Эффективная солнечная батарея своими руками

Альтернативная энергетика стала доступнее! В 2018 году можно купить поликристаллическую солнечную панель мощностью в 150 Вт и напряжением в 12 В примерно за 115 долларов. Технологии изготовления панелей осваиваются и совершенствуются, поэтому уже несколько лет подряд наблюдается тенденция снижения их стоимости. Чтобы использовать энергию солнца в полной мере, нужно собрать домашнюю СЭС. Профильные компании предлагают готовые комплекты и услуги по монтажу солнечной установки. С другой стороны, есть менее затратное решение – солнечная батарея своими руками.

Солнечная батарея: что это и как работает

Солнечная батарея – это набор панелей, преобразующих энергию света, соединенных в конкретную схему, для достижения нужных электрических характеристик: напряжения, тока и мощности. Каждая панель – это кремниевая пластина с металлизированными дорожками для подключения к цепи. В готовых решениях они соединены на заводе, а монтажнику нужно собрать схему из нескольких, чтобы обеспечить электроснабжение объекта в необходимом объеме.

Принцип действия основан на фотоэффекте. Посветив на кремний, вы ничего не добьетесь, поэтому в структуру пластины вносят примести – легируют. В результате появляется избыток положительных или отрицательных носителей заряда, что зависит от типа примеси, формируются P и N области и pn-переход – по типу простейшего полупроводникового диода. Когда на него попадает свет, на выводах формируется фото-ЭДС. Однако величина напряжения диода достаточно мала – порядка половины вольта. Поэтому в одном солнечном модуле находится множество таких ячеек, а выходное напряжение батареи в целом доходит до 12–24 В.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Это интересно: На самом деле 12-вольтные солнечные батареи имеют на выходе напряжение вполовину больше, зависящее от количества света. При оптимальных условиях оно может достигать 18 В и более – это называется точка максимальной мощности (отрезок вольтамперной характеристики с наибольшим напряжением и током). Промышленные образцы обычно рассчитаны на работу с напряжением 12 и 24 В, использование последних позволяет снизить токи на первичной стороне преобразователя.

Так как солнечный свет не доходит до нас круглыми сутками – энергия будет вырабатываться только днем, чтобы пользоваться электричеством ночью, нужно ее накопить. Для этого потребуются аккумуляторы и контроллер для их заряда. Если вы собираетесь пользоваться не только 12-вольтовым оборудованием, но и привычными 220 В бытовыми приборами, нужен еще и инвертор.

Контроллеры заряда бывают разных типов:

• On-Off.
• PWM.
• MPPT.

Инвертор необходим для преобразования постоянного напряжения величиной 12 В, в переменное 110, 220, 380 и прочее. Обычно он рассчитан под одно выходное напряжение.

Преимущества и недостатки этого вида энергии

В каждой из отраслей энергетики есть сильные и слабые стороны. Плюсы получения электричества из солнечного света:

• Не используются ископаемые, жидкие и газообразные виды топлива.
• Отсутствуют факторы загрязнения окружающей среды.
• Солнечный свет – бесплатный источник энергии.

Но и без минусов не обошлось:

• Стоимость батарей хоть и снижается, но все равно находится на высоком уровне.
• Кроме панелей, нужны аккумуляторы и преобразователи.
• Срок окупаемости от 5 лет.

Не забудьте учесть ресурс работы аккумуляторов и их периодическую замену. Солнечная энергия не настолько дешевая, как об этом часто утверждают. Однако если нет других вариантов – это подходящий способ электрификации.

Больше всего распространены поликристаллические и монокристаллические панели. Последние дороже, поскольку изготавливаются из однородных кристаллов кремния, больший КПД (около 15%). Поликристаллы производятся из вторсырья, остатков от изготовления монокристаллов и продуктов переработки панелей. Стоят примерно на 15% дешевле, имеют КПД чуть ниже (8–12%), при этом разные источники сходятся во мнении, что они показывают лучшие результаты в пасмурную или облачную погоду поэтому разница в цене не всегда оправдана. Аморфные батареи встречаются редко.

Как отличить поликристаллическую от монокристаллической солнечной панели?

Очень просто, у элементов монокристаллической структуры углы скруглены или сегментные, а цвет ее поверхности однородный: от темно-синего до черного. Поликристаллические элементы имеют форму правильных прямоугольников, а их цвет неоднородный, слегка переливающийся: от синего до почти черного, его текстура отдаленно напоминает камуфляж.

Выбор места и проектирование

Для установки панелей подойдет часть пространства, на которую не падает тень и освещена солнечными лучами. Если вы задались вопросами постройки СЭС, скорее всего, живете в частном доме или собираетесь электрифицировать дачу. Вот список мест, которые подходят для установки батарей:

• Крыша домов и хозяйственных построек.
• Пустые места на земле во дворе.
• Южные стены зданий.

Если крыша имеет любую конструкцию, в которой кровля расположена под углом к горизонту (двускатная, финская и т. д.) панели можно уложить непосредственно на нее. Для монтажа на горизонтальные и вертикальные, нужна металлическая конструкция, чтобы установить угол падения солнечных лучей, приближенный к прямому. Лучше, когда металлическая конструкция для установки на стены будет выполнена из алюминия или других легковесных сплавов, чтобы избежать лишней нагрузки на фундамент и кладку.

ВАЖНО! Эффективность установки снижается пропорционально углу падения света. Чем больше он отличается от 90 градусов, тем меньше электроэнергии вы получаете.

Проектирование

Нужно произвести правильный расчет мощности панелей, инвертора и емкости аккумулятора. Для этого необходимо определиться, для чего вам нужна солнечная батарея? Если как источник резервного питания, то рассчитайте, какое время резервной работы должна обеспечивать станция, и какое оборудование будет подключено к резервной сети.

Если нужен основной источник энергии, вы должны посчитать, какое количество времени всего в день работает каждый из ваших электроприборов, затем умножить число часов на их мощность. В результате вы узнаете, сколько кВт/ч энергии в день они потребляют. После чего добавьте про запас 20–50%, т. е. умножить количество кВт/ч на 1,2–1,5. Если разделить это число на напряжение АКБ (12 или 24 В) – вы получите емкость (А/ч).

Количество элементов панели подбирается исходя из их мощности и среднесуточного количества часов, когда в ваших широтах светит солнце. То есть если вы за день потребляете 1 кВт/ч, а солнечный день длится в среднем 10 часов, при этом максимально яркий свет падает в течение 4–5 часов, значит:

P=W/(Hs*k),

где P – общая мощность батареи, W – потребляемая мощность, Hs – количество солнечных часов, k – коэффициент максимальной яркости света, т. е. если из 10 часов солнце светит 4 часа очень ярко, а остальное время идет на спад, то он равен 4/10 или 0,4.

Инвертор подбирается исходя из количества работающей техники. В квартирах и домах на распределительных щитках установлены вводные автоматы на 16 А, это примерно 3.5 кВт, значит и инвертора такой мощности вам хватит с головой.

Последний шаг это монтаж всей установки. Самое сложное – это найти оптимальный угол наклона батареи. Нужно опытным путем определить угол, при котором наибольшую продолжительность времени солнечные лучи будут максимально приближены к перпендикулярному положению.

Пошаговый процесс сборки

Чтобы построить панель понадобится:

• Алюминиевые уголки.
• Фанера, ДВП или ДСП.
• Герметик.
• Прозрачное защитное покрытие (оргстекло или стекло с низким содержанием железа, каленное).
• Солнечные батареи.
• Шина для пайки СЭ (в идеале) или оплетка от провода, провод.
• Кабель.
• Шуруповерт.
• Саморезы, уголки и прочие метизы.
• Ножовка по металлу.

Сборка каркаса

Когда вы определились, какого размера должна быть панель – вырежьте шаблон из картона, разложите на нем кремниевые элементы, оставляя зазор между ними 3–5 мм. Кремний – очень хрупкий материал, этот зазор нужен, чтобы пластины не треснули в процессе нагревания и охлаждения. Затем обрежьте шаблон по размерам и приступайте к сборке алюминиевого каркаса. Можно соединять детали внахлест или встык, но для последнего нужно резать материал под 45 градусов, для этого удобно использовать стусло. Не забудьте вклеить защитное стекло, прежде чем смонтируете щит с солнечными элементами.

Спайка пластин

На обратной стороне пластин нанесен металлический слой серебристого цвета. Он поддается лужению с применением кислотного флюса. Заранее залудите провод или шину. Шина – это плоский проводник. Если такой нет, можно использовать оплетку кабеля или тонкий провод.

Далее, нужно кисточкой нанести флюс на металлический слой на кремнии, быстрыми движениями паяльника размазать каплю припоя, когда поверхность станет более однородной и блестящей – контакт залужен. Некоторые используют флюс-карандаш. Не пробовал, но им, кажется, будет удобно работать. Припой ПОС-61 – подойдет для пайки. Последовательное соединение пластин повышает выходное напряжение, соединение групп в параллель – выходной ток.

Здесь есть две рекомендации:

1. Не перегрей! Чтобы не повредить пластину и контакт нельзя долго задерживаться паяльником, для этого нужен паяльник мощностью от 30 до 60 Вт, с теплоемким жалом (т. е. потолще).
2. Не расколи! Пластины очень тонкие и хрупкие. Во время пайки положите пластины на мягкий толстый картон, пенопласт, пенофол, тряпку, в конце концов. Это уменьшит вероятность скола при надавливании паяльником или переворачивании элементов.

Дополнительно нужно установить диод Шоттки. Если вы хотите избежать обратного тока от аккумулятора в темное время суток, то диод можно установить между батареей и аккумулятором. Производители не ставят диодов вовсе.

Сборка панели

Задняя крышка может быть выполнена из пластика, фанеры и других листовых материалов. Просверлите по его площади отверстия для циркуляции воздуха, при этом нужно залить герметиком все электрические соединения, чтобы избежать коррозии. После сборки необходимо установить ее на несущую стационарную конструкцию. Лучше предусмотреть возможность регулировки угла наклона – это поможет достичь оптимальной мощности в разные времена года, подстраивая положение под солнце.

Солнечные батареи из подручных материалов

Если нет желания вкладывать больших денег в панели, но вам интересно попробовать на что они способны, можно собрать простейшую солнечную панель из старых радиодеталей самостоятельно.

Батарея из транзисторов

Для сборки нужны старые советские транзисторы в железных корпусах, типа КТ819 или МП21-МП43 и подобные. Их корпус напоминает летающую тарелку, две половинки которой соединены между собой, а шов закатан. Для разбора сточите поясок, и потяните половины в разные стороны. Внутри вы увидите кристалл кремния с двумя электродами, поместите его под яркий свет и вольтметром определите: между какими ножками присутствует самое высокое напряжение. Мощность одного самодельного фотоэлемента мала, а напряжение едва доходит до 0,3–0,5 Вт, вам понадобится порядка 30–40 штук, чтобы достичь желаемых 12 Вт, при этом токи будут маленькими.

Батарея из диодов

Диоды типа Д223Б выдают порядка 0,35 В на ярком солнце. Их корпус выполнен из стекла, но покрыт краской. Чтобы она сошла, залейте диоды растворителем, и оставьте на пару часов полежать, желательно в теплом, проветриваемом помещении, потом краска легко счищается. Ну а дальше вам придется спаять их в батарею, как было описано выше, для достижения нужного напряжения и тока.

Панель из фольги

Можно сделать батарею с помощью медной фольги. Для этого нужно взять два листа площадью 45 см2, очистить от жира окислов с помощью наждачной бумаги, отмыть в мыльном растворе. После нужно разогреть один из них, например, на электроплите (больше киловатта) до красно-оранжевого цвета, потом медь начнет чернеть – это появился оксид меди, держим еще 30 секунд. Выключите плиту и пусть все плавно остынет. На листе появится слой оксида черного цвета. Промываем под проточной водой, чтобы сошли крупные частицы оксида, должна остаться тонкая пленка, нельзя механически воздействовать на поверхность – скрести ее, чистить и гнуть.

Получится один лист со слоем оксида, а второй чистый, поместите их в емкость, отлично подойдет обрезанная 5-л бутылка. Лист с окисью будет у нас «минусом», а чистый «плюсом». Они не должны соприкасаться. Емкость наполняем солевым раствором (примерно 1 ложка соли на 1 литр воды).  Таким образом, вы получите 1 ячейку для солнечного элемента.

Видео:

Еще пример сборки:

Выводы

Солнечные батареи подходят для электроснабжения, но срок окупаемости устройств достаточно велик, поэтому применять как основной источник питания их довольно дорого. Самодельные фотоэлементы малопригодны для практического использования в качестве источника электроэнергии, но как датчик света они работают неплохо. Можно применить устройства в разных схемах фотореле. Домашняя СЭС – отличный вариант резервного электроснабжения, как основной ввод она может использоваться только в том случае, когда садовый участок расположен в не электрифицированном районе.