почитать в нашей предыдущей .

Как установить гелиопанель

Для наилучшего КПД устанавливать гелиопанель нужно так, чтобы лучи солнца падали на нее под углом 90 градусов. Поскольку солнце постоянно перемещается по небу, то здесь есть два решения:

Динамичная установка. Используйте сервопривод, чтобы гелиопанель поворачивалась по мере того, как солнце перемещается по небосводу. Сервопривод позволит собрать на 50% больше энергии, чем статичная установка.
Стационарная установка. Чтобы извлечь максимальную пользу из неподвижного положения гелиопанели, необходимо найти тот угол установки, при котором панель соберет максимально возможное количество лучей солнца. Для круглогодичной работы этот угол рассчитывается по формуле +15 градусов к широте местности. Для летних месяцев это -15 градусов к широте местности.

Как подобрать контроллер заряда

Еще один способ, как самому собрать солнечную электростанцию, чтобы заставить ее работать эффективно, это использовать , который позволяет отслеживать точки максимальной мощности (англ. MPPT). Такой контроллер может накапливать энергию даже во время низкой освещенности и продолжает подавать ее на аккумулятор в оптимальном режиме.

Итак, от солнечных панелей энергия поступает на аккумулятор. Это позволяет накапливать энергию, чтобы использовать ее даже при отсутствии солнечного света. Кроме того, аккумуляторы сглаживают неравномерное поступление энергии, например, при сильном ветре или облачности.

Чтобы правильно выбрать и установить аккумулятор для домашней солнечной электростанции своими руками, необходимо учесть два параметра:

Очень важно, чтобы ток зарядки (от панелей) не превышал 10% от уровня номинальной емкости для кислотных аккумуляторов и 30% - для щелочных устройств.
Конструкция инвертора с напряжением на низкой стороне.

Учитывайте показатели саморазряда аккумуляторов (не всегда указываются производителями). Например, кислотные устройства во избежание поломки подзаряжают каждые полгода.

Как выбрать инвертор

Описание параметров и обязательных функций идеального инвертора:

сигнал синусоидальный с искажениями не выше трех процентов;
при подключении нагрузки амплитуда напряжения изменяется не более чем на десять процентов;
двойное преобразование тока - постоянного и переменного;
аналоговая часть преобразования переменного тока с хорошим трансформатором;
защита от короткого замыкания;
запас по перегрузке.

При моделировании электросистемы вашего дома сгруппируйте нагрузки так, чтобы разные их виды получали питание от разных инверторов.

Гелиостанции - это работающий альтернативный способ энергоснабжения дома. Но не во всех регионах инсоляция достаточна для окупаемости гелиооборудования и для полноценного обеспечения электроэнергией. Иногда стоит обратить внимание на гибридные солнечные электростанции, которые тоже можно построить своими руками, но где кроме солнечных батарей могут быть ветряки, а также дизельные или даже бензиновые генераторы.

Если же вы хотите лишь попробовать «приручить» гелиоэнергию, но не готовы полностью изменить электроснабжение своего дома, сделайте мини солнечную электростанцию своими руками. Она будет состоять из нескольких солнечных панелей, аккумулятора и контроллера. Это все поместится в чемодане, но обеспечит вас энергией при внезапном отключении электричества, поездке на дачу или на природу. Расчеты и подбор компонентов происходят по тому же принципу, что и для полноценной домашней станции.

Человечество в целях заботы об экологии и экономии денежных средств начало использовать альтернативные источники энергии, к которым, в частности, принадлежат солнечные батареи. Покупка такого удовольствия обойдется довольно дорого, но не составляет сложности сделать данное устройство своими руками. Поэтому вам не помешает узнать, как самому сделать солнечную батарею. Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Солнечные батареи - устройства, генерирующие электроэнергию с помощью фотоэлементов.

Прежде чем говорить о том, как сделать солнечную батарею своими руками, необходимо понять устройство и принципы ее работы. Солнечная батарея включает в себя фотоэлементы, соединенные последовательно и параллельно, аккумулятор, накапливающий электроэнергию, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный и контроллер, следящий за зарядкой и разрядкой аккумулятора.

Как правило, фотоэлементы изготавливают из кремния, но его очистка обходится дорого, поэтому в последнее время начали использовать такие элементы, как индий, медь, селен.

Каждый фотоэлемент является отдельной ячейкой, генерирующей электроэнергию. Ячейки сцеплены между собой и образуют единое поле, от площади которого зависит мощность батареи. То есть, чем больше фотоэлементов, тем больше электроэнергии генерируется.

Для того чтобы изготовить солнечную панель своими руками в домашних условиях, необходимо понимать сущность такого явления, как фотоэффект. Фотоэлемент – кремниевая пластинка, при попадании света на которую с последнего энергетического уровня атомов кремния выбивается электрон. Передвижение потока таких электронов вырабатывает постоянный ток, который впоследствии преобразуется в переменный. В этом и заключается явление фотоэффекта.

Преимущества

Солнечные батареи имеют следующие преимущества:

безвредность для экологии;
долговечность;
бесшумная работа;
легкость изготовления и монтажа;
независимость поставки электричества от распределительной сети;
неподвижность частей устройства;
незначительные финансовые затраты;
небольшой вес;
работа без механических преобразователей.

Разновидности

Солнечные батареи подразделяются на следующие виды.

Кремниевые

Кремний - самый популярный материал для батарей.

Кремниевые батареи также делятся на:

Монокристаллические: для производства таких батарей используется очень чистый кремний.
Поликристаллические (дешевле монокристаллических): поликристаллы получают постепенным охлаждением кремния.

Пленочные

Такие батареи подразделяются на следующие виды:

На основе теллурида кадмия (КПД 10%): кадмий обладает высоким коэффициентом светопоглощения, что и позволяет использовать его в производстве батарей.
На основе селенида меди - индия: КПД выше, чем у предыдущих.
Полимерные.

Солнечные батареи из полимеров начали изготавливать относительно недавно, обычно для этого используют фуреллены, полифенилен и др. Пленки из полимеров очень тонкие, порядка 100 нм. Несмотря на КПД 5%, батареи из полимеров имеют свои преимущества: дешевизна материала, экологичность, эластичность.

Аморфные

КПД аморфных батарей составляет 5%. Такие панели изготавливаются из силана (кремневодорода) по принципу пленочных батарей, поэтому их можно отнести, как к кремниевым, так и к пленочным. Аморфные батареи эластичны, генерируют электричество даже в непогоду, поглощают свет лучше других панелей.

Материалы

Для изготовления солнечной батареи потребуются следующие материалы:

фотоячейки;
алюминиевые уголки;
диоды Шоттки;
силиконовые герметики;
проводники;
крепежные винты и метизы;
поликарбонатный лист/оргстекло;
паяльное оборудование.

Эти материалы обязательны для того, чтобы сделать солнечную батарею своими руками.

Выбор фотоэлементов

Чтобы сделать солнечную батарею для дома своими руками, следует правильно подобрать фотоэлементы. Последние подразделяются на монокристаллические, поликристаллические и аморфные.

КПД первых составляет 13%, но такие фотоэлементы малоэффективны в непогоду, внешне представляют собой ярко-синие квадраты. Поликристаллические фотоэлементы способны генерировать электроэнергию даже в непогоду, хотя их КПД всего лишь 9%, внешне темнее монокристаллических и срезаны по краям. Аморфные фотоячейки изготавливаются из гибкого кремния, их КПД составляет 10%, работоспособность не зависит от погодных условий, но изготовление таких ячеек слишком затратное, поэтому их редко используют.

Если вы планируете применять генерируемую фотоэлементами электроэнергию на даче, то советуем собрать солнечную батарею своими руками из поликристаллических ячеек, так как их КПД достаточно для ваших целей.

Следует покупать фотоячейки одной марки, так как фотоэлементы нескольких марок могут сильно отличаться - это может стать причиной возникновения проблем со сборкой батареи и ее функционированием. Следует помнить, что количество производимой ячейкой энергии прямо пропорционально ее размеру, то есть чем крупнее фотоячейка, тем больше электроэнергии она производит; напряжение ячейки зависит от ее типа, а никак не от размера.

Количество производимого тока определяется габаритами самого маленького фотоэлемента, поэтому следует покупать фотоячейки одинакового размера. Конечно же, не стоит приобретать дешевую продукцию, ведь это значит, что она не прошла проверку. Также не следует покупать фотоэлементы, покрытые воском (многие производители покрывают фотоячейки воском для сохранности продукции при перевозке): при его удалении можно испортить фотоэлемент.

Расчеты и проект

Устройство солнечной панели своими руками - несложная задача, главное, подойти к ее выполнению ответственно. Чтобы изготовить солнечную панель своими руками, следует подсчитать дневное потребление электроэнергии, затем узнать среднесуточное солнечное время в вашей местности и рассчитать нужную мощность. Таким образом, станет понятно, сколько ячеек и какого размера нужно приобрести. Ведь как было сказано выше, генерируемый ячейкой ток зависит от ее габаритов.

Зная необходимый размер ячеек и их количество, нужно рассчитать габариты и вес панели, после чего необходимо выяснить выдержит ли кровля или другое место, куда планируется установка солнечной батареи, задумываемую конструкцию.

Устанавливая панель, следует не только выбрать самое солнечное место, но и постараться закрепить ее под прямым углом к солнечным лучам.

Этапы работы

Корпус

Прежде чем начать делать солнечную панель своими руками, необходимо соорудить для нее каркас. Он защищает батарею от повреждений, влаги и пыли.

Корпус собирается из влагостойкого материала: фанеры, покрытой влагоотталкивающим средством, или алюминиевых уголков, к которым силиконовым герметиком приклеивается оргстекло или поликарбонат.

При этом нужно соблюдать отступы между элементами (3-4 мм), так как необходимо учитывать расширение материала при повышении температуры.

Пайка элементов

Фотоэлементы выкладываются на лицевую сторону прозрачной поверхности, так, чтобы расстояние между ними со всех сторон было 5 мм: таким образом учитывается возможное расширение фотоячеек при повышении температуры.

Фиксируются преобразователи, имеющие два полюса: положительный и отрицательный. Если вы хотите увеличить напряжение, соединяйте элементы последовательно, если ток - параллельно.

Во избежание разрядки аккумулятора ночью, в единую цепь, состоящую из всех необходимых деталей, включают диод Шоттки, подсоединяя его к плюсовому проводнику. Затем все элементы спаивают между собой.

Сборка

В готовый каркас размещаются спаянные преобразователи, на фотоячейки наносится силикон - все это накрывается слоем из ДВП, закрывается крышкой, а места соединений деталей обрабатываются герметиком.

Даже городской житель может сделать и разместить солнечную батарею на балконе своими руками. Желательно, чтобы балкон был застеклен и утеплен.
Вот мы и разобрали, как сделать солнечную батарею в домашних условиях, оказалось, это совсем несложно.

Идеи из подручных материалов

Можно сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Рассмотрим самые популярные варианты.

Многие удивятся, узнав, что фольгу можно применять для изготовления солнечной батареи своими руками. На самом деле, в этом нет ничего удивительного, ведь фольга увеличивает отражающие способности материалов. Например, для уменьшения перегрева панелей, их кладут на фольгу.

Как сделать солнечную батарею из фольги?

Нам понадобится:

2 «крокодильчика»;
медная фольга;
мультиметр;
соль;
пустая пластиковая бутылка без горлышка;
электрическая печь;
дрель.

Очистив медный лист и вымыв руки, отрезаем кусок фольги, кладем его на раскаленную электроплиту, нагреваем полчаса, наблюдая почернение, затем убираем фольгу с плиты, даем остыть и видим, как от листа отслаиваются куски. После нагревания оксидная пленка пропадает, поэтому черный оксид можно аккуратно удалить водой.

Затем вырезается второй кусок фольги такого же размера, как и первый, две части сгибаются, опускаются в бутылку так, чтобы у них не было возможности соприкоснуться.

Также фольгу можно применять для подогрева. Для этого ее необходимо натянуть на раму, к которой затем нужно подсоединить шланги, подведенные, например, к лейке с водой.

Вот мы и узнали, как самому сделать солнечную батарею для дома из фольги.

У многих дома завалялись старые транзисторы, но не все знают, что они вполне подойдут для изготовления солнечной батареи для дачи своими руками. Фотоэлементом в таком случае является полупроводниковая пластина, находящаяся внутри транзистора. Как же изготовить солнечную батарею из транзисторов своими руками? Сначала необходимо вскрыть транзистор, для чего достаточно срезать крышку, так мы сможем разглядеть пластину: она небольших размеров, чем и объясняется низкий КПД солнечных батарей из транзисторов.

Далее нужно проверить транзистор. Для этого используем мультиметр: подключаем прибор к транзистору с хорошо освещенным p-n переходом и замеряем ток, мультиметр должен зафиксировать ток от нескольких долей миллиампера до 1 или чуть больше; далее переключаем прибор в режим измерения напряжения, мультиметр должен выдать десятые доли вольта.

Прошедшие проверку транзисторы размещаем внутри корпуса, например, листового пластика и спаиваем. Можно изготовить такую солнечную батарею своими руками в домашних условиях и использовать ее для зарядки аккумуляторов и радиоприемников маленькой мощности.

Также подходят для сборки батарей старые диоды. Сделать солнечную батарею своими руками из диодов совсем несложно. Нужно вскрыть диод, оголив кристалл, являющийся фотоэлементом, затем нагревать диод 20 секунд на газовой плите, и, когда припой расплавится, извлечь кристалл. Остается припаять вытащенные кристаллы к корпусу.

Мощность таких батарей невелика, но для электропитания небольших светодиодов ее достаточно.

Такой вариант изготовления солнечной батареи своими руками из подручных средств большинству покажется очень странным, но сделать солнечную батарею своими руками из пивных банок просто и дешево.

Корпус сделаем из фанеры, на которую поместим поликарбонат или оргстекло, на задней поверхности фанеры зафиксируем пенопласт или стекловату для изоляции. Фотоэлементами нам послужат алюминиевые банки. Важно выбрать именно банки из алюминия, так как алюминий менее подвержен коррозии, чем, например, железо и обладает лучшим теплообменом.

Далее в нижней части банок проделываются отверстия, крышка срезается, и ненужные элементы загибаются для обеспечения лучшей циркуляции воздуха. Затем необходимо очистить банки от жира и грязи с помощью специальных средств, не содержащих кислоты. Далее необходимо герметично скрепить банки между собой: силиконовым гелем, выдерживающим высокие температуры, или паяльником. Обязательно нужно очень хорошо просушить склеенные банки в неподвижном положении.

Прикрепив банки к корпусу, окрашиваем их в черный цвет и закрываем конструкцию оргстеклом или поликарбонатом. Такая батарея способна нагревать воду или воздух с последующей подачей в помещение.

Мы рассмотрели варианты того, как сделать солнечную панель своими руками. Надеемся, что теперь у вас не возникнет вопроса, как сделать солнечную батарею.

Видео

Как сделать солнечные батареи своими руками – видео урок.

Ухудшение экологии, рост цен на энергоносители, стремление к автономности и независимости от прихотей государственных мужей - вот лишь несколько факторов, заставляющих самых закоренелых обывателей обращать мечтательные взгляды в сторону альтернативных источников энергии. У большинства наших соотечественников мысли о «зелёной» энергетике так и остаются идеей фикс - сказываются высокие цены на оборудование, и, как следствие, нерентабельность затеи. Но ведь никто не запрещает изготовить установку для получения бесплатной энергии самостоятельно! Сегодня мы расскажем о том, как своими руками построить солнечную батарею и рассмотрим перспективы её использования в быту.

Солнечная батарея: что это такое

Человечество загорелось идеей трансформации солнечного излучения в электрическую энергию с 30-х годов прошлого века. Именно тогда учёные из Академии наук СССР заявили о создании полупроводниковых медно-таллиевых кристаллов, в которых под действием световых лучей начинал протекать электрический ток. Сегодня это явление известно как фотоэлектрический эффект и широко используется как в гелиоэлектрических установках, так и в разнообразных датчиках.

Первые солнечные батареи известны ещё с 50-х годов прошлого века

Сила тока одного фотоэлемента измеряется в микроамперах, поэтому для получения сколь-нибудь значимой электрической мощности их объединяют в блоки . Множество таких модулей и составляют основу солнечной батареи (СБ), которую можно использовать для подключения различных электронных устройств. Если же говорить о законченном устройстве, которое можно установить под открытым небом, то корректнее говорить о солнечной панели (СП) с конструкцией, защищающей сборку фотоэлектрических модулей от внешних факторов.

Надо сказать, что КПД первых электрических гелиосистем не достигал и 10% - сказывались как недостатки полупроводниковой технологии, так и неустранимые потери, связанные с отражением, рассеиванием или поглощением светового потока. Десятилетия упорного труда учёных дали свой результат, и сегодня КПД самых современных солнечных батарей достигает 26%. Что же касается перспективных разработок, то здесь он ещё выше - до 46%! Конечно, внимательный читатель может возразить, что другие генераторы энергии работают с энергоэффективностью 95–98%. Тем не менее не следует забывать, что речь идёт о совершенно бесплатной энергии, величина которой в солнечный день превышает 100 Вт на один кв. м земной поверхности в секунду.

Современные солнечные панели генерируют электроэнергию в промышленных масштабах

Полученная с помощью солнечных панелей электроэнергия может использоваться аналогично той, что получают на обычных электростанциях - для питания различных электронных устройств, освещения, отопления и т. д. Единственное отличие, которое состоит в том, что на выходе фотоэлектронного модуля присутствует постоянный, а не переменный ток, на самом деле является преимуществом. Всё дело в том, что любая гелиосистема работает только в течение светового дня, причём её мощность очень сильно зависит от высоты солнца над горизонтом. Поскольку ночью СБ работать не может, электроэнергию приходится накапливать в аккумуляторах, а они-то все как раз и являются источниками постоянного тока.

Устройство и принцип действия

Принцип действия электрической батареи базируется на таких физических явлениях, как полупроводимость и фотоэлектрический эффект. В основе любого солнечного элемента лежат полупроводники, атомы которых испытывают недостаток в электронах (p-тип проводимости), либо имеют их избыток (n-тип). Другими словами, используется двухслойная структура с n-слоем в качестве катода и p-слоем в качестве анода. Поскольку силы удержания «лишних» электродов в n-слое ослаблены (у атомов не хватает на них энергии), то они легко выбиваются из своих мест при бомбардировке фотонами света. Далее электроны перемещаются в свободные «дырки» p-слоя и через подключённую электрическую нагрузку (или аккумулятор) возвращаются к катоду - вот так и течёт электрический ток, спровоцированный потоком солнечного излучения.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно благодаря фотоэлектрическому эффекту, который описал в своих работах Эйнштейн

Как уже отмечалось выше, энергия от одного фотоэлемента крайне мала, поэтому их объединяют в модули. Последовательным подключением нескольких таких блоков наращивают напряжение батареи, а параллельным увеличивают силу тока. Таким образом, зная электрические параметры одной ячейки можно собрать батарею требуемой мощности.

Полученную от солнечной батареи электроэнергию можно накапливать в аккумуляторах и после преобразования в напряжение 220 В использовать для питания обычных бытовых прибораз

Для защиты от атмосферного воздействия полупроводниковые модули устанавливают в жёсткий каркас и закрывают стеклом с повышенным светопропусканием. Поскольку солнечную энергию можно использовать лишь в течение светового дня, то для её накопления используются аккумуляторы - расходовать их заряд можно по мере необходимости. Для повышения напряжения и его адаптации в соответствии с потребностями бытовых приборов используются инверторы.

Видео: как работает солнечная панель

Классификация фотоэлектрических модулей

Сегодня производство солнечных батарей идёт двумя параллельными путями. С одной стороны на рынке присутствуют фотоэлектрические модули, созданные на основе кремния, а с другой - плёночные, созданные с использованием редкоземельных элементов, современных полимеров и органических полупроводников.

Популярные сегодня кремниевые фотоэлементы подразделяются на несколько типов:

монокристаллические;
поликристаллические;
аморфные.

Для использования в самодельных солнечных батареях лучше всего использовать модули из поликристаллического кремния. Хоть КПД последних и ниже, чем у монокристаллических элементов, но зато на их работоспособность не так сильно влияет загрязнённость поверхности, низкая облачность или угол падения солнечных лучей.

Отличить поликристаллические кремниевые модули от монокристаллических несложно - первые имеют более светлый синий оттенок с выраженными «морозными» узорами на поверхности. Кроме того, тип фотоэлектрических пластин можно определить по их форме - монокристалл имеет скруглённые края, тогда как его ближайший конкурент (поликристалл) представляет собой выраженный прямоугольник.

Что же касается батарей из аморфного кремния, то они ещё менее зависимы от погодных условий и за счёт своей гибкости практически не подвержены риску повреждений при сборке. Тем не менее использование их в собственных целях ограничивается как достаточно низкой удельной мощностью на 1 квадратный метр поверхности, так и по причине высокой стоимости.

Кремниевые солнечные элементы представляют собой самый распространённый класс электрических фотопластин, поэтому они чаще всего используются для изготовления самодельных устройств

Появление плёночных фотоэлектрических модулей обусловлено как необходимостью в снижении стоимости солнечных батарей, так и потребностью получить более производительные и долговечные системы. Сегодня промышленность осваивает выпуск тонких гелиоэлектрических модулей на основе:

теллурида кадмия с КПД до 12% и стоимостью 1 Вт на 20–30% ниже, чем у монокристаллов;
селенида меди и индия - КПД 15–20%;
полимерных соединений - толщина до 100 нм, с КПД - до 6%.

О возможности использования плёночных модулей для постройки электрической солнечной станции своими руками говорить пока ещё рано. Несмотря на доступную стоимость, изготовлением теллуридо-кадмиевых, полимерных и меде-индиевых фотоэлементов занимаются лишь отдельные компании.

Такие достоинства плёночных фотоэлементов, как высокий КПД и механическая прочность позволяют с полной уверенностью говорить, что за ними - будущее солнечной энергетики

Хоть в продаже и можно найти батареи, созданные по плёночной технологии, в большинстве своём они представлены в виде готовых изделий. Нам же интересны отдельные модули, из которых можно построить недорогую самодельную солнечную панель - на рынке они пока ещё в дефиците.

Сводные данные по КПД солнечных элементов, которые выпускаются промышленностью, представлены в таблице.

Таблица: КПД современных солнечных батарей

Где можно взять фотоэлементы и можно ли их заменить чем-то другим

Купить пригодные для сборки солнечной панели монокристаллические или поликристаллические пластины сегодня не является проблемой. Вопрос в том, что сама идея самодельного генератора бесплатного электричества предполагает результат, который будет значительно дешевле заводского аналога. Если же покупать фотоэлектрические модули на месте, то много сэкономить не получится.

На зарубежных торговых площадках солнечные элементы представлены в широком ассортименте - можно купить как единичное изделие, так и набор всего необходимого для сборки и подключения солнечной батареи

За разумную цену солнечные элементы можно найти на зарубежных торговых площадках, например, eBay или AliExpress . Там они представлены в широком ассортименте и по вполне доступным ценам. Для нашего проекта подойдут, например, распространённые поликристаллические пластины размером 3х6 дюймов. При идеальных условиях они могут генерировать электрический ток напряжением 0.5 В и силой до 3 А, то есть 1.5 Вт электрической мощности.

Если вы горите желанием максимально сэкономить или испробовать собственные силы, то нет никакой необходимости сразу же покупать хорошие, целые модули - можно обойтись и некондицией. Всё на том же eBay или AliExpress можно найти комплекты пластин с небольшими трещинками, сколами уголков и прочими дефектами - так называемые изделия класса «B». На технических характеристиках фотоэлементов внешние повреждения не сказываются, чего нельзя сказать о цене - бракованные детали можно купить в 2–3 раза дешевле тех, что имеют товарный вид. Поэтому-то их и рационально использовать, чтобы обкатать технологию на своей первой солнечной панели.

Выбирая фотоэлектронные модули, вы увидите элементы различного типа и размера. Не думайте, что чем больше площадь их поверхности, тем выше напряжение они производят. Это не так. Элементы одного типа генерируют одинаковое напряжение независимо от габаритов. Чего не скажешь о силе тока - здесь размер имеет решающее значение.

Хоть в качестве фотоэлементов и можно использовать морально устаревшую компонентную базу, вскрытые диоды и транзисторы имеют слишком низкое напряжение и силу тока - понадобятся тысячи таких устройств

Сразу же хочется предупредить о том, что нет смысла искать аналог среди различных подручных электронных устройств. Да, получить работающий фотоэлектронный модуль можно из мощных диодов или транзисторов, извлечённых из старого радиоприёмника или телевизора. И даже сделать батарею, соединив несколько таких элементов в цепочку. Однако запитать подобной «солнечной панелью» что-либо мощнее калькулятора или светодиодного фонаря не удастся ввиду слишком слабых технических характеристик единичного модуля.

Принцип расчёта мощности батареи

Для расчёта необходимой мощности самодельной электрической гелиосистемы необходимо знать месячное потребление электроэнергии. Определить это параметр легче всего - количество потребляемого электричества в киловатт-часах можно посмотреть по счётчику или узнать, заглянув в счета, которые регулярно присылает энергосбыт. Так, если затраты составляют, например, 200 кВт×ч, то солнечная батарея должна вырабатывать в день примерно 7 кВт×ч электроэнергии.

В расчётах следует учитывать, что солнечные панели генерируют электричество только в светлое время суток, причём их производительность зависит как от угла Солнца над горизонтом, так и погодных условий. В среднем до 70% всего количества энергии вырабатывается с 9 часов утра до 16 часов вечера и при наличии даже небольшой облачности или дымки мощность панелей падает в 2–3 раза. Если же небо затянут сплошные облака, то в лучшем случае вы сможете получить 5–7% от максимальных возможностей гелиосистемы.

По графику энергоэффективности солнечной батареи видно, что основная доля генерируемой энергии приходится на время от 9 до 16 часов

Учитывая всё вышесказанное, можно подсчитать, что для получения 7 кВт×ч энергии при идеальных условиях понадобится массив панелей мощностью не менее 1 кВт. Если же учитывать уменьшение производительности, связанное с изменением угла падения лучей, погодные факторы, а также потери в аккумуляторах и преобразователях энергии, то этот показатель необходимо увеличить как минимум на 50–70 процентов. Если брать в расчёт верхний показатель, то для рассматриваемого примера будет нужна солнечная панель мощностью 1.7 кВт.

Дальнейший расчёт зависит от того, какие фотоэлементы будут использоваться. Например, возьмём упоминаемые ранее поликристаллические элементы 3˝×6˝ (площадь 0,0046 кв. м) с напряжением 5 В и силой тока до 3 А. Чтобы набрать массив фотоэлементов с выходным напряжением 12 В и силой тока, равной 1 700 Вт/12 В = 141 А понадобится соединить 24 элемента в ряд (последовательное соединение позволяет суммировать напряжение) и использовать 141 А/ 3 А = 47 таких ряда (1 128 пластин). Площадь батареи при максимально плотной укладке составит 1 128 х 0.0046 = 5.2 кв. м

Для того чтобы накопить и трансформировать солнечную энергию в привычные 220 Вольт понадобится массив аккумуляторов, контроллер заряда и повышающий инвертор

Для накопления электричества используются аккумуляторы с напряжением 12 В, 24 В или 48 В, причём их ёмкости должно хватать для того, чтобы вместить те самые 7 кВт×ч энергии. Если брать распространённые 12-вольтовые свинцовые батареи (далеко не самый лучший вариант), то их ёмкость должна быть не менее 7 000 Вт×ч/12 В = 583 А×ч, то есть три больших аккумулятора по 200 ампер-часов каждый. Следует учитывать, что КПД аккумуляторных батарей составляет не более 80%, а также то, что при преобразовании напряжения инвертором в 220 В будет теряться от 15 до 20% энергии . Следовательно, придётся докупить как минимум ещё один такой же аккумулятор для компенсации всех потерь.

К вопросу о возможности использования электрических солнечных панелей в целях отопления

Как вы уже могли, наверное, заметить, словосочетание «солнечная батарея» или «солнечная панель» постоянно упоминается в контексте устройства электрической природы. Сделано это неслучайно, поскольку точно так же нередко называют и другие солнечные панели или батареи - геоколлекторы.

Несколько гелиоколлекторов смогут обеспечить дом горячей водой и возьмут на себя часть расходов по отоплению

Возможность прямого преобразования энергии солнечного излучения непосредственно в тепло позволяет значительно повысить производительность таких установок. Так, современные геоколлекторы с селективным покрытием вакуумных трубок имеют КПД 70–80% и вполне могут использоваться как в системах горячего водоснабжения, так и для обогрева помещений.

Конструкция солнечного коллектора с вакуумными трубками позволяет минимизировать теплопередачу во внешнюю среду

Возвращаясь к вопросу о том, можно ли использовать электрическую солнечную панель для питания отопительных приборов, давайте рассмотрим, сколько тепла понадобится, например, для дома в 70 кв. метров. Исходя из стандартных рекомендаций в 100 Вт тепла на 1 кв. м площади помещения, получим затраты 7кВт энергии в час или примерно 70 кВт×ч в сутки (обогревающие приборы ведь не будут включены постоянно).

То есть 10 самодельных батарей общей площадью 52 кв.м. Представляете себе махину шириной, скажем, 4 м и длиной более 13 м, а также блок из 12-вольтовых аккумуляторов суммарной ёмкостью 7200 ампер-часов? Такая система не сможет даже выйти на самоокупаемость до того, как будет выработан ресурс аккумуляторных батарей. Как видите, говорить о целесообразности применения солнечных батарей в целях отопления пока ещё слишком рано.

Выбор места для установки электрической гелиопанели

Выбирать место, где будет установлена солнечная панель, необходимо ещё на этапе проектирования. Это может быть либо обращённый на юг скат крыши, либо открытая площадка на загородном участке. Второе, конечно же, предпочтительнее в силу нескольких причин:

установленную внизу солнечную батарею легче обслуживать;
на земле проще смонтировать поворотное устройство;
исключается дополнительная нагрузка на кровлю и её повреждение при установке гелиосистемы.

Место установки электрической панели должно быть открыто для солнечных лучей в течение всего светового дня, поэтому рядом не должно быть деревьев или построек, тень от которых могла бы падать на её поверхность.

Выбирая место для установки гелиосистемы, обязательно учитывают возможность затенения солнечных батарей окружающими предметами

Второе обстоятельство, вынуждающее искать такую площадку до начала сборки солнечной батареи, связано с определением габаритов панели. Собирая устройство своими руками, мы можем достаточно гибко подходить к выбору его размеров. В итоге можно получить установку, которая идеально впишется в экстерьер.

Приступаем к изготовлению солнечной батареи своими руками

Сделав все необходимые расчёты и определившись с местом для установки солнечной батареи, можно приступать к её изготовлению.

Что понадобится в работе

Кроме купленных фотоэлементов, при постройке электрической гелиопанели понадобятся такие материалы:

медный многожильный провод;
припой;
специальные шины для соединения выводов фотоэлементов;
диоды Шоттки, рассчитанные на максимальный ток одной ячейки;
припой;
деревянные рейки или алюминиевые уголки;
фанера или OSB;
ДВП или другой жёсткий листовой диэлектрический материал;
оргстекло (можно использовать поликарбонат, антибликовые сверхпрозрачные стёкла или поглощающие ИК-лучи оконные стёкла толщиной не менее 4 мм);
силиконовый герметик;
саморезы;
антибактериальная пропитка для дерева;
масляная краска.

При выборе стекла для солнечной батареи следует выбирать поглощающие ИК-лучи сорта с максимальным светопропусканием и минимальным светоотражением

Для работы понадобится вот такой нехитрый инструмент:

паяльник;
ножовка или электролобзик;
набор отвёрток или шуруповёрт;
малярные кисти.

Если под солнечную панель будет сооружаться дополнительный кронштейн или поворотная опора, то, соответственно, список материалов и инструментов должен пополнить деревянный брус или металлические уголки, стальной пруток, сварочный аппарат и т. д. При установке СБ на земле площадку можно забетонировать или выложить плиткой.

Инструкция по ходу работ

В качестве примера рассмотрим процесс постройки электрической гелиосистемы из рассматриваемых выше солнечных элементов 3х6 дюйма с напряжением 0.5 В и силой тока до 3А. Для заряда 12-вольтового аккумулятора необходимо, чтобы наша батарея «выдавала» не менее 18 В, то есть понадобится 36 пластин. Сборку следует выполнять поэтапно, иначе не избежать ошибок в работе. Следует помнить, что любые переделки, равно как и излишние манипуляции с фотоэлементами могут привести к их повреждению - эти устройства отличаются повышенной хрупкостью.

Для изготовления полноценной солнечной батареи понадобится несколько десятков фотоэлементов

Изготовление корпуса

Корпус солнечной батареи представляет собой плоский ящик, закрытый с одной стороной фанерой, а с другой - прозрачным стеклом. Для изготовления каркаса можно использовать как алюминиевые уголки, так и деревянные рейки. Второй вариант проще в работе, поэтому для изготовления своей первой панели рекомендуем выбрать его.

Приступая к сооружению солнечной панели, сделайте небольшой чертёж - в дальнейшем это поможет сэкономить время и избежать ошибок с размерами

Из реек сечением 20х20 мм собирают прямоугольный каркас с внешними размерами 118х58 см, усиленный одной поперечиной.

Корпус солнечной батареи представляет собой деревянный щит с бортиками высотой не более 2 см - в таком случае они не будут затенять фотоэлементы

В нижних торцах корпуса, а также в распорной планке сверлят вентиляционные устройства. Они будут сообщать внутреннюю полость с атмосферой, благодаря чему стекло не будет запотевать с внутренней стороны. После этого из листа оргстекла вырезают прямоугольник, соответствующую внешним габаритам рамы.

Проделанные в рейках отверстия служат для вентиляции внутреннего пространства панели

Обратную сторону короба зашивают фанерой либо OSB. Корпус обрабатывают антисептиком и окрашивают масляной краской.

Чтобы защитить деревянный корпус от атмосферных воздействий, его окрашивают масляной краской

По размеру внутренних полостей корпуса вырезают 2 подложки для фотоэлементов. Их использование во время монтажа пластин не только сделает работу удобнее, но и снизит риск повреждения хрупкого стекла. Для подложек можно взять любой плотный материал - ДВП, текстолит и т. д. Главное, чтобы он не проводил электрический ток и хорошо противостоял нагреву.

В качестве подложек для фотоэлементов можно использовать любой подходящий диэлектрик, например, перфорированную ДВП

Сборка пластин

Сборку пластин начинают с распаковки. Нередко для сохранности фотоэлементов их собирают в стопку и заливают парафином. В этом случае изделия погружают в ёмкость с водой и подогревают на водяной бане. После того как парафин будет растоплен, пластины следует отделить друг от друга и хорошо просушить.

Удаление воска с пакета пластин лучше всего проводить на водяной бане. Способ, который показан на рисунке,зарекомендовал себя не лучшим образом - при кипении пластины начинают вибрировать и ударяться друг о друга

Фотоэлементы раскладывают на подложке таким образом, чтобы их выводы были направлены в нужную сторону. В нашем случае все 36 пластин соединяются последовательно - это позволит «набрать» нужные нам 18 В. Для простоты монтажа следует паять по 6 пластин, получая 6 отдельных цепочек.

Перед пайкой фотоэлементы раскладывают в цепочки нужной длины

Зная принцип формирования солнечных панелей, вы сможете легко подобрать требуемое напряжение и силу тока. Всё очень просто: сначала собирается группа последовательно соединённых пластин, которая даст нужное напряжение. После этого отдельные блоки соединяют параллельно - при этом будет суммироваться их сила тока. Таким образом, можно получить панель любой мощности.

На токопроводящие дорожки фотоэлементов наносится припой и при помощи маломощного паяльника детали соединяются друг с другом.

Покупая более дешёвые фотоэлементы без выводов, будьте готовы к кропотливой работе по пайке проводников

Собрав все шесть групп, в центр каждой пластины необходимо нанести каплю силиконового герметика. Затем цепочки фотоэлементов разворачивают и аккуратно приклеивают к подложке.

Для фиксации фотоэлементов на подложкке используют силиконовый герметик или резиновый клей

К плюсовому выводу каждой цепочки припаивают диод Шоттки - он защитит аккумулятор от разряда через панель в тёмное время суток или при сильной облачности. Используя специальную шину или медную оплётку, отдельные блоки соединяют в единую цепь.

На схеме электрических подключений элементы солнечной панели обведены пунктирной линией

При последовательном соединении плюсовой вывод должен присоединяться к минусовому контакту, а при параллельном - к одноимённому.

Установка пластин в корпус

Собранные на подложке фотоэлементы укладывают в корпус и фиксируют к фанере при помощи саморезов. Отдельные части солнечной батареи соединяют друг с другом медным проводником. Его можно пропустить через одно из вентиляционных отверстий в поперечине - так не будет создаваться помех при установке стекло.

К «плюсу» и «минусу» припаивают многожильный кабель, который выводят наружу через отверстие в нижней части корпуса - он понадобится для подключения панели к аккумулятору. Для предотвращения повреждения пластин, кабель прочно фиксируют к деревянной раме.

После установки пластин все навесные элементы фиксируют при помощи термоклея или герметика

Сверху солнечную батарею накрывают листом оргстекла, который крепят при помощи уголков или саморезов. Чтобы защитить фотоэлементы от влаги, между рамой и стеклом наносят слой силиконового герметика. На этом сборку можно считать законченной - можно выносить солнечную батарею на крышу и подключать к потребителям.

После укладки и фиксации стеклянного покрытия солнечная панель готова к работе

Эффективность работы солнечной батареи зависит от её ориентации на солнце - максимальная мощность достигается при падении солнечных лучей под прямым углом. Чтобы повысить производительность установки, её размещают на поворотном каркасе. Эта конструкция представляет собой деревянную или металлическую раму, установленную на поворотной горизонтальной оси.

Для максимальной эффективности солнечная панель должна быть сориентирована строго на Солнце. Лучше всего с этой задачей справляются автоматические установки, называемые гелиотрекерами

Для поворота и фиксации рамы можно использовать как механический привод (например, цепную передачу), так и подпорную планку со ступенчатой регулировкой. Наиболее совершенные поворотные устройства оснащают узлом вращения в вертикальной плоскости и системой автоматического слежения за Солнцем. Подобную аппаратуру можно собрать, используя шаговые двигатели и современный микроконтроллер, например, Arduino.

Постройка гелиотрекера в домашних условиях - чрезвычайно сложная задача, поэтому чаще всего умельцы обходятся простым каркасом с наклонной или зафиксированной рамой

Подключение солнечной батареи к системе автономного электроснабжения следует выполнять посредством контроллера заряда. Это устройство не только правильно распределит потоки электрической энергии, но и предотвратит глубокий разряд АКБ, увеличивая срок её эксплуатации. Все подключения, включая присоединение 220-вольтового инвертора, следует выполнять медными проводами сечением не менее 3–4 кв. мм - это позволит избежать оммических потерь энергии.

Контроллер заряда солнечной батареи позволит ей работать с максимальной токоотдачей и предохранит аккумуляторы от чрезмерного разряда

Напоследок хотелось бы порекомендовать следить за солнечной батареей не только по индикаторам и стрелкам приборов. Помните о том, что загрязнённое стекло может снизить производительность установки на 50% и более. Не забывайте проводить регулярную уборку, и собранная своими руками установка отплатит вам киловаттами совершенно бесплатной, а главное, экологически чистой энергии.

Видео: сборка солнечной панели своими руками

Сегодня нет никаких преград для сборки солнечной панели своими руками. Нет проблем ни с приобретением фотоэлементов, ни с покупкой контроллера или преобразователя энергии. Надеемся, что эта статья станет для вас отправной точкой на пути к автономному дому, и вы наконец-то возьмётесь за дело. Будем ждать от вас вопросов, идей и предложений относительно конструирования и улучшения солнечных батарей. До новых встреч!

Выбор фотоэлементов для солнечной батареи

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

Инструменты и материалы

Материалы:

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

Инструмент:

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

Пошаговая фотоинструкция

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

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

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

С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:

Обрезанный алюминиевый уголок

Делаем скобы для соединения уголков:

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

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

Находим центр каждой стороны скобы
Отверстие в скобе

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

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

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

Отверстия в уголке

Собираем рамку с помощью болтов и гаек:

Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:

Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри

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

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

Соединить между собой элементы по схеме:

Схема соединения фотоэлементов в батарее

Собираем уплотняющую конструкцию:

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

Конструкция укладывается внутрь рамки:

Поролон укладывается внутрь рамки

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

Снять алюминиевую рамку
Фотоэлементы на поролоне

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

Герметик на фотоэлементах
Накрыть фотоэлементы рамкой со стеклом

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

Пузыри уходят за 2-3 часа

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

Ошибки при сборке солнечной батареи своими руками

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

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