Главная / Устройства / Делаем солнечные батареи для дома своими руками. Как сделать солнечную батарею своими руками: способы сборки и монтажа солнечной панели

Делаем солнечные батареи для дома своими руками. Как сделать солнечную батарею своими руками: способы сборки и монтажа солнечной панели

Самодельная солнечная батарея – полноценная замена выпущенных солнечных панелей, ведь по мощности она ничем не уступает.

Основные этапы изготовления

Сборка рамы.
Изготовление подложки.
Подготовка светочувствительных элементов и их пайка.
Закрепление пластин на подложке.
Подключение диодов и всех проводов.
Герметизация.

Выбор светочувствительных пластин

Они являются главным элементом будущей устанавливаемой на . Именно от их особенностей будет зависеть мощность всей сделанной в домашних условиях установки. Можно установить:

Монокристаллические пластины.
Поликристаллические пластины.
Аморфный кристалл.

Первые способны создать наибольшее количество электрического тока. Такая их производительность проявляется в условиях отличного освещения. Если интенсивность освещения становится меньше, их эффективность падает. Более продуктивной в таких условиях становится панель с поликристаллическими пластинами. Она при плохом освещении сохраняет привычный для себя небольшой КПД 7-9%. Монокристаллические радуют КПД, равным 13%.

Аморфный кремний отстает в производительности, однако из-за того, что является гибким и неуязвимым к ударам, он самый дорогой.

Самые хорошие светочувствительные элементы стоят дорого. Это касается тех пластин, в которых нет ни одного дефекта. Дефектные же изделия имеют чуть меньшую мощность и стоят значительно дешевле . Именно такие фотоэлементы стоит использовать для своего, создаваемого в домашних условиях, источника тока.

В наиболее популярных мировых интернет-магазинах (именно там есть наибольшее количество предложений по ) продают разные по размерам фотопластинки. Для своей батареи нужно покупать светочувствительные элементы с одинаковыми размерами. При покупке, а еще лучше, при разработке проекта стоит учитывать такие нюансы:

Фотоэлементы различных размеров генерируют ток с разной силой . Чем больше размер, тем больше сила тока. При этом она будет ограниченной силой тока наименьшего элемента. Неважно, что на панели размещается пластина с вдвое большими размерами. Панель будет выдавать электрический ток с той силой, которую имеет ток, созданный наименьшим элементом. Поэтому крупные элементы будут немного «отдыхать».
Напряжение от размеров не зависит . Оно зависит от типа элементов. Его можно нарастить, подключив пластины последовательно.
Мощность всей установки для частного дома или дачи является произведением напряжения и силы тока .

Расчет характеристик панели

Солнечная панель должна генерировать такой электрический ток, который может легко заряжать 12-вольтные батареи. Для их подзарядки необходим ток с большим напряжением. Очень хорошо, когда ток, созданный солнечной батарей, имеет напряжение 18 В.

Ни один из небольших светочувствительных элементов не выдает такого напряжения. Нужно узнать характеристики тока, который может создать один фотоэлемент. Часто продавцы указывают эти цифры.

Например, одна пластина дает ток с напряжением 0,5 В. Чтобы получить на выходе солнечной панели 18 В, нужно выполнить последовательное подключение 36 фотоэлементов. В таком случае общее напряжение является равным сумме напряжений токов, полученных на всех светочувствительных пластинах. Сила тока при последовательном подключении не изменится. Поэтому она будет равна показателю, который дает наименьший по размерам фотоэлемент.

Читайте также: Особенности фонтанов на солнечных батареях

Если нужно увеличить силу тока , то придется устанавливать дополнительное количество пластин и подключать их параллельно. Общая сила тока будет суммой сил токов, созданных каждой параллельно подключенной пластиной.

Расчет солнечных батарей, которые будут стоять на крыше дачи или частного дома, делают так:

Рассчитывают мощность устройств , которые будет заряжать солнечная батарея.
Определяют возможности наименьшего по размерам фотоэлемента. Это можно узнать как у продавцов, так и самостоятельно, поставив его на свет и, измерив напряжение и силу тока.
Определяют напряжение и силу тока самой панели. Например, 18 В и 3 А. Эти величины дадут возможность узнать мощность панелей. Она будет составлять 18х3 = 54 Вт. Для несколько часовой работы светодиодных ламп этого хватит.
Сравнивают мощность источника света с мощностью электроприборов. При необходимости вносят коррективы в основные параметры тока. Меняют мощность, а вместе с ней напряжение или силу тока. Высчитывают нужное количество панелей.
Рассчитывают нужное для одной панели число фотоэлементов. Оно должно быть таким, чтобы дать электроэнергию с необходимыми характеристиками. При этом определяют количество пластин в одном ряду и учитывают способ их подключения.

Большинство проектов, которые касаются того, как , предусматривают изготовление изделия с площадью 1 м². Часто мощность такой батареи составляет около 120 Вт. 10 панелей дадут более 1 кВт. Если планируется полностью обеспечивать свой дом бесплатной электрической энергией, то следует разрабатывать проект, предусматривающий столько панелей, общая площадь которых превышает 20 кв. м. При размещении их на солнечной стороне и в местах, где интенсивность освещения очень высока, они способы перекрыть месячную потребность в электроэнергии величиной 300 кВт. Даже для среднего дома эта цифра является большой.

Изготовление каркаса солнечной панели

Его можно собрать из любых подручных материалов, среди которых могут быть алюминиевые пивные банки или рулоны фольги. Выбрасывать такие банки не стоит, ведь из них можно собрать хороший воздушный солнечный коллектор. Он будет накапливать тепло солнца и передавать его из пивных банок в середину дома.

Читайте также: Монтаж солнечных батарей

Материалами для изготовления каркаса могут быть:

Дерево и фанера, а также ДВП.
Алюминиевые уголки.
Стекло.
Оргстекло.
Поликарбонат.
Плексиглас.
Минеральное стекло.

Из материалов, представленных в первых двух пунктах, изготавливают раму.

Деревянный каркас

Если проект предусматривает использование дерева и ДСП, то процесс изготовления рамы в домашних условиях включает следующие этапы:

Разрезание деревянных реек толщиной 2 см на отрезки. Их длина зависит от того, какие размеры будет иметь рама. Их определяют, смотря на длину и ширину рядов, расположенных на расстоянии 5 мм фотопластин.
Сборка реек в рамку и скрепление их шурупами. Посередине рамки можно сделать 1-2 перекладины. В таком случае придется разбивать светочувствительные пластины на 2-3 группы.
Вырезание одного большого или нескольких малых листов фанеры толщиной 10 мм.
Закрепление на рамке вырезанных кусков фанеры.
Сверление в нижнем и среднем бортике каркаса малых отверстий. На одном бортике делают до 5 отверстий. Они необходимы для выравнивания давления во время нагревания будущей солнечной панели, а также для удаления влаги.
Вырезание из ДСП подложки для фотопластин . Она должна размещаться в середине каркаса. Поэтому ее размеры должны быть меньше ширины и длины каркаса на величину, равную толщине бортиков, умноженной на 2. Подложку в каркасе еще не фиксируют.
Покраска всех элементов светлой краской . Ее нужно наносить несколькими слоями. Краска должна быть специальной. Она не должна выгорать на солнце. Ее цвет должен быть светлым потому, что он отражает лучи, часть из которых смогут уловить полупроводниковые пластины.

Прозрачная часть в виде стекла или аналогов фиксируется в самом конце.

Для того, чтобы сделать солнечную батарею своими руками, лучше всего использовать минеральное стекло. Оно прекрасно поглощает инфракрасные лучи, защищая этим панель от нагревания, и способно противостоять ударам. Оно дорогое. Худший вариант – поликарбонат и стекло. Последнее является тяжелым и не выдерживает ударов, как и пивные банки.

Алюминиевый каркас

Если проект предусматривает использование алюминиевых уголков 35 мм , то раму в домашних условиях делают так:

Разрезают уголки на отрезки нужной длины. При этом противоположные края одной стороны срезают под углом 45°.
Возле концов несрезанных сторон сверлят отверстия. Аналогичные делают по середине и возле концов сторон со срезанными углами.
Складывают четыре уголка так, чтобы они создали раму.
Прикладывают уголки длиной 35 мм и размерами 50х50 мм к углам рамы, фиксируют их метизами.
На внутреннюю поверхность алюминиевых уголков наносят силиконовый герметик.
Размещают стекло на герметике и слегка прижимают. Ждут полного высыхания герметика.
Фиксируют стекло метизами, которые могут лежать возле стеклянных банок. Их надо установить по углам стекла и по середине каждой стороны.
Очищают стекло от пыли.

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

Что такое солнечная батарея

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

Солнечная батарея состоин из соединённых между собой фотоэлементов

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

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

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

Устройство

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

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

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

Солнечный элемент состоит из двух полупроводниковых слоём с разной проводимостью

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

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

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

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

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

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

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

Между гелиомодулем и потребителем устанавливают дополнительные приборы

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

Виды элементов для модулей

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

Кристаллические

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

Монокристаллическая ячейка имеет форму прямоугольника со скошеными углами

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

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

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

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

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

Плёночные

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

Плёночная батарея изготавливается из аморфного кремния

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

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

Из чего можно сделать гелиопанель в домашних условиях

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

Из диодов

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

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

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

Из транзисторов

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

Батарею небольшой мощности можно собрать из транзисторов

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

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

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

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

Рациональное размещение батарей

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

Важно! Сила тока батареи задаётся производительностью самого слабого элемента. Даже небольшая тень на одном модуле может снизить производительность системы от 10 до 50%.

Как рассчитать необходимую мощность

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

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

Расчёт состоит из трёх шагов:

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

Потребляемая мощность

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

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

Ёмкость АБ (аккумуляторной батареи) и мощность инвертора

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

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

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

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

4800:24х1.2=240 А.ч

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

240х0.4= 600 А.ч

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

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

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

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

Необходимое количество ячеек

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

Таблица инсоляции по месяцам для разных регионов

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

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

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

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

Необходимое количество энергии - 4800 Вт.ч.

Одна панель имеет мощность 260 Вт и напряжение 24 В.

Потери на АБ и инверторе составляют 20%.

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

Определяем производительность одной панели.

Летом: 0,5× 260×5,09= 661,7 Втч.

Зимой: 0,7× 260×0,69=125,5 Втч.

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

Летом: 5760/661,7=8,7 шт.

Зимой: 5760/125,5=45,8 шт.

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

Как собрать солнечную батарею своими руками

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

Батарея состоит из нескольких слоёв

Материалы и инструменты

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

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

Приобретите пластины с проводниками, это сократит время работы

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

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

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

Расчёт каркаса

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

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

Изготовление короба

Пайка элементов и сборка модулей

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

Вырежьте из картона прямоугольник нужного размера и намотайте на него проводник, затем разрежьте с обеих сторон.
На каждый проводник нанесите флюс, приложите полоску к элементу.
Аккуратно припаяйте проводник по всей длине ячейки.
Припаяйте проводники к каждой пластине
Ячейки выложите в ряд друг за другом с зазором 3-5 мм и последовательно спаяйте между собой.
При монтаже периодически проверяйте работоспособность модулей
Готовые ряды по 9 ячеек перенесите в корпус и выровняйте относительно друг друга и контура рамки.
Спаяйте параллельно, используя более широкие шины и соблюдая полярность.
Выложите ряды элементов на прозрачную подложку и спаяйте между собой
Выведите контакты «+» и «-».
На каждый элемент нанесите по 4 капли герметика и уложите сверху второе стекло.
Дайте клею высохнуть.
Залейте по периметру герметиком, чтобы внутрь не попадала влага.
Закрепите панель в корпусе при помощи уголков, прикрутив их в боковым сторонам алюминиевого профиля.
Установите при помощи герметика блокировочный диод Шоттке, чтобы исключить разрядку АБ через модуль.
Выходной провод снабдите двухконтактным разъёмом, к нему в дальнейшем подсоедините контроллер.
Прикрутите к рамке уголки для крепления батареи к опоре.

Видео: пайка и сборка солнечного модуля

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

Изготовления поворотного механизма

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

Из деревянных брусков или алюминиевого профиля соберите опору для батареи в виде стремянки.
С помощью двух подшипников и металлической штанги или трубы установите на вершине батарею так, чтобы она была закреплена по центру большей стороны.
Сориентируйте конструкцию с востока на запад и дождитесь, когда солнце будет в зените.
Поверните панель, чтобы лучи падали на неё вертикально.
Укрепите на одном конце ёмкость с водой, уравновесьте её на другом конце грузом.
В ёмкости проделайте отверстие, чтобы вода понемногу вытекала.

По мере вытекания воды, вес сосуда будет уменьшаться и край панели поднимется вверх, поворачивая батарею за солнцем. Величину отверстия придётся определять опытным путём.

Простейший солнечный трекер изготавливается по принципу водяных часов

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

Укрепить модуль можно и на вертикальной опоре

Теперь можно провести испытание, и пользоваться бесплатным электричеством.

Обслуживание модулей

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

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

Как скоро окупятся затраты

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

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

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

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

Все больше людей стремится к приобретению домов, находящихся в отдалении от очагов цивилизации. Причин этому существует множество, главная из которых, наверное, экологическая. Ни для кого не секрет, что интенсивное развитие промышленности пагубно сказывается на состоянии окружающей среды. Но при покупке такого дома можно столкнуться с отсутствием электроснабжения, без которого жизнь в двадцать первом веке едва ли можно себе представить.

Проблему обеспечения энергией здания, находящегося далеко от очагов цивилизации можно попробовать решить установкой ветрогенератора. Однако этот способ далеко не идеален. Для того, чтобы электроэнергии хватило на весь дом потребуется установка большого ветряка или нескольких, но и в этом случае энергообеспечение будет носить эпизодический характер, отсутствуя в безветренную погоду.

Для обеспечения стабильности энергообеспечения дома, эффективным решением является совместное использование ветрогенератора и солнечной батареи, но, к сожалению, батареи далеко не дешевы. Решением этих сложностей было бы производство солнечной батареи своими руками, способной на равных конкурировать с заводскими по мощности, но в то же время приятно отличаться от них ценой. И такое решение есть!

Для начала, необходимо определиться, что же представляет собой солнечная батарея . По своей сути, это контейнер, содержащий в себе массив, преобразующих солнечную энергию в электрическую, элементов. Слово «массив» применимо в данном случае, потому что для генерации достаточных объемов энергии, необходимых в условиях энергообеспечения жилого дома, солнечных элементов потребуется довольно внушительное количество. В виду высокой хрупкости элементов, их в обязательном порядке объединяют в батарею, которая обеспечивает им защиту от механических повреждений и объединяет вырабатываемую энергию. Как видно, в принципиальном устройстве солнечной батареи нет ничего по-настоящему сложного, поэтому ее вполне можно сделать своими руками.

Перед тем, как приступать непосредственно к действиям, принято проводить глубокую теоретическую подготовку, чтобы избежать лишних трудностей и издержек в процессе. Именно на этом этапе многие энтузиасты сталкиваются с первым препятствием – практически полным отсутствием полезной с практической точки зрения информации. Именно это явление создает надуманную видимость сложности солнечных батарей: раз их никто не делает сам, значит это сложно. Однако, задействовав логическое мышление можно придти к следующим выводам:

основа целесообразности всего процесса заключается в приобретении солнечных элементов по доступной цене

покупка новых элементов исключена, ввиду их высокой стоимости и сложности покупки в необходимом количестве.

солнечные элементы, обладающие дефектами и повреждениями, могут быть приобретены на аукционе eBay и в других источниках, по значительно более низким ценам, чем новые.

дефектные элементы вполне могут быть использованы в заданных условиях.

На основе сделанных выводов, становится ясно, что следующим шагом в изготовлении солнечной батареи будет покупка дефектных солнечных элементов. В нашем случае элементы были куплены на eBay.

Приобретенные монокристаллические солнечные элементы имели размер 3х6 дюйма, и каждый их них выдавал порядка 0.5В энергии. Таким образом, соединенные последовательно 36 таких элементов, в общей сложности выдают около 18В, которых достаточно для эффективной подзарядки 12В аккумулятора. Следует помнить, что такие солнечные элементы хрупкие и ломкие, поэтому вероятность их повреждения при неосторожном обращении крайне высока.

Для обеспечения защиты от механических повреждений продавец покрыл воском наборы из восемнадцати штук. С одной стороны это эффективная мера, позволяющая избежать повреждений во время транспортировки, с другой стороны – лишние проблемы, так как удаление воска вряд ли кому-то покажется приятной и легкой задачей. Поэтому, если есть такая возможность, приобретение элементов, не покрытых воском, является лучшим решением. Если обратить внимание на изображенные световые элементы, можно заметить, что они имеют припаянные проводники. Даже в этом случае придется поработать паяльником, а если же приобрести элементы без проводников – работы будет в разы больше.

Вместе с тем были приобретены пара наборов элементов, которые не были залиты воском, у другого продавца. Они пришли упакованными в коробку из пластика с незначительными сколами по бокам. В нашем случае сколы не являлись предметом для беспокойства, потому как не были способны ощутимо снизить эффективность всего элемента. Однако, возможно, кто-то сталкивался с более плачевными результатами повреждений при транспортировке, что необходимо иметь в виду. Приобретенных элементов было достаточно для изготовления двух солнечных батарей, даже с излишком, на случай непредвиденных повреждений или отказов.

Конечно, при изготовлении солнечной батареи можно использовать и другие световые элементы, в широком спектре размеров и форм присутствующих у продавцов. В этом случае необходимо помнить три вещи:

Световые элементы одного типа генерируют идентичное напряжения, вне зависимости от размера и формы, поэтому их требуемое количество останется неизменным
Генерация тока имеет прямую зависимость от размера элемента: большие генерируют больший ток, маленькие – меньший.
Суммарная мощность солнечной батареи определяется ее напряжением, умноженным на ток.

Как видно, использование элементов большого размера при изготовлении солнечной батареи способно обеспечить более высокий показатель мощности, но вместе с тем и сделает саму батарею более громоздкой и тяжелой. В случае использования элементов меньшего размера, размер и вес готовой батареи уменьшится, однако вместе с тем уменьшится и выдаваемая мощность. Крайне не рекомендуется использование в одной батарее солнечных элементов разного размера, так как генерируемый батареей ток будет эквивалентен току самого маленького из используемых элементов.

Приобретенные в нашем случае солнечные элементы при размере 3х6 дюйма генерировали ток примерно в 3 ампера. При солнечной погоде, тридцать шесть, соединенных последовательно, элемента, способны выдавать порядка 60 Вт мощности. Цифра не особенно впечатляет, тем не менее, это лучше, чем ничего. Следует учитывать, что указанная мощность будет генерироваться каждый солнечный день, заряжая аккумулятор. В случае использования электроэнергии для осуществления питания светильников и аппаратуры с небольшим потреблением тока, такая мощность является вполне достаточной. Не нужно и забывать о ветрогенераторе, также производящем энергию.

После приобретения солнечных элементов далеко не лишним будет спрятать их от людских глаз в безопасное место, защищенное от детей и домашних животных, до того момента, когда возможно будет их непосредственная установка в солнечную батарею. Это жизненная необходимость, в виду крайне высокой хрупкости элементов и подверженности их механической деформации.

По сути корпус солнечной батареи, ни что иное, как простой неглубокий ящик. Ящик непременно необходимо изготовить неглубоким, для того чтобы его бортики не создавали тени, когда солнечный свет падает на батарею под большим углом. В качестве материала вполне подойдет фанера 3/8 дюйма и рейки для бортиков 3/4 дюйма толщиной. Для лучшей надежности крепление бортиков не лишним будет осуществить двумя способами – приклеиванием и привинчиванием. Для упрощения последующей пайки элементов, батарею лучше разделить на две части. Роль разделителя выполняет расположенная по центру ящика планка.

На этом небольшом наброске, можно увидеть размеры в дюймах(1 дюйм равен 2,54 см.), изготовленной в нашем случае солнечной батареи. Бортики расположены по всем краям и в середине батареи и имеют толщину 3/4 дюйма. Данный эскиз ни в коем случае не претендует на роль эталона при изготовлении батареи, он был сформирован скорее из личных предпочтений. Размеры приведены для наглядности, но в принципе они, как и дизайн, могут быть различны. Не бойтесь экспериментировать и вполне вероятно, батарея может получиться лучше, чем в нашем случае.

Вид на половину корпуса батареи, в которой будет производится размещение первой группы солнечных элементов. Небольшие отверстия, которые вы видите на бортиках, представляют собой не что иное, как вентиляционные отверстия. Они предназначены для удаления влаги и поддержания давления, эквивалентного атмосферному внутри батареи. Следует обратить особое внимание на расположении отверстий для вентиляции в нижней части корпуса батареи, потому как расположение их в верхней части приведет к попаданию излишней влаги извне. Также отверстия необходимо сделать и в планке, расположенной по центру.

Два вырезанных куска ДВП будут выполнять функцию подложек, т.е. на них будет производиться монтаж солнечных элементов. В качестве альтернативы ДВП подойдет любой тонкий материал, обладающий высокими показателями жесткости и не проводящий электрический ток.

Для защиты солнечной батареи от агрессивного воздействия климата и окружающей среды, используется оргстекло, которым необходимо закрывать лицевую сторону. В данном случае были вырезаны два куска, однако может использоваться и один большой. Использование обычного стекла не рекомендуется, по причине его повышенной хрупкости.

Вот незадача! Для обеспечения крепления на шурупы, было принято решение просверлить отверстия вокруг кромки. При сильном надавливании во время сверления, оргстекло может сломаться, что и произошло в нашем случае. Проблема была решена сверлением недалеко нового отверстия, а отколовшийся кусок просто приклеили.

После этого было произведено окрашивание всех деревянных частей солнечной батареи краской в несколько слоев, для повышения защиты конструкции от влаги и воздействия среды. Покраска осуществлялась как внутри, так и снаружи. Цвет краски, как и тип может варьироваться в широком диапазоне, в нашем случае была использована краска, имеющаяся в наличии в достаточном количестве.

Окраска подложек также была произведена с обеих сторон и в несколько слоев. Покраске подложки необходимо уделять особенное внимание, так при некачественной покраске, дерево может начать коробиться от воздействия влаги, что вероятно приведет к повреждению приклеенных к ней солнечных элементов.
Теперь, когда корпус солнечной батареи готов и просыхает самое время приступить к подготовке элементов.
Как уже упоминалось ранее, удаление воска с элементов – задача не из приятных. В ходе экспериментов, методом проб и ошибок, был найдет эффективный способ. Тем не менее, рекомендации по покупки не покрытых воском элементов, остались прежними.

Для растопки воска и отделения элементов друг от друга, необходимо отмочить солнечные элементы в горячей воде. При этом следует исключить возможность закипания воды, потому как бурное кипение может повредить элементы и нарушить их электрические контакты. Для исключения неравномерного нагрева, рекомендуется поместить элементы в холодную воду и плавно нагревать. Следует воздержать от вытягивания элементов из кастрюли за проводники, так как они могут оборваться.

На этом фото изображена окончательная версия аппарата для удаления воска. На заднем плане с правой стороны находится первая емкость, предназначенная для растапливания воска. Слева на переднем плане расположена емкость с горячей мыльной водой, а справа – чистая вода. Вода во всех емкостях довольно горячая, но ниже кипения воды. Нехитрый технологический процесс удаления воска заключается в следующем: в первой емкости необходимо растопить воск, затем элемент перенести в горячую мыльную воду для удаления остатков воска, в заключении промыть чистой водой. После очистки от воска, элементы необходимо просушить, для этого они были выложены на полотенце. Следует отметить что слив мыльной воды в канализацию недопустим, так как воск, остыв, затвердеет и засорит ее. Результатом процесса очистки является почти полное удаление воска с солнечных элементов. Оставшийся воск не способен помешать как пайке, так и работе элементов.

Солнечные элементы сушатся на полотенце после очистки. После удаления воска элементы стали значительно более хрупкими, что делает их более сложными в хранении и обращении. Рекомендуется не производить очистку до тех пор, пока не будет необходима их непосредственная установка в солнечную батарею.

Для упрощения процесса монтажа элементов, рекомендуется начать с отрисовки сетки на основе. После произведения отрисовки, элементы были выложены по сетке вверх обратной стороной, для того чтобы их спаять. Все восемнадцать элементов, расположенных в каждой половине были последовательно соединены, после чего были и соединены и половины, также последовательным способом, для получения необходимого напряжения

В начале спайка элементов между собой может показаться сложной, однако со временем она становится проще. Рекомендуется начать с двух элементов. Необходимо разместить проводники одного элемента таким образом, чтобы они пересекали точки пайки другого, также следует убедиться, что элементы установлены согласно разметке.
Для непосредственного осуществления пайки использовался паяльник малой мощности и прутковый припой с канифольной сердцевиной. Перед пайкой была произведена смазка точек пайки флюсом при помощи специального карандаша. Ни в коем случае не следует давить на паяльник. Элементы настолько хрупкие, что могут от небольшого давления придти в негодность.

Повторение пайки осуществлялась до образования цепочки, состоящей из шести элементов. Шины соединения от сломанных солнечных элементов, были припаяны к обратно стороне элемента цепочки, являющегося последним. Таких цепочек получилось три – итого 18 элементов первой половины батареи были благополучно объединены в сеть.
По причине того, что все три цепочки необходимо соединить последовательно, средняя цепочка была повернута на 180 градусов по отношению к другим. Общая ориентация цепочек в итоге получилось правильной. Следующим шагом является приклеивание элементов на место.

Для осуществления солнечных элементов может потребоваться некоторая сноровка. Необходимо нанести небольшую каплю герметика, изготовленного на основе силикона, в центре каждого элемента одной цепочки. После этого следует перевернуть цепочку лицевой стороной вверх и разместить солнечные элементы согласно нанесенной ранее разметке. Затем необходимо легонько прижать элементы, осторожно надавливая в центре, чтобы приклеить их. Значительные сложности могут возникнуть в основном при переворачивании гибкой цепочки, поэтому лишняя пара рук на это этапе не повредит.
Не рекомендуется наносить избыточное количество клея и приклеивать элементы по краям. Это обусловлено тем, что сами элементы и подложка, на которую они установлены, будут деформироваться при изменении условий влажности и температуры, что может привести к выходу элементов из строя.

Так выглядит собранная половина солнечной батареи. Для соединения первой и второй цепочек элементов была использована медная оплетка кабеля.

Для этих целей вполне подойдут специальные шины или даже медные провода. Аналогичное соединение необходимо произвести и с обратной стороны. Провод был прикреплен к основанию каплей герметика.

Тест первой изготовленной половины батареи на солнце. При слабой солнечной активности, изготовленная половина генерирует 9.31В. Довольно неплохо. Пора приступать к изготовлению второй половины батареи.

Каждая половина идеально помещается на свое место. Для крепления основы внутри батареи были использованы 4 шурупа небольшого размера.
Провод, предназначенный для соединения половин солнечной батареи, был пропущен через вентиляционное отверстие в центральном бортике и закреплен при помощи герметика.

Необходимо каждую солнечную панель в систему снабдить диодом блокирования, который должен быть соединен с батареей последовательно. Он предназначен для исключения разряда аккумулятора через батарею. Диод использовался Шоттки на 3.3А, обладающий значительно более низким падением напряжения, в сравнении с обычными диодами, что минимизирует потери мощности на диоде. Набор из двадцати пяти диодов марки 31DQ03 был приобретен всего за несколько долларов на eBay.
Исходя из технических характеристик диодов, наилучшим местом их размещения является внутренняя часть батареи. Связано это с зависимостью падения напряжения у диода от температуры. Так как температура внутри батареи будет выше окружающей, следовательно и эффективность диода повысится. Для закрепления диода был использован герметик.

Для того чтобы вывести наружу провода, было просверлено отверстие в днище солнечной батареи. Провода лучше завязать на узел и закрепить герметиком, для предотвращения их последующего вытягивания.
Крайне необходимо дать высохнуть герметику до установки защиты из оргстекла. Силиконовые испарения могут образовать пленку на внутренней поверхности оргстекла, если не дать силикону просохнуть на открытом воздухе.

На выходной провод солнечной батареи, был прикреплен двухконтактный разъем, розетка которого в будущем будет присоединена к контроллеру заряда аккумуляторных батарей, используемого для ветрогенератора. В итоге солнечная батарея и ветрогенератор смогут работать параллельно.

Вот так выглядит окончательная версия солнечной батареи с установленным экраном. Не стоит торопиться с герметизацией стыков оргстекла до произведения полного тестирования работоспособности батареи. Может случиться так, что на одном из элементов отошел контакт и потребуется доступ к внутренностям батареи для ликвидации проблемы.

Предварительные расчеты оправдались: законченная солнечная батарея на ярком осеннем солнце выдает 18.88В без нагрузки.

Этот тест был произведен при аналогичных условиях и показывает прекрасную работоспособность батареи – 3,05А.

Солнечная батарея в рабочих условиях. Для сохранения ориентации на солнце, батарея перемещается несколько раз в день, что само по себе не сложно. В перспективе возможна установка автоматического слежения за положением солнца на небосводе.
Итак, какова же конечная стоимость батареи, которую мы умудрились сделать своими руками? Учитывая то, что куски дерева, провода и прочие пригодившиеся в изготовлении батареи вещи были у нас в мастерской, наши с вами подсчеты могут немного отличаться. Конечная стоимость солнечной батареи составила 105 долларов с учетом 74 долларов, потраченных на приобретение самих элементов.
Согласитесь, не так уж и плохо! Это всего лишь малая часть стоимости заводской батареи эквивалентной мощности. И в этом нет ничего сложного! Для увеличения выходной мощности вполне можно соорудить несколько таких батарей.

Однажды услышав по телевидению о солнечных батареях, которые способны превращать энергию солнца в электрическую автор загорелся идеей их использования. Для начала он постарался узнать как можно больше информации о солнечных панелях, инверторах, элементах и их прочих составляющих. К сожалению хорошие солнечные панели стоят довольно дорого и автор не мог просто взять и купить заводскую панель для практического использования дома. Однако среди множества статей в сети интернет автор нашел несколько посвященных самостоятельной сборке солнечных панелей в домашних условиях.

Материалы и инструменты, которые использовал автор для создания своей солнечной панели:
1) стекла оконные размером 86 на 66 см
2) алюминиевые уголки
3) паяльник с расходными материалами
4) комплект солнечных элементов
5) скотч двухсторонний
6) инвертор
7) аккумуляторы

Рассмотрим более подробно этапы постройки солнечной панели.

Перед созданием своей первой солнечной панели автор довольно длительное время готовился изучая статьи посвященных сборке панелей, информацию о различных типов элементов, способов герметизации и материалов необходимых для создания панелей новичку. Одно из важнейших знаний, которое почерпнул автор в данных статьях это опыт чужих ошибок. Так например он довольно детально изучил основные ошибки при герметизации панели, а так же понял как лучше работать с пластинами солнечных элементов, чтобы не повредить их.

После теоретической подготовки автор приступил к практической. Так как бюджет на изготовление солнечной панели был не велик, то собирать ее автор решил по большей части из подручных материалов. Найдя довольно неплохой магазин пластиковых окон, автор заказал там два стекла размером 86 на 66 см. Так же в одном из магазинов были приобретены алюминиевые уголки, которые будут составлять каркас солнечной панели. Солнечные элементы автор решил заказать в интернет магазине, так как там они были гораздо дешевле.

Когда все основные материалы были собраны, а элементы получены на почте, автор приступил к сборке своей первой солнечной панели.
Для начала было решено соединить все элементы при помощи металлической ленты и паяльника. Так как автор ознакомился с основными ошибками при пайке солнечных элементов, то данный процесс прошел без поломок. В работе автор использовал небольшое количество канифоли, а нажим при пайке был легким, к тому же перед началом работ все элементы были разложены на ровную поверхность стекла, таким образом весь процесс пайки элементов не составил большого труда. На пайку 36 пластин солнечных элементов у автора ушло около полутора часов, плюс было потрачено некоторое время на лужение проводов. Главными принципами автор назвал необходимость в паяльнике на 40 вт, так как пластины отдают тепло при приближении паяльника, а канифоли для спайки надо совсем немного иначе олово может не прилипнуть к пластине, именно по этой причине автору пришлось залудить все провода полностью.

Для закрепления пластин на стекле в ровном положении рядов автор использовал двухсторонний скотч. Этим же скотчем автор полностью закрепил окантовку стекла, на которое затем была наклеена полимерная пленка.

Ниже расположена фотография со всеми видами скотча, которые применял автор при создании данной солнечной панели:

Так же скотч понадобился автору при герметизации солнечной панели. герметизировать элементы очень важно, так как если влага попадет на контакты они окислятся и придется их перепаивать. Поэтому на собранную панель была наклеена полиэтиленовая пленка, которую автор закрепил все тем же двухсторонним скотчем. Главное в данном процессе не забывать о запасах для краев и аккуратность при создании прорезов под провода. После того как пленка была успешно наклеена автор использовал силиконовый герметик.

Далее стекло необходимо было поместить в рамку, чтобы уберечь его от сколов да и просто увеличить надежность конструкции солнечной батареи. Рамку для стекла автор предпочел делать из пластика, так как у него имелось некоторое количество пластика оставшегося от домашнего ремонта, хотя так же можно использовать и металлические уголки или деревянные бруски. В общем все зависит от того каким средствами и материалами вы располагаете.

Рамка была склеена при помощи стандартного утюга на ровной поверхности при 45 градусах.

Затем стекло было установлено внутрь такой самодельной рамы и края еще раз проклеены силиконовым герметиком. Лишняя пленка в процессе была обрезана для лучшего эстетического вида изделия.

В итоге получилась вот такая солнечная панель сделанная из подручных материалов:

Таким же образом была собрана еще одна солнечная панель, так как элементов было закуплено с запасом.
Далее автор решил приступил к испытаниям собранной панелей.

У первой панели было напряжение в 21 В и сила тока при замыкании 3.4 А. Заряд батареи 40 А.ч. 2.1 А. При испытаниях было довольно облачно и проверить максимальную мощность панелей не удалось.

В итоге при тех же погодных условиях собранная система из двух солнечных панелей выдавал мощность тока замыкания в 7 ампер, а напряжение около 20 В. Этого вполне достаточно, к тому же при более солнечной погоде показатели будут значительно лучше.

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

Солнечная батарея: что это такое

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

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

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

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

Современные солнечные панели генерируют электроэнергию в промышленных масштабах

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

Видео: как работает солнечная панель

Классификация фотоэлектрических модулей

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

Популярные сегодня кремниевые фотоэлементы подразделяются на несколько типов:

монокристаллические;
поликристаллические;
аморфные.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица: КПД современных солнечных батарей

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип расчёта мощности батареи

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

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

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

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

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

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

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

К вопросу о возможности использования электрических солнечных панелей в целях отопления

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

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

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

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

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

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

Выбор места для установки электрической гелиопанели

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

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

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

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

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

Приступаем к изготовлению солнечной батареи своими руками

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

Что понадобится в работе

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

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

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

Для работы понадобится вот такой нехитрый инструмент:

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

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

Инструкция по ходу работ

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

Для изготовления полноценной солнечной батареи понадобится несколько десятков фотоэлементов

Изготовление корпуса

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

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

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

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

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

Проделанные в рейках отверстия служат для вентиляции внутреннего пространства панели

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

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

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

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

Сборка пластин

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

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

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

Перед пайкой фотоэлементы раскладывают в цепочки нужной длины

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

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

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

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

Для фиксации фотоэлементов на подложкке используют силиконовый герметик или резиновый клей

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

На схеме электрических подключений элементы солнечной панели обведены пунктирной линией

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

Установка пластин в корпус

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

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

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

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

После укладки и фиксации стеклянного покрытия солнечная панель готова к работе

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

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

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

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

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

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

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

Видео: сборка солнечной панели своими руками

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