Как сделать солнечную батарею своими руками: изготовление самодельного прибора

Солнечные батареи — источник получения энергии, которую можно направить на выработку электричества или тепла для малоэтажного дома. К сожалению, солнечные батареи имеют высокую стоимость и недоступны большинству жителей нашей страны.  Другое дело,  когда сделана солнечная батарея своими руками — затраты значительно уменьшаются, а работает такая конструкция ничуть не хуже, чем панель промышленного производства.

Содержание статьи:

• Коротко об устройстве и работе
• Материалы для создания солнечной пластины
  • Кремниевые пластины или фотоэлементы
  • Каркас и прозрачный элемент
• Проект системы и выбор места
• Монтаж солнечной батареи по шагам
  • Пайка контактов кремниевых пластин
  • Изготовление каркаса для солнечной батареи
  • Монтаж кремниевых пластин-фотоэлементов
  • Тестирование батареи перед герметизацией
  • Герметизация уложенных в корпус фотоэлементов
• Видео о самодельных солнечных батареях

Коротко об устройстве и работе

Энергию солнца можно преобразовать в тепловую, когда энергоносителем является жидкость-теплоноситель или в электрическую, собираемую в аккумуляторах. Батарея представляет собой генератор, работающий на принципе фотоэлектрического эффекта. Преобразование энергии солнца в электроэнергию происходит после попадания солнечных лучей на пластины-фотоэлементы, которые являются основной частью батареи.

При этом световые кванты «отпускают» свои электроны с крайних орбит. Эти свободные электроны дают электрический ток, который проходит через контроллер и скапливается в аккумуляторе, а оттуда поступает энергопотребителям.

В роли пластин-фотоэлементов выступают элементы из кремния. Кремниевая пластина с одной стороны покрыта тончайшим слоем фосфора или бора — пассивного химического элемента. В этом месте под действием солнечных лучей высвобождается большое количество электронов, которые удерживаются фосфорной плёнкой и не разлетаются.

На поверхности пластины имеются металлические «дорожки», на которых выстраиваются свободные электроны, образуя упорядоченное движение, т.е. электрический ток. Чем больше таких кремниевых пластин-фотоэлементов, тем больше электрического тока можно получить.

Верхний слой пластин-фотоэлементов покрыт слоем, который не допускает отражение солнечного света от пластин, повышая их КПД (+)

Материалы для создания солнечной пластины

Приступая к сооружению солнечной батареи необходимо запастись следующими материалами:

• силикатные пластины-фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• шурупы, саморезы;
• силиконовой герметик для наружных работ;
• электрические провода, диоды, клеммы.

Количество требуемых материалов зависит от размера вашей батареи, которая чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Из инструментов вам понадобиться: шуруповёрт или набор отвёрток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для проведения испытаний готовой батареи понадобиться тестер-амперметр.

Теперь рассмотрим самые важные материалы более подробно.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы для батарей бывают трёх видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины характеризуются низким КПД. Размер полезного действия составляет около 10 — 12 %, но зато этот показатель не понижается с течением времени. Продолжительность работы поликристаллов — 10 лет.

Солнечную батарею собирают из модулей, которые в свою очередь составляют из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с жесткими кремниевыми фотоэлементами представляют собой некий сэндвич с последовательно расположенными слоями, закрепленными в алюминиевом профиле (+)

Монокристаллические фотоэлементы могут похвастаться более высоким КПД — 13-25% и долгими сроками работы – свыше 25 лет. Однако со временем КПД монокристаллов снижается. Монокристаллические преобразователи получают путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что и объясняет наиболее высокую фотопроводимость и производительность.

Пленочные фотопреобразователи получают путем нанесения тонкого слоя аморфного кремния на полимерную гибкую поверхность

Гибкие батареи с аморфным кремнием — самые современные. Фотоэлектрический преобразователь у них напылен или наплавлен на полимерную основу. КПД в районе 5 — 6 %, но пленочные системы крайне удобны в укладке. Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились сравнительно недавно. Это предельно простой и максимально дешевый вид, но быстрее соперников теряющий потребительские качества.

Нецелесообразно использовать фотоэлементы разного размера. В данном случае максимальный ток, вырабатываемый батарей, будет ограничен током наиболее маленького по размеру элемента. Значит, более крупные пластины не будут работать на полную мощность.

При покупке фотоэлементов поинтересуйтесь у продавца способом доставки, большинство продавцов используют метод воскования, чтобы предотвратить разрушение хрупких элементов

Чаще всего для самодельных батарей используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3х6 дюймов, которые можно заказать в интернет-магазинах типа Е-бай. Стоимость фотоэлементов достаточно высока, но многие магазины продают так называемые элементы группы В. Изделия, отнесённые к этой группе имеют брак, но пригодны к использованию, а их стоимость ниже, чем у стандартных пластин на 40-60%.

Большинство интернет-магазинов продают фотоэлементы комплектами по 36 или 72 фотоэлектрической преобразовательной пластины. Для соединения отдельных модулей в батарею потребуются шины, для подключения к системе нужны будут клеммы.

Каркас и прозрачный элемент

Каркас для будущей панели можно сделать из деревянных реек или алюминиевых уголков. Второй вариант более предпочтителен по целому ряду причин:

• Алюминий — лёгкий металл, не дающий серьёзной нагрузки на опорную конструкцию, на которую планируется установка батареи.
• При проведении антикоррозийной обработки алюминий не подвержен воздействию ржавчины.
• Не впитывает влагу из окружающей среды, не гниёт.

При выборе прозрачного элемента необходимо обратить внимание на такие параметры, как показатель преломления солнечного света и способность поглощать ИК-излучение. От первого показателя напрямую будет зависеть КПД фотоэлементов: чем показатель преломления ниже, тем выше КПД кремниевых пластин.

Минимальный коэффициент светоотражения у плексиглас или более дешёвого его варианта — оргстекла. Чуть ниже показатель преломления света у поликарбоната.

От величины второго показателя зависит, будут ли нагреваться сами кремниевые фотоэлементы или нет. Чем меньше пластины подвергаются нагреванию, тем дольше они прослужат. ИК-излучения лучше всего поглощает специальное термопоглощающее оргстекло и стекло с ИК-поглощением. Немного хуже — обычное стекло.

Если есть возможность, то оптимальным вариантом будет использование в качестве прозрачного элемента антибликового прозрачного стекла.

По соотношению стоимости к показателям преломления света и поглощения ИК-излучения оргстекло — самый оптимальный вариант для изготовления гелиобатареи

Проект системы и выбор места

Проект гелиосистемы включает в себя расчёты необходимого размера солнечной пластины. Как было сказано выше, размер батареи, как правило, ограничен дорогостоящими фотоэлементами. Гелиобатарея должна устанавливаться под определённым углом, который обеспечил бы максимальное попадание на кремниевые пластины солнечных лучей. Наилучший вариант — батареи, которые могут менять угол наклона.

Место установки солнечных пластин может быть самым разнообразным: на земле, на скатной или плоской крыше дома, на крышах подсобных помещений. Единственное условие — батарея должна быть размещена на солнечной, не затененной высокой кроной деревьев стороне участка или дома. При этом оптимальный угол наклона необходимо вычислить по формуле или с применением специализированного калькулятора.

Угол наклона будет зависеть от месторасположения дома, времени года и климата. Желательно, чтобы у батареи была возможность менять угол наклона вслед за сезонными изменениями высоты солнца, т.к. максимально эффективно они работают при падении солнечных лучей строго перпендикулярно поверхности.

Для европейской части стран СНГ рекомендуемый угол стационарного наклона 50 — 60 ?. Если в конструкции предусмотрено устройство для изменения угла наклона, то в зимний период лучше располагать батареи под 70 ? к горизонту, в летнее время под углом 30 ?

Расчёты показывают, что 1 квадратный метр гелиосистемы даёт возможность получить 120 Вт. Поэтому путём расчетов можно установить, что для обеспечения среднестатистической семьи электроэнергией в количестве 300кВт в месяц необходима гелиосистема минимум в 20 квадратных метров. Сразу установить такую гелиосистему будет проблематично. Но даже монтаж 5-ти метровой батареи поможет сэкономить электроэнергию и внести свой скромный вклад в экологию нашей планеты.

Солнечная батарея может использоваться в качестве резервного энергоисточника при частом отключении централизованного энергоснабжения. Для автоматического переключения необходимо предусмотреть систему бесперебойного питания.

Подобная система удобна тем, что при использовании традиционного источника электроэнергии одновременно производится зарядка аккумулятора гелиосистемы. Оборудование обслуживающее гелиобатарею размещается внутри дома, поэтому необходимо предусмотреть для него специальное помещение.

Размещая батареи на наклонной крыше дома, не забывайте об угле наклона панели, идеальный вариант, когда у батареи есть устройство для сезонного изменения угла наклона

Монтаж солнечной батареи по шагам

Выбрав место для размещения солнечной панели и оборудования для обслуживания гелиосистемы, а также имея в наличии все требуемые материалы и инструменты, можно начинать монтаж батареи. При монтаже необходимо соблюдать технику безопасности, особенно осуществляя установку готовой панели на крышу дома. Рассмотрим пошаговый алгоритм, как сделать солнечную батарею.

Пайка контактов кремниевых пластин

Монтаж самодельной солнечной батареи часто начинается с пайки проводников фотоэлементов. Безусловно, если у вас есть возможность, то лучше всего купить фотоэлементы сразу с проводниками, т.к. пайка — очень непростая и кропотливая работа, занимающая много времени. Пайка осуществляется следующим образом:

Берётся кремниевый фотоэлемент без проводников и металлическая полоса-проводник.

Проводники нарезаются при помощи картонной заготовки, их длина в 2 раза больше, чем размер кремниевой пластины.

Проводник аккуратно выкладывается на пластину. На один элемент — два проводника.

На место, где будет производиться спайка, необходимо нанести кислоту для работы с паяльником.

Произвести пайку при помощи паяльника, аккуратно присоединив проводник к пластине.

В процессе пайки нельзя давить на силикатный элемент, т.к. он очень хрупкий и может разрушиться! Если вам посчастливилось, и вы приобрели фотоэлементы с готовыми контактами, то вы избавите себя от долгой и сложной работы, переходя сразу к изготовлению каркаса для будущей батареи.

Пайка контактов для бракованных фотоэлементов группы В производится так же и в том же направлении, что и для целых пластин

Изготовление каркаса для солнечной батареи

Каркас — это место, куда будут устанавливаться фотоэлементы. Для изготовления каркаса берутся алюминиевые уголки и рейки, из которых складываются рамки. Рекомендуемый размер уголка — 70-90 мм. На внутреннюю часть металлических уголков наносится силиконовый герметик. Герметизацию уголков необходимо произвести тщательно, от этого зависит долговечность всей конструкции.

После того, как алюминиевая рамка готова, приступаем к изготовлению заднего корпуса. Задний корпус представляет собой деревянный ящик из ДСП с невысокими бортиками. Высокие борта будут создавать тень на фотоэлементах, поэтому их высота не должна превышать 2 см. Бортики привинчиваются при помощи саморезов и шуруповёрта.

На дне ящика-корпуса из ДСП делаются вентиляционные отверстия. Расстояние между отверстиями примерно 10 см. В алюминиевую раму устанавливается прозрачный элемент (оргстекло, антибликовое стекло, плексиглас). Прозрачный элемент прижимается и фиксируется, его крепление осуществляется при помощи метизов: 4 по углам, а также по 2 с длинных и по 1 с короткой стороны рамы. Метизы крепятся шурупами.

Каркас для гелиобатареи готов и можно приступать к самой ответственной части — монтажу фотоэлементов. Перед монтажом необходимо очистить оргстекло от пыли и обезжирить спиртсодержащей жидкостью.

Перед сверлением вентиляционных отверстий корпус необходимо обработать водоотталкивающим составом и покрасить краской для наружных работ по дереву для защиты от воздействий окружающей среды

Монтаж кремниевых пластин-фотоэлементов

Монтаж и пайка кремниевых пластин — самая трудоёмкая часть работы по созданию солнечной панели своими руками. Сначала раскладываем фотоэлементы на оргстекло синими пластинами вниз. Если вы впервые собирайте батарею, то можно воспользоваться подложкой для нанесения разметки, чтобы расположить пластины ровно на небольшом (3-5 мм) расстоянии друг от друга.

Производим пайку фотоэлементов по следующей электросхеме: «+» дорожки расположены на лицевой стороне пластины, «-» — на обратной. Перед пайкой аккуратно наносит флюс и припой, чтобы соединить контакты.

Производим пайку всех фотоэлементов последовательно рядами сверху вниз. Ряды затем должны быть также соединены между собой.

Приступаем к приклеиванию фотоэлементов. Для этого наносим небольшое количество герметика на центр каждой кремниевой пластины.

Переворачиваем получившиеся цепочки с фотоэлементами лицевой стороной (там, где синие пластины) вверх и размещаем пластины по разметке, которую нанесли ранее. Осторожно прижимаем каждую пластину, чтобы зафиксировать её на своём месте.

Контакты крайних фотоэлементов выводим на шину, соответственно «+» и «-«. Для шины рекомендуется использовать более широкий проводник из серебра.

Гелиобатарею необходимо оснастить блокирующим диодом, который соединяется с контактами и предотвращает разрядку аккумуляторов через конструкцию в ночное время.

В дне каркаса сверлим отверстия для вывода проводов наружу.

Провода необходимо прикрепить к каркасу, чтобы они не болтались, сделать это можно используя силиконовый герметик.

Для спайки модулей лучше всего использовать маломощный бытовой паяльник. В процессе пайки необходимо контролировать, чтобы расстояние между фотоэлементами соответствовало разметке

Тестирование батареи перед герметизацией

Тестирование солнечной панели необходимо проводить до её герметизации, чтобы иметь возможность устранить неисправности, которые часто возникают во время пайки. Лучше всего производить тестирование после спайки каждого ряда элементов — так значительно проще обнаружить, где контакты соединены плохо.

Для тестирования вам понадобиться обычный бытовой амперметр. Измерения необходимо проводить в солнечный день в 13-14 часов, солнце не должно быть скрыто облаками. Выносим батарею на улицу и устанавливаем в соответствии с ранее рассчитанным углом наклона. Амперметр подключаем к контактам батареи и проводим измерение тока короткого замыкания.

Смысл тестирования заключается в том, что рабочая сила электрического тока должна быть на 0,5-1,0 А ниже, чем ток короткого замыкания. Показания прибора должны быть выше 4,5 А, что говорит о работоспособности гелиобатареи. Если тестер выдаёт меньшие показания, то где-то наверняка нарушена последовательность соединения фотоэлементов.

Обычно самодельная солнечная батарея, сконструированная из фотоэлементов группы В выдаёт показания 5-10 А, что на 10-20% ниже, чем у солнечных панелей промышленного производства.

Герметизация уложенных в корпус фотоэлементов

Герметизацию можно производить, только убедившись, что батарея работает. Для герметизации лучше всего использовать эпоксидный компаунд, но учитывая, что расход материала будет большой, а стоимость его составляет примерно 40-45 долларов. Если дороговато, то вместо него можно применять всё тот же силиконовый герметик.

Используя силиконовой герметик, отдавайте предпочтения тому, на упаковке которого указано, что он подходит для использования при минусовых температурах

Существует два способа герметизации:

• полная заливка, когда панели заливаются герметиком;
• нанесение герметика на пространство между фотоэлементами и на крайние элементы.

В первом случае герметизация будет более надёжной. После заливки герметик должен схватиться. Затем сверху устанавливается оргстекло и плотно прижимается к пластинам, покрытым силиконом.

Для обеспечения амортизации и дополнительной защиты между задней поверхностью фотоэлементов и каркасом из ДСП многие мастера советуют устанавливать прокладку из жёсткого поролона шириной 1,5-2,5 см. Делать это необязательно, но желательно, учитывая, что кремниевые пластины достаточно хрупкие и легко повреждаются.

После установки оргстекла на конструкцию ставят груз, под действием которого происходит выдавливание пузырьков воздуха. Солнечная батарея готова и после повторного тестирования её можно устанавливать в заранее выбранное место и подключать к гелиосистеме вашего дома.

Видео о самодельных солнечных батареях

Обзор фотоэлементов, заказанных в китайском интернет-магазине:

Видео-инструкция по изготовлению солнечной батареи:

Сделать солнечную батарею своими руками — не простая задача. КПД большинства таких батарей ниже, чем у панелей промышленного производства на 10-20%. Самое важное при конструировании солнечной батареи — правильно выбрать и установить фотоэлементы. Не пытайтесь сразу создать огромную по площади панель. Попробуйте сначала соорудить маленький прибор, чтобы понять все нюансы этого процесса.