Самодельная солнечная панель своими руками. Солнце как источник бесплатной энергии: делаем солнечную батарею своими руками. Светодиоды

В течение почти двух веков человечество думает о том, как обеспечить электрической энергией изобретения и возрастающие потребности. За этот период были изобретены электростанции, сила расщепленного атома, масштабные ГЭС, а бурные реки пришли на помощь человечеству. Стремительно развиваются в разных регионах Земли. Сюда следует отнести ветровые станции и солнечные батареи.

Если учесть тот факт, что угасание Солнца прогнозируется лишь через 5 миллиардов лет, этот источник энергии можно считать неисчерпаемым. Взаимодействие между электрической энергией и светом первым обнаружил физик Он выяснил, что ультрафиолет способствует возникновению и прохождению разряда между проводниками электрической энергии.

Первую схему по выработке и передачи энергии с использованием лучей произвел ученый Александр Столетов. Он создал первый фотоэлемент. А вот открытие фотоэффекта, которое было произведено Эйнштейном, привело к тому, что индустрия солнечных батарей стала развиваться.

Устройство батареи

Если вы решили сделать солнечную батарею самостоятельно, то должны для начала ознакомиться с ее устройством. Она представляет собой систему взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет использовать принцип фотоэффекта. Солнечный свет падает на элементы под определенным углом и преобразуется в электрический ток.

Устройство солнечной батареи и принцип работы будут описаны в статье. Для начала необходимо изучить первую часть вопроса. Конструкция предусматривает наличие следующих комплектующих:

материала-полупроводника;
источника электропитания;
контроллера;
заряда аккумулятора;
инвертора-преобразователя;
стабилизатор напряжения.

Материал-полупроводник представляет собой совмещенные слои с разной проводимостью. Это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с добавлением некоторых химических соединений. Последние позволяют получить нужные свойства для возникновения фотоэффекта.

Один из слоев должен иметь избыток электронов, чтобы обеспечить переход электронов из одного материала в другой. Дополнительный слой должен иметь недостаток электронов. Тонкий слой элемента в системе необходим для противостояния перехода электронов. Он располагается между вышеописанными слоями.

Если подключить источник электропитания к противостоящему слою, то электроны будут преодолевать запорную зону. Это позволяет добиться что и называется электрическим током. Для сохранения и накапливания энергии применяется аккумулятор. Для преобразования электрического тока в переменный используется инвертор-преобразователь. А вот для создания напряжения нужного диапазона применяется стабилизатор.

Принцип работы

Если вы задумались над вопросом о том, как в домашних условиях сделать солнечную батарею, то должны ознакомиться еще и с принципом ее функционирования. Он заключается в том, что фотоны света, которые являются солнечным излучением, падают на поверхность полупроводника. Они передают свою энергию при столкновении с поверхностью электронам полупроводника. Электроны, выбитые из полупроводника, преодолевают защитный слой. Они обладают дополнительной энергией.

Отрицательные электроны покидают проводник р-вида, а далее следуют в проводник n. С положительными электронами все происходит наоборот. Этому переходу способствуют электрические поля, существующие в проводниках. Это увеличивает силу и разницу зарядов. Сила электрического тока в элементе будет зависеть от нескольких факторов, среди них:

количество света;
интенсивность излучения;
площадь принимающей поверхности;
угол падения света;
время эксплуатации;
КПД системы;
температура внешнего воздуха.

Инструкция по изготовлению

Перед тем как в домашних условиях сделать солнечную батарею, вы должны ознакомиться с несколькими вариантами сборки таких элементов. Технология будет зависеть от количества солнечных элементов и дополнительных материалов. Чем больше площадь панели, тем мощнее окажется оборудование, но это повлечет увеличение веса конструкции. В одной батарее следует использовать одинаковые модули, ведь эквивалентность тока будет приравниваться к показателям меньшего элемента.

Подготовка инструментов и материалов

Некоторые владельцы частных домов задумываются, как в домашних условиях сделать солнечную батарею. Если вы тоже оказались в их числе, то должны знать, что дизайн модулей и их габариты могут быть выбраны вами самостоятельно.

Для изготовления корпуса, внутри которого будут находиться элементы, следует подготовить:

листы фанеры;
универсальный клей;
дрель;
куски оргстекла;
невысокие рейки;
уголки и саморезы;
плиты ДВП;
краску.

Сборка каркаса

На первом этапе следует взять фанеру, которая будет выполнять роль основания. По ее периметру приклеиваются бортики. Рейки не должны загораживать солнечные элементы, поэтому их высота не должна быть больше 3/4 дюйма. Для надежности приклеенные рейки привинчиваются саморезами, а углы фиксирую уголками. Для вентиляции в нижней части корпуса и по бортам высверливаются отверстия. В крышке их быть не должно, так как это может стать причиной попадания влаги.

Если перед вами встал вопрос о том, как в домашних условиях сделать солнечную батарею, вы должны ознакомиться с технологией. Она предусматривает крепление элементов на листы ДВП, которые могут быть заменены другим материалом. В качестве основного условия выступает то, что полотно не должна проводить электроток.

Методика проведения работ

Из оргстекла следует вырезать крышку и подогнать под размеры корпуса. Для защиты деревянных частей следует использовать пропитку. Солнечные модули раскладываются на подложке обратной стороной вверх, чтобы осуществить пайку проводников. Для работы следует подготовить припой и паяльник.

Если вы хотите знать, как в домашних условиях сделать солнечную батарею самому, то следует учитывать: места пайки обрабатываются карандашом. Для начала вы можете потренироваться на двух элементах. Все элементы соединяются последовательной цепочкой, в результате должна получиться змейка. Элементы соединяются, а после система поворачивается лицевой стороной вверх. Модули наклеиваются на панели. В качестве клея можно использовать силиконовый герметик.

Настоящим помощником в хозяйстве для вас может стать батарея для дома изготавливается довольно просто. После крепления модулей на подложку можно проверить функциональность системы. Затем основа помещается в каркас и фиксируется шурупами.

В заключение

Для того чтобы исключить разряд аккумулятора через батарею, на панель устанавливается блокировочный диод, который после крепится герметиком. Установленные элементы сверху накрываются экраном из оргстекла. Перед фиксацией еще раз следует проверить работоспособность конструкции. Теперь вам известно, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Дополнительно следует знать еще и о том, что тестировать модули вы можете в процессе установки и пайки, делать это можно группами по несколько штук.

Многие компании в интернете реализуют уже готовые собранные панели, которые напрямую подключаются к потребителю. Но, такие устройства имеют куда большую стоимость, чем отдельные элементы. В связи с особенностью климатического пояса полностью перейти на солнечную электроэнергию у вас вряд ли получится, поэтому и готовые солнечные батареи смогут окупиться только через 10 — 40 лет. Чтобы сэкономить на дорогостоящих заводских панелях, куда выгоднее приобрести фотоэлектрические модули, комплектующие к ним и заняться сборкой ячеек в единую солнечную батарею самостоятельно.

Какой вариант выбрать?

Первое, что вам нужно – приобрести фотоэлектрический преобразователь. Различные модели предлагаются как отечественными производителями, так и зарубежными. Наиболее дешевыми вариантами являются китайские кремниевые фотоэлементы. Они имеют ряд недостатков, но, в сравнении с американскими и отечественными, куда более дешевые. Все модели, в зависимости от типа, подразделяются на три вида:

монокристаллические модули – состоят из искусственно выращенных кристаллов достаточно больших размеров. Отличаются самым высоким КПД в 13 – 26% и самым длительным сроком эксплуатации в 25 лет. Недостатком солнечных батарей на их основе является снижение максимального КПД в течении периода эксплуатации.
поликристаллические фотоэлементы – в сравнении с предыдущими имеют куда меньший срок эксплуатации, как заявляет производитель – 10 лет. Также они могут выдать только 10 – 12% КПД, в с равнении с предыдущими, зато этот параметр остается постоянным для них в течении всего периода работы.
аморфные батареи – это пленочные батареи, в которых на гибкую основу нанесен аморфный кремний. Такие фотоэлементы появились сравнительно недавно и могут наклеиваться на любые поверхности – окна, стены и т.д. Они характеризуются самым низким КПД – 5 – 6%.

Выбор определенного типа зависит от ваших пожеланий и поставленных задач. К примеру, если количество солнечного излучения сравнительно невелико в вашем регионе, лучше устанавливать монокристаллические преобразователи, так как у них самый высокий КПД.

Подготовка инструментов и выбор материалов

Помимо преобразователей, для сборки полноценной солнечной панели вам понадобятся такие материалы:

Припой – для солнечной батареи необходимы легкоплавкие оловянные сплавы.
Соединительные провода – подбираются однопроволочные медные марки. Для соединения монокристаллических и поликристаллических пластин применяются голые проводники, а для отвода электроэнергии изолированные.
Рамка – создает основной каркас, в котором располагается вся солнечная батарея. Состоит из основания – ДСП, USB, фанеры и прочих, металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для их соединения.
Стекло или полимерная пластина – создают защитный слой поверх монокристаллических пластин, также, в сочетании с рамой, служат для скрытия элементов от воздействия атмосферных осадков и механических воздействий.
Герметик – наилучшим материалом для герметизации является эпоксидный компаунд, но это достаточно дорогостоящее удовольствие, поэтому его можно заменить силиконовым герметиком.
Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления электрической энергии в светлое время суток с целью дальнейшего использования. Экономить при выборе батареи не стоит, так как качественная модель прослужит гораздо дольше.
Инвертор – используется для преобразования постоянного напряжения в переменное. Преобразователь напряжения необходим для подключения к солнечной батареи любых бытовых приборов.

Из инструментов вам пригодиться ножовка, дрель, или обычная отвертка для закручивания саморезов, мультиметр или амперметр для определения работоспособности солнечной батареи, паяльник.

Составление проекта

На этапе подготовки проекта необходимо определить наиболее подходящее место для установки солнечной батареи. Определите, с какой стороны участка находиться больше всего солнечных лучей, не падает тень от деревьев и других построек. Место установки может быть на земле, скатах крыши, стенах или отдельно стоящих конструкциях. К примеру, если вы хотите установить солнечную батарею на крыше, следует убедиться, что конструкция выдержит ее вес.

Из-за того, что максимальная производительность моно- и поликристаллических ячеек обеспечивается исключительно при перпендикулярном попадании на них солнечных лучей, желательно собрать для них регулируемую конструкцию. Которая позволит изменять угол наклона солнечной батареи, в зависимости от времени года или даже времени суток. Так как положение источника света в различные периоды года и суток значительно отличаются (рисунок 1).

Рис. 1: зависимость положения солнца от времени года

Также обратите внимание, что в стационарно установленной батарее, к примеру, вырабатывающая в идеальных условиях 7 кВт/ч, утром и вечером будет вырабатыватся только 3 кВт/ч. Соответственно, при установке только в одном положении, батарея будет выдавать номинальную мощность лишь несколько месяцев в году. Если вы решите монтировать ее в стационарном положении, панели следует располагать под углом от 50 до 60º, для регулируемых устанавливается два предела – зимний в 70º и летний в 30º, а в промежуточный период, их наклоняют как стационарные.

Чтобы определить количество пластин, необходимо подсчитать, какой электрический ток или мощность генерирует одна из них или 1 м 2 . Как правило, 1 м 2 выдает порядка 125 Вт, поэтому чтобы получить около 2,5 кВт для бытовых нужд, необходимо установить 20 м 2 панелей.

Порядок изготовления солнечной батареи

Элементы на поли- или монокристаллическом кремнии необходимо объединить в единую панель. Для этого осуществляется пайка контактов к проводникам. Порядок пайки следующий:

Если приобретенные вами элементы для солнечных батарей уже оснащены соединительными проводниками, этот этап можно пропустить и сразу переходить к изготовлению рамки.

Изготовление рамки

Рамка солнечной батареи представляет собой короб с невысокими бортами, который накрывается прозрачным стеклом. Для изготовления рамки:

Рис. 7. соберите солнечную батарею

Постарайтесь подобрать материал для прозрачной крышки без бликов, иначе часть энергии солнца будет отражаться, что значительно снизит КПД. После того, как изготовите рамку, соберите солнечную батарею.

Изготовление модулей

Данный этап требует особой осторожности и внимания, поскольку на нем вы формируете электрическую цепь солнечной батареи. Если допустите прожоги или трещины, вы можете испортить не только какой-либо конкретный элемент, но и весь модуль, который в итоге придется переделывать.

Все элементы соединяются последовательно сверху вниз, чтобы не раздавить нижние, когда будете паять. Вертикальные ряды припаяйте на общую шину.

После того, как вы собрали батарею, проверьте ее работоспособность. Вынесите ее под солнечные лучи и замерьте величину тока на выводах.

Рис. 12: вынесите на улицу и проверьте мультиметром

Сравните это значение с ранее замеренной величиной для одного элемента солнечной батареи. Чтобы проверить правильность, умножьте количество элементов на ток от одного, если прибор показал такое значение или близкое к нему, солнечная батарея собрана правильно и ее можно герметизировать.

Для герметизации используются компаунды или силиконовые герметики, которые подходят для температуры ниже нуля. Для этого солнечную батарею можно как заливать полностью, так и нанести герметик только между модулями.

Рис. 13: залейте герметиком

Второй вариант более экономный, но первый обеспечит вам куда большую надежность и лучшую герметизацию. После герметизации сверху устанавливается умеренный пресс до полного застывания.

Рис. 14: установите умеренный пресс

До заливки вы можете установить демпфер из плотного поролона между фотоэлементами солнечной батареи и плитой из ДСП. Ширина поролона выбирается менее высоты борта, в рассматриваемом случае высота – 2 см, соответственно можно взять поролон 1,5 см в толщину. Готовые и проверенные батареи установите согласно составленного проекта и подключите к электрической сети дома через аккумулятор и инвертор.

Другие видео инструкции

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные недостатки солнечных батарей:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подбор материалов для создания панели

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

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

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

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

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

Изготовление солнечной батареи для дома своими руками

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

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

Рассчитываем комплектующие

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Также нам потребуются:

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

Этапы изготовления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Делаем выводы

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

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

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

Видео о том, как изготовить прибор для сбора солнечной энергии самому

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 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.

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 кВт×час 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 + (1.6×0.7) =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 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, 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 3×6 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 × 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.

Одним из способов сократить оплату коммунальных услуг является использование солнечных батарей. Такую батарею можно сделать и установить своими руками.

Что представляет собой солнечная батарея и для чего она используется?

Солнечная батарея - это устройство, принцип работы которого основан на способности фотоэлементов преобразовывать энергию солнца в электричество. Эти преобразователи соединены между собой в общую систему. Получаемый электрический ток накапливается в специальных устройствах - аккумуляторах.

Чем больше площадь панелей, тем больше электрической энергии можно получить

Мощность солнечной батареи зависит от размера поля из фотоэлементов. Но это не означает, что только большие площади способны воспроизвести требуемое количество электроэнергии. Например, всем знакомые калькуляторы могут использовать портативные солнечные батареи, которые вмонтированы в их корпус.

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечной батареи относятся:

простота монтажа и обслуживания;
отсутствие вреда для окружающей среды;
небольшая масса панелей;
бесшумная работа;
независящие от распределительной сети поставки электрической энергии;
неподвижность элементов конструкции;
небольшие денежные затраты на изготовление;
долгий срок эксплуатации.

В число недостатков солнечной батареи входят:

трудоёмкость процесса изготовления;
бесполезность в тёмное время суток;
потребность в большой площади для установки;
восприимчивость к загрязнениям.

Хотя изготовление солнечной батареи является трудоёмким процессом, её можно собрать своими руками.

Инструменты и материалы

Если нет возможности приобрести готовую солнечную батарею для дома, её можно сделать самостоятельно.

Для изготовления солнечной батареи понадобятся:

фотоэлементы (для создания гелиопанели);
набор специальных проводников (для соединения фотоэлементов);
алюминиевые уголки (для корпуса);
диоды Шотке;
крепёжные метизы;
винты для крепежа;
лист поликарбоната (прозрачный);
силиконовый герметик;
паяльник.

Выбор фотоэлементов

Сегодня производители предлагают потребителям выбор из двух типов устройств. Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД до 13%. Они отличаются низкой эффективностью при пасмурной погоде. Фотоэлементы из поликристаллического кремния имеют КПД до 9%, однако они способны работать не только в солнечные, но и в облачные дни.

Чтобы обеспечить дачу или небольшой частный дом электроэнергией, достаточно воспользоваться поликристаллами.

Важная информация: Желательно приобретать фотоэлементы у одного производителя, так как ячейки разных марок могут иметь существенные различия, что сказывается на эффективности работы и процессе сборки, а также приводит к более высоким затратам энергии при эксплуатации.

При выборе фотоэлементов необходимо обратить внимание на следующее:

чем больше ячейка, тем большее количество энергии она производит;
элементы одного типа создают одинаковое напряжение (от размера данный показатель не зависит).

Чтобы определить мощность солнечной батареи, достаточно генерируемый ток умножить на напряжение.

Отличить поликристаллические фотоэлементы от монокристаллических достаточно просто. Первый тип выделяется ярко-синим цветом и квадратной формой. Монокристаллические фотоэлементы темнее, они срезаны по краям.

Поли- и монокристаллические панели легко отличить даже на первый взгляд

Не стоит отдавать предпочтение продукции со сниженной ценой, поскольку она может отказаться отбраковкой - это детали, которые не прошли тест на заводе. Лучше воспользоваться услугами проверенных поставщиков, которые хоть и предлагают товар по высокой цене, зато отвечают за его качество. Если нет опыта в сборе фотоэлементов, рекомендуется приобрести несколько тестовых образцов, чтобы потренироваться, а только потом купить продукцию для изготовления самой батареи.

Некоторые производители запаивают фотоэлементы в воск, чтобы предотвратить порчу во время перевозки. Однако избавиться от него довольно сложно из-за высокого риска повреждения пластин, поэтому рекомендуется покупать фотоэлементы без воска.

Инструкция по изготовлению

Процесс изготовления солнечной батареи состоит из нескольких этапов:

Подготовка фотоэлементов и пайка проводников.
Создание корпуса.
Сборка элементов и герметизация.

Подготовка фотоэлементов и пайка проводников

На столе собирается набор фотоячеек. Допустим, производитель указывает на мощность 4 Вт и напряжение 0,5 вольт. В таком случае нужно использовать 36 фотоэлементов, чтобы создать солнечную батарею на 18 Вт.

С помощью паяльника, мощность которого составляет 25 Вт, наносятся контуры, образуя припаянные проводки из олова.

Качество пайки является главным требованием для эффективной работы солнечной батареи

Важная информация: Желательно выполнять процесс пайки на ровной твёрдой поверхности.

Затем все ячейки соединяются между собой в соответствии с электрической схемой. При подключении солнечной панели можно воспользоваться одним из двух способов: параллельным или последовательным соединением. В первом случае плюсовые клеммы соединяются с плюсовыми, минусовые с минусовыми. Затем клеммы с разным зарядом выводятся к аккумулятору. Последовательное подключение предусматривает соединение противоположных зарядов путём поочерёдного скрепления ячеек между собой. После этого оставшиеся концы выводятся к аккумуляторной батарее.

Важная информация: Независимо от того, какой вид подключения вы выбрали, необходимо предусмотреть шунтирующие диоды, которые устанавливаются на клемме «плюс». Идеально подходят диоды Шорке. Они препятствуют разрядке устройства ночью.

Когда спайка будет завершена, нужно вынести ячейки на солнце, чтобы проверить их работоспособность. Если функциональность в норме, можно начинать сборку корпуса.

Проверка устройства выполняется на солнечной стороне

Как собрать корпус

Подготовить уголки из алюминия с невысокими бортиками.
Для метизов предварительно выполняются отверстия.
Затем на внутреннюю часть алюминиевого уголка наносится силиконовый герметик (желательно сделать два слоя). От того, насколько качественно он будет нанесён, зависит герметичность, а также длительность службы солнечной батареи. Важно обратить внимание на отсутствие незаполненных мест.
После этого в раму помещается прозрачный лист поликарбоната и плотно фиксируется.
Когда герметик высохнет, крепятся метизы с шурупами, что обеспечит более надёжное крепление.

Учитывая хрупкость конструкции, рекомендуется сначала создать каркас, а затем только устанавливать фотоэлементы

Важная информация: Кроме поликарбоната можно использовать оргстекло или антибликовое стекло.

Сборка элементов и герметизация

Очистите прозрачный материал от загрязнений.
Разместите фотоэлементы на внутренней стороне листа из поликарбоната на расстоянии 5 мм между ячейками. Чтобы не ошибиться, предварительно сделайте разметку.
На каждый фотоэлемент нанесите монтажный силикон.

Чтобы продлить срок службы солнечной батареи, рекомендуется нанести на её элементы монтажный силикон и закрыть задней панелью

После этого прикрепляется задняя панель. После застывания силикона нужно герметизировать всю конструкцию.

Герметизация конструкции обеспечит плотное прилегание панелей друг к другу

Видео: Изготовление солнечной батареи своими руками в домашних условиях

Правила установки

Чтобы получить возможность использовать солнечную батарею по максимуму, рекомендуется при установке устройства придерживаться определённых правил:

Необходимо правильно выбрать место. Если разместить солнечную батарею там, где постоянно присутствует тень, устройство будет малоэффективно. Исходя из этого, не рекомендуется устанавливать прибор около деревьев, желательно выбирать открытое место. Многие монтируют солнечную батарею на крыше дома.
При установке необходимо направлять устройство в сторону солнца. Нужно добиться максимального попадания его лучей на фотоэлементы. К примеру, находясь на севере, следует ориентировать лицевую сторону солнечной батареи на юг.
Большую роль играет определение уклона устройства. Он также зависит от географического положения. Считается, что угол уклона должен составлять широту, в которой устанавливается батарея. При размещении в зоне экватора придётся производить настройку угла наклона по времени года. Коррекция составит 12 градусов, учитывая увеличение и уменьшение летом и зимой соответственно.
Рекомендуется установить солнечную батарею в доступном месте. По мере использования устройства его лицевая сторона накапливает грязь, а в зимнее время её заносит снегом, и в результате выработка энергии снижается. Поэтому необходимо периодически проводить чистку батареи, удаляя налёт с её лицевой панели.

Изготовление устройства из подручных средств

На сегодняшний день умельцами были разработаны способы создания солнечных батарей из подручных материалов, но оправдана ли такая экономия?

Использование старых транзисторов

Для изготовления солнечной батареи можно использовать старые транзисторы. Для этого срезают их крышки, зафиксировав приборы в тисках за ободок. Затем выполняется измерение напряжения под воздействием света. Необходимо определить его на всех выводах прибора с целью обнаружения максимальных значений. Напряжение зависит от мощности транзистора, а также от габаритов кристалла.

Срезать крышку транзистора нужно аккуратно, иначе можно повредить тонкие провода, которые подведены к полупроводниковому кристаллу

После этого можно приступить к изготовлению солнечной батареи. Используя пять транзисторов и, соединив их последовательно, можно получить устройство достаточной для обеспечения работы калькулятора мощности. Каркас собирается из листового пластика. Необходимо просверлить в нём отверстия, нужные для вывода транзистора. Калькулятор на основе такой солнечной батареи работает стабильно, однако нужно, чтобы он находился не дальше 30 см от источника света. Для лучших результатов целесообразно использовать вторую цепочку транзисторов.

Применение диодов

Для сбора солнечной батареи понадобится много диодов. Кроме того, используется плата для подложки. В процессе изготовления применяется паяльник.

Сначала нужно открыть внутренний кристалл, чтобы на него попадали лучи солнца. Для этого верхушка диода срезается и снимается. Нижнюю часть, где находится кристалл, необходимо подогреть над газовой плитой около 20 секунд. Когда расплавится припой кристалла, он легко снимется пинцетом. Аналогичная манипуляция проводится с каждым диодом. Затем кристаллы припаиваются к плате.

Элементы солнечной батареи из диодов соединяются между собой с помощью тонких медных проводов

Для получения 2–4 В достаточно 5 блоков, состоящих из пяти кристаллов, спаянных последовательно. Блоки размещаются между собой параллельно.

Устройство из листов меди

Чтобы изготовить солнечную батарею из листов меди, потребуется:

сами медные листы;
два зажима «крокодил»;
микроамперметр высокой чувствительности;
электрическая плита (не менее 1000 Вт);
пластиковая бутылка с обрезанным верхом;
две ложки поваренной соли;
вода;
наждачная бумага;
ножницы по листовому металлу.

Порядок действий:

Сначала отрежьте кусок меди, который по размерам соответствует тэну на плите. Поверхность листа очистите от жира и зачистите наждачной бумагой, затем поместите на плиту и нагревайте при максимальной температуре.
Во время образования окиси можно увидеть разноцветные узоры. Необходимо дождаться чёрного цвета, а затем оставить медный лист нагреваться ещё около получаса. По истечении этого промежутка времени плита выключается. Лист остаётся на ней для медленного охлаждения.
Когда чёрная окись отпадёт, необходимо промыть медь под проточной водой.
Затем вырежьте кусок аналогичного размера из целого листа. Обе части разместите в пластиковой бутылке. Важно, чтобы они не соприкасались друг с другом.
Медные пластины прикрепите к стенкам бутылки с помощью зажимов. Провод от чистого листа подключите к положительному выводу измерительного прибора, а от меди с оксидом - к отрицательному.
Соль растворите в небольшом количестве воды. Солёную воду осторожно вливайте в бутылку, стараясь не намочить контакты. Раствора должно быть столько, чтобы он не покрывал пластины полностью. Солнечная батарея готова, можно проводить эксперименты.

При размещении медных пластин в ёмкости нужно аккуратно изогнуть их, чтобы они вместились, но не сломались

Есть ли выгода?

КПД устройства, изготовленного из транзисторов, очень низок. Причина этого состоит в большой площади самого прибора и небольшом размере солнечного элемента (полупроводника). Таким образом, солнечная батарея на основе транзисторов не получила распространения, подобные устройства подходят только для развлечений.

Диодам свойственно потреблять ток и самопроизвольно светиться. Поэтому при их использовании для изготовления солнечной батареи часть диодов будет генерировать электричество, а остальные приборы, наоборот, его потреблять. Из этого можно сделать вывод, что эффективность такого устройства низкая.

Чтобы зажечь лампочку от солнечной батареи на основе медных листов, потребуется использовать большое количество материала. К примеру, для работы плиты на 1000 Вт необходимо 1 600 000 м² меди. Для обустройства такого прибора на крыше дома потребуется, чтобы её площадь составляла 282 м². И все усилия пошли бы на обеспечение работы одной печи. На практике использовать такую солнечную батарею нет смысла.

Несмотря на относительную дороговизну, солнечные батареи довольно быстро окупаются. Попробуйте этот экологичный способ выработки энергии, собрав солнечную батарею своими руками.