Солнечные батареи своими руками

Одним из наиболее практичных источников альтернативной энергии считается солнечная батарея. Она способна накапливать и преобразовывать свет в электричество даже в условиях облачности. Тем не менее, ее стоимость не позволяет отечественному потребителю перейти на независимое электроснабжение. Решение - самодельная солнечная батарея.

Оглавление:

1. Устройство солнечной батареи
2. Электрическая схема солнечной батареи
3. Принцип солнечной батареи: как это работает
4. Конструкция солнечных батарей
5. Производство солнечных батарей
6. Система солнечных батарей 
7. Применение на практике

Устройство солнечной батареи

В отношении солнечной батареи, как нельзя к месту, фраза все гениальное - просто. Устройство состоит из двух элементов:

• блоков преобразователей;
• корпуса батареи.

Все остальное - это контакты, микросхемы и дополнительные гаджеты, которые нужны исключительно для увеличения функциональных возможностей солнечной батареи.

Блок преобразователь - это кремниевая пластина, которая изготовлена либо монокристаллическим, либо поликристаллическим методом. Первый вариант, более эффективный, второй - более дешевый.

Корпус батареи, как правило, изготавливают из пластика. Это обычная плита, к которой крепятся блоки преобразователи.

Электрическая схема солнечной батареи

Правильное подключение блоков преобразователей - это главный залог успешной работы солнечной батареи. При параллельном подключении увеличивается сила тока, при последовательном - напряжение. Для того, чтобы оба эти параметра были максимальными, используют параллельно-последовательное подключение.

От перегревания и перегорания контактов при сверх нагрузках защищают диоды, по одному на каждую четверть фотоэлемента. Если диодов нет, то блок преобразователь выйдет из строя после первого дождя.

Так как напряжение и сила тока на солнечной батарее не соответствуют параметрам бытовой техники, необходимо осуществить накопление и перераспределение электроэнергии. Для этого подключаются два аккумулятора. Первый, является накопительным, второй - резервным.

Наличие двух аккумуляторов объясняется тем, что в хорошую солнечную погоду зарядка идет достаточно быстро, поэтому необходимо куда-то девать избыточную энергию. За процессом следит специальный контроллер, сделанный по принципу реостата. При достижении 80-90% заряда основного аккумулятора, контроллер переводит подачу электричества на дополнительный.

Важно: принцип работы описан поверхностно, поскольку для создания самодельной солнечной батареи особого значения не имеет.

Принцип солнечной батареи: как это работает

Блоки преобразователи или фотоэлемнты - это кремниевые пластины. Кремний или силиций - это морской песок, вернее это вещество наиболее соответствует чистому силицию по химическому составу. Песок, имеет ту же атомную решетку, что и алмаз. Хрупкость материала связанна с более длинным расстоянием между атомами. Именно эта схожесть позволила существенно удешевить технологию производства солнечных батарей и запустить ее на конвейер.

В чистом виде, кремний является полупроводником, поэтому его кристаллизуют. Поликристаллы изготовить проще, но они имеют значительно больше граней, в результате чего электроны не могут двигаться прямолинейно. Монокристалл обеспечивает прямолинейное поступательное движение частиц. Кроме того, электропроводность повышается добавлением в кристаллическую решетку атомов мышьяка или фосфора.

Еще одно интересное свойство силиция - он невидим для инфракрасного излучения. Таким образом, фотоэлемнты поглощают только полезную часть солнечного спектра.

Преобразование света проходит по следующему принципу:

• солнечная энергия попадает на кремниевые пластины;
• они нагреваются и высвобождают электроны;
• электроны начинают активное движение от пластин по проводникам;
• проводники заряжают аккумулятор.

Конструкция солнечных батарей

Переходя от теории к практике, первым делом, необходимо выполнить расчеты и определить количество блоков преобразователей. Для этого необходимо определить мощность солнечного света. На входе в атмосферу она составляет около 1300 Вт/м², но возле земли, особенно в облачную погоду, редко превышает 200 Вт/м², при этом следует понимать, что около 40% спектра - бесполезное инфракрасное излучение, т.е. реальная мощность всего 120 Вт/м². В солнечную погоду, когда солнце в зените, мощность возрастает до 500-600 Вт/м², но закладываться на такие высокие показатели не стоит, поэтому будем считать по минимуму.

Интенсивное солнечное излучение на протяжении года составляет в среднем 9 часов. Следовательно, солнечная батарея площадью 1 м² за день производит 120*9=1 кВт электроэнергии. При этом нужно учесть еще и КПД, максимальное - 25%. Таким образом, за сутки с солнечной батареи площадью 1 м² можно получить около 0,3 кВт электроэнергии. Если на дворе стоит солнечная погода, то около 0,6 кВт.

Далее необходимо рассчитать количество потребляемой энергии за день. Для этого нужно разделить предыдущие показания счетчика на 30. Т.е. если в прошлом месяце было израсходовано 300 кВт, то расход в день составит 10 кВт в сутки. Чтобы полностью обеспечить такой дом электроэнергией потребуется примерно 20 м² солнечных батарей.

Важно: для качественного и бесперебойного электроснабжения понадобятся дорогие аккумуляторы для солнечных батарей. Это обстоятельство объясняется не только большой емкостью, но и устойчивостью электролита к постоянному режиму зарядки-разрядки.

Производство солнечных батарей

Процедура самостоятельной сборки не требует особых навыков и сводится к выполнению простой инструкции:

1. Изготовить основу для фотоэлементов.

2. Подготовить основу к неблагоприятным факторам окружающей среды.

3. Закрепить блоки преобразователи.

4. Соединить блоки проводами.

5. Защитить фотоэлементы при помощи установки стеклянной крышки.

6. Подключить выход к аккумулятору.

С каждым из пунктов нужно разобраться детальнее, чтобы в последствии не было ошибок. Например, для основы используют либо твердый пластик, либо дерево. Другие материалы категорически не допускаются по технике безопасности. Пластик более прост в обработке, но от высоких температур он быстро теряет свои свойства. Термостойкие модификации стоят, как правило, дороже чем дерево.

Деревянная основа изготавливается из обычной фанеры не менее 4 мм в толщину. Вырезается основание, размеры которого зависят от количества и размеров фотоэлементов. По краю основания устанавливается защитная гарда или бортик. Такой же бортик должен быть по периметру каждого фотоэлемента. Лучше, если он будет изготовлен из рейки или деревянного массива.

В получившихся квадратиках нужно просверлить дырки под контакты. В зависимости от размеров фотоэлементов, их число равняется 4, 6 или 8. Для сверления лучше использовать сверло в 6 или 8 мм, чтобы отверстие было достаточно большим и контакты не соприкасались с деревом. В идеале каждое отверстие желательно обработать жидкой резиной или битумом. Это исключит возможность возгорания.

Далее заготовку нужно обработать защитными антисептиками, прогрунтовать и покрасить. Краска, как не сложно догадаться, должна быть белой, чтобы не рассеивать солнечную энергию. Кроме того, акрилосодержащие краски лучше не использовать, поскольку они подвержены разрушению под воздействием прямых солнечных лучей.

Блоки преобразователи крепятся либо на клей, но в таком случае их повторное использование будет невозможно, либо вставляются в специальные защелки. Если размер солнечной батареи небольшой, до 1 м², допускается фиксация фотоэлементов без дополнительного крепления.

Следующий шаг - соединение всех контактов. Делать это можно либо параллельно, либо последовательно. Так как смешанная схема предполагает наличие дополнительного дорогостоящего оборудования и на реальное КПД влияет достаточно опосредованно. Для соединения контактов нужен паяльник и качественный припой, лучше, если это будет серебро.

Совет: работать с солнечными батареями намного удобнее при помощи газовых паяльников, поскольку они обеспечивают больше мобильности.

Когда конструкция готова, ее необходимо защитить от попадания влаги и мусора. Для этого подойдет ударопрочное оргстекло. Установка солнечных батарей предполагает минимальное участие в процессе преобразования и накопления электроэнергии, поэтому на защитном коробе экономить не стоит. Способ фиксации - молекулярный клей.

Совет: подобное клеящее вещество лучше покупать в узкопрофильных, специализированных магазинах, поскольку в строительных гипермаркетах, и тем более, на рынке, найти настоящий молекулярный клей практически невозможно.

Аккумулятор имеет два полюса, важно подключить фотоэлементы так, чтобы полюсность была одинаковой. Иначе, солнечная батарея спалит аккумулятор.

Еще один принципиальный момент подключения солнечных батарей - вольтаж. Напряжение на выходе должно быть на 30-40% больше, чем напряжение на аккумуляторе, иначе процесс зарядки не пойдет. Это обстоятельство является главным минусом любой солнечной батареи. Единственное решение проблемы - установка трансформатора, который будет выравнивать напряжение от аккумулятора к электросети. При этом не стоит забывать, что порядка 30% электроэнергии будут потеряны.

Система солнечных батарей  

Описанная инструкция справедлива по отношению к одной солнечной батарее, но для обеспечения дома электричеством понадобится несколько таких изделий. Чтобы определить, как связывать между собой отдельные солнечные батареи, необходимо для начала определиться с порядком их работы. Варианта есть два:

• несколько малоемких аккумуляторов, подающих ток на трансформатор;
• один мощный аккумулятор.

Схема подключения солнечных батарей от нескольких аккумуляторов, также, имеет свои вариации:

• каждый отдельный аккумулятор питает конкретный прибор;
• все аккумуляторы передают электричество на трансформатор, который обеспечивает электричеством дом.

Первый вариант предпочтительнее, поскольку позволяет уменьшить нагрузку на отдельно взятый аккумулятор. Для реализации такой схемы солнечная батарея и прибор подключаются к источнику питания напрямую. При использовании трансформатора необходимо создать стационарную электроразводку. Этот вариант более актуален для мощных аккумуляторов.

Применение на практике

Учитывая, что стоимость новых фотоэлементов начинается от 900 руб. за штуку, а для сборки одной батареи их нужно не менее 30, становится очевидным - альтернативная энергетика является очень дорогим удовольствием. Определенным выходом станет приобретение б/у элементов солнечных батарей. Это снизит стоимость минимум вдвое.

Для изготовления батареи площадью 1 м², при использовании стандартных фотоэлементов, понадобится 60 шт. кремниевых пластин. Стоимость одной батареи 60*900=54 000 руб. Т.е. для полного перехода на независимое электропитание понадобится вложить более миллиона рублей.

Из-за такой дорогой стоимости, солнечные батареи применяются только в качестве вспомогательного электропитания. Наиболее часто встречается освещение на солнечных батареях. И этому есть вполне логичное объяснение.

При использовании энергосберегающих ламп на 20 или 40 В, достаточно собрать небольшую батарею, цена которой, вместе с аккумулятором и дополнительными материалами, будет около 30 000 руб. Этой батареи с лихвой хватит, чтобы обеспечить освещение не только внутри дома, но и на улице. Вместо стандартных включателей, устанавливают светореагирующие тумблеры, которые автоматически включают освещение при снижении интенсивности солнечного света. В доме лучше установить стандартные выключатели или диммеры.