Жизнь в стиле «Органик», столь популярная идея в последние годы, предполагает гармоничные «отношения» человека с окружающей средой. Камнем преткновения любого экологического подхода является использование полезных ископаемых для получения энергии.

Выбросы токсичных веществ и углекислоты в атмосферу, выделяющихся при сгорании ископаемого топлива, постепенно убивают планету. Поэтому концепция «зеленой энергии», которая не вредит окружающей среде, является базовой основой многих новых энерготехнологий. Одним из таких направлений получения экологически чистой энергии является технология преобразования солнечного света в электрический ток. Да, именно так, речь пойдет о солнечных батареях и возможности установки систем автономного энергообеспечения в загородном доме.

В настоящий момент энергоустановки промышленного изготовления на базе солнечных батарей, применяемые для полного энерго- и теплообеспечения коттеджа, стоят не менее 15-20 тыс. долларов при гарантированном сроке эксплуатации около 25 лет. Стоимость любой гелиевой системы в перерасчете соотношения гарантированного срока эксплуатации к средним годичным затратам на коммунальное содержание загородного дома достаточно высокая: во-первых, сегодня средняя стоимость солнечной энергии соизмерима с покупкой энергоресурсов из центральных энергосетей, во-вторых, требуются одномоментные капитальные вложения для установки системы.

Обычно принято разделять гелиосистемы, предназначенные для тепло- и энергообеспечения. В первом случае используется технология солнечного коллектора, во втором — фотоэлектрический эффект для генерации электрического тока в солнечных батареях. Мы хотим рассказать о возможности самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Технология ручной сборки солнечной энергетической системы достаточно проста и доступна. Практически каждый россиянин может собрать индивидуальные энергосистемы с высоким КПД при сравнительно низких затратах. Это выгодно, доступно и даже модно.

Выбор солнечных элементов для солнечной панели

Приступая к изготовлению солнечной системы, нужно обратить внимание, что при индивидуальной сборке нет необходимости в одномоментной установке полнофункциональной системы, её вполне можно наращивать постепенно. Если первый опыт оказался удачным, то имеет смысл расширять функциональность гелиосистемы.

По своей сути, солнечная батарея — это генератор, работающий на основе фотоэлектрического эффекта и преобразовывающий солнечную энергию в электрическую. Кванты света, попадающие на кремниевую пластину, выбивают электрон с последней атомной орбиты кремния. Этот эффект создает достаточное количество свободных электронов, образующих поток электрического тока.

Перед сборкой батареи нужно определиться в типе фотоэлектрического преобразователя, а именно: монокристаллическом, поликристаллическом и аморфном. Для самостоятельной сборки солнечной батареи выбирают доступные в продаже монокристаллические и поликристаллические солнечные модули.

Вверху: Монокристаллические модули без припаянных контактов. Внизу: Поликристаллические модули с припаянными контактами

Панели на основе поликристаллического кремния имеют достаточно низкий КПД (7-9%), но этот недостаток нивелируется тем, что поликристаллы практически не понижают мощность при облачности и пасмурной погоде, гарантийная долговечность таких элементов составляет около 10 лет. Панели на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 13% при сроке эксплуатации около 25 лет, но эти элементы сильно снижают мощность при отсутствии прямого солнечного света. Показатели КПД кристаллов кремния от разных производителей могут существенно варьироваться. По практике работы солнечных электростанций в полевых условиях можно говорить о сроке службы монокристаллических модулей более 30 лет, а для поликристаллических — более 20 лет. Причем за весь период эксплуатации потеря мощности у кремниевых моно- и поликристаллических элементов составляет не более 10%, когда у тонкопленочных аморфных батарей за первые два года мощность снижается на 10-40%.

Солнечные элементы Evergreen Solar Cells с контактами в наборе 300 шт.

На аукционе Еbay можно приобрести набор Solar Cells для сборки солнечной батареи из 36 и 72 солнечных элементов. Такие наборы доступны в продаже и в России. Как правило, для самостоятельной сборки солнечных батарей используются солнечные модули В-типа, то есть модули, отбракованные на промышленном производстве. Эти модули не теряют своих эксплуатационных показателей и значительно дешевле. Некоторые поставщики предлагают солнечные модули на стеклотекстолитовой плате, что предполагает высокий уровень герметичности элементов, а, соответственно, надежности.

Название	Характеристики	Стоимость, $
Everbright Solar Cells (Еbay) без контактов	поликристаллические, набор - 36 шт., 81х150 мм, 1,75 W (0,5 В), 3А, эффективность (%) - 13 в наборе с диодами и кислотой для паяния в карандаше	$46.00 $8.95доставка
Solar Cells (США новые)	монокристаллические, 156х156 мм, 81х150 мм, 4W (0,5 В), 8А, эффективность (%) - 16.7-17.9	$7.50
	монокристаллические, 153х138 мм, U хол. хода - 21,6V, I корот. зам. - 94 mA, Р - 1,53W, эффективность (%) - 13	$15.50
Solar Cells на стеклотекстолитовой плате	поликристаллические, 116х116 мм, U хол. хода - 7,2V, I корот. зам. - 275 mA., Р - 1,5W, эффективность (%) - 10	$14.50
		$87.12 $9.25 доставка
Solar Cells (Еbay) без контактов	поликристаллические, набор - 72 шт., 81х150 мм 1.8W	$56.11 $9.25 доставка
Solar Cells (Еbay) с контактами	монокристаллические, набор - 40 шт., 152х152 мм	$87.25 $14.99 доставка

Разработка проекта гелиевой энергосистемы

Проектирование будущей гелиосистемы во многом зависит от способа её установки и монтажа. Солнечные батареи должны быть установлены под наклоном, чтобы обеспечить попадание прямых солнечных лучей под прямым углом. Производительность солнечной панели во многом зависит от интенсивности световой энергии, а также от угла падения солнечных лучей. Размещение солнечной батареи относительно солнца и угол наклона зависит от географического расположения гелиевой системы и времени года.

Сверху вниз: Монокристаллические солнечные панели (по 80 ватт) на даче установлены практически вертикально (зима). Монокристаллические солнечные панели на даче имеют меньший угол (весна)ю Механическая система управления углом наклона солнечной батареи.

Промышленные гелиосистемы часто снабжены датчиками, которые обеспечивают ротационное движение солнечной панели по направлению движения солнечных лучей, а также зеркалами-концентраторами солнечного света. В индивидуальных системах такие элементы значительно усложняют и удорожают систему, поэтому не применяются. Может быть применена простейшая механическая система управлением углом наклона. В зимнее время солнечные панели должны быть установлены практически вертикально, это также защищает панель от налегания снега и обледенения конструкции.

Схема расчета угла наклона солнечной панели в зависимости от времени года

Солнечные батареи устанавливаются с солнечной стороны здания, чтобы обеспечить максимально доступный объем солнечной энергии в светлое время суток. В зависимости от географического расположения и уровня солнцестояния вычисляется угол наклона батареи, который наиболее подходит для вашего местоположения.

При усложнении конструкции можно создать систему управления углом наклона солнечной батареи в зависимости от времени года и углом поворота панели в зависимости от времени суток. Энергоэффективность такой системы будет выше.

При проектировании солнечной системы, которая будет устанавливаться на крышу дома, нужно обязательно выяснить, сможет ли кровельная конструкция выдержать требуемую массу. Самостоятельная разработка проекта предполагает расчет кровельной нагрузки с учетом веса снежного покрова в зимнее время.

Выбор оптимального статического угла наклона для кровельной солнечной системы монокристаллического типа

Для изготовления солнечных панелей можно выбирать различные материалы по удельному весу и другим характеристикам. При выборе материалов конструкции необходимо учитывать максимально допустимую температуру нагрева солнечного элемента, так как температура солнечного модуля, работающего на полную мощность, не должна превышать 250С. При превышении пиковой температуры солнечный модуль резко теряет свою способность преобразовывать солнечный свет в электрический ток. Готовые гелиосистемы для индивидуального использования, как правило, не предполагают охлаждение солнечных элементов. Самостоятельное изготовление может подразумевать охлаждение гелиосистемы или управление углом наклона солнечной панели для обеспечения функциональной температуры модуля, а также выбор соответствующего прозрачного материала, поглощающего ИК-излучение.

Грамотная конструкция солнечной системы позволяет обеспечить требуемую мощность солнечной батареи, которая будет приближаться к номинальной. При расчете конструкции нужно учитывать, что элементы одного типа дают одинаковое напряжение, не зависящее от размера элементов. Причем сила тока у крупноразмерных элементов будет больше, но и батарея будет значительно тяжелее. Для изготовления солнечной системы всегда берутся солнечные модули одного размера, так как максимальный ток будет ограничен максимальным током малого элемента.

Расчеты показывают, что в среднем в ясный солнечный день можно получить с 1 м солнечной панели не более 120 Вт мощности. Такая мощность не обеспечит работу даже компьютера. Система в 10 м дает более 1 кВт энергии и может обеспечивать электроэнергией работу основных бытовых приборов: светильников, телевизора, компьютера. Для семьи из 3-4 человек необходимо около 200-300 кВт в месяц, поэтому солнечная система, установленная с южной стороны, размером 20 м может вполне обеспечить семейные энергопотребности.

Если рассматривать среднестатистические данные по электроснабжению индивидуального жилого дома, то: ежедневное энергопотребление составляет 3 кВт ч, солнечная радиация с весны по осень — 4 кВт ч/м в день, пиковая мощность потребления — 3кВт (при включении стиральной машины, холодильника, утюга и электрочайника). С целью оптимизации энергопотребления для освещения внутри дома важно использовать лампы переменного тока с низким энергопотреблением — светодиодные и люминесцентные.

Изготовление каркаса солнечной батареи

В качестве каркаса солнечной батареи используется алюминиевый уголок. На аукционе Еbay можно приобрести готовые рамы для солнечных батарей. Прозрачное покрытие выбирается по желанию, исходя из характеристик, которые необходимы для данной конструкции.

Комплект рамы со стеклом для солнечной батареи, стоимость от 33 долларов

При выборе прозрачного защитного материала можно также ориентироваться на следующие характеристики материала:

Материал	Показатель преломления	Свето-пропуска-ние, %	Удельный вес г/см 3	Размер листа, мм	Толщина, мм	Стоимость, руб./м 2
Воздух	1,0002926	—	—	—	—	—
Стекло	1,43-2,17	92-99	3,168	—	—	—
Оргстекло	1,51	92-93	1,19	3040х2040	3	960.00
Поликарбонат	1,59	до 92	0,198	3050 х2050	2	600.00
Плексиглас	1,491	92	1,19	2050х1500	11	640.00
Минеральное стекло	1,52-1,9	98	1,40	—	—	—

Если рассматривать показатель преломления света в качестве критерия выбора материала. Самый минимальный коэффициент преломления имеет плексиглас, более дешевым вариантом прозрачного материала является отечественное оргстекло, менее подходящим — поликарбонат. В продаже имеется поликарбонат с антиконденсатным покрытием, также этот материал обеспечивает высокий уровень термозащиты. При выборе прозрачных материалов по удельному весу и способности поглощать ИК-спектр лучшим будет поликарбонат. К лучшим прозрачным материалам для солнечных батарей относятся материалы с высоким светопропусканием.

При изготовлении солнечной батареи важно выбирать прозрачные материалы, которые не пропускают ИК-спектр и, таким образом, снижают нагревание кремниевых элементов, теряющих свою мощность при температуре свыше 250С. В промышленности используются специальные стекла, имеющие оксидно-металлическое покрытие. Идеальным стеклом для солнечных панелей считается тот материал, которые пропускает весь спектр кроме ИК-диапазона.

Схема поглощения УФ и ИК излучения различными стеклами.
а) обычное стекло, б) стекло с ИК-поглощением, в) дуплекс с термопоглощающим и обычным стеклом.

Максимальное поглощение ИК-спектра обеспечит защитное силикатное стекло с оксидом железа (Fe 2 O 3), но оно имеет зеленоватый оттенок. ИК-спектр хорошо поглощает любое минеральное стекло за исключением кварцевого, оргстекло и плексиглас относятся к классу органических стекол. Минеральное стекло более устойчиво к повреждениям поверхности, но является очень дорогим и недоступным. Для солнечных батарей также применяется специальное антибликовое сверхпрозрачное стекло, пропускающее до 98% спектра. Также это стекло предполагает поглощение большей части ИК-спектра.

Оптимальный выбор оптических и спектральных характеристик стекла значительно повышает эффективность фотопреобразования солнечной панели.

Солнечная панель в корпусе из оргстекла

Во многих мастер-классах по изготовлению солнечных батарей рекомендуется использовать оргстекло для передней и задней панели. Это позволяет проводить инспекцию контактов. Однако конструкцию из оргстекла сложно назвать полностью герметичной, способной обеспечить бесперебойную эксплуатацию панели в течение 20 лет работы.

Монтаж корпуса солнечной батареи

В мастер-классе показывается изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных элементов размером 81x150 мм. Исходя из этих размеров, можно вычислить размеры будущей солнечной батареи. При расчете размеров важно между элементами делать небольшое расстояние, которое будет учитывать изменение размеров основы под атмосферным воздействием, то есть между элементами должно быть 3-5 мм. Результирующий размер заготовки должен быть 835х690 мм при ширине уголка 35 мм.

	Самодельная солнечная батарея, сделанная с использованием алюминиевого профиля, наиболее похожа на солнечную панель фабричного изготовления. При этом обеспечивается высокая степень герметичности и прочности конструкции.
	Для изготовления берется алюминиевый уголок, и выполняются заготовки рамки 835х690 мм. Чтобы можно было провести крепление метизов, в раме следует сделать отверстия.
	На внутреннюю часть уголка дважды наносится силиконовый герметик.
	Обязательно проследите, чтобы не было незаполненных мест. От качества нанесения герметика зависит герметичность и долговечность батареи.
	Далее в раму кладется прозрачный лист из выбранного материала: поликарбоната, оргстекла, плексигласа, антибликового стекла. Важно силикону дать высохнуть на открытом воздухе, иначе испарения создадут пленку на элементах.
	Стекло нужно тщательно прижать и зафиксировать.
	Для надежного крепления защитного стекла понадобятся метизы. Нужно закрепить 4 угла рамки и по периметру разместить два метиза с длинной стороны рамки и по одному метизу с короткой стороны.
	Метизы фиксируются при помощи шурупов.
	Шурупы плотно затягиваются при помощи шуруповерта.
	Каркас солнечной батареи готов. Перед креплением солнечных элементов, необходимо очистить стекло от пыли.

Подбор и пайка солнечных элементов

В настоящий момент на аукционе Еbay представлен огромный ассортимент изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Набор Solar Cells включает комплект из 36 поликристаллических кремниевых элементов, проводники для элементов и шины, диоды Шотке и карандаш с кислотой для паяния

Так как солнечная батарея, сделанная своими руками, практически в 4 раза дешевле готовой, самостоятельное изготовление — это значительная экономия средств. На Еbay можно приобрести солнечные элементы с дефектами, но они не теряют своей функциональности, таким образом, стоимость солнечной батареи может существенно сократиться, если вы можете дополнительно пожертвовать внешним видом батареи.

Поврежденные фотоэлементы не теряют своей функциональности

При первом опыте лучше приобретать наборы для изготовления солнечных панелей, в продаже имеются солнечные элементы с припаянными проводниками. Пайка контактов — это достаточно сложный процесс, сложность усугубляется хрупкостью солнечных элементов.

Если вы приобрели кремниевые элементы без проводников, то сначала необходимо провести пайку контактов.

	Так выглядит поликристаллический кремниевый элемент без проводников.
	Проводники нарезаются с помощью картонной заготовки.
	Необходимо аккуратно положить проводник на фотоэлемент.
	На место припаивания нанести кислоту для паяния и припой. Проводник для удобства фиксируется с одной стороны тяжелым предметом.
	В таком положении необходимо аккуратно припаять проводник к фотоэлементу. Во время пайки нельзя нажимать на кристалл, потому что он очень хрупкий.

Пайка элементов — это достаточно кропотливая работа. Если не удастся получить нормального соединения, то необходимо повторить работу. По нормативам серебряное напыление на проводнике должно выдерживать 3 цикла пайки при допустимых тепловых режимах, на практике сталкиваешься с тем, что напыление разрушается. Разрушение серебряного напыления происходит из-за использования паяльников с нерегулируемой мощностью (65Вт), этого можно избежать, если понизить мощность следующим образом — нужно последовательно с паяльником включить патрон с лампочкой в 100 Вт. Номинальная мощность нерегулируемого паяльника слишком высока для пайки кремниевых контактов.

Даже если продавцы проводников уверяют, что припой на соединителе имеется, его лучше нанести дополнительно. Во время пайки старайтесь аккуратно обращаться с элементами, при минимальном усилии они лопаются; не стоит складывать элементы пачкой, от веса нижние элементы могут треснуть.

Сборка и пайка солнечной батареи

При первой самостоятельной сборке солнечной батареи лучше воспользоваться разметочной подложкой, которая поможет расположить элементы ровно на некотором расстоянии друг от друга (5 мм).

Разметочная подложка для элементов солнечной батареи

Основа выполняется из листа фанеры с маркированием уголков. После пайки на каждый элемент с обратной стороны крепится кусок монтажной ленты, достаточно прижать заднюю панель к скотчу, и все элементы переносятся.

Монтажная лента, использованная для крепления, с обратной стороны солнечного элемента

При таком типе крепления сами элементы дополнительно не герметизируются, они могут свободно расширяться под действием температуры, это не приведет к повреждению солнечной батареи и разрыву контактов и элементов. Герметизации поддаются только соединительные части конструкции. Такой вид крепления больше подходит для опытных образцов, но вряд ли может гарантировать долгосрочную эксплуатацию в полевых условиях.

Последовательный план сборки батареи выглядит так:

	Выкладываем элементы на стеклянную поверхность. Между элементами должно быть расстояние, что предполагает свободное изменение размеров без ущерба конструкции. Элементы нужно прижать грузами.
	Пайку производим по приведенной ниже электросхеме. «Плюсовые» токоведущие дорожки размещены на лицевой стороне элементов, «минусовые» — на обратной стороне. Перед пайкой нужно нанести флюс и припой, после аккуратно припаять серебряные контакты.
	По такому принципу соединяются все солнечные элементы.
	Контакты крайних элементов выводятся на шину, соответственно, на «плюс» и «минус». Для шины используется более широкий серебряный проводник, который имеется в наборе Solar Cells. Рекомендуем также вывести «среднюю» точку, с ее помощью ставятся два дополнительных шунтирующих диода.
	Клемма устанавливается также с внешней стороны рамы.
	Так выглядит схема подключения элементов без выведенной средней точки.
	Так выглядит клеммная планка с выведенной «средней» точкой. «Средняя» точка позволяет на каждую половину батареи поставить шунтирующий диод, который не даст батарее разряжаться при снижении освещения или затемнении одной половины.
	На фото показан шунтирующий диод на «плюсовом» выходе, он противостоит разрядке аккумуляторов через батарею в ночное время и разрядке других батарей во время частичного затемнения. Чаще в качестве шунтирующих диодов используют диоды Шотке. Они дают меньшую потерю на общей мощности электрической цепи. В качестве токовыводящих проводов может быть использован акустический кабель в силиконовой изоляции. Для изоляции можно применить трубки из-под капельницы. Все провода должны быть прочно зафиксированы силиконом.
	Элементы могут быть соединены последовательно (см. фото), а не посредством общей шины, тогда 2-й и 4-й ряд необходимо повернуть на 1800 относительно 1-го ряда.

Основные проблемы сборки солнечной панели связаны с качеством пайки контактов, поэтому специалисты предлагают перед герметизацией панели ее протестировать.

Тестирование панели перед герметизацией, напряжение сети 14 вольт, пиковая мощность 65 Вт

Тестирование можно делать после пайки каждой группы элементов. Если вы обратите внимание на фотографии в мастер-классе, то часть стола под солнечными элементами вырезана. Это сделано намеренно, чтобы определить работоспособность электрической сети после пайки контактов.

Герметизация солнечной панели

Герметизация солнечных панелей при самостоятельном изготовлении — это самый спорный вопрос среди специалистов. С одной стороны, герметизация панелей необходима для повышения долговечности, она всегда применяется при промышленном изготовлении. Для герметизации зарубежные специалисты рекомендуют использовать эпоксидный компаунд «Sylgard 184», который дает прозрачную полимеризованную высокоэластичную поверхность. Стоимость «Sylgard 184» на Еbay составляет около 40 долларов.

Герметик с высокой степенью эластичности «Sylgard 184»

С другой стороны, если вы не хотите нести дополнительные затраты, вполне можно использовать силиконовый герметик. Однако в этом случае не стоит полностью заливать элементы, чтобы избежать их возможного повреждения в процессе эксплуатации. В таком случае элементы к задней панели можно прикрепить при помощи силикона и герметизировать только края конструкции. Насколько эффективна такая герметизация, сказать сложно, но использовать не- рекомендованные гидроизоляционные мастики не советуем, очень высока вероятность разрыва контактов и элементов.

	Перед началом герметизации необходимо подготовить смесь «Sylgard 184».
	Сначала заливаются места стыков элементов. Смесь должна схватиться, чтобы закрепить элементы на стекле.
	После фиксации элементов делается сплошной полимеризирующий слой эластичного герметика, распределить его можно с помощью кисточки.
	Так выглядит поверхность после нанесения герметика. Герметизирующий слой должен просохнуть. После полного высыхания можно закрыть солнечную батарею задней панелью.
	Так выглядит лицевая сторона самодельной солнечной панели после герметизации.

Схема электроснабжения дома

Системы электроснабжения домов с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, то есть системами, обеспечивающими генерацию энергии с использованием фотоэлектрического эффекта. Для индивидуальных жилых домов рассматриваются три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.

Каждая из систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах применяют фотоэлектрические системы с резервными аккумуляторными батареями и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.

Более экономной альтернативой гибридной батарейно-сетевой системе электроснабжения будет безаккумуляторная солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.

Схемы трех типов фотоэлектрических систем

Рассмотрим типичную установку батарейно-сетевой фотоэлектрической системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии.

Гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система с переменным током

Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических системах: на базе постоянного и переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10-15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.

Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:

• суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
• аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
• инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24-48 В;
• контроллер солнечного разряда 40-50 А при напряжении в 24 В;
• источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.

Таким образом, для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов, пример сборки которых приведен в мастер-классе. Каждая панель дает суммарную мощность в 65 Вт. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет пиковую мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования в северной части России.

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!

Применение альтернативных источников энергии становится все более популярным в нашем обществе. Аккумулирование солнечного света полезно не только для экологии, но и для экономии средств, затрачиваемых на электричество. Если вы заботитесь об окружающей среде или просто хотите не тратить лишние деньги, тогда мы предлагаем вам статью о том, как сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Обычно на форумах пишут о фотоэлементах, цены которых весьма высокие. Благодаря нашим советам вы узнаете, как полностью соорудить самодельную батарею, что значительно минимизирует ваши затраты.

Материалы для изготовления

Для того, чтобы сделать устройство в домашних условиях, Вам понадобятся:

1. Медный лист. Средняя его стоимость около ста пятидесяти рублей за 0,9 м2. Потребуется где-то 0,45 м2.
2. Зажимы в числе двух штук. Обычно называются «крокодильчиками».
3. Тестер или же микроамперметр. Этот прибор нужен для измерения силы тока в пределах между десятью и пятидесятью микроамперами.
4. Электроплита, обладающая мощностью от 1100 Ватт, чтобы краснела спираль.
5. Пластиковая бутылка, у которой надо самому отрезать горлышко.
6. Кухонная соль. Несколько столовых ложек.
7. Подогретая вода.
8. «Наждачка».

Пошаговая инструкция

Итак, чтобы сделать солнечную батарею своими руками, Вы должны выполнить следующие действия:

• Отрезаем от листа меди кусок такого размера, чтобы мы смогли расположить его на спирали электрической плитки. Для хорошего результата очищаем отрезанный кусок от пыли и грязи.

• Далее размещаем его на спирали плиты. В связи с химическими реакциями, при нагревании медь станет меняться. Вот когда медь приобретет чёрный окрас, отсчитайте ещё 30 минут, чтобы слой чёрного цвета стал толстым.

• Затем выключите электроприбор. Пусть кусок, предназначенный для изготовления солнечной батареи своими руками, остынет. Охлаждаясь, медь и медная окись станут с различной скоростью сжиматься. Тогда и начнется отслоение окиси.

Кстати, такая солнечная батарея может давать несколько миллиампер даже без солнца! Рекомендуем сразу же просмотреть более серьезный вариант использования альтернативных источников энергии, который мы описали в статье о том, !

Обучающее видео о том, как в домашних условиях создать зарядное устройство

Заряжаем телефон от солнца

Теперь мы расскажем, как самому собрать солнечную батарею, способную заряжать мобильный телефон. Изготавливая батарею, состоящую из отдельных частей, основанных на монокристаллическом кремнии, не исключены проблемы при их пайке. Если вы не уверены, что сможете все сделать самостоятельно, лучше выберите уже изготовленные модули. Хорошо, если они будут состоять из десяти монокристаллических элементов, подходить к размеру корпуса вашего мобильника и обладать напряжением пять Вольт.

Солнечные элементы могут присутствовать и в калькуляторах, питаемых от солнца. В этих приборах для счета чисел используют в основном аморфные элементы, где слой полупроводника расположен на маленькой пластине из стекла. Учитывая, что модули такого типа дают около полутора вольт, нам понадобится четыре штуки с последовательным соединением. Не забываем к положительному выводу батареи подпаять диод, который будет использоваться как вентиль, не давая аккумулятору тратить заряд через солнечную батарею. Достать диод можно с платы фонаря. Дабы наше изобретение служило более надежно, заливаем термоклеем поперечные грани модулей.

Обзор более сложной модели

Все началось с прогулки по сайту eBay -увидел солнечные панели и заболел.

Споры с друзьями об окупаемости были смешны…. Покупая автомобиль никто, не думает об окупаемости. Авто как любовница, готовь сумму на удовольствие заранее. А тут совсем наоборот, затратил деньги так они еще и пытаются окупиться… Кроме того, подключил к солнечным панелям инкубатор так они еще как оправдывают свое предназначение, предохраняя ваше будущее хозяйство от гибели. В общем, имея инкубатор, ты зависишь от многих факторов, тут либо пан, либо профан. Когда будет время, напишу о самодельном инкубаторе. Ну ладно чего рассуждать, каждый в праве выбирать…..!

После долгих ожиданий, заветная коробочка с тонкими хрупкими пластинками, наконец, греет руки и сердце.

Первым делом конечно Интернет … ну, не боги горшки обжигают. Опыт чужой всегда полезен. И тут наступило разочарование….. Как оказалось, своими руками панели сделали человек пять, остальные просто перекопировали на свои сайты, причем некоторые, дабы быть оригинальней скопированы с разных разработок. Ну да бог с ними пусть это остается на совести хозяев страничек.

Решил почитать форумы, долгие рассуждения теоретиков «как доить корову» привели в полное уныние. Рассуждения о том, как ломаются пластины от нагрева, трудности герметизации и т д. Почитал и плюнул на все это дело. Мы пойдем своим путем, методом проб и ошибок, опираясь на опыт «коллег», чего изобретать велосипед?

Ставим задачу:

1) Панель должна быть изготовлена из подручных материалов, дабы не тянуть кошелек, ибо неизвестен результат.

2) Процесс изготовления должен быть нетрудоемким.

Начинаем изготовление солнечной панели:

Первым делом были приобретены 2 стекла 86х66 см. для будущих двух панелей.

Стекло простое, приобретал у производителей пластиковых окон. А может и не простое…

Долгий поиск алюминиевых уголков, по опыту уже проверенному «коллегами» закончился ничем.

Потому процесс изготовления начинался вяло, с чувством долгостроя.

Процесс пайки панелей описывать не стану, так как в сети много информации про это и даже видео есть. Просто оставлю свои заметки и замечания.

Не так страшен черт, как его малюют.

Не смотря на трудности, которые описывают на форумах, пластины элементов паяются легко, как лицевая сторона, так и тыльная. Так же, вполне пригоден наш советский припой ПОС- 40, во всяком случае, никаких трудностей я не испытал. Ну и конечно, наша родная канифоль, куда без нее… За время пайки не сломал ни одного элемента, думаю надо быть полным идиотом, чтобы сломать их на ровном стекле.

Проводники, которые идут в комплекте к панелям, очень удобны, во-первых, они плоские, во-вторых, они луженные, что значительно сокращает время пайки. Хотя вполне можно использовать обычный провод, провел эксперимент на запасных пластинах, трудностей в пайке не испытал. (на фото остатки плоского провода)

На пайку 36 пластин у меня ушло около 2 часов. Хотя на форуме читал, что люди паяют по 2 дня.

Паяльник желательно использовать на 40 Вт. Так как пластины легко отводят тепло, а это затрудняет пайку. Первые попытки паять 25 Ватным паяльником были нудными и печальными.

Так же при пайке желательно оптимально подбирать количество флюса (канифоли). Ибо большой избыток ее не дает прилипнуть олову к пластине. А потому приходилось практически залуживать пластинку, в общем, ничего страшного, все поправимо. (приглядитесь на фото видно.)

Расход олова довольно большой.

Ну вот, на фото пропаянные элементы, во втором ряду косяк, не пропаян один вывод, но ничего главное заметил и исправил.

Окантовка стекла сделана двухсторонним скотчем далее на этот скотч будет приклеена полиэтиленовая пленка.

Скотчи, которые использовал.

После припайки, начало герметизации (скотч вам в помощь).

Ну вот, проклеенные пластины скотчем и исправленным косяком.

Далее с окантовки панели снимаем защитный слой двухстороннего скотча и приклеиваем на нее полиэтиленовую пленку с запасом на края. (сфоткать забыл) Ах да, в скотче проделываем прорези для отходящих проводов. Ну не глупые, поймете, что и когда… По краю стекла, а так же выводы проводов, углы, промазываем силиконовым герметикам.

И загибаем пленку на внешнюю сторону.

Предварительно было изготовлена рамка из пластика. Когда в доме устанавливал пластиковые окна, на окно шурупами крепят пластиковый профиль для подоконника. Посчитал, что эта часть слишком тонкая. А потому удалил и сделал подоконник по своему. Потому, от 12 окон остались пластиковые профили. Так сказать материал в избытке.

Рамку клеил обычным, старым, советским утюгом. Жаль, процесс не снимал, но думаю, ничего тут сверх непонятного нет. Отрезал под 45 градусов 2 стороны, нагрел на подошве утюга и приклеил предварительно установив на ровный угол. На фото рамка под вторую панель.

Устанавливаем стекло с элементами и защитной пленкой в рамку

Лишнюю пленку обрезаем, а края проклеиваем силиконовым герметикам.

Получаем вот такую панель.

Да, забыл написать, что кроме пленки к рамке приклеил направляющие, которые не дают упасть элементам, если скотч отклеиться. Пространство между элементами и направляющими залито монтажной пеной. Что позволило прижать плотнее элементы к стеклу.

Ну, начнем испытания.

Так как панель одну я изготовил заранее, результат одной мне известен Напряжение 21Вольт. Ток короткого замыкания 3,4 Ампера. Сила тока заряда аккумуляторной батареи 40А. ч 2,1 Ампера.

К сожалению не фоткал. Надо сказать, что сила тока круто зависит от освещенности.

Теперь соединенные параллельно 2 батареи.

Погода на момент изготовления была облачная, было около 4 часов дня.

Вначале меня это расстроило, а потом даже обрадовало. Ведь это самые усредненные условия для батареи, а значит результат правдоподобнее, чем при ярком солнце. Солнышко просвечивало через облака не так ярко. Надо сказать, что и светило солнышко немного сбоку.

При таком освещении ток короткого замыкания составил 7.12 Ампер. Что считаю превосходным результатом.

Напряжение без нагрузки 20,6 Вольт. Ну, это стабильно около 21 вольта.

Ток заряда АКБ 2,78Ампера. Что при таком освещении гарантирует заряд АКБ.

Замеры показали, при хорошем солнечном деньке результат будет лучше.

К тому времени погода ухудшалась, тучи закрыли, солнышко полностью и мне стало интересно, а что покажет при таком раскладе. Это же практически вечерние сумерки…

Небо выглядело так, специально снял линию горизонта. Да впрочем, на самом стекле батареи видно небо как в зеркало.

Напряжение при таком раскладе 20,2 вольта. Как уже говорилось 21в. это практически константа.

Ток короткого замыкания 2,48А. В общем, то, для такого освещения замечательно! Практически равен одной батареи при хорошем солнышке.

Ток заряда АКБ 1,85 Ампера. Ну что сказать… Даже в сумерки АКБ будет заряжаться.

Вывод построена солнечная батарея, не уступающая по характеристикам промышленным образцам. Ну а долговечность….., будем смотреть, время покажет.

Ах да, заряд батареи ведется через диоды Шоттки на 40 А. ну, что нашлось.

Так же хочу сказать про контроллеры. Все это красиво выглядит, но не стоит затраченных на контроллер денег.

Если вы дружите с паяльником, схемы очень просты. Делайте и получайте удовольствие от изготовления.

Ну вот, налетел ветер и оставшиеся запасные 5 элементов сорвались в неуправляемый полет….. результат осколки. Ну что поделать, безалаберность должна быть наказана. А с другой стороны…. Куда их?

Решили сделать из осколочков еще одну панельку, вольт на 5. На изготовление ушло 2 часа. Остатки материалов как раз пришлись в пору. Вот что получилось.

Замеры сделаны вечером.

Надо сказать, что при хорошем освещении сила тока короткого замыкания более 1 ампера.

Кусочки спаяны параллельно и последовательно. Цель, обеспечить примерно одинаковую площадь. Ведь сила тока равна самому маленькому элементу. А потому при изготовлении подбирайте элементы по площади освещения.

Настало время рассказать о практическом применении изготовленых мною солнечных батарей.

Весной установил две изготовленые панели на крыше, высота 8 метров под углом 35 градусов, оринтированые на юговосток. Такое орентирование было выбрано не случайно, потому как было замечено, что в данной широте, летом солнышко всходит в 4 утра и к 6-7 часам вполне сносно заряжает аккумуляторы током в 5-6 ампер, тоже касается и вечера. Каждая панель должна обязательно иметь свой диод. Дабы исключить выгорание элементов при отличающийся мощности панелей. И как следствие неоправданое снижение мощности панелей.
Спуск с высоты был выполнен многожильным проводом сечением 6мм2 каждая жила. Таким образом удалось достигнуть минимальных потерь в проводах.

В качестве накопителей энергии использованы старые еле-живые аккумуляторы 150А.ч,75А.ч,55А.ч, 60А.ч. Все аккумуляторы соеденены паралельно и учитывая потерю емкости, сумарно составляют ококло 100А.ч.
Контроллер заряда аккумулятора отсутствует. Хотя думаю установка контроллера необходима.Над схемой контроллера сечас работаю. Так как в течении дня аккумуляторы начинают кипеть. Потому приходится ежедневно сбрасывать излишки энергии, путем включения ненужной нагрузки. В моем случаее включаю освещение бани. 100 Вт. Так же в течении дня работает LCD телевизор примерно 105Вт, вентилятор 40Вт., а к вечеру добавляется энергосберегающая лампочка 20Вт.

Любителям проводить расчеты скажу: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА не одно и тоже. Так как такой "сендвичь" вполне прекрасно работает свыше 12 часов. при этом иногда заряжаем от него телефоны.Полного разряда аккумуляторов еще не достиг ни разу. Что соответственно перечеркивает расчеты.

В качестве преобразователя использован чуть- чуть переделаный для свободного пуска от аккумуляторов компьютерный бесперебойник (инвертор) 600В.А, что примерно соответствует нагрузке в 300Вт.
Так же хочу отметить, что батареи заряжаются и при яркой луне. При этом ток составляет 0,5-1 Ампер, думаю для ночи это совсем неплохо.

Конечно хотелось бы увеличить нагрузку, но для этого требуется мощьный инвертор. Планирую изготовить инвернтор сам по ниже приведенной схеме. Так как покупать инвертор за бешаные деньги НЕРАЗУМНО!

Наверное, нет такого человека, который не хотел бы стать более независимым. Возможность полностью распоряжаться собственным временем, путешествовать, не зная границ и расстояний, не задумываться о жилищных и финансовых проблемах - вот что даёт ощущение настоящей свободы. Сегодня мы расскажем о том, как, используя солнечное излучение, снять с себя бремя энергетической зависимости. Как вы догадались, речь пойдёт о солнечных батареях. А если быть точнее, то о том, можно ли своими руками построить настоящую солнечную электростанцию.

История создания и перспективы использования

Идею превращения энергии Солнца в электричество человечество вынашивало давно. Первыми появились гелиотермальные установки, в которых перегретый сконцентрированными солнечными лучами пар вращал турбины генератора. Прямое преобразование стало возможным лишь в середине XIX века, после того, как француз Александр Эдмон Баккарель открыл фотоэлектрический эффект. Попытки создать на основании этого явления действующую солнечную ячейку увенчались успехом лишь полвека спустя, в лаборатории выдающегося русского учёного Александра Столетова. Полностью описать механизм фотоэлектрического эффекта удалось ещё позже - человечество обязано этим Альберту Энштейну. К слову, именно за эту работу он получил Нобелевскую премию.

Баккарель, Столетов и Энштейн - вот те учёные, которые заложили фундамент современной солнечной энергетики

О создании первого солнечного фотоэлемента на основе кристаллического кремния возвестили мир сотрудники компании Bell Laboratories в далёком апреле 1954 года. Эта дата, по сути, и является отправной точкой технологии, которая в скором времени сможет стать полноценной заменой углеводородному топливу.

Поскольку ток одной фотоэлектрической ячейки составляет миллиамперы, то для получения электроэнергии достаточной мощности их приходится соединять в модульные конструкции. Защищённые от внешнего воздействия массивы солнечных фотоэлементов и являются солнечной батареей (из-за плоской формы устройство нередко называют солнечной панелью).

Преобразование солнечного излучения в электричество имеет огромные перспективы, ведь на каждый квадратный метр земной поверхности приходится в среднем 4.2 кВт/час энергии в день, а это экономия практически одного барреля нефти в год. Изначально используемая лишь для космической отрасли технология уже в 80-х годах прошлого века стала настолько обыденной, что фотоэлементы стали использовать в бытовых целях - в качестве источника питания калькуляторов, фотоаппаратов, светильников и т. д. Параллельно создавались и «серьёзные» гелиоэлектрические установки. Закреплённые на крышах домов, они позволяли полностью отказаться от проводного электричества. Сегодня можно наблюдать рождение электростанций, представляющих собой многокилометровые поля из кремниевых панелей. Вырабатываемая ими мощность позволяет питать целые города, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что будущее - за солнечной энергетикой.

Современные солнечные электростанции представляют собой многокилометровые поля фотоэлементов, способные снабжать электричеством десятки тысяч домов

Солнечная батарея: как это работает

После того как Энштейн описал фотоэлектрический эффект, миру открылась вся простота такого, казалось бы, сложного физического явления. В его основе лежит вещество, отдельные атомы которого находятся в неустойчивом состоянии. При «бомбардировке» фотонами света из их орбит выбиваются электроны - вот они-то и являются источниками тока.

Практически полвека фотоэффект не имел практического применения по одной простой причине - отсутствовала технология получения материалов с неустойчивой атомной структурой. Перспективы дальнейших исследований появились лишь с открытием полупроводников. Атомы этих материалов имеют либо избыток электронов (n-проводимость), или же испытывают в них нехватку (p-проводимость). При использовании двухслойной структуры со слоем n-типа (катод) и p-типа (анод), «обстрел» фотонами света выбивает электроны из атомов n-слоя. Покидая свои места, они устремляются на свободные орбиты атомов p-слоя и далее через подключённую нагрузку возвращаются на исходные позиции. Наверное, каждый из вас знает, что движение электронов в замкнутом контуре представляет собой электрический ток. Вот только заставить электроны перемещаться удаётся не благодаря магнитному полю, как в электрических генераторах, а за счёт потока частиц солнечного излучения.

Солнечная панель работает благодаря фотоэлектрическому эффекту, который был открыт ещё в начале XIX века

Поскольку мощность одного фотоэлектрического модуля недостаточна для питания электронных устройств, то для получения требуемого напряжения используется последовательное подключение множества ячеек. Что же касается силы тока, то её наращивают параллельным соединением определённого количества таких сборок.

Генерация электричества в полупроводниках напрямую зависит от количества солнечной энергии, поэтому фотоэлементы не только устанавливают под открытым небом, но и стараются сориентировать их поверхность перпендикулярно падающим лучам. А чтобы защитить ячейки от механических повреждений и атмосферного воздействия, их монтируют на жёстком основании и сверху защищают стеклом.

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы - эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами

В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин - они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических - не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок - следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов

Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью - их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях - высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.

Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:

• на основе теллурида кадмия;
• из тонких полимеров;
• с использованием индия и селенида меди.

О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.

Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти

Изготовленные кустарным способом солнечные панели всегда будут находиться на шаг позади своих заводских собратьев, и на то есть несколько причин. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая ячейки с нестабильными или сниженными параметрами. Во-вторых, при изготовлении гелиоэлектрических батарей используется специальное стекло с повышенным светопропусканием и сниженной отражающей способностью - найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступать к серийному выпуску, все параметры промышленных образцов обкатывают с использованием математических моделей. В итоге минимизируется влияние нагрева ячеек на КПД батареи, улучшается система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединяющих шин, исследуются пути снижения скорости деградации фотоэлементов и т. д. Решать подобные задачи, не имея оборудованной лаборатории и соответствующей квалификации, невозможно.

Низкая стоимость самодельных солнечных батарей позволяет построить установку, позволяющую полностью отказаться от услуг энергокомпаний

Тем не менее сделанные своими руками солнечные батареи показывают неплохие результаты производительности и не так уж и сильно отстают от промышленных аналогов. Что же касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при одинаковых затратах самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.

Учитывая всё вышесказанное, вырисовывается картина того, какие фотоэлементы подходят под наши условия. Плёночные отпадают по причине отсутствия в продаже, а аморфные - из-за короткого срока службы и низкого КПД. Остаются ячейки из кристаллического кремния. Надо сказать, что в первом самодельном устройстве лучше использовать более дешёвые «поликристаллы». И только обкатав технологию и «набив руку», следует переходить на монокристаллические ячейки.

Для обкатки технологий подойдут дешёвые некондиционные фотоэлементы - как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках

Что касается вопроса, где взять недорогие солнечные элементы, то их можно найти на зарубежных торговых площадках типа Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. Там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов различных размеров и производительности, так и готовыми наборами для сборки солнечных панелей любой мощности.

Продавцы нередко предлагают фотоэлементы так называемого класса «B», которые представляют собой повреждённые солнечные батареи моно- или поликристаллического типа. Небольшие сколы, трещины или отсутствие уголков практически не сказывается на производительности ячеек, зато позволяет приобрести их по гораздо меньшей стоимости. Именно по этой причине их выгоднее всего использовать в самодельных гелиоэнергетических устройствах.

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

Редко у какого домашнего мастера не найдётся заветной коробочки со старыми радиодеталями. А ведь диоды и транзисторы от старых приёмников и телевизоров являются всё теми же полупроводниками с p-n-переходами, которые при освещении солнечным светом вырабатывают ток. Воспользовавшись этими их свойствами и соединив несколько полупроводниковых приборов, можно сделать самую настоящую солнечную батарею.

Для изготовления маломощной солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов

Внимательный читатель сразу же спросит, в чём подвох. Зачем платить за фабричные моно- или поликристаллические ячейки, если можно использовать то, что лежит буквально под ногами. Как всегда, дьявол скрывается в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют получить на ярком солнце напряжение не более 0.2 В при силе тока, измеряемой микроамперами. Для того чтобы достичь параметров, которые выдаёт плоский кремниевый фотоэлемент, понадобится несколько десятков, а то и сотен полупроводников. Сделанная из старых радиодеталей батарея сгодится разве что для зарядки кемпингового светодиодного фонаря или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более масштабных проектов, без покупных солнечных ячеек не обойтись.

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

Задумываясь о строительстве собственной солнечной электростанции, каждый мечтает о том, чтобы полностью отказаться от проводного электричества. Для того чтобы проанализировать реальность этой затеи, сделаем небольшие расчёты.

Узнать суточное потребление электроэнергии несложно. Для этого достаточно заглянуть в присланный энергосбывающей организацией счёт и разделить количество указанных там киловатт на число дней в месяце. К примеру, если вам предлагают оплатить 330 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

В расчётах следует обязательно учитывать тот факт, что солнечная панель будет вырабатывать электричество только в светлое время суток, причём до 70% генерации осуществляется в период с 9 до 16 часов. Кроме того, эффективность работы устройства напрямую зависит от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.

Небольшая облачность или дымка снизят эффективность токоотдачи гелиоустановки в 2–3 раза, тогда как затянутое сплошными облаками небо спровоцирует падение производительности в 15–20 раз. В идеальных условиях для генерации 11 кВт×час энергии было бы достаточно солнечной батареи мощностью 11/7 = 1.6 кВт. Учитывая влияние природных факторов, этот параметр следует увеличить примерно на 40–50%.

Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6×0.7) =2.7 кВт.

Использование сборок из высокотоковых литиевых аккумуляторов является одним из наиболее изящных, но отнюдь не самым дешёвым способом хранения солнечной электроэнергии

Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.

Как видите, даже для того, чтобы обеспечить электричеством бытовые потребности средней семьи, понадобится серьёзная гелиоэлектрическая установка. Что касается использования самодельных солнечных батарей для отопления, то на данном этапе такая затея не выйдет даже на границы самоокупаемости, не говоря уж о том, чтобы можно было что-то сэкономить.

Расчёт размера батареи

Размер батареи зависит от требуемой мощности и габаритов источников тока. При выборе последних вы обязательно обратите внимание на предлагаемое разнообразие фотоэлементов. Для использования в самодельных устройствах удобнее всего выбирать солнечные ячейки среднего размера. Например, рассчитанные на выходное напряжение 0.5 В и силу тока до 3 А поликристаллические панели размером 3×6 дюймов.

При изготовлении солнечной батареи они будут последовательно соединяться в блоки по 30 шт, что позволит получить требуемое для зарядки автомобильной батареи напряжение 13–14 В (учитывая потери). Максимальная мощность одного такого блока составляет 15 В × 3 А = 45 Вт. Исходя из этого значения, будет нетрудно подсчитать, сколько элементов понадобится для постройки солнечной панели заданной мощности и определить её размеры. Например, для постройки 180-ваттного солнечного электрического коллектора понадобится 120 фотоэлементов общей площадью 2160 кв. дюймов (1.4 кв.м).

Постройка самодельной солнечной батареи

Прежде чем приступать к изготовлению солнечной панели, следует решить задачи по её размещению, рассчитать габариты и подготовить необходимые материалы и инструмент.

Правильный выбор места установки - это важно

Поскольку солнечная панель будет изготавливаться своими руками, соотношение её сторон может быть любым. Это очень удобно, поскольку самодельное устройство можно более удачно вписать в экстерьер кровли или дизайн загородного участка. По этой же причине выбирать место для монтажа батареи следует ещё до начала проектировочных мероприятий, не забывая учитывать несколько факторов:

• открытость места для солнечных лучей в течение светового дня;
• отсутствие затеняющих построек и высоких деревьев;
• минимальное расстояние до помещения, в котором установлены аккумулирующие мощности и преобразователи.

Конечно, установленная на крыше батарея выглядит более органично, однако размещение устройства на земле имеет больше преимуществ. В этом случае исключается возможность повреждения кровельных материалов при установке поддерживающего каркаса, снижается трудоёмкость монтажа устройства и появляется возможность своевременного изменения «угла атаки солнечных лучей». И что самое главное - при нижнем размещении будет намного проще поддерживать чистоту поверхности солнечной панели. А это является залогом того, что установка будет работать в полную силу.

Монтаж солнечной панели на крыше вызвана скорее нехваткой места, чем необходимостью или удобством эксплуатации

Что понадобится в процессе работы

Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:

• фотоэлементами;
• многожильным медным проводом или специальными шинами для соединения солнечных ячеек;
• припоем;
• диодами Шоттки, рассчитанными на токоотдачу одного фотоэлемента;
• качественным антибликовым стеклом или плексигласом;
• рейками и фанерой для изготовления каркаса;
• силиконовым герметиком;
• метизами;
• краской и защитным составом для обработки деревянных поверхностей.

В работе понадобится самый простой инструмент, который всегда есть под рукой у домовитого хозяина - паяльник, стеклорез, пила, отвёртка, малярная кисть и др.

Инструкция по изготовлению

Для изготовления первой солнечной батареи лучше всего использовать фотоэлементы с уже припаянными выводами - в этом случае уменьшается риск повреждения ячеек при сборке. Тем не менее, если вы имеете навыки обращения с паяльником, то сможете немного сэкономить, купив солнечные элементы с нераспаянными контактами. Для постройки панели, которую мы рассматривали в приведённых выше примерах, понадобится 120 пластин. Используя соотношение сторон примерно 1:1, потребуется укладка 15 рядов фотоэлементов по 8 штук в каждом. При этом мы сможем каждые два «столбика» соединить последовательно, а четыре таких блока подключить параллельно. Таким образом можно избежать путаницы в проводах и получить ровный, красивый монтаж.

Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции

Корпус

Сборку солнечной панели всегда следует начинать с изготовления корпуса. Для этого нам понадобятся алюминиевые уголки или деревянные рейки высотой не более 25 мм - в этом случае они не будут бросать тень на крайние ряды фотоэлементов. Исходя из размеров наших кремниевых ячеек размером 3х6 дюймов (7.62х15.24 см), размер рамы должен составлять не менее 125х 125 см. Если вы решите использовать другое соотношение сторон (например, 1:2), то каркас можно дополнительно усилить поперечиной из рейки такого же сечения.

Обратную сторону корпуса следует зашить панелью из фанеры или OSB, а в нижнем торце рамы просверлить вентиляционные отверстия. Соединение внутренней полости панели с атмосферой понадобится для выравнивания влажности - в противном случае не избежать запотевания стёкол.

Для изготовления корпуса солнечной панели подойдут самые простые материалы - деревянные рейки и фанера

По внешнему размеру каркаса вырезают панель из плексигласа или высококачественного стекла высокой степени прозрачности. В крайнем случае можно использовать оконное стекло толщиной до 4 мм. Для его крепления подготавливают уголковые кронштейны, в которых выполняют сверления для крепления к раме. При использовании оргстекла можно проделать отверстия непосредственно в прозрачной панели - это упростит сборку.

Чтобы защитить деревянный корпус солнечной батареи от влаги и грибка, его пропитывают антибактериальным составом и окрашивают масляной краской.

Для удобства сборки электрической части, из ДВП или другого диэлектрического материала вырезают подложку по внутреннему размеру рамы. В дальнейшем на ней будет выполняться монтаж фотоэлементов.

Пайка пластин

Перед тем как начать пайку, следует «прикинуть» укладку фотоэлементов. В нашем случае понадобится 4 массива ячеек по 30 пластин в каждом, причём располагаться в корпусе они будут пятнадцатью рядами. С такой длинной цепочкой будет неудобно работать, к тому же возрастает риск повреждения хрупких стеклянных пластин. Рационально будет соединять по 5 деталей, а окончательную сборку выполнять после того, как фотоэлементы будут смонтированы на подложке.

Для удобства, фотоэлементы можно смонтировать на непроводящей подложкке из текстолита, оргстекла или ДВП

После соединения каждой цепочки, следует проверить её работоспособность. Для этого каждую сборку помещают под настольную лампу. Записывая значения силы тока и напряжения, можно не только контролировать работоспособность модулей, но и сравнивать их параметры.

Для пайки используем маломощный паяльник (максимум 40 Вт) и хороший, легкоплавкий припой. Его в небольшом количестве наносим на выводные части пластин, после чего, соблюдая полярность подключения, соединяем детали друг с другом.

При пайке фотоэлементов следует проявлять максимальную аккуратность, поскольку эти детали отличаются повышенной хрупкостью

Собрав отдельные цепочки, разворачиваем их тыльной частью к подложке и при помощи силиконового герметика приклеиваем к поверхности. Каждый 15-вольтовый блок фотоэлементов снабжаем диодом Шоттки. Этот прибор позволяет току протекать только в одном направлении, поэтому не позволит аккумуляторам разряжаться при низком напряжении солнечной панели.

Окончательное соединение отдельных цепочек фотоэлементов выполняют согласно представленной выше электрической схеме. В этих целях можно использовать специальную шину или многожильный медный провод.

Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами

Сборка панели

Подложки с расположенными на них фотоэлементами укладывают в корпус и крепят саморезами. Если рама усиливалась поперечиной, то в ней выполняют несколько сверлений под монтажные провода. Кабель, который выводят наружу, надёжно фиксируют на раме и припаивают к выводам сборки. Чтобы не путаться с полярностью, лучше всего использовать двухцветные провода, подключая красный вывод к «плюсу» батареи, а синий - к её «минусу». По верхнему контуру рамы наносят сплошной слой силиконового герметика, поверх которого укладывают стекло. После окончательной фиксации сборку солнечной батареи считают законченной.

После того, как на герметик будет установлено защитное стекло, панель можно транспортировать к месту установки

Установка и подключение солнечной батареи к потребителям

В силу ряда причин самодельная солнечная панель является достаточно хрупким устройством, поэтому требует обустройства надёжного поддерживающего каркаса. Идеальным вариантом будет конструкция, которая позволит ориентировать источник бесплатной электроэнергии в обеих плоскостях, однако сложность такой системы чаще всего является весомым доводом в пользу простой наклонной системы. Она представляет собой подвижную раму, которую можно выставить под любым углом к светилу. Один из вариантов каркаса, сбитого из деревянного бруса, представлен ниже. Вы же можете использовать для его изготовления металлические уголки, трубы, шины и т. д. – всё, что есть под руками.

Чертёж каркаса солнечной батареи

Чтобы подключить солнечную батарею к аккумуляторам, понадобится контроллер заряда. Этот прибор будет следить за степенью заряда и разряда батарей, контролировать токоотдачу и выполнять переключение на сетевое питание при значительной просадке напряжения. Прибор необходимой мощности и требуемого функционала можно купить в тех же торговых точках, где продаются фотоэлементы. Что касается питания бытовых потребителей, то для этого потребуется трансформировать низковольтное напряжение в 220 В. С этим успешно справляется другое устройство - инвертор. Надо сказать, что отечественная промышленность выпускает надёжные приборы с хорошими ТТХ, поэтому преобразователь можно купить на месте - бонусом в этом случае будет «настоящая» гарантия.

Одной солнечной батареи для полноценного электроснабжения дома будет недостаточно - понадобятся еще и аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор

В продаже можно найти инверторы одной и той же мощности, отличающиеся по цене в разы. Подобный разброс объясняется «чистотой» выходного напряжения, что является необходимым условием питания отдельных электрических устройств. Преобразователи с так называемой чистой синусоидой имеют усложнённую конструкцию, и как следствие, более высокую стоимость.

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

Постройка домашней солнечной электростанции является нетривиальной задачей и требует как финансовых и временных затрат, так и минимальных знаний основ электротехники. Приступая к сборке солнечной панели, следует соблюдать максимальное внимание и аккуратность - только в этом случае можно рассчитывать на удачное решение вопроса. Напоследок хотелось бы напомнить о том, что загрязнение стекла является одним из факторов падения производительности. Не забывайте своевременно чистить поверхность солнечной панели, иначе она не сможет работать на полную мощность.