Устройство солнечной батареи своими руками. Как сделать солнечную батарею своими руками: инструктаж по самостоятельной сборке

Жизнь в стиле «Органик», столь популярная идея в последние годы, предполагает гармоничные «отношения» человека с окружающей средой. Камнем преткновения любого экологического подхода является использование полезных ископаемых для получения энергии.

Выбросы токсичных веществ и углекислоты в атмосферу, выделяющихся при сгорании ископаемого топлива, постепенно убивают планету. Поэтому концепция «зеленой энергии», которая не вредит окружающей среде, является базовой основой многих новых энерготехнологий. Одним из таких направлений получения экологически чистой энергии является технология преобразования солнечного света в электрический ток. Да, именно так, речь пойдет о солнечных батареях и возможности установки систем автономного энергообеспечения в загородном доме.

В настоящий момент энергоустановки промышленного изготовления на базе солнечных батарей, применяемые для полного энерго- и теплообеспечения коттеджа, стоят не менее 15-20 тыс. долларов при гарантированном сроке эксплуатации около 25 лет. Стоимость любой гелиевой системы в перерасчете соотношения гарантированного срока эксплуатации к средним годичным затратам на коммунальное содержание загородного дома достаточно высокая: во-первых, сегодня средняя стоимость солнечной энергии соизмерима с покупкой энергоресурсов из центральных энергосетей, во-вторых, требуются одномоментные капитальные вложения для установки системы.

Обычно принято разделять гелиосистемы, предназначенные для тепло- и энергообеспечения. В первом случае используется технология солнечного коллектора, во втором — фотоэлектрический эффект для генерации электрического тока в солнечных батареях. Мы хотим рассказать о возможности самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Технология ручной сборки солнечной энергетической системы достаточно проста и доступна. Практически каждый россиянин может собрать индивидуальные энергосистемы с высоким КПД при сравнительно низких затратах. Это выгодно, доступно и даже модно.

Выбор солнечных элементов для солнечной панели

Приступая к изготовлению солнечной системы, нужно обратить внимание, что при индивидуальной сборке нет необходимости в одномоментной установке полнофункциональной системы, её вполне можно наращивать постепенно. Если первый опыт оказался удачным, то имеет смысл расширять функциональность гелиосистемы.

По своей сути, солнечная батарея — это генератор, работающий на основе фотоэлектрического эффекта и преобразовывающий солнечную энергию в электрическую. Кванты света, попадающие на кремниевую пластину, выбивают электрон с последней атомной орбиты кремния. Этот эффект создает достаточное количество свободных электронов, образующих поток электрического тока.

Перед сборкой батареи нужно определиться в типе фотоэлектрического преобразователя, а именно: монокристаллическом, поликристаллическом и аморфном. Для самостоятельной сборки солнечной батареи выбирают доступные в продаже монокристаллические и поликристаллические солнечные модули.

Вверху: Монокристаллические модули без припаянных контактов. Внизу: Поликристаллические модули с припаянными контактами

Панели на основе поликристаллического кремния имеют достаточно низкий КПД (7-9%), но этот недостаток нивелируется тем, что поликристаллы практически не понижают мощность при облачности и пасмурной погоде, гарантийная долговечность таких элементов составляет около 10 лет. Панели на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 13% при сроке эксплуатации около 25 лет, но эти элементы сильно снижают мощность при отсутствии прямого солнечного света. Показатели КПД кристаллов кремния от разных производителей могут существенно варьироваться. По практике работы солнечных электростанций в полевых условиях можно говорить о сроке службы монокристаллических модулей более 30 лет, а для поликристаллических — более 20 лет. Причем за весь период эксплуатации потеря мощности у кремниевых моно- и поликристаллических элементов составляет не более 10%, когда у тонкопленочных аморфных батарей за первые два года мощность снижается на 10-40%.

Солнечные элементы Evergreen Solar Cells с контактами в наборе 300 шт.

На аукционе Еbay можно приобрести набор Solar Cells для сборки солнечной батареи из 36 и 72 солнечных элементов. Такие наборы доступны в продаже и в России. Как правило, для самостоятельной сборки солнечных батарей используются солнечные модули В-типа, то есть модули, отбракованные на промышленном производстве. Эти модули не теряют своих эксплуатационных показателей и значительно дешевле. Некоторые поставщики предлагают солнечные модули на стеклотекстолитовой плате, что предполагает высокий уровень герметичности элементов, а, соответственно, надежности.

Название	Характеристики	Стоимость, $
Everbright Solar Cells (Еbay) без контактов	поликристаллические, набор - 36 шт., 81х150 мм, 1,75 W (0,5 В), 3А, эффективность (%) - 13 в наборе с диодами и кислотой для паяния в карандаше	$46.00 $8.95доставка
Solar Cells (США новые)	монокристаллические, 156х156 мм, 81х150 мм, 4W (0,5 В), 8А, эффективность (%) - 16.7-17.9	$7.50
	монокристаллические, 153х138 мм, U хол. хода - 21,6V, I корот. зам. - 94 mA, Р - 1,53W, эффективность (%) - 13	$15.50
Solar Cells на стеклотекстолитовой плате	поликристаллические, 116х116 мм, U хол. хода - 7,2V, I корот. зам. - 275 mA., Р - 1,5W, эффективность (%) - 10	$14.50
		$87.12 $9.25 доставка
Solar Cells (Еbay) без контактов	поликристаллические, набор - 72 шт., 81х150 мм 1.8W	$56.11 $9.25 доставка
Solar Cells (Еbay) с контактами	монокристаллические, набор - 40 шт., 152х152 мм	$87.25 $14.99 доставка

Разработка проекта гелиевой энергосистемы

Проектирование будущей гелиосистемы во многом зависит от способа её установки и монтажа. Солнечные батареи должны быть установлены под наклоном, чтобы обеспечить попадание прямых солнечных лучей под прямым углом. Производительность солнечной панели во многом зависит от интенсивности световой энергии, а также от угла падения солнечных лучей. Размещение солнечной батареи относительно солнца и угол наклона зависит от географического расположения гелиевой системы и времени года.

Сверху вниз: Монокристаллические солнечные панели (по 80 ватт) на даче установлены практически вертикально (зима). Монокристаллические солнечные панели на даче имеют меньший угол (весна)ю Механическая система управления углом наклона солнечной батареи.

Промышленные гелиосистемы часто снабжены датчиками, которые обеспечивают ротационное движение солнечной панели по направлению движения солнечных лучей, а также зеркалами-концентраторами солнечного света. В индивидуальных системах такие элементы значительно усложняют и удорожают систему, поэтому не применяются. Может быть применена простейшая механическая система управлением углом наклона. В зимнее время солнечные панели должны быть установлены практически вертикально, это также защищает панель от налегания снега и обледенения конструкции.

Схема расчета угла наклона солнечной панели в зависимости от времени года

Солнечные батареи устанавливаются с солнечной стороны здания, чтобы обеспечить максимально доступный объем солнечной энергии в светлое время суток. В зависимости от географического расположения и уровня солнцестояния вычисляется угол наклона батареи, который наиболее подходит для вашего местоположения.

При усложнении конструкции можно создать систему управления углом наклона солнечной батареи в зависимости от времени года и углом поворота панели в зависимости от времени суток. Энергоэффективность такой системы будет выше.

При проектировании солнечной системы, которая будет устанавливаться на крышу дома, нужно обязательно выяснить, сможет ли кровельная конструкция выдержать требуемую массу. Самостоятельная разработка проекта предполагает расчет кровельной нагрузки с учетом веса снежного покрова в зимнее время.

Выбор оптимального статического угла наклона для кровельной солнечной системы монокристаллического типа

Для изготовления солнечных панелей можно выбирать различные материалы по удельному весу и другим характеристикам. При выборе материалов конструкции необходимо учитывать максимально допустимую температуру нагрева солнечного элемента, так как температура солнечного модуля, работающего на полную мощность, не должна превышать 250С. При превышении пиковой температуры солнечный модуль резко теряет свою способность преобразовывать солнечный свет в электрический ток. Готовые гелиосистемы для индивидуального использования, как правило, не предполагают охлаждение солнечных элементов. Самостоятельное изготовление может подразумевать охлаждение гелиосистемы или управление углом наклона солнечной панели для обеспечения функциональной температуры модуля, а также выбор соответствующего прозрачного материала, поглощающего ИК-излучение.

Грамотная конструкция солнечной системы позволяет обеспечить требуемую мощность солнечной батареи, которая будет приближаться к номинальной. При расчете конструкции нужно учитывать, что элементы одного типа дают одинаковое напряжение, не зависящее от размера элементов. Причем сила тока у крупноразмерных элементов будет больше, но и батарея будет значительно тяжелее. Для изготовления солнечной системы всегда берутся солнечные модули одного размера, так как максимальный ток будет ограничен максимальным током малого элемента.

Расчеты показывают, что в среднем в ясный солнечный день можно получить с 1 м солнечной панели не более 120 Вт мощности. Такая мощность не обеспечит работу даже компьютера. Система в 10 м дает более 1 кВт энергии и может обеспечивать электроэнергией работу основных бытовых приборов: светильников, телевизора, компьютера. Для семьи из 3-4 человек необходимо около 200-300 кВт в месяц, поэтому солнечная система, установленная с южной стороны, размером 20 м может вполне обеспечить семейные энергопотребности.

Если рассматривать среднестатистические данные по электроснабжению индивидуального жилого дома, то: ежедневное энергопотребление составляет 3 кВт ч, солнечная радиация с весны по осень — 4 кВт ч/м в день, пиковая мощность потребления — 3кВт (при включении стиральной машины, холодильника, утюга и электрочайника). С целью оптимизации энергопотребления для освещения внутри дома важно использовать лампы переменного тока с низким энергопотреблением — светодиодные и люминесцентные.

Изготовление каркаса солнечной батареи

В качестве каркаса солнечной батареи используется алюминиевый уголок. На аукционе Еbay можно приобрести готовые рамы для солнечных батарей. Прозрачное покрытие выбирается по желанию, исходя из характеристик, которые необходимы для данной конструкции.

Комплект рамы со стеклом для солнечной батареи, стоимость от 33 долларов

При выборе прозрачного защитного материала можно также ориентироваться на следующие характеристики материала:

Материал	Показатель преломления	Свето-пропуска-ние, %	Удельный вес г/см 3	Размер листа, мм	Толщина, мм	Стоимость, руб./м 2
Воздух	1,0002926	—	—	—	—	—
Стекло	1,43-2,17	92-99	3,168	—	—	—
Оргстекло	1,51	92-93	1,19	3040х2040	3	960.00
Поликарбонат	1,59	до 92	0,198	3050 х2050	2	600.00
Плексиглас	1,491	92	1,19	2050х1500	11	640.00
Минеральное стекло	1,52-1,9	98	1,40	—	—	—

Если рассматривать показатель преломления света в качестве критерия выбора материала. Самый минимальный коэффициент преломления имеет плексиглас, более дешевым вариантом прозрачного материала является отечественное оргстекло, менее подходящим — поликарбонат. В продаже имеется поликарбонат с антиконденсатным покрытием, также этот материал обеспечивает высокий уровень термозащиты. При выборе прозрачных материалов по удельному весу и способности поглощать ИК-спектр лучшим будет поликарбонат. К лучшим прозрачным материалам для солнечных батарей относятся материалы с высоким светопропусканием.

При изготовлении солнечной батареи важно выбирать прозрачные материалы, которые не пропускают ИК-спектр и, таким образом, снижают нагревание кремниевых элементов, теряющих свою мощность при температуре свыше 250С. В промышленности используются специальные стекла, имеющие оксидно-металлическое покрытие. Идеальным стеклом для солнечных панелей считается тот материал, которые пропускает весь спектр кроме ИК-диапазона.

Схема поглощения УФ и ИК излучения различными стеклами.
а) обычное стекло, б) стекло с ИК-поглощением, в) дуплекс с термопоглощающим и обычным стеклом.

Максимальное поглощение ИК-спектра обеспечит защитное силикатное стекло с оксидом железа (Fe 2 O 3), но оно имеет зеленоватый оттенок. ИК-спектр хорошо поглощает любое минеральное стекло за исключением кварцевого, оргстекло и плексиглас относятся к классу органических стекол. Минеральное стекло более устойчиво к повреждениям поверхности, но является очень дорогим и недоступным. Для солнечных батарей также применяется специальное антибликовое сверхпрозрачное стекло, пропускающее до 98% спектра. Также это стекло предполагает поглощение большей части ИК-спектра.

Оптимальный выбор оптических и спектральных характеристик стекла значительно повышает эффективность фотопреобразования солнечной панели.

Солнечная панель в корпусе из оргстекла

Во многих мастер-классах по изготовлению солнечных батарей рекомендуется использовать оргстекло для передней и задней панели. Это позволяет проводить инспекцию контактов. Однако конструкцию из оргстекла сложно назвать полностью герметичной, способной обеспечить бесперебойную эксплуатацию панели в течение 20 лет работы.

Монтаж корпуса солнечной батареи

В мастер-классе показывается изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных элементов размером 81x150 мм. Исходя из этих размеров, можно вычислить размеры будущей солнечной батареи. При расчете размеров важно между элементами делать небольшое расстояние, которое будет учитывать изменение размеров основы под атмосферным воздействием, то есть между элементами должно быть 3-5 мм. Результирующий размер заготовки должен быть 835х690 мм при ширине уголка 35 мм.

	Самодельная солнечная батарея, сделанная с использованием алюминиевого профиля, наиболее похожа на солнечную панель фабричного изготовления. При этом обеспечивается высокая степень герметичности и прочности конструкции.
	Для изготовления берется алюминиевый уголок, и выполняются заготовки рамки 835х690 мм. Чтобы можно было провести крепление метизов, в раме следует сделать отверстия.
	На внутреннюю часть уголка дважды наносится силиконовый герметик.
	Обязательно проследите, чтобы не было незаполненных мест. От качества нанесения герметика зависит герметичность и долговечность батареи.
	Далее в раму кладется прозрачный лист из выбранного материала: поликарбоната, оргстекла, плексигласа, антибликового стекла. Важно силикону дать высохнуть на открытом воздухе, иначе испарения создадут пленку на элементах.
	Стекло нужно тщательно прижать и зафиксировать.
	Для надежного крепления защитного стекла понадобятся метизы. Нужно закрепить 4 угла рамки и по периметру разместить два метиза с длинной стороны рамки и по одному метизу с короткой стороны.
	Метизы фиксируются при помощи шурупов.

	Шурупы плотно затягиваются при помощи шуруповерта.
	Каркас солнечной батареи готов. Перед креплением солнечных элементов, необходимо очистить стекло от пыли.

Подбор и пайка солнечных элементов

В настоящий момент на аукционе Еbay представлен огромный ассортимент изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.

Набор Solar Cells включает комплект из 36 поликристаллических кремниевых элементов, проводники для элементов и шины, диоды Шотке и карандаш с кислотой для паяния

Так как солнечная батарея, сделанная своими руками, практически в 4 раза дешевле готовой, самостоятельное изготовление — это значительная экономия средств. На Еbay можно приобрести солнечные элементы с дефектами, но они не теряют своей функциональности, таким образом, стоимость солнечной батареи может существенно сократиться, если вы можете дополнительно пожертвовать внешним видом батареи.

Поврежденные фотоэлементы не теряют своей функциональности

При первом опыте лучше приобретать наборы для изготовления солнечных панелей, в продаже имеются солнечные элементы с припаянными проводниками. Пайка контактов — это достаточно сложный процесс, сложность усугубляется хрупкостью солнечных элементов.

Если вы приобрели кремниевые элементы без проводников, то сначала необходимо провести пайку контактов.

	Так выглядит поликристаллический кремниевый элемент без проводников.
	Проводники нарезаются с помощью картонной заготовки.
	Необходимо аккуратно положить проводник на фотоэлемент.
	На место припаивания нанести кислоту для паяния и припой. Проводник для удобства фиксируется с одной стороны тяжелым предметом.
	В таком положении необходимо аккуратно припаять проводник к фотоэлементу. Во время пайки нельзя нажимать на кристалл, потому что он очень хрупкий.

Пайка элементов — это достаточно кропотливая работа. Если не удастся получить нормального соединения, то необходимо повторить работу. По нормативам серебряное напыление на проводнике должно выдерживать 3 цикла пайки при допустимых тепловых режимах, на практике сталкиваешься с тем, что напыление разрушается. Разрушение серебряного напыления происходит из-за использования паяльников с нерегулируемой мощностью (65Вт), этого можно избежать, если понизить мощность следующим образом — нужно последовательно с паяльником включить патрон с лампочкой в 100 Вт. Номинальная мощность нерегулируемого паяльника слишком высока для пайки кремниевых контактов.

Даже если продавцы проводников уверяют, что припой на соединителе имеется, его лучше нанести дополнительно. Во время пайки старайтесь аккуратно обращаться с элементами, при минимальном усилии они лопаются; не стоит складывать элементы пачкой, от веса нижние элементы могут треснуть.

Сборка и пайка солнечной батареи

При первой самостоятельной сборке солнечной батареи лучше воспользоваться разметочной подложкой, которая поможет расположить элементы ровно на некотором расстоянии друг от друга (5 мм).

Разметочная подложка для элементов солнечной батареи

Основа выполняется из листа фанеры с маркированием уголков. После пайки на каждый элемент с обратной стороны крепится кусок монтажной ленты, достаточно прижать заднюю панель к скотчу, и все элементы переносятся.

Монтажная лента, использованная для крепления, с обратной стороны солнечного элемента

При таком типе крепления сами элементы дополнительно не герметизируются, они могут свободно расширяться под действием температуры, это не приведет к повреждению солнечной батареи и разрыву контактов и элементов. Герметизации поддаются только соединительные части конструкции. Такой вид крепления больше подходит для опытных образцов, но вряд ли может гарантировать долгосрочную эксплуатацию в полевых условиях.

Последовательный план сборки батареи выглядит так:

	Выкладываем элементы на стеклянную поверхность. Между элементами должно быть расстояние, что предполагает свободное изменение размеров без ущерба конструкции. Элементы нужно прижать грузами.
	Пайку производим по приведенной ниже электросхеме. «Плюсовые» токоведущие дорожки размещены на лицевой стороне элементов, «минусовые» — на обратной стороне. Перед пайкой нужно нанести флюс и припой, после аккуратно припаять серебряные контакты.
	По такому принципу соединяются все солнечные элементы.
	Контакты крайних элементов выводятся на шину, соответственно, на «плюс» и «минус». Для шины используется более широкий серебряный проводник, который имеется в наборе Solar Cells. Рекомендуем также вывести «среднюю» точку, с ее помощью ставятся два дополнительных шунтирующих диода.
	Клемма устанавливается также с внешней стороны рамы.
	Так выглядит схема подключения элементов без выведенной средней точки.
	Так выглядит клеммная планка с выведенной «средней» точкой. «Средняя» точка позволяет на каждую половину батареи поставить шунтирующий диод, который не даст батарее разряжаться при снижении освещения или затемнении одной половины.
	На фото показан шунтирующий диод на «плюсовом» выходе, он противостоит разрядке аккумуляторов через батарею в ночное время и разрядке других батарей во время частичного затемнения. Чаще в качестве шунтирующих диодов используют диоды Шотке. Они дают меньшую потерю на общей мощности электрической цепи. В качестве токовыводящих проводов может быть использован акустический кабель в силиконовой изоляции. Для изоляции можно применить трубки из-под капельницы. Все провода должны быть прочно зафиксированы силиконом.
	Элементы могут быть соединены последовательно (см. фото), а не посредством общей шины, тогда 2-й и 4-й ряд необходимо повернуть на 1800 относительно 1-го ряда.

Основные проблемы сборки солнечной панели связаны с качеством пайки контактов, поэтому специалисты предлагают перед герметизацией панели ее протестировать.

Тестирование панели перед герметизацией, напряжение сети 14 вольт, пиковая мощность 65 Вт

Тестирование можно делать после пайки каждой группы элементов. Если вы обратите внимание на фотографии в мастер-классе, то часть стола под солнечными элементами вырезана. Это сделано намеренно, чтобы определить работоспособность электрической сети после пайки контактов.

Герметизация солнечной панели

Герметизация солнечных панелей при самостоятельном изготовлении — это самый спорный вопрос среди специалистов. С одной стороны, герметизация панелей необходима для повышения долговечности, она всегда применяется при промышленном изготовлении. Для герметизации зарубежные специалисты рекомендуют использовать эпоксидный компаунд «Sylgard 184», который дает прозрачную полимеризованную высокоэластичную поверхность. Стоимость «Sylgard 184» на Еbay составляет около 40 долларов.

Герметик с высокой степенью эластичности «Sylgard 184»

С другой стороны, если вы не хотите нести дополнительные затраты, вполне можно использовать силиконовый герметик. Однако в этом случае не стоит полностью заливать элементы, чтобы избежать их возможного повреждения в процессе эксплуатации. В таком случае элементы к задней панели можно прикрепить при помощи силикона и герметизировать только края конструкции. Насколько эффективна такая герметизация, сказать сложно, но использовать не- рекомендованные гидроизоляционные мастики не советуем, очень высока вероятность разрыва контактов и элементов.

	Перед началом герметизации необходимо подготовить смесь «Sylgard 184».
	Сначала заливаются места стыков элементов. Смесь должна схватиться, чтобы закрепить элементы на стекле.
	После фиксации элементов делается сплошной полимеризирующий слой эластичного герметика, распределить его можно с помощью кисточки.
	Так выглядит поверхность после нанесения герметика. Герметизирующий слой должен просохнуть. После полного высыхания можно закрыть солнечную батарею задней панелью.
	Так выглядит лицевая сторона самодельной солнечной панели после герметизации.

Схема электроснабжения дома

Системы электроснабжения домов с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, то есть системами, обеспечивающими генерацию энергии с использованием фотоэлектрического эффекта. Для индивидуальных жилых домов рассматриваются три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.

Каждая из систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах применяют фотоэлектрические системы с резервными аккумуляторными батареями и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.

Более экономной альтернативой гибридной батарейно-сетевой системе электроснабжения будет безаккумуляторная солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.

Схемы трех типов фотоэлектрических систем

Рассмотрим типичную установку батарейно-сетевой фотоэлектрической системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии.

Гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система с переменным током

Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических системах: на базе постоянного и переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10-15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.

Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:

суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24-48 В;
контроллер солнечного разряда 40-50 А при напряжении в 24 В;
источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.

Таким образом, для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов, пример сборки которых приведен в мастер-классе. Каждая панель дает суммарную мощность в 65 Вт. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет пиковую мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования в северной части России.

Многие компании в интернете реализуют уже готовые собранные панели, которые напрямую подключаются к потребителю. Но, такие устройства имеют куда большую стоимость, чем отдельные элементы. В связи с особенностью климатического пояса полностью перейти на солнечную электроэнергию у вас вряд ли получится, поэтому и готовые солнечные батареи смогут окупиться только через 10 — 40 лет. Чтобы сэкономить на дорогостоящих заводских панелях, куда выгоднее приобрести фотоэлектрические модули, комплектующие к ним и заняться сборкой ячеек в единую солнечную батарею самостоятельно.

Какой вариант выбрать?

Первое, что вам нужно – приобрести фотоэлектрический преобразователь. Различные модели предлагаются как отечественными производителями, так и зарубежными. Наиболее дешевыми вариантами являются китайские кремниевые фотоэлементы. Они имеют ряд недостатков, но, в сравнении с американскими и отечественными, куда более дешевые. Все модели, в зависимости от типа, подразделяются на три вида:

монокристаллические модули – состоят из искусственно выращенных кристаллов достаточно больших размеров. Отличаются самым высоким КПД в 13 – 26% и самым длительным сроком эксплуатации в 25 лет. Недостатком солнечных батарей на их основе является снижение максимального КПД в течении периода эксплуатации.
поликристаллические фотоэлементы – в сравнении с предыдущими имеют куда меньший срок эксплуатации, как заявляет производитель – 10 лет. Также они могут выдать только 10 – 12% КПД, в с равнении с предыдущими, зато этот параметр остается постоянным для них в течении всего периода работы.
аморфные батареи – это пленочные батареи, в которых на гибкую основу нанесен аморфный кремний. Такие фотоэлементы появились сравнительно недавно и могут наклеиваться на любые поверхности – окна, стены и т.д. Они характеризуются самым низким КПД – 5 – 6%.

Выбор определенного типа зависит от ваших пожеланий и поставленных задач. К примеру, если количество солнечного излучения сравнительно невелико в вашем регионе, лучше устанавливать монокристаллические преобразователи, так как у них самый высокий КПД.

Подготовка инструментов и выбор материалов

Помимо преобразователей, для сборки полноценной солнечной панели вам понадобятся такие 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.

Из инструментов вам пригодиться ножовка, дрель, или обычная отвертка для закручивания саморезов, мультиметр или амперметр для определения работоспособности солнечной батареи, паяльник.

Составление проекта

На этапе подготовки проекта необходимо определить наиболее подходящее место для установки солнечной батареи. Определите, с какой стороны участка находиться больше всего солнечных лучей, не падает тень от деревьев и других построек. Место установки может быть на земле, скатах крыши, стенах или отдельно стоящих конструкциях. К примеру, если вы хотите установить солнечную батарею на крыше, следует убедиться, что конструкция выдержит ее вес.

Из-за того, что максимальная производительность моно- и поликристаллических ячеек обеспечивается исключительно при перпендикулярном попадании на них солнечных лучей, желательно собрать для них регулируемую конструкцию. Которая позволит изменять угол наклона солнечной батареи, в зависимости от времени года или даже времени суток. Так как положение источника света в различные периоды года и суток значительно отличаются (рисунок 1).

Рис. 1: зависимость положения солнца от времени года

Также обратите внимание, что в стационарно установленной батарее, к примеру, вырабатывающая в идеальных условиях 7 кВт/ч, утром и вечером будет вырабатыватся только 3 кВт/ч. Соответственно, при установке только в одном положении, батарея будет выдавать номинальную мощность лишь несколько месяцев в году. Если вы решите монтировать ее в стационарном положении, панели следует располагать под углом от 50 до 60º, для регулируемых устанавливается два предела – зимний в 70º и летний в 30º, а в промежуточный период, их наклоняют как стационарные.

Чтобы определить количество пластин, необходимо подсчитать, какой электрический ток или мощность генерирует одна из них или 1 м 2 . Как правило, 1 м 2 выдает порядка 125 Вт, поэтому чтобы получить около 2,5 кВт для бытовых нужд, необходимо установить 20 м 2 панелей.

Порядок изготовления солнечной батареи

Элементы на поли- или монокристаллическом кремнии необходимо объединить в единую панель. Для этого осуществляется пайка контактов к проводникам. Порядок пайки следующий:

Если приобретенные вами элементы для солнечных батарей уже оснащены соединительными проводниками, этот этап можно пропустить и сразу переходить к изготовлению рамки.

Изготовление рамки

Рамка солнечной батареи представляет собой короб с невысокими бортами, который накрывается прозрачным стеклом. Для изготовления рамки:

Рис. 7. соберите солнечную батарею

Постарайтесь подобрать материал для прозрачной крышки без бликов, иначе часть энергии солнца будет отражаться, что значительно снизит КПД. После того, как изготовите рамку, соберите солнечную батарею.

Изготовление модулей

Данный этап требует особой осторожности и внимания, поскольку на нем вы формируете электрическую цепь солнечной батареи. Если допустите прожоги или трещины, вы можете испортить не только какой-либо конкретный элемент, но и весь модуль, который в итоге придется переделывать.

Все элементы соединяются последовательно сверху вниз, чтобы не раздавить нижние, когда будете паять. Вертикальные ряды припаяйте на общую шину.

После того, как вы собрали батарею, проверьте ее работоспособность. Вынесите ее под солнечные лучи и замерьте величину тока на выводах.

Рис. 12: вынесите на улицу и проверьте мультиметром

Сравните это значение с ранее замеренной величиной для одного элемента солнечной батареи. Чтобы проверить правильность, умножьте количество элементов на ток от одного, если прибор показал такое значение или близкое к нему, солнечная батарея собрана правильно и ее можно герметизировать.

Для герметизации используются компаунды или силиконовые герметики, которые подходят для температуры ниже нуля. Для этого солнечную батарею можно как заливать полностью, так и нанести герметик только между модулями.

Рис. 13: залейте герметиком

Второй вариант более экономный, но первый обеспечит вам куда большую надежность и лучшую герметизацию. После герметизации сверху устанавливается умеренный пресс до полного застывания.

Рис. 14: установите умеренный пресс

До заливки вы можете установить демпфер из плотного поролона между фотоэлементами солнечной батареи и плитой из ДСП. Ширина поролона выбирается менее высоты борта, в рассматриваемом случае высота – 2 см, соответственно можно взять поролон 1,5 см в толщину. Готовые и проверенные батареи установите согласно составленного проекта и подключите к электрической сети дома через аккумулятор и инвертор.

Другие видео инструкции

Углеводороды были и остаются основным источником энергии, однако все чаще человечество обращается к восполнимым и экологически безопасным ресурсам. Это стало причиной повышенного интереса к солнечным батареям и генераторам.

Однако многие не решаются на установку гелиосистемы из-за дороговизны обустройства комплекса. Удешевить продукцию можно, если взяться за ее создание самостоятельно. Сомневаетесь в собственных силах?

Мы расскажем вам, как сделать солнечную батарею своими руками, используя доступные комплектующие. В статье вы найдете всю необходимую информацию для того, чтобы выполнить расчет гелиосистемы, подобрать составляющие комплекса, осуществить сборку и установку фотопанели.

По статистике, взрослый человек ежедневно использует около десятка различных приборов, работающих от сети. Хотя электричество считается относительно экологичным источником энергии, это иллюзия, ведь при его получении используются ресурсы, загрязняющие окружающую среду.

Какие комплектующие нужны и где их купить

Основная деталь – солнечная фотопанель. Обычно кремниевые пластины покупают через интернет с доставкой из Китая или США. Это связано с высокой ценой на комплектующие отечественного производства.

Себестоимость отечественных пластин получается настолько высокой, что выгоднее заказать на Еbay. Что касается брака, то на 100 пластин лишь 2-4 непригодны к использованию. Если заказывать китайские пластины, то риски выше, т.к. качество оставляет желать лучшего. Преимущество – только в цене.

Готовая панель гораздо удобнее в использовании, но и втрое дороже, поэтому лучше все-таки озадачиться поиском комплектующих и собрать устройство своими руками

Остальные комплектующие можно купить в любом магазине электротоваров. Также потребуются оловянный припой, рама, стекло, пленка, лента и карандаш для разметки.

Галерея изображений

Хоть использование солнечной энергии и получило сегодня широкое распространение, цена фотобатарей остается на высоком уровне. Но их вполне можно сделать своими руками. В большинстве случаев этим интересуются владельцы частных домов. Но некоторым удается снабдить самодельными фотопанелями даже свою квартиру.

Устройство солнечной батареи

Перед тем как создать солнечную батарею своими руками, стоит разобраться в ее работе. Электрическую энергию накапливают аккумуляторы. В основе работы самой батареи лежит фотоэлектрический эффект. Он происходит в фотоэлементах, которые и «собирают» энергию солнечных лучей. Такие пластины как раз и выступают основной частью фотобатарей. Как же преобразуется энергия из солнечной в электрическую:

Лучи солнца попадают на одну из сторон пластины, имеющую тонкий слой бора или фосфора.
Под их воздействием высвобождается множество электронов. Фосфорная пленка удерживает их, не давая разлетаться.
Движение электронов упорядочивается металлическими «дорожками», которыми оснащена каждая пластина.
Так возникает электрический ток. Его можно получить тем больше, чем больше взять кремниевых ячеек.

Первыми в списке необходимых материалов идут, конечно же, солнечные фотоэлементы. Поскольку не стоит на месте, разработано уже множество различных солнечных пластин.

Пленочные. Сегодня их выпускают только технологически «продвинутые» компании, поэтому за ними остается только «охотиться». Такие элементы встречаются в уже готовых фотобатареях.
Аморфные. Это фотопластины, способные собирать лучи солнца в любых погодных условиях: на закате, при запыленном воздухе, в дождь и пр. В основе аморфных элементов лежит тончайший слой кремния, напыляемый на стеклянную или полимерную поверхность. Для создания самодельной солнечной батареи своими руками такие элементы используют редко из-за небольшого срока службы и недостаточного КПД.
Из кристаллического кремния. Здесь выделяют два типа фотопластин:
- Монокристаллические. Состоят из одного кремниевого кристалла. Эффективность таких панелей выше за счет одностороннего направления. Подобные элементы чаще применяют в регионах с высокой активностью солнца. Распознать подобные ячейки можно по однородному темному цвету и срезанным углам. Их КПД составляет около 19%, а срок службы достигает 50 лет.
- Поликристаллические. Множество мелких кристаллов объединяют в один элемент. Эффективность от этого снижается, но зато панели можно использовать там, где солнце не слишком активно. Структуру из большого числа кристаллов можно обнаружить по более светлому оттенку синего цвета и неоднородному рисунку. Поликристаллы уступают монокристаллам в сроке службы (до 25 лет) и КПД (до 15%).

В первый раз изготовить солнечную батарею своими руками лучше из более дешевых поликристаллических пластин. К монокристаллическим стоит переходить уже после обкатки технологии. Недорогие фотопластины продаются в зарубежных интернет-магазинах. Самые известные среди них: EBay, Aliexpress и Amazon.

Сегодня некоторые продавцы предлагают уцененные фотопластины класса «B». Они стоят дешевле в связи с имеющимися повреждениями: различными сколами, отсутствующими уголками, микротрещинами и пр. Производительность ячеек от этого не страдает, но цена значительно снижается. Для «набивки руки» такие элементы вполне подойдут.

Решив сделать солнечную батарею своими руками из подручных средств, можно заменить фотопластины на полупроводники с p-n-переходами. Они часто остаются от старых приемников и телевизоров. Полупроводники тоже способны вырабатывать ток под действием солнечного излучения. Для изготовления панели остается только соединить несколько подобных деталей.

Подвох здесь в недостаточной мощности получаемых устройств. При самых мощных транзисторах удается получить напряжение не более 0,2 В с каждого. Сила тока в них будет измеряться микроамперами, и это при самом ярком солнце. Чтобы добиться тех же параметров, что дают кремниевые фотоэлементы, нужно будет найти сотни полупроводников. Но даже в лучшем случае вы сможете зарядить только светодиодный фонарь или мобильник.

Важным этапом в инструкции, как сделать солнечную батарею своими руками, выступает расчет ее размера. Здесь важны напряжение и сила тока фотоэлементов. Для средних ячеек эти параметры составляют 0,5 В и 3 А соответственно. Если для создания батареи соединить 30 ячеек, тогда ее мощность составит 30 · 0,5 В · 3 А = 45 Вт.

Что еще потребуется для создания фотобатареи

Перед началом работ проверьте, все ли из списка есть у вас под рукой:

рейки и фанера для каркаса;
силиконовый герметик;
припой;
антисептик и краска для дерева;
многожильный медный провод для соединения фотоэлементов;
уголки алюминиевые;
антибликовое стекло, поликарбонат или плексиглас;
диоды Шоттки, рассчитанные на отдачу одной фотопластины.

Также потребуется простой инструмент: паяльник, пила, стеклорез, отвертка, малярная кисть – все, что есть у любого домовитого хозяина.

Инструкция по созданию солнечной панели

Соединяя солнечные ячейки, стоит придерживаться соотношения сторон 1:1. Например, если по вашим расчетам получится, что требуется уложить 120 пластин, то можно расположить их в 12 рядов по 10 шт. Каждые два «столбика» подключите параллельно, а 5 полученных блоков – последовательно. Так провода будут уложены аккуратнее. Определившись с расположением ячеек, можно приступать к выполнению инструкции, как собрать солнечную батарею своими руками. Она включает несколько основных этапов.

Корпус изготавливают из деревянных реек. Высота их не должна быть больше 25 мм, иначе крайние ряды ячеек окажутся затененными. Для соединения реек используют алюминиевые уголки. Размеры корпуса определяются размерами фотопластин. Для ячеек 3х6 дюймов (7,62х15,24 см) при расположении их в 12 рядов по 10 шт. потребуется рама не менее 160х100 см.

Обратная сторона зашивается фанерой, а внизу рамы просверливают вентиляционные отверстия. Для защиты дерева его покрывают антисептиком, а затем окрашивают. Уже по готовому каркасу из стекла или плексигласа вырезают панель, которую крепят при помощи уголковых кронштейнов.

Для выполнения этой задачи необходим паяльник мощностью до 40 Вт и легкоплавкий припой. Небольшое его количество наносится на выводные части пластин. Обязательно соблюдается полярность подключения. Расстояние между фотоэлементами должно быть не менее 5 мм для учета возможного расширения. Для увеличения напряжения элементы соединяют последовательно, а для повышения тока – параллельно.

Когда отдельные цепочки будут собраны, их кладут тыльной стороной к подложке и приклеивают герметиком. Каждый блок солнечных пластин должен быть снабжен диодом Шоттки, исключающим разрядку аккумуляторов ночью. По схеме, представленной выше, осуществляют соединение всех цепочек с использованием медного провода или специальной шины.

Окончательная сборка

Уже готовые подложки укладывают в корпус. Для крепления используют саморезы. При наличии в раме поперечины в ней просверливают отверстия под провода. Выведенный наружу кабель фиксируют и припаивают к выводам сборки. Стекло укладывают в каркас, предварительно нанеся на верхний контур рамы слой герметика.

Изучив, как делают солнечные батареи в домашних условиях своими руками, можно сделать вывод, что для этого требуются хотя бы минимальные знания электротехники. Но сделав все максимально аккуратно, можно надеяться на удачное выполнение поставленной задачи. Также нужно быть готовым, что требует финансовых и временных затрат. Потренировавшись на первой панели, вы сможете сделать еще не одну солнечную батарею, тем самым обеспечив свое жилище бесплатной электроэнергией.

Солнечная батарея – это несколько фотоэлементов, собранных в одном корпусе, снабжающих электричеством потребителя. Сами фотоэлементы с каждым днем становятся все доступнее, во многом благодаря тому, что их в хорошем качестве стал выпускать Китай.

Выбор фотоэлементов для солнечной батареи

Поликристалл или монокристалл. Однозначного ответа нет, поликристаллические модули дешевле, но у них ниже энергоэффективность. Большинство промышленных производителей отдают предпочтение поликристаллическим фотоэлементам. В России ни те ни другие не производятся, следовательно делаем покупки на com или aliexpress.com.
Размерность. Есть размеры 6х6(156 х 156 мм), 5х5 (127 127 мм), 6х2 (156 х 52 мм) дюйма. Следует брать последние. Дело в том, что все фотоэлементы очень тонкие и хрупкие, легко ломаются при монтаже, поэтому выгоднее сломать маленький фотоэлемент. Также, чем меньше размер одного элемента, тем легче заполнить площадь батареи.
Припаянные контакты. Каждая пластина будет соединяться последовательно с другими, следовательно работать с паяльником придется много. Значительно облегчают эту работу припаянные контакты к панелям. Подключить такие контакты к общей шине будет гораздо проще. Если таких контактов нет, вам придется паять их самостоятельно.

Инструменты и материалы

Материалы:

Алюминиевый уголок 25х25;
Болты 5х10 мм – 8 шт;
Гайки 5 мм – 8 шт;
Стекло 5-6 мм;
Клей – герметик Sylgard 184;
Клей-герметик Ceresit CS 15;
Поликристаллические фотоэлементы;
Флюс фломастер (смесь канифоли и спирта);
Серебряная лента для подключения к фотоэлементам;
Лента для шины;
Припой (нужен тонкий, т.к. чрезмерный нагрев выведет из строя фотоэлемент);
Пенополиуретан (поролон), толщиной 3 см;
Плотная полиэтиленовая пленка 10 мкм.

Инструмент:

Напильник;
Ножовка по металлу с полотном 18;
Дрель, сверла на 5 и 6 мм;
Ключи рожковые;
Паяльник;

Пошаговая фотоинструкция

Максимально подробно рассказано, как своими руками собрать солнечную батарею из фотоэлементов на алюминиевом каркасе.

Сточить напильником углы на одной грани с каждой стороны алюминиевого угла под 45 градусов.

Обрезать уголки ножовкой по металлу под 45 градусов. Для удобства можно воспользоваться стуслом:

С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:

Обрезанный алюминиевый уголок

Делаем скобы для соединения уголков:

Прикладываем уголки срезанными углами друг к другу
Перпендикулярно ставим уголок и на нем намечаем линию отреза Должно получиться 4 соединительных уголка

На сторонах каждой полученной скобы находим центр и сверлим отверстие, диаметром 6 мм:

Находим центр каждой стороны скобы
Отверстие в скобе

Делаем разметку через отверстие в каждой скобе на уголке. Чтобы потом не перепутать, помечаем каждый угол и каждую скобу цифрой:

Разметка отверстий «по месту»
Ставим цифры, чтобы потом не перепутать

Сверлим отверстия в уголке сверлом 5 мм, должно получиться так:

Отверстия в уголке

Собираем рамку с помощью болтов и гаек:

Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:

Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри

Обезжирить поверхность стекла изнутри и разложить фотоэлементы лицевой стороной вниз таким образом, чтобы контактные шины были параллельны:

Соедините между собой фотоэлементы скотчем, так они не распадутся при дальнейших операциях.

Соединить между собой элементы по схеме:

Схема соединения фотоэлементов в батарее

Собираем уплотняющую конструкцию:

Из листа пенополиуретана вырезаем прямоугольник, меньше внутренней части рамки на 1 см с каждой стороны;
Запаиваем получившийся прямоугольник в полиэтиленовую пленку с помощью скотча или паяльника

Конструкция укладывается внутрь рамки:

Поролон укладывается внутрь рамки

Рамка вместе с поролоном переворачивается и снимается. Остаются только уложенные и скрепленные между собой скотчем фотоэлементы:

Снять алюминиевую рамку
Фотоэлементы на поролоне

На всю поверхность фотоэлементов кистью наносится герметик Sylgard 184 и накрывается сверху рамкой со стеклом:

Герметик на фотоэлементах
Накрыть фотоэлементы рамкой со стеклом

Ставим груз на стекло на несколько часов, за это время должны удалиться пузыри воздуха:

Пузыри уходят за 2-3 часа

Через 12 часов снимаем груз и отрываем поролон. Батарея готова к подключению!

Ошибки при сборке солнечной батареи своими руками

Несколько характерных ошибок, совершаемых при самостоятельной сборке панелей, о которых хотелось бы предупредить.

Сборка на каркасе из дерева или ДСП. Солнечная батарея, собранная своими руками, окупается только если служит несколько лет, поэтому ненадежная конструкция из бруса для нее точно не подходит, т.к. разбухнет и потеряет форму через год – два. Конструкция получается громоздкой и тяжелой, плохо поддается транспортировке и переносу.
Небрежное хранение Sylgard 184. Если вы не расходуете всю банку этого клея, после использования его нужно переместить в меньшую тару, чтобы остатки не имели контакта с воздухом внутри нее. В противном случае, спустя полгода хранения весь клей может затвердеть.
Использование оргстекла. Батарея всегда находится на солнце (в этом её суть), поэтому сильно греется. Оргстекло очень плохо отводит тепло от фотоэлементов. Это снижает их эффективность. Каждый градус выше 25 °С снижает эффективность на 0,45%. Но это не главный минус оргстекла! При температуре больше 50 °С оно деформируется во всех плоскостях, разрывая контакты внутри схемы, разгерметизируя батарею и приводя ее в негодность.
Недостаточное внимание изолированию соединений. При сборке солнечных батарей для своего дома своими руками лучше использовать специальные коннекторы (MC4), соединяющие несколько панелей в единую сеть. Дело в том, что в дальнейшем, возможно, их придется демонтировать для ремонта, поворота в другую сторону, замены элементов и т.д. Скручивать контакты «намертво» или использовать для этой цели соединительные клеммы, которые предназначены для внутренних работ – не наилучший вариант.