Пластины из поликристаллического кремния имеют привлекательные цены. Недостатком является то, что они не очень эффективны, жесткие и требуют твердого основания для установки.
Как сделать солнечную батарею своими руками: инструктаж по самостоятельной сборке
Солнечные панели — это источник энергии, который можно использовать для выработки электричества или тепла для дома с плоской крышей. Единственное, что солнечные батареи стоят дорого и недоступны для большинства людей в нашей стране. Согласны ли вы с этим?
Другое дело, когда солнечная панель сделана своими руками — стоимость значительно снижается, а работает такая конструкция не хуже, чем промышленно изготовленная панель. Так что если вы всерьез задумались о покупке альтернативного источника энергии, попробуйте сделать его своими руками — это не очень сложно.
В этой статье мы расскажем о том, как построить солнечные модули. Мы объясним, какие материалы и инструменты необходимы. А чуть ниже вы найдете пошаговую инструкцию с фотографиями, наглядно демонстрирующую рабочий процесс.
- Коротко об устройстве и работе
- Материалы для создания солнечной пластины
- Кремниевые пластины или фотоэлементы
- Каркас и прозрачный элемент
- Шаг #1 — пайка контактов кремниевых пластин
- Шаг #2 — изготовление каркаса для солнечной батареи
- Шаг #3 — монтаж кремниевых пластин-фотоэлементов
- Шаг #4 — тестирование батареи перед герметизацией
- Шаг #5 — герметизация уложенных в корпус фотоэлементов
Коротко об устройстве и работе
Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую энергию, если энергоносителем является теплоноситель, или в электричество, которое накапливается в батареях. Аккумулятор — это генератор, работающий по принципу фотоэлектрического эффекта.
Преобразование солнечной энергии в электричество происходит, когда солнечные лучи попадают на пластины фотоэлектрических элементов, составляющих основную часть батареи.
Во время этого процесса кванты света «освобождают» свои электроны с внешних орбит. Эти свободные электроны генерируют электрический ток, который проходит через блок управления и накапливается в аккумуляторе, откуда проводится к потребителям энергии.
Батарея, показанная в примере, была собрана из 36 пластин размером 80×150 мм. Мощность каждой пластины составляет 2,1 Вт, что дает общую мощность 76 Вт.
На лицевой стороне солнечной батареи, подлежащей изготовлению, прикрепляется ряд проводников, сформированных путем сварки
На обратной стороне отрицательные проводники сформированы в шесть контактов путем сварки
Пластины соединены по фиксированной схеме. На выходе положительного проводника установлен диод Шоттки для предотвращения разрядки батареи в пасмурную погоду.
Создание минусовых линий переноса со спины
Фотоэлементы изготовлены из кремния. Кремниевая пластина покрыта с одной стороны очень тонким слоем фосфора или бора, пассивного химического элемента.
В этот момент солнечные лучи высвобождают большое количество электронов, которые удерживаются люминофорным слоем и не могут вырваться наружу.
На поверхности пластины имеются металлические «дорожки», на которых свободные электроны выстраиваются в ряд и образуют упорядоченное движение, т.е. электрический ток.
Чем больше таких кремниевых пластин являются фотоэлементами, тем больший ток можно генерировать. Подробнее о том, как работает солнечный элемент, читайте ниже.
Верхний слой солнечных панелей покрыт слоем, который предотвращает отражение солнечного света от панелей, тем самым повышая их эффективность.
Материалы для создания солнечной пластины
Для создания солнечной батареи необходимы следующие материалы:
- силикатные пластины-фотоэлементы;
- листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
- жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
- прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
- шурупы, саморезы;
- силиконовой герметик для наружных работ;
- электрические провода, диоды, клеммы.
Количество необходимых материалов зависит от размера вашей батареи, который в большинстве случаев ограничен количеством доступных солнечных элементов. Необходимые инструменты включают отвертку или набор отверток, пилу по металлу и дереву и паяльник. Чтобы проверить готовую батарею, вам понадобится амперметр.
Давайте теперь подробнее рассмотрим самые важные материалы.
Кремниевые пластины или фотоэлементы
Фотоэлементы для батарей бывают трех видов:
- поликристаллические;
- монокристаллические;
- аморфные.
Поликристаллические пластины характеризуются низкой эффективностью. Выход составляет около 10-12 %, но не уменьшается с течением времени. Срок службы поликристаллических панелей составляет 10 лет.
Солнечный модуль состоит из модулей, которые, в свою очередь, состоят из фотоэлектрических инверторов. Батареи с жесткими кремниевыми элементами представляют собой своего рода сэндвич с последовательными слоями, прикрепленными к алюминиевому профилю.
Монокристаллические элементы имеют более высокий КПД — 13-25 % и длительный срок службы — более 25 лет. Однако со временем эффективность монокристаллических преобразователей снижается.
Монокристаллические преобразователи изготавливаются путем распиливания искусственно выращенных кристаллов, что объясняет более высокую светопроводимость и эффективность.
Пленочные фотопреобразователи изготавливаются путем нанесения тонкого слоя аморфного кремния на гибкую полимерную поверхность
Гибкие батареи из аморфного кремния являются самыми передовыми. Они имеют фотоэлектрический преобразователь, который либо напыляется, либо наплавляется на полимерную основу. Эффективность находится в диапазоне 5-6%, но мембранные системы чрезвычайно просты в установке.
Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились относительно недавно. Они чрезвычайно просты и максимально дешевы, но теряют эффективность быстрее, чем их конкуренты.
Не имеет смысла использовать световые барьеры разных размеров. В этом случае максимальный ток, вырабатываемый батареями, ограничен током меньшего размера элемента. Это означает, что большие панели не будут работать на полную мощность.
При покупке фотоэлементов спросите продавца о способе доставки. Большинство продавцов используют восковой метод, чтобы предотвратить разрушение хрупких клеток.
Наиболее распространенными солнечными элементами, используемыми для батарей DIY, являются монокристаллические и поликристаллические элементы размером 3×6 дюймов, которые можно приобрести в интернет-магазинах, таких как E-bay.
Подготовка инструментов и выбор материалов
Помимо инверторов, для сборки полной солнечной панели вам понадобятся следующие материалы:
- Припой – для солнечной батареи необходимы легкоплавкие оловянные сплавы.
- Соединительные провода – подбираются однопроволочные медные марки. Для соединения монокристаллических и поликристаллических пластин применяются голые проводники, а для отвода электроэнергии изолированные.
- Рамка – создает основной каркас, в котором располагается вся солнечная батарея. Состоит из основания – ДСП, USB, фанеры и прочих, металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для их соединения.
- Стекло или полимерная пластина – создают защитный слой поверх монокристаллических пластин, также, в сочетании с рамой, служат для скрытия элементов от воздействия атмосферных осадков и механических воздействий.
- Герметик – наилучшим материалом для герметизации является эпоксидный компаунд, но это достаточно дорогостоящее удовольствие, поэтому его можно заменить силиконовым герметиком.
- Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления электрической энергии в светлое время суток с целью дальнейшего использования. Экономить при выборе батареи не стоит, так как качественная модель прослужит гораздо дольше.
- Инвертор – используется для преобразования постоянного напряжения в переменное. Преобразователь напряжения необходим для подключения к солнечной батареи любых бытовых приборов.
Что касается инструментов, то вам понадобятся ножовка, дрель, отвертка или обычная отвертка для вкручивания винтов, мультиметр или амперметр для определения эффективности солнечного модуля, а также паяльник.
Составление проекта
Определите наиболее подходящее место для установки солнечного модуля во время подготовки проекта. Определите, какая сторона участка имеет наибольшее количество солнечного света и не затенена деревьями или другими зданиями. Место установки может находиться на земле, на скатах крыши, стенах или отдельно стоящих конструкциях. Например, если вы хотите установить солнечную батарею на крыше, вы должны убедиться, что конструкция может выдержать вес.
Поскольку максимальная эффективность моно- и поликристаллических ячеек гарантируется только тогда, когда они расположены перпендикулярно солнечным лучам, рекомендуется построить для них регулируемую конструкцию. Таким образом, угол наклона солнечной батареи можно менять в зависимости от времени года или даже времени суток. Это связано с тем, что положение источника света сильно меняется в разные сезоны и время суток (рис. 1).
Также следует учитывать, что постоянно установленная батарея, вырабатывающая, например, 7 кВт/ч в идеальных условиях, будет вырабатывать только 3 кВт/ч утром и 3 кВт/ч вечером. Поэтому, если батарея установлена в одном месте, она будет вырабатывать номинальную мощность только в течение нескольких месяцев в году. Если вы выбрали стационарную установку, панели следует устанавливать под углом 50-60º. Для регулируемых панелей есть два предела — 70º зимой и 30º летом, а в это время они наклонены так, как если бы были зафиксированы.
Чтобы определить количество панелей, необходимо рассчитать, сколько тока или мощности вырабатывает одна панель или 1 м 2. Как правило, 1 м2 выделяет около 125 Вт. Таким образом, чтобы получить около 2,5 кВт для бытового использования, необходимо установить 20 м2 панелей.
Порядок изготовления солнечной батареи
Элементы из поли- или монокристаллического кремния должны быть объединены в единую панель. Это делается путем припаивания контактов к проводникам. Процесс сварки происходит следующим образом:
- Оголенные проводники нарежьте одинаковыми отрезками под лекало, такой длины, чтобы она в два раза превышала размер элемента солнечной батареи.
- Выложите модули на ровную поверхность (секло, лист фанеры, стол и т.д.).
- Очистите электрические контакты и полудите оловом, накладывать большое количество припоя сюда не нужно, достаточно слегка покрыть контакт.
- Припаяйте заранее полуженные проводники к контактам, обратите внимание, что сильно придавливать пластины нельзя, так как они очень хрупкие.
- Замерьте ток от одного элемента с проводниками, это поможет подсчитать суммарную величину для всей батареи.
Если купленные вами солнечные элементы уже оснащены соединительными проводами, вы можете пропустить этот шаг и приступить непосредственно к сборке панели.
Изготовление рамки
Каркас солнечной панели представляет собой коробку с низкими бортами, покрытую прозрачным стеклом. Для изготовления рамы:
- Возьмите прямоугольный лист фанеры или ДСП такого размера, чтобы на нем могло располагаться нужное количество элементов. Просверлите в нем небольшие отверстия на расстоянии 10 см друг от друга для вентиляции.
- Приклейте по краю листа деревянные планки высотой не более 2 см, чтобы они не отбрасывали тень на солнечные приемники. Дополнительно прикрутите планки небольшими шурупами.
- Вырежьте крышку из стекла или прозрачного полимера. Ее размеры должны соответствовать нижнему листу или быть меньше, в зависимости от того, поддается она сверлению или нет. Если крышку можно прикрутит шурупом, то размер может быть идентичен, если стекло может лопнуть при попытке сверления, сделайте его меньше на 0,5 – 1 см.
- Изготовьте из алюминиевого уголка прижимной каркас для верхней прозрачной крышки солнечной батареи, но пока ничего не прижимайте.
Постарайтесь выбрать небликующий материал для прозрачного покрытия, иначе часть солнечной энергии будет отражаться, что значительно снизит эффективность. После изготовления рамы установите солнечный модуль.
Изготовление модулей
Этот этап требует особой осторожности и внимания, поскольку вы настраиваете схему солнечного модуля. Если вы прожжете или расколете, вы можете повредить не только конкретный компонент, но и весь блок, который затем, возможно, придется восстанавливать.
Расчет и проектирование
Чтобы определить, какую солнечную батарею установить в доме, вам обязательно понадобится список всех электроприборов и оборудования в доме. Вы должны сразу же выяснить энергопотребление каждого прибора.
Данные о мощности можно найти на этикетке или в техническом паспорте устройства. Поскольку эти значения, вероятно, являются приблизительными, необходимо сделать поправку для панели, работающей с инвертором, т.е. среднее потребление энергии умножить на поправочный коэффициент. Полученная таким образом полная мощность умножается на 1,2 для учета рабочих потерь инвертора. Мощные устройства при включении потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный. По этой причине инвертор также должен быть способен вырабатывать в два или три раза большую мощность в течение короткого времени.
Если имеется много мощных нагрузок, но они практически никогда не включаются одновременно, инвертор с большим выходным током будет слишком дорогим для системы. Если нет значительных нагрузок, рекомендуется использовать менее мощные и недорогие устройства.
Солнечная тепловая система дома основана на времени работы каждого блока в течение дня. Эмпирическое значение умножается на мощность, чтобы получить суточное потребление энергии, измеряемое в киловатт-часах.
Необходима информация с местной метеостанции о количестве солнечной энергии, которое реально может быть получено в данном районе. Этот показатель рассчитывается на основе среднегодовой солнечной радиации и среднемесячного значения наихудших погодных условий. Используя последний показатель, вы можете определить минимальное количество электроэнергии, достаточное для удовлетворения ваших текущих потребностей.
После получения исходных данных можно определить мощность одного солнечного элемента. Во-первых, значение солнечной радиации необходимо разделить на 1000, в результате чего получаются так называемые пиковые часы. В это время интенсивность солнечного излучения составляет 1000 Вт/м2 .
Формула для расчета
Количество энергии W, вырабатываемой устройством, определяется по следующей формуле. Поправочный коэффициент учитывает потерю мощности фотоэлектрических элементов при нагревании их солнечными лучами, а также изменение наклона лучей по отношению к поверхности в течение дня. Зимой камеры нагреваются меньше, поэтому коэффициент выше.
Используя общую потребляемую мощность и данные, полученные из формулы, рассчитывается общая мощность фотоэлектрических элементов. Полученный результат делится на мощность 1 ячейки, и конечный результат является необходимым количеством модулей.
Существуют различные модели с мощностью ячеек от 50 Вт до 150 Вт и более. Выбирая компоненты с необходимыми значениями, можно собрать солнечный модуль с определенной мощностью. Например, если требуемая мощность составляет 90 Вт, необходимо два блока по 50 Вт каждый. С помощью этой системы можно создать любую комбинацию доступных фотоэлектрических элементов. Во всех случаях расчеты следует проводить с определенной осторожностью.
Количество фотоэлектрических элементов влияет на выбор емкости батареи, так как они генерируют зарядный ток. Если мощность панели составляет 100 Вт, емкость батареи должна быть не менее 60 А*ч. По мере увеличения мощности панелей требуются более мощные батареи.
Выбор места установки
Производительность солнечных панелей во многом зависит от места их установки. Поэтому, прежде чем строить солнечную батарею своими руками, нужно заранее определить, где она будет установлена.
В то же время необходимо учитывать следующие факторы:
- Степень затененности. Если вокруг панели находятся здания, заросли деревьев и прочие габаритные предметы, создающие тень, она не сможет нормально функционировать и вырабатывать достаточное количество электроэнергии. Кроме того, панель может очень быстро прийти в негодность, не оправдав расходы на ее изготовление.
- Ориентирование панелей относительно солнца. Световой поток, создаваемый солнечными лучами, должен максимально захватывать поверхность фотоэлементов. Жители северного полушария направляют панель главной стороной на юг, а в южном полушарии ориентация выполняется строго на север.
- Угол наклона. Также выбирается в зависимости от положения и местных координат и устанавливается в соответствии с широтой. Для расчетов угла установки панели в интернете существуют онлайн-калькуляторы, выдающие наиболее подходящий градус.
- Наличие свободного доступа для чистки, ремонта и обслуживания. В процессе эксплуатации лицевая поверхность панели постепенно покрывается пылью, грязью, а зимой – снегом. В результате, ее эффективность заметно снижается. В некоторых случаях требуется полная замена солнечных батарей. Поскольку очистка будет выполняться самостоятельно, батарею желательно устанавливать в удобном и доступном для себя месте.
Какие инструменты понадобятся?
Для самостоятельной установки солнечного модуля на 220 вольт необходимы следующие инструменты:
- паяльники, электрифицированные на 40 Вт;
- герметики на базе силикона;
- скотч, приклеиваемый с двух сторон;
- канифоль;
- припой;
- провод, по которому будет уходить ток;
- флюс;
- шина из меди;
- крепежные элементы;
- дрель;
- прозрачный материал листовой;
- фанера, органическое стекло либо текстолит;
- диоды конструкции Шоттки.
Как изготовить?
Пошаговые инструкции предусматривают прокладку проводов от панелей к батареям через защитный канал, предотвращающий саморазряд. Следовательно, на кабели подается ток 14,3 В. Типичный ток зарядки составляет 3,6 А. Это достигается при использовании 90 клеток. Части панели соединены параллельно-последовательно.
Не следует использовать неравное количество ячеек в цепочках.
С поправочными коэффициентами за 12 часов солнечной радиации можно получить 0,28 кВт/ч. Ячейки расположены в 6 рядов и требуют рамы 90×50 см для относительно свободной установки. Если вы подготовили раму с другими размерами, лучше пересчитать потребность в элементах. Если это невозможно, можно использовать куски разных размеров и устанавливать их, варьируя длину и ширину ряда.
Рекомендуется работать на абсолютно плоской детали, легко доступной с каждой стороны. Рекомендуется положить подготовленные плиты немного на одну сторону, чтобы защитить их от падений и ударов. Поднимать тарелки также нелегко, их нужно поднимать по одной и очень аккуратно. При установке электрических солнечных панелей дома или на даче крайне важно установить надежное УЗО. Эти устройства делают систему более безопасной в использовании и снижают риск поражения электрическим током и возгорания.
Большинство экспертов рекомендуют соединять свариваемые элементы в единую цепь. Подложка должна быть плоской, так как это обеспечивает надежность. В качестве альтернативы в раму можно вставить панель из стекла или оргстекла и полностью укрепить ее. Этот продукт должен быть запечатан. Элементы размещаются на подложке в определенном порядке и фиксируются двусторонней клейкой лентой.
Рабочая сторона должна быть обращена к прозрачному материалу, а клейкая проволока должна быть обернута вокруг другой стороны. Сварка проводов проще всего, когда рама расположена так, что рабочая плоскость находится на столе.
После склеивания панелей наносится обивка, для которой используются следующие материалы:
- резину в листах;
- древесноволокнистые плиты;
- картонки.
Теперь заднюю панель можно вставить в раму и загерметизировать. Теперь можно вставить заднюю панель и поместить ее обратно в заднюю панель; теперь заднюю панель можно заменить составом, включая эпоксидную смолу. Однако такой шаг следует предпринимать только в том случае, если панель не нуждается в демонтаже и ремонте. Типичная деталь обеспечивает ток около 50 Вт при благоприятных условиях. Этого уже достаточно для питания светодиодных ламп в небольших домах.
Для комфортной жизни вам необходимо использовать 4 кВт/ч электроэнергии в день. Семье из трех человек требуется 12 кВт/ч электроэнергии в день. Если учесть неизбежные доплаты (например, при одновременной работе стандартного электроприбора и перфоратора), то эту сумму придется увеличить еще на 2-3 кВтч. Эти параметры могут быть использованы в качестве основы для расчета необходимых параметров. Для правильной работы в цепь должно быть вставлено устройство для контроля процесса зарядки.
Рекомендации по эксплуатации
Солнечная батарея может иметь очень долгий и стабильный срок службы и поставлять энергию в бытовую сеть. Однако многое зависит не только от качества монтажа и последующего подключения. Очень важно, чтобы такой чувствительный генератор работал правильно. Рекомендуется, чтобы батареи, если они не оборудованы системой, зависящей от положения солнца, были ориентированы четко на юг, чтобы захватить максимально возможную энергию и уменьшить непроизводительные потери. Чтобы устранить ошибку, достаточно установить генератор под углом к горизонту, соответствующим числу градусов широты в данном месте. Однако, поскольку солнечный диск меняет свое положение на небе в течение года, рекомендуется уменьшать угол в весенние месяцы и увеличивать его осенью.
Установка системы домашнего мониторинга не имеет смысла. Это оправдывает инвестиции только в промышленных масштабах. Гораздо дешевле разместить одновременно несколько батарей, выровненных в соответствии с наиболее вероятными углами освещения. При установке солнечных генераторов на плоской крыше, например, с помощью картона или листового металла, стоит приподнять их над уровнем. Тогда поток воздуха снизу увеличит эффективность. Это не обязательно для волнистых крыш, но не повредит.
Лучше всего подходят крыши, выходящие на юг и имеющие малый угол наклона. В этом случае фронтон служит для соединения нескольких углов, одинаковых по размеру с модулем. Выступ над коньком составляет около 0,7 м, а модуль крепится к угловым уголкам на расстоянии 150-200 мм. В качестве альтернативы радиатор можно подвесить под скатом крыши с помощью тех же кронштейнов. На холмистом участке угловые кронштейны часто заменяются трубами тщательно подобранного диаметра.
Установку генераторов во фронтоне лучше всего сочетать с покраской этого элемента и выступов в светлые тона.
Солнечные модули должны быть установлены горизонтально, что уменьшает разницу температур снизу и сверху на 50 % по сравнению с вертикальной установкой. Это не только увеличивает срок службы, но и повышает эффективность системы.
Место установки должно обладать следующими характеристиками:
- как можно более освещенным;
- имеющим минимальную тень;
- хорошо продуваемым ветрами.
Недостатки солнечных батарей
Теперь, когда панели стали еще более доступными, не все домовладельцы стремятся приобрести такой альтернативный источник энергии. И на это есть свои причины:
- мощная и эффективная система требует большой площади, которая будет полностью открыта для прямого попадания солнечных лучей;
- чтобы перекрыть все потребности в получаемой солнечной энергии нужно, чтобы гелиосистема была оснащена достаточно большим количеством панелей. Отсюда вытекает другая проблема — для размещения большого количества фотоэлементов нужны и большие площади, открытые для прямого солнечного излучения;
- для нормального функционирования системы необходимо подобрать аккумуляторы, которые будут соответствовать мощностям гелиосистемы;
- так как система совершенно малоэффективна в сумеречное время и абсолютно не работает ночью — необходимо дополнить ее аккумуляторами. Они накапливают энергию днем и отдают вечером или ночью;
- так как аккумулятор для солнечных панелей будет, скорее всего, не один, а несколько, для них нужно отдельное помещение, которое к тому же должно отвечать всем нормам безопасности;
- пока система новая, она будет работать с максимальной отдачей. Но погодные факторы — пыль, снег, дождь неизбежно будут снижать эффективность системы. Значит, все элементы нуждаются в периодической очистке, а для этого к ним должен быть удобный доступ;
- на сегодня самые эффективные системы, которые собраны из пленочных фотоэлементов из тонких полимеров на основе теллурида кадмия. Но применение таких дорогостоящих компонентов в самодельных домашних системах абсолютно не рентабельно.
Утилизация системы
Солнечные системы, смонтированные на заводе, рассчитаны на 45 лет. Их компоненты — контроллер и инвертор — служат около 20 лет. Срок службы батареи также очень ограничен, но точно не более десяти лет.
Поэтому возникает логичный вопрос: что делать с компонентами Солнечной системы, срок годности которых истек?
Ответ очевиден: продавайте их!
Нет сомнений, что в вашем городе и компания будет готова купить эти компоненты.
Они хорошо подходят для повторного использования при создании аналогичных систем. Цена природного кремния очень высока, как и его переработка. Выгоднее покупать просроченные элементы, перерабатывать их и восстанавливать солнечные модули. Это гораздо выгоднее, чем покупать сырье или добывать редкие земли самостоятельно.
Где купить
Солнечные модули можно купить в специализированном магазине или онлайн в интернет-магазине. Во втором случае особое внимание следует уделить выбору бюджета для покупки товаров на сайте Aliexpress. Для некоторых панелей есть возможность доставки со склада в Российской Федерации, вы можете получить их как можно скорее, для этого выберите «Доставка из Российской Федерации» при оформлении заказа:
DIY, как и домашняя солнечная батарея, — это бесцельный проект, который требует минимальных знаний основных принципов электротехники, а также финансовых и временных затрат. Но если есть желание и настойчивость, можно быть уверенным в успехе в этом деле.
В любом случае, использование солнечной радиации сулит огромные перспективы. По статистике, на 1 м 2 поверхности Земли в день приходится 4,2 киловатт-часа солнечной энергии! Это соответствует экономии почти одного барреля сырой нефти в год. Поэтому можно с уверенностью сказать, что будущее за альтернативными источниками энергии.
