Делаем солнечную батарею сами

Солнечные батареи

Электроэнергия пронизывает жизнь современного человека. Все механизмы, облегчающие его быт и труд, используют ее как основу своей работы, преобразовывая поток электронов в действие, свет, тепло или холод. Как и у всего применяемого в нашем мире, – ресурс ее возобновляем, но имеет свою стоимость выработки, уменьшить которую желают, наверное, все пользователи систем энергоснабжения. Одним из вариантов уменьшения будет солнечная батарея, собранная своими руками.

Один из рекламных щитов экологической энергетики
Один из рекламных щитов экологической энергетики

Повсеместное распространение системы возобновляемой энергии не получили из-за высокой начальной цены на компонентные составляющие.

К примеру, нормальный, 5 кВт ветрогенератор, которого будет достаточно для снабжения электроэнергией одного дома, стоит более 80 000 рублей. К нему нужна мачта, а это еще 60 тысяч, инвертор от 35 000 рублей, контроллер сети, цена которого начинается для 5 киловатт с 90 000. Также понадобится хороший, емкий аккумулятор. Стоимость проводки, растяжек для мачты и прочего сопутствующего оборудования в расчет даже не берется. Общая изначальная цена основы подобной «возобновляемой» электроэнергии составит около 300 тысяч, что далеко не каждому по карману.

Не стоит забывать и о том, что каждый генерирующий источник электроэнергии требует периодического обслуживания. К примеру, смазка вращающихся частей ветро-, водо- и приливных генераторов, чистка стекла и поверхности солнечных панелей, периодическая проверка, обмывка и перемещение элементов Пельтье.

Обслуживание самодельного ветряка
Обслуживание самодельного ветряка

Чтобы уменьшить расходы на запуск собственной экологической мини-электростанции, можно собрать ее самостоятельно из подручных материалов или уже готовых частей. Как наиболее экономичные, требующие меньше всего внимания при эксплуатации, рекомендуется использовать солнечные панели.

Конструкция и принцип работы солнечной батареи

Прежде чем начать монтаж системы преобразования света в электроэнергию, нужно понять общие принципы ее функционирования.

Все существующие, на текущий момент солнечные батареи построены на основе полупроводниковых кристаллов. Кванты света, падая на них, лишаются свободных электронов и протонов, которые впоследствии, через PN-переход, разделяются и отправляются уже по проводам дальше.

Ежесекундно, на каждый метр площади поверхности Земли падает солнечный свет, эквивалентный более чем 100 Вт электроэнергии. Речь идет о тех периодах, когда небо затянуто облаками. При ярком солнечном свете этот показатель, конечно, выше.

Один из вариантов использования солнечных батарей и обычной линии
Один из вариантов использования солнечных батарей и обычной линии

Для практического домашнего использования, кванты светового потока преобразуются в электричество посредством полупроводников. Генерируемая мощность последних зависит от материала солнечной батареи и ее площади.

В идеальных случаях, для получения киловатта энергии необходимо около 10 м² поверхности полупроводника.

Затем, постоянный ток от них поступает на инвертор и контроллер, первый из которых преобразует его в переменный ток, повышая значения напряжения до применяемых в условиях быта. Второй заряжает аккумулятор, который будет использоваться в периоды снижения освещенности.

Разновидности фотоэлементов и их особенности

В гелиоэнергетике, для создания полупроводниковых моно- и поли- кристаллов, а также аморфных их сборок (гибких) используется пластины на основе кремния, германия, арсенида галлия, индия, йодида висмута.

В зависимости от материала отличается и общий КПД получаемой энергии от такой панели. Он может составлять от 9% у кремниевых и до 44% в некоторых экспериментальных вариантах от изначально падающего света.

Полупроводник
Полупроводник

Преимущества и недостатки использования

Суть проблемы преобразования солнечной энергии в электрическую, почему такие средства генерации не используются повсеместно, в нескольких факторах:

  1. Низкий коэффициент полезного действия. Лучшие, экспериментальные варианты изготовления преобразовывающих полупроводниковых пластин не имеют КПД более 44% от достигающей их энергии света. Для дешевых – кремниевых – такой коэффициент составляет всего лишь 9-25%, в зависимости от формы использования кристаллов.
  2. Площадь пластин. Вытекает из предыдущего пункта – для выработки реальной энергетической отдачи требуются и большие площади генерирующих сборок.
Обеспечение энергией небольшого поселка
Обеспечение энергией небольшого поселка
  1. Потери. В случае, когда полупроводник не освещен, он из генерирующего превращается в потребляющий. Для обхода этого фактора используются специальные байпасы в сборках кристаллов. Это своеобразные пути движения тока, которые минуют потребляющие элементы и подключают их в сеть, только если в них возникает ток.
  2. Цена. Даже самые дешевые солнечные панели в сборе с оборудованием генерации энергии (инвертор, контроллер, аккумулятор) стоят от 70000 рублей за генерируемую площадь, достаточную для получения всего лишь 200 Вт*ч электроэнергии или 1 кВт в сутки. Размер подобной приблизительно составит 1,5 м2. Как видно, параметры достаточно суровы, но позволяют, в экономном режиме, обеспечить питанием небольшое жилье (без отопления). Прилично уменьшить цену поможет вариант, если сделать солнечную батарею своими руками из элементов, которые можно купить на различных торговых площадках.

Что влияет на эффективность солнечных батарей?

Солнечная электростанция
Солнечная электростанция

Кроме материала и площади полупроводниковых пластин, важным фактором эффективности служит и количество падающего на солнечные батареи света. Максимальную отдачу можно получить только в полдень, при условии, что прохождению света ничего не мешает. К сожалению, добиться этого практически невозможно. Солнце движется по горизонту, его периодически заслоняют облака, падают тени от предметов.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств

Конструктивно изготовить гелиостанцию достаточно просто. Элементы приобретаются на aliexpress или e-Bay, осуществляется их пайка и соединение в одну конструкцию. Готовые панели, в раме прочности, размещаются на хорошо освещенной площади, подключаются к инвертору, контроллеру и аккумулятору посредством присутствующих на них контакторов. Выход всей этой системы к потребителям электроэнергии.

Выбор правильного места

Солнечные панели на крыше
Солнечные панели на крыше

Начало создания любой гелиостанции – выбор места ее размещения. От размера и формы свободного пространства и зависит количество полупроводниковых модулей – основы солнечной батареи. Место должно быть хорошо освещено, на него не допускается падание тени.

В идеале, предпочтительна поверхность строго перпендикулярная относительно земли, чтобы солнце давало свой максимум, независимо от светлого времени суток.

Существуют системы, поворачивающие сборки полупроводниковых кристаллов вслед движению светила. К сожалению, практического толка в них мало, так как механика подобных конструкций сама потребляет энергию, сводя на нет весь плюс такого подхода.

Проведение расчетов

Следующим действием производят расчет реальной и максимально потребляемой энергии. Он нужны для знания требуемых технических параметров компонентов гелиостанции и количества необходимых генерирующих элементов – полупроводниковых модулей, из которых и будет состоять панель в целом.

Потребление электричества в обычном доме
Потребление электричества в обычном доме

Приведенные ниже цифры относятся к нормальному потреблению, с той оговоркой, что ежедневно используются только энергосберегающие лампы и для отопления помещений не применяют электроэнергию. Расчет будет производиться для суточной траты, которая в периоды отсутствия света будет восполняться работой аккумулятора.

Длительность (часов)

Наименование

Потребляемая мощность

(за час и единицей)

Суммарная потребляемая энергия за сутки

8

Энергосберегающие лампы.

– ванная+туалет

– прихожая

– комната

– зал

– ночники/бра и прочие включаемые временно светильники

20 Вт*ч

800Вт

24

Холодильник

150 Вт*ч

3,6 кВт

4

ЖК Телевизор

38 Вт*ч

152 Вт

6

Компьютер/ноутбук

100-350 Вт*ч

~1,5 кВт

2 часа, раз в неделю

Стиральная машина

800 Вт

1600Вт*ч/7 дней=228 Вт*ч

Итого ежесуточный расход равен 6,28 кВт. Конечно, эти цифры весьма приблизительны и могут колебаться в различные стороны. Единственный от них плюс – понимание общего количества тока для снабжения дома.

Так как энергопотребление идет не круглые сутки, а только часть их, то генерирующие поверхности можно использовать более низкой мощности, лишь бы их хватало для подзарядки аккумулятора и поддержки постоянно включенной части оборудования. К примеру, холодильника.

Солнечные батареи ночью
Солнечные батареи ночью

Сразу встает вопрос о необходимой емкости аккумулятора. Она зависит от потребляемой мощности и параметров тока, на которые он рассчитан.

Обозначим через T всю потребляемую энергию в сутки. Включают в список и потери в инверторе, для чего общие затраты умножают на коэффициент 1,2. То есть, абсолютный расход в максимуме будет равен Тmax=T+T*1,2. Для описанного примера – это 7,53 кВт*сутки.

Далее выводится необходимая емкость аккумуляторной батареи. Так как характеристики накопителей обычно идут в Ah (ампер-часах), высчитывается необходимое часовое потребление. Ah=Tmax/V/24. В приведенном случае, 12 вольтовой аккумулятор должен быть способен выдать Ah расхода = 7530/12/24 = 26 A/h. Многие автомобильные обладают такими параметрами, а значит, можно их использовать для гелиостанции.

Несколько связанных параллельно автомобильных аккумуляторов
Несколько связанных параллельно автомобильных аккумуляторов

Теперь необходимо уточнить общую емкость накопителя. Обычно, 8 часов, в случае использования его с солнечными батареями, аккумулятор работает только на разряд. Света в этом промежутке времени для генераторных пластин или слишком мало, или вообще нет, а значит ток они не вырабатывают и батарею не заряжают. Ah емкости=26*8=208Аh. К сожалению, такие аккумуляторы существуют, но стоят очень дорого.

Для экономии можно купить несколько подходящих автомобильных и подключить их параллельно, емкость в таком случае суммируется. Средняя вместимость их 60Ah, а соединив 3-4 можно получить требуемые параметры.

Дальше необходимо вычислить количество модулей самой солнечной батареи, чтобы заряжать аккумулятор. Закладывают в расчет несколько избыточные характеристики, чтобы учесть потери энергии в сопутствующем оборудовании.

Согласно рекомендациям, зарядку аккумулятора требуется производить 1/10 силой тока от всей суммарной емкости батарей. В приведенном примере это 20,8A. Кроме того, вольтаж желательно подавать чуть выше заявленных характеристик накопительного устройства, а в общем случае аккумуляторы существуют на 12В или 24В. Для дальнейших расчетов будет использоваться первое значение.

Один из модулей солнечной батареи
Один из модулей солнечной батареи

Продаваемые модули солнечных панелей имеют разные характеристики. Каждый из них идет с указанием вырабатываемых ватт и максимального тока. К примеру, флуоресцентный модуль размером 39*39 мм вырабатывает 5В, 0.5А. Чтобы получить ~12В (если быть точнее, 15В, которыми собственно и лучше заряжать) требуется соединить последовательно 3 таких модуля, а вот, чтобы достигнуть силы тока в 1/10 Ah емкости, таких сборок понадобится K = Ah емкости / 10 / Агенерируемые * V необходимые / Vгенерируемые.

В текущем расчете это 208Ah / 10 / 0,5A * 15В / 5В = 124,8, то есть 126 (ближайшее число кратное трем) модулей солнечной батареи, для подзарядки аккумулятора гелиостанции.

Сразу становится понятен приблизительный размер солнечной батареи – 39мм2 * 126 = 4875 мм2 или с учетом конструкции рамы 5 м2.

Какие материалы понадобятся?

Для описываемой схемы гелиостанции понадобятся:

  • аккумуляторы, в количестве обеспечивающим необходимую емкость;
  • инвертор, способный выдавать требуемую мощность;
  • контроллер заряда аккумулятора, не допускающий его превышение;
  • полупроводниковые модули, в вычисленном количестве;
  • алюминиевый, металлический, деревянный или прочный пластиковый профиль для рамы;
  • ДСП или жесть в качестве основания конструкции;
  • стекло, которое будет использоваться для закрытия поверхности фотоэлементов;

Изготовление каркаса

Солнечная батарея в каркасе
Солнечная батарея в каркасе

Каркас выполняют соединением профилей квадратом.

Стороны желательно делать не превышающими 1 м2 – необходимая мера, обеспечивающая прочность всей конструкции.

Пайка пластин

После размещения фотоэлементов, производят их электрическое соединение. Каждые три, для 5В модулей подключаются последовательно. Своеобразный блок из них присоединяется к следующему – параллельно.

Для электрических связок можно использовать как шины, так и толстый провод. Причина – суммарная сила тока, которая будет составлять 6А. Тонкие проводники попросту выйдут из строя или начнут перегревать полупроводниковые фотоэлементы.

Соединение элементов солнечной батареи
Соединение элементов солнечной батареи

Сборка и тестирование

В подготовленный каркас рамы выкладывают рядами фотоэлементы. Производится их параллельная и последовательная пайка. Все модули желательно соединить между собой эпоксидным клеем, чтобы обеспечить прочность. При этом нужно контролировать недопустимость заливки самой рабочей поверхности.

Готовая солнечная батарея закрывается по задней стороне тонким листом ДСП или жестью (с учетом изолирования ее от контактных групп). Рабочая область – стеклом.

Тестирование готовой сборки проводят мультиметром, освещая ее поверхность. Характеристики вольтажа и ампер на выходах должны совпадать с расчетными. Если все нормально, то сборку устанавливают на место дислокации, подключают к инвертору, который в свою очередь к контроллеру и присоединенному к нему аккумулятору. Выход 220В преобразователя к сети потребления.

Основные ошибки при установке солнечных батарей

Основные ошибки при установке солнечных батарей
Ошибочное место размещения – тень от дерева

Основной ошибкой можно назвать место выбора размещения солнечных панелей. Если монтаж производится на крыше, то необходимо учитывать направление ее наклона и положение их согласно сторонам света.

Если панели находятся с востока на запад – это наилучший вариант, они будут освещены всегда согласно ходу солнца.

Еще одна ошибка, часто делаемая начинающими специалистами – неверное сечение проводов для солнечных панелей. Казалось бы, вольтаж в них не большой, а значит можно использовать тонкую линию. Это не так: нагрев проводов происходит от нагрузки и вырабатываемой мощности, а для 6А он довольно существенен.

Неординарные батареи из подручных средств

Для сборки солнечной батареи совсем не обязательно использовать покупные элементы. Можно обойтись подручными средствами. Будут рассмотрены только те, которые реально вырабатывают электроэнергию, а не только дают тепло от солнечных лучей, наподобие конструкций из пивных банок.

  1. Использование полупроводниковых транзисторов или диодов. Для этого дается максимальный доступ света к пластинам PN-перехода в составе этих элементов. Диоды можно использовать «как есть», а вот у транзисторов придется снять защитную крышку, к примеру, сточив ее. Собрав конструкцию с последовательными и параллельными связками этих полупроводников, можно добиться необходимых характеристик генерации.
    PN-переход внутри транзистора
    PN-переход внутри транзистора
  2. Получить ток можно и в процессе освещения поверхности медной фольги. Для этого два широких выреза ее помещают в прозрачную емкость, чтобы на их поверхность падало как можно больше солнечного излучения. Соприкасаться они не должны. Контакт от одной будет плюсом, второй – минусом. Полярность можно проверить опять же мультиметром. Для запуска всей системы в действие внутреннюю поверхность сосуда заполняют раствором соленой воды.
Солнечная батарея из медной фольги
Солнечная батарея из медной фольги

Все самодельные схемы обладают низким коэффициентом полезного действия, но вполне допустимы для использования их с целью подзарядки сотового телефона или аккумуляторов садовых фонариков.

Загрузка ...
future2day.ru