Как сделать солнечную батарею: 5 лучших мастер-классов

Установка

Монтировать батарею необходимо по месту максимальной освещенности солнечным светом. Панели могут крепиться на крыше дома, на жестком или поворотном кронштейне.

Лицевая часть солнечной батареи должна быть обращена на юг или юго-запад под углом от 40 до 60 градусов. При монтаже нужно учитывать внешние факторы. Панели не должны загораживаться деревьями и другими предметами, на них не должна попадать грязь.

Несколько рекомендаций, которые помогут сберечь деньги и время при изготовлении солнечных панелей:

1. Лучше покупать фотоэлементы с небольшими дефектами. Они также работоспособны, только имеют не такой красивый внешний вид. Новые элементы очень дороги, сборка солнечной батареи будет экономически не оправдана. Если нет особой спешки, пластины лучше заказать на eBay, это обойдется еще дешевле. С пересылкой и Китая нужно быть осторожнее – большая вероятность получить бракованные детали.
2. Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом, велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
3. Если элементы пока не используются, следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
4. При первой сборке следует изготовить шаблон, на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
5. Паять необходимо маломощным паяльником, и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
6. Для сборки корпуса удобнее применять алюминиевые уголки, деревянная конструкция менее надежная. В качестве листа с тыльной стороны элементов лучше использовать оргстекло или другой подобный материал и надежнее, чем крашеная фанера, и эстетично выглядит.
7. Располагать фотоэлектрические панели следует в местах, где солнечное освещение будет максимальным в течение всего светового дня.

Основной принцип работы

Преобразование солнечного света в электрическую энергию происходит в результате того, что в полупроводнике возникают дополнительные носители дырок или электронов, как явление внутреннего фотоэффекта поглощения солнечного света.

При этом электроны собираются в n- области, а дырки концентрируются в р-области. На границе этих областей появляется сила, которая двигает электроны. Подключив внешнюю нагрузку, освещая при этом солнечным светом р-n переход, приборы зафиксируют ток электронов.

Не рентабельным делом было в прошлом веке развивать массовое производство из-за высокой стоимости исходных материалов. Сегодня, благодаря развитию технологий, специалисты предлагают использовать современные кремниевые фотоэлементы по вполне демократичной цене.

Завершающий этап

Суть устройства

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

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.

Шаг 5: Выбор инвертора

Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.

Виды волн переменного тока на выходе инвертора:

1. Прямоугольная волна – меандр;
2. Модифицированная синусоида;
3. Чистая синусоида.

Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.

Мы рекомендуем выбирать инверторы с чистой синусоидой.

Параметры инвертора:

• Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
• Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
• Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
• Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.

Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах

Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора). 

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.

Разновидности

Если вы решили купить внешнее зарядное устройство на солнечных батареях, для начала стоит определиться, где вы планируете его применять.

Это может быть:

1. Зарядка мобильных телефонов, смартфонов и других карманных устройств. Для подзарядки телефона в случае форс-мажора вам будет достаточно самого миниатюрного зарядного устройства, однако если вы желаете использовать вдали от цивилизации все возможности своих мобильных устройств, тогда следует выбрать зарядку с более высокой ёмкостью аккумулятора.
2. Зарядка ноутбуков или планшетов. Для планшетов с исходящим напряжением 5 В также подойдёт практически любое устройство, а вот с прожорливыми ноутбуками сложнее – покупая зарядку, нужно убедиться, что выходное напряжение не ниже напряжения вашего ноутбука. Вместе с этим зарядка будет способна восстановить энергию смартфона, камеры и пр.
3. Зарядные устройства для дачных участков и кемпингов. Наиболее мощные из зарядных устройств со встроенными розетками переменного тока, в которые можно включать бытовую или медицинскую технику.

Также зарядки бывают с аккумулятором и без него. При наличии аккумулятора преобразуемая солнечная энергия заряжает его, после чего он заряжает ваши гаджеты. При его отсутствии солнечные лучи, преобразуясь, напрямую заряжают технику.

Как сделать откатные ворота: пошаговая инструкция

Выбор комплектующих для изготовления

Чтобы снизить себестоимость солнечной станции, нужно попробовать собрать ее самостоятельно. Для этого потребуется закупить необходимые комплектующие, какие-то элементы можно изготовить самому.

Самостоятельно получится собрать:

• рамки с фотоэлектрическими преобразователями;
• контроллер зарядки;
• инвертор напряжения;

Самые большие затраты будут связаны с приобретением самих солнечных элементов. Детали можно заказать из Китая или на eBay, такой вариант обойдется дешевле.

Благоразумно приобретать работоспособные преобразователи с повреждениями и дефектами – они просто забракованы производителем, но вполне исправны. Нельзя покупать элементы разных размеров и мощности – максимальный ток солнечной батареи будет ограничен током самого малого элемента.

Для изготовления рамки с солнечными элементами потребуется:

• алюминиевый профиль;
• солнечные элементы (обычно 36 штук для одной рамки);
• паяльник;
• припой и флюс;
• дрель;
• крепежные делали;
• силиконовый герметик;
• медная шина;
• лист прозрачного материала (оргстекло, поликарбонат, плексиглас);
• лист фанеры или текстолита(оргстекла);
• диоды Шоттки;

Собирать инвертор самостоятельно имеет смысл только при небольшом энергопотреблении. Контроллер заряда в простом исполнении не так дорого стоит, поэтому нет особого смысла тратить время на изготовление прибора.

Как собрать солнечную батарею своими руками

Сборка корпуса солнечной батареи

Сборка солнечных батарей, а именно, корпуса может выполняться в разных вариантах. В первом случае ее можно сделать из фанерных листов и деревянных реек, поэтому такой монтаж не представляет особой сложности. Конструкции выпиливаются по размерам, а затем соединяются между собой саморезами. Все стыки и швы предварительно промазываются герметиком. Все деревянные части покрываются краской или специальными защитными составами. Дальнейшие работы проводятся только после полного высыхания конструкции.

Немного сложнее изготовить солнечную батарею из алюминиевого уголка. В этом случае сборка каркаса происходит в следующем порядке:

• Сборка из уголка прямоугольного каркаса.
• В каждом углу конструкции сверлятся отверстия под крепления.
• Внутренняя часть профиля по всему периметру покрывается силиконовым герметиком.
• Внутрь каркаса на обработанные места укладывается текстолит или оргстекло, вырезанные по размеру. Их нужно как можно плотнее прижать к уголкам.
• Внутри корпуса лист прозрачного материала фиксируется крепежными уголками, установленными по углам.
• Дальнейшие работы проводятся после полного высыхания герметика. Предварительно, все внутренние поверхности протираются от пыли и загрязнений.

Пайка проводов и соединение фотоэлементов

Все элементы для солнечных батарей отличаются повышенной хрупкостью и требуют аккуратного обращения. Перед началом пайки они протираются, чтобы поверхность была идеально чистой. Элементы с припаянными проводниками все равно следует проверить и устранить обнаруженные недостатки.

На каждой фотопластинке имеются контакты с различной полярностью. Вначале проводники припаиваются к ним, а уже потом соединяются между собой.

При использовании шин вместо проводов, необходимо учитывать следующие особенности:

• Шины размечаются и разрезаются на требуемое количество полосок.
• Контакты пластин протираются спиртом, после чего на них наносится тонкий слой флюса, с одной стороны.
• Шина прикладывается по всей длине контакта, после чего по ней нужно провести разогретым паяльником.
• Пластина переворачивается, и такая же операция повторяется на другой стороне.

Паяльник во время монтажа нельзя сильно прижимать к пластине, иначе она может лопнуть. На лицевой стороне после пайки не должно оставаться неровностей. Если они остались, нужно еще раз пройти паяльником по шву.

Чтобы не ошибиться с размещением пластин, перед тем как их собирать, на поверхность листа рекомендуется нанести разметку с учетом всех размеров и зазоров. После этого фотоэлементы укладываются на свои места. Затем контакты панелей соединяются между собой с обязательным соблюдением полярности.

Нанесение герметизирующего слоя

Перед тем как самому герметизировать конструкцию, нужно выполнить тестирование и проверить солнечные батареи на работоспособность. Она выносится на солнце, после чего на выводах шин замеряется напряжение. Если оно в пределах нормы, можно приступать к нанесению герметика.

Один из наиболее подходящих вариантов предполагает следующие действия:

• Силиконовый герметик наносится на самодельные солнечные батареи капельками по краям корпуса и между пластинами. После этого края фотоэлементов аккуратно прижимаются к прозрачному основанию и должны прилегать к нему как можно плотнее.
• На каждый край пластинок укладывается небольшой груз, после чего герметик полностью высыхает, а фотоэлементы надежно фиксируются.
• В самом конце аккуратно промазываются края рамки и все стыки между пластинами. На данном этапе герметиком покрывается все, кроме самих пластинок, он не должен попасть на их оборотную сторону.

Окончательная сборка солнечной панели

После всех операций остается лишь полностью собрать солнечную батарею в домашних условиях.

В этом случае порядок действий будет следующий:

• В боковой части корпуса устанавливается соединительный разъем, к которому подключаются диоды Шоттки.
• С лицевой стороны вся сборка пластинок солнечной батареи закрывается прозрачным защитным экраном и герметизируется, чтобы исключить попадание влаги внутрь конструкции.
• Для обработки лицевой стороны рекомендуется использовать специальный лак, например, PLASTIK-71.
• После сборки выполняется окончательная проверка, после чего солнечная батарея из подручных средств сделанная своими руками может устанавливаться на свое место.

Как сделать солнечную батарею своими руками

Повер банк с солнечной батареей

Обзор солнечных батарей для туристов

Установка солнечных батарей

Солнечные батареи: альтернативная энергия

Производство солнечных батарей

Электронные системы поворота

Принцип работы

Принцип работы поворотного устройства очень прост и держится на двух деталях, одна из которых механическая, а другая электронная. Механическая часть поворотного устройства соответственно отвечает за поворот и наклон батареи. А электронная часть регулирует моменты времени и углы наклона, по которым действует механическая часть.

Электрооборудование, используемое вместе с солнечными батареями, заряжается от самих же батарей, что в некотором роде также экономит средства на подпитку электроники.

Положительные стороны

Если говорить о достоинствах электронного оборудования для поворотного устройства, то стоит отметить удобство. Удобство заключается в том, что электронная часть устройства будет в автоматическом режиме управлять процессом поворота батареи.

Данное преимущество не единственное, а является лишь еще одним в списке тех, что были перечислены ранее. То есть помимо экономии средств и повышения КПД, электроника освобождает человека от надобности вручную осуществлять поворот.

Как сделать своими руками

Создать трекер для солнечных батарей своими руками несложно, так как схема его создания проста. Для того чтобы создать работоспособную схему трекера своими руками необходимо иметь в наличии два фоторезистора. Кроме этих составляющих, нужно также приобрести моторное устройство, которое будет поворачивать батареи.

Подключение этого устройства осуществляется при помощи Н – моста. Этот метод подключения позволит преобразовывать ток силой до 500 мА с напряжением от 6 до 15 В. Схема сборки позволить не только понять, как работает трекер для солнечных батарей, но и создать его самому.

Чтобы настроить работу схемы, необходимо провести следующие действия:

1. Удостовериться в наличия питания на схему.
2. Провести подключение двигателя с постоянным током.
3. Установить фотоэлементы нужно рядом, чтобы добиться одинакового количества солнечных лучей на них.
4. Необходимо выкрутить два подстроечных резистора. Сделать это нужно против часовой стрелки.
5. Запускается подача тока на схему. Должен включиться двигатель.
6. Вкручиваем один из подстроечников до тех пор, пока он не упрется. Помечаем это положение.
7. Продолжить вкручивание элемента до тех пор, пока двигатель не начнет крутиться в противоположную сторону. Помечаем и это положение.
8. Делим полученное пространство на равные отделы и посередине устанавливаем подстроечник.
9. Вкручиваем другой подстроечник до тех пор, пока двигатель не начнет немного дергаться.
10. Возвращаем подстроечник немного назад и оставляем в таком положении.
11. Для проверки правильности работы можно закрывать участки солнечной батареи и смотреть за реакцией схемы.

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.

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.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.