Солнечная батарея своими руками: как сделать в домашних условиях, панель для дома, самодельная из подручных средств

Устройство и принцип работы

За описание механизма фотоэлектрического эффекта Альберт Эйнштейн получил нобелевскую премию. А первое преобразование солнечных лучей в электричество стало возможным еще в середине девятнадцатого века, когда француз Александр Беккерель открыл это явление. Правда понадобилось еще 50 лет, чтобы русский ученый Александр Столетов в своей лаборатории смог получить практический результат.

Первый солнечный фотоэлемент из кристаллического кремния разработала компания Bell Laboratories в 1954 году. Именно с этого момента и взяла старт технология, благодаря которой рассчитывают полностью убрать из обихода углеродное топливо. Причем перспективы поистине огромны. С квадратного метра земной поверхности за день можно получить 4.2 кВт/час солнечной энергии. Что эквивалентно расходу одного барреля нефти.

Одна фотоэлектрическая ячейка производит ток, который измеряется в миллиамперах. И чтобы сделать солнечную панель, вырабатывающую электроэнергию достаточной мощности, такие звенья соединяют в модульную конструкцию. Целые массивы, из разного количества фотоэлементов, и составляют солнечную батарею.

Фотоэлектрическая ячейкаИсточник remont-system.ru

Из-за сложности и дороговизны изготовления, технология изначально нашла применение только в космической отрасли. Но когда придумали способ производить фотоэлементы из более дешевых материалов, то солнечная батарея пришла и в наши дома. Сначала для портативных калькуляторов, затем для фотоаппаратов и небольших светильников.

Вскоре технология перекочевала из космоса и на землю. Начались создаваться геоэлектрические установки, которые закреплялись на крышах домов. Благодаря такому новшеству, эти здания отключались от проводного электричества и становились автономными. И сейчас уже не редкость встретить многокилометровые поля с установленными на них кремниевыми панелями. Такие электростанции способны обеспечить электроэнергией целые города.

Сложный фотоэлектрический эффект оказался чрезвычайно прост. Но это на сегодняшний день. Ведь еще 50 лет назад не было технологии, позволяющей получать материалы с неустойчивой атомной структурой. А именно это свойство вещества и является ключом к получению энергии. Когда отдельные неустойчивые атомы бомбардируются фотонами света, то из их орбит выбиваются электроны. Вот последние и представляют из себя источник тока.

ПолупроводникИсточник rusinfo.info

Открытие полупроводников выступило огромным скачком в развитии отрасли получения альтернативных источников электроэнергии. Эти материалы имеют атомы, у которых или слишком много электронов, или очень мало. Деление на катод (излишек) и анод (нехватка) и позволяет при обстреле фотонами света выбивать частицы из атомов с избытком электронов.

Таким способом катод передает их на свободные орбиты аноду. А если создать нагрузку, то электроны возвращаются на свои первоначальные места. Таким образом движение частиц в замкнутом контуре создает электрический ток. А привычное магнитное поле в громоздких электрических генераторах заменяется на поток частиц солнечного излучения.

Солнечная батарея своими руками – как сделать, собрать и изготовить?

Отходя от самодельных вариантов мы уделим внимание уже более серьёзным вещам. Сейчас мы поговорим о том, как правильно собрать и изготовить настоящую солнечную батарею своими руками

Да – такое тоже возможно. И хочется вас уверить – она будет не хуже покупных аналогов.

Для начала стоит сказать, что, вероятно, вы не сможете найти на свободном рынке сами настоящие кремниевые панели, которые используются в полноценных солнечных батареях. Да и стоит они будут дорого. Мы же будем собирать нашу солнечную батарею из монокристаллических панелей – варианте более дешёвом, но отлично показывающим себя в плане выработки электрической энергии. Тем более что монокристаллические панели легко найти и стоят они достаточно недорого. Они бывают разных размеров. Самый популярный и ходовой вариант – 3х6 дюймов, который вырабатывает 0,5В в эквиваленте. Таких нам будет достаточно. В зависимости от ваших финансов вы можете купить их хоть 100-200 штук, но сегодня мы соберём вариант, которого хватит на то, чтобы запитать небольшие аккумуляторы, лампочки и прочие небольшие электронные элементы.

Выбор фотоэлементов

Как мы утверждали выше – мы выбрали монокристаллическую основу. Найти её можно где угодно. Самое популярное место, где её продают в гигантских количествах – это торговые площадки Amazon или Ebay.

Главное помните, что там очень легко нарваться на недобросовестных продавцов, так что покупайте только у тех людей, у кого достаточно высокий рейтинг. Если у продавца хороший рейтинг, то вы будете уверены, что ваши панели дойдут до вас хорошо запакованные, не битые и в том количестве, в котором вы заказывали.

Выбор места (система ориентации), проектирование и материалы

После того, как вы дождётесь вашу посылку с основными фотоэлементами, вы должны хорошо выбрать место для установки вашей солнечной батареи. Ведь вам нужно будет, чтобы она работала на 100% мощности, не так ли? Профессионалы в этом деле советуют проводить установку в то место, где солнечная батарея будет направлена чуть ниже небесного зенита и смотреть в сторону Запада-Востока. Это позволит практически весь день “ловить” солнечный свет.

Пайка элементов и подключение

После того, как ваше основание будет готово вы можете размещать ваши элементы на его поверхности. Фотоэлементы размещаете вдоль всей конструкции проводниками вниз (просовываете их в наши просверленные отверстия).

Затем их требуется спаять между собой. В интернете есть множество схем, по которым происходит пайка фотоэлементов. Главное – соединить их в своеобразную единую систему для того, чтобы они все вместе могли собирать полученную энергию и направлять её в конденсатор.

Последним шагом будет припайка “выводного” провода, который будет подключён к конденсатору и выводить в него получаемую энергию.

Монтаж

Это финальный шаг. После того как вы убедитесь в том, что все элементы собраны верно, сидят плотно и не болтаются, хорошо закрыты оргстеклом – можно приступать к монтажу. В плане монтажа солнечную батарею лучше крепить на прочное основание. Отлично подойдёт металлический каркас, укреплённый строительными шурупами. На нём солнечные панели будут сидеть прочно, не шататься и не поддаваться никаким погодным условиям.

На этом всё! Что мы имеем в итоге? Если вы сделали солнечную батарею, состоящую из 30-50 фотоэлементов, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы быстро зарядить ваш мобильный телефон или зажечь небольшую бытовую лампочку, т.е. у вас на выходе получилось полноценное самодельное зарядное устройство для зарядки аккумулятора телефона, уличного дачного светильника, либо небольшого садового фонарика. Если же вы сделали солнечную панель, к примеру, в 100-200 фотоэлементов, то тут уже может идти речь о “запитке” некоторых бытовых приборов, например, кипятильника для нагрева воды. В любом случае – такая панель будет дешевле покупных аналогов и сохранит вам деньги.

Дополнительные элементы (комплектующие)

Дополнением к конструкции будет диод шотки. Это специальный полупроводниковый элемент с малым падением напряжения, если производится прямое включение. Падение напряжения – это, по сути, потери, от которых необходимо избавиться, что и позволяет сделать установленный диод шотки. Он в первую очередь дает возможность заряжать аккумуляторы через солнечную батарею, во-вторых, в момент отсутствия самого солнца не дать аккумуляторам разрядиться. Все дело в обратном токе. Это очень важная комплектующая.

Чтобы дальше усовершенствовать весь прибор, можно добавить и еще некоторые устройства.

Контроллер заряда аккумулятора. Он дает возможность сохранять электроэнергию определенное количество времени. К примеру, от 50 до 100 часов. Стоит этот прибор недешево, но если вы хотите, чтобы все устройство работало долго, то стоит раскошелиться.
Инвертор. Это преобразователь напряжения, то есть, на выходе получится не 12 В, а 220 В. При этом мощность самой солнечной батареи может подняться до 100 Вт.

Как видите, усовершенствовать и сделать солнечную батарею своими руками не так уж и сложно. Тем более вся конструкция обойдется вам в разы дешевле, чем промышленный экземпляр. Плюс ко всему самодельная конструкция будет весить меньше, а, значит, в походе нагрузка на плечи от рюкзака снизится. Для сравнения, промышленный модуль ТСМ-60, вырабатывающий мощность 60 Вт, весит 6 кг. Самодельная конструкция около 4 кг.

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.

Фотоэлектрические системы частного дома из транзисторов, диодов, пивных банок

Системы с задействованными солнечными батареями классифицируют как фотоэлектрические. Для частных домов подходят три разновидности:

автономная;
смешанного типа: батарейно-сетевая;
безаккумуляторная (с подключением к питающей сети).

Первый вариант считается дорогими и используется при отсутствии централизованного электроснабжения: устанавливается мощные солнечные электростанции с надежными аккумуляторами, для аварийных ситуаций предусматривается подключение к дизельному генератору. Батарейно-сетевая система предусматривает использование аккумулированной энергии, при угрозе разрядки срабатывает подключение к стандартной электросети. Несмотря на затраты на автоматику и оборудование, этот вариант является самым окупаемым. Безаккумуляторная фотоэлектрическая система не требует значительных вложений (именно для нее проще всего собрать солнечную батарею своими руками). Но в таком случае энергия просто преобразуется в сетевом инверторе и потребляется, она никоим образом не используется как резервная.

https://youtube.com/watch?v=sJPMlOcjo74

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Рекомендуется использовать солнечные батареи не только для получения электричества, но и для преобразования в тепловую (установить солнечный коллектор). Приветствуются альтернативы: можно сделать солнечную панель с возможностью изменения местоположения (для заряда телефонов или малопотребляющих приборов) или установить солнечный водонагреватель для дачи своими руками (для нагрева воды на душ или полив) на открытом участке. Предлагается интересное решение для скатных крыш — кремниевая кровельная пленка, мощность одной гибкой панели размером 2×1 м достигает 200 Вт. Солнечная батарея своими руками — отличный вариант получения альтернативной энергии.

4 Сравнение контроллеров MPPT и PWM (ШИМ)

В солнечных и ветровых установках по производству электрической энергии используются два вида контроллеров, это МРРТ, о которых было написано выше и PWM (ШИМ) котроллеры.

ШИМ аппараты являются более дешевыми устройствами, принцип действия которых основан на использовании широтно-импульсной модуляции. Устройства данного типа подразделяются на шунтовые и последовательные.

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий для конкретной системы, нужно их сравнить, чтобы изучить достоинства и недостатки каждого типа подобных устройств.

4.1 Достоинства устройств разного типа:

МРРТ контроллеры.

Возможность использования в различных системах, различающихся по источнику получения энергии (солнечные, ветровые, комбинированные системы)
Высокий КПД.
Создание оптимальных условий работы для аккумуляторных батарей позволяет продлить сроки их эксплуатации.
Высокое напряжение на входе позволяет уменьшить сечение кабелей и проводов, используемых для соединения элементов системы или увеличить расстояние от источника энергии до контроллера.
Использование устройств данного типа позволяют увеличить эффективность использования солнечных батарей, что обусловлено возможностью заряда аккумуляторов при низкой освещённости.

PWM контроллеры.

Низкая стоимость.
Последовательные модели: позволяют использовать одновременно различные источники энергии и создают низкий нагрев во время регулирования;
Шунтовые модели: незначительные потери мощности в процессе работы, слабые электромагнитные помехи и низкий уровень падения напряжения в ключах.

4.2 Недостатки устройств разного типа:

МРРТ контроллеры.

Высокая стоимость.
Более сложная технология, в равнении с аналогами.

PWM контроллеры.

Последовательные модели: при полном заряде источник энергии отключается, значительные потери в последовательных ключах, электромагнитные помехи.
Шунтовые модели: значительный нагрев во время работы, невозможность использования с иными источниками энергии, кроме солнечных панелей.

Типы батарей

Солнечная батарея, принцип работы которой заложен во всех случаях в фотоэлектрическом эффекте, может быть выполнена из различных материалов.

Преимущественное большинство (примерно 90%) всех солнечных панелей производиться из фотоэлементов, состоящих из монокристаллического или поликристаллического кремния. Следующие по популярности тонкопленочные панели с напылением из фоточувствительных веществ. Они имеют меньшую стоимость, так как на их изготовление требуется значительно меньшее количество материала. А последнюю нишу занимают многопереходные солнечные модули, состоящие из слоев, способных улавливать и перерабатывать в электрический ток весь спектр солнечных лучей.

Солнечные батареи из кремния представляют собой прямоугольную панель, состоящую из фотоэлементов. КПД таких панелей 15-20%, мощность может постепенно снижаться, приблизительно на 20% каждые 25 лет. Такие панели устойчивы к разрушительным факторам окружающей среды.

Тонкопленочные солнечные батареи изготовляются с напылением аморфного кремния, теллурида кадмия, состава из селенида, меди, индия и галлия. КПД тонкопленочных батарей составляет 10-12 %.

Многомодульные солнечные панели изготавливаются из слоев различных материалов. Каждый слой улавливает один диапазон солнечных лучей от ультрафиолетового до инфракрасного, за счет этого солнечная панель поглощает весь спектр света, а внутри системы происходит несколько переходов электронов из n-слоя в р-слой. Соединения галлия — основной элемент многомодульных солнечных панелей. Такая технология применяется для космических станций и марсоходов. КПД такой солнечной панели зависит от количества слоев. Так для двухслойной ячейки КПД составляет 42%, трехслойной — 49%, а для остальных 68%.

В последнее время производителями активно разрабатываются органические солнечные батареи, но на рынке они еще широко не представлены. Специалисты Мичиганского университета придумали прозрачные солнечные батареи, которые способны поглощать и ультрафиолетовое, и инфракрасное излучение без надобности использования многослойной конструкции. Самое интересное, что в теории солнечным фотоэлементом может выступать практически любой объект с прозрачной стеклянной поверхностью — от окон домов до экранов мобильных гаджетов.

Но пока это все в теории и разработке, рассмотрим реальные варианты создания солнечной батареи своими руками.

Комплектующие

Что необходимо для того, чтобы собрать простейшую солнечную батарею?

Во-первых, потребуются сами солнечные элементы, с помощью которых энергия нашего светила будет преобразовываться в электрическую. Производители предлагают различного рода элементы с разными размерами и разной мощностью. Чаще всего это устройства размерами 15×8 мм, такие небольшие пластинки. Чтобы собрать батарею мощностью 60 Вт, потребуется приблизительно около сорока приборчиков. Приплюсуйте сюда еще 10 штук про запас на случай излома. Солнечные элементы очень хрупкие.

Во-вторых, понадобится оргстекло. Для этого надо будет два листа: один снизу, который будет выполнять функции основы батареи. Его толщина должна быть 4-6 мм. Кстати, нижнее оргстекло можно заменить фанерой. Второй слой – верхний толщиною 2 мм.
В-третьих, крепежные детали: самоклеящийся двусторонний скотч, металлические (алюминиевые) уголки, клей, болты с гайками для крепления двух оргстекол между собой.
В-четвертых, дополнительные электрические детали: припой (лучше всего легкоплавкий), флюс, диоды и так далее.

Варианты модулей для самостоятельного изготовления

Эффективность работы солнечной батареи зависит от коэффициента фотопреобразования отдельного элемента. Создать солнечный элемент своими руками с эффективностью от 10 % и выше невозможно, рекомендуется купить новые или б/пластины. Самые долговечные солнечные батареи для дома своими руками собираются из моно- или поликристаллических ФЭП, аморфные снижают вырабатываемую мощность на 40% за 2 года после установки, а после 5 ‒ требуют полной замены.

При отсутствии опыта проще сделать солнечную батарею из элементов с уже припаянными проводниками, но они стоят дороже. В продаже представлены готовые наборы, в состав которых входят: кремниевые элементы, диод шоттки для солнечной батареи (до 3 шт), кислотный карандаш и проводники и шины для пайки. С учетом хрупкости этих элементов лучше заказать запасные: проблемы возникают как при транспортировке, так и при пайке. Допускается использование б/у, надколотых или слегка поврежденных пластин, их функциональность не ухудшается. Главное, чтобы 85% поверхности было чистым, а напыление — неповрежденным.

Сделать солнечную батарею достаточно сложно

В качестве ФЭП подходят и подручные материалы, можно сделать солнечную батарею из фольги, диодов или транзисторов. Но в первом случае целесообразнее преобразовать солнечную энергию в тепловую, а не электрическую. Простейший пример — рама с фольгой, шлангом и двумя трубками. А вот в качестве подложки фольга возражений не имеет. Солнечная батарея из диодов работает за счет возникновения напряжения под прямыми солнечными лучами. Теоретически пиковое напряжение светодиода составляет 2,5В (при хорошей светопропуской способности), но при изменении направления солнечных лучей эта характеристика быстро падает, диоды начинают потреблять энергию, а не вырабатывать . Можно смело заявить, что солнечная батарея своими руками из диодов неэффективна.

Другое дело собранная солнечная батарея из транзисторов. В данном случае принцип «чем больше элементов, тем выше мощность» соблюдается. Верхняя часть транзистора спиливается, высыпается порошок, контактами служат вывода (паять эти элементы не рекомендуется). Собранная солнечная батарея своими руками из транзисторов подходит для питания зарядки телефона (блок из четырех элементов обеспечивает 10-15 А). Но для серьезных целей подручные средства не подходят. Оптимальный вариант — покупка и самостоятельная пайка б/у кремниевых поликристаллов, цена солнечной батареи снизится в 3-4 раза в сравнении с заводскими панелями той же мощности.

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.