Как сделать солнечную батарею своими руками: инструктаж по самостоятельной сборке

Солнечная батарея из старых транзисторов

Те, кто занимается ремонтом радиоаппаратуры, со временем накапливают свой стратегический запас радиодеталей. Среди них могут оказаться транзисторы или диоды в металлическом корпусе. Для ремонта современных аппаратов они уже не подходят из–за больших габаритов, но собрать из старых транзисторов небольшую фотопанель — вполне реально.

Лучше всего из подручных материалов найти транзисторы типа КТ или П:

Чтобы добраться до фотоэлемента, необходимо аккуратно срезать ее верхнюю часть. Под ней и находится кремневый полупроводниковый элемент — фотоэлемент. Срезать крышечку можно, если зажать аккуратно деталь в тиски, ножовкой по металлу.

Под ней видна пластина. Именно она и будет основным элементом в будущей схеме.

Есть три выводных контакта:

• база;
• эмиттер;
• коллектор.

Нам нужен коллектор. Именно он обладает хорошей разностью потенциалов.

Соберите начальную цепочку по схеме:

Собирать все элементы необходимо на ровной поверхности из диэлектрического материала. Исходя из параметров будущей фотопанели, собирается последовательная цепочка из деталей. И потом набирается параллельная группа из таких цепочек.

Если один транзистор способен выдавать 0,35 В и силу тока при КЗ в 0,25 мкА, то подобрать расчетное количество цепочек из радиодеталей можно опираясь на эти характеристики.

Не стоит забывать, что собранная батарея из светодиодов будет нуждаться в охлаждении. Поэтому не рекомендуется размещать детали плотно и близко друг от друга. Так будет лучше работать естественная вентиляция.

Опытные мастера знают, что такая конструкция неудобна из–за больших габаритов. Гораздо практичней солнечная батарея из диодов своими руками.

В любом случае попробовать спаять альтернативный источник энергии есть смысл по двум причинам:

1. Как минимум, будут пристроены старые радиодетали.
2. От него можно запитать электронные часы или даже небольшой радиоприемник.

Фотоэлектрические системы частного дома

Электрические домашние системы энергообеспечения с использованием солнечных элементов можно разделить на 3 вида:

• автономная;
• гибридная;
• безаккумуляторная.

Если дом подключен к центральной энергосети, то оптимальным вариантом будет смешанная система: днем питание производится от солнечных батарей, а ночью – от аккумуляторов. Центральная сеть в данном случае является резервом. Когда нет возможности подключиться к центральному энергоснабжению, его заменяют топливными генераторами – бензиновыми или дизельными.

Контроллер необходим для предотвращения короткого замыкания в момент максимальной нагрузки, аккумулятор – для накопления энергии, инвертор – для распределения и подачи ее к потребителю

При выборе наиболее удачного варианта следует учитывать время суток, в которое происходит максимальное потребление энергии. В частных домах пиковый период выпадает на вечер, когда солнце уже зашло, поэтому логичным будет использовать либо подключение к общей сети, либо дополнительное применение генераторов, так как солнечное энергоснабжение происходит в дневное время.

В фотоэлектрических системах энергоснабжения используют сети и с постоянным, и с переменным током, причем второй вариант подходит для размещения приборов на расстоянии более 15 м

Для дачников, режим работы которых часто совпадает со световым днем, подходит солнечная энергосберегающая система, которая начинает функционировать вместе с восходом солнца, а заканчивает вечером.

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.

Материалы для создания солнечной пластины

Приступая к сооружению солнечной батареи необходимо запастись следующими материалами:

• силикатные пластины-фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• шурупы, саморезы;
• силиконовой герметик для наружных работ;
• электрические провода, диоды, клеммы.

Количество требуемых материалов зависит от размера вашей батареи, которая чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Из инструментов вам понадобиться: шуруповёрт или набор отвёрток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для проведения испытаний готовой батареи понадобиться тестер-амперметр.

Теперь рассмотрим самые важные материалы более подробно.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы для батарей бывают трёх видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины характеризуются низким КПД. Размер полезного действия составляет около 10 – 12 %, но зато этот показатель не понижается с течением времени. Продолжительность работы поликристаллов – 10 лет.

Солнечную батарею собирают из модулей, которые в свою очередь составляют из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с жесткими кремниевыми фотоэлементами представляют собой некий сэндвич с последовательно расположенными слоями, закрепленными в алюминиевом профиле

Монокристаллические фотоэлементы могут похвастаться более высоким КПД – 13-25% и долгими сроками работы – свыше 25 лет. Однако со временем КПД монокристаллов снижается.

Монокристаллические преобразователи получают путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что и объясняет наиболее высокую фотопроводимость и производительность.

Пленочные фотопреобразователи получают путем нанесения тонкого слоя аморфного кремния на полимерную гибкую поверхность

Гибкие батареи с аморфным кремнием – самые современные. Фотоэлектрический преобразователь у них напылен или наплавлен на полимерную основу. КПД в районе 5 – 6 %, но пленочные системы крайне удобны в укладке.

Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились сравнительно недавно. Это предельно простой и максимально дешевый вид, но быстрее соперников теряющий потребительские качества.

Нецелесообразно использовать фотоэлементы разного размера. В данном случае максимальный ток, вырабатываемый батарей, будет ограничен током наиболее маленького по размеру элемента. Значит, более крупные пластины не будут работать на полную мощность.

При покупке фотоэлементов поинтересуйтесь у продавца способом доставки, большинство продавцов используют метод воскования, чтобы предотвратить разрушение хрупких элементов

Стоимость фотоэлементов достаточно высока, но многие магазины продают так называемые элементы группы В. Изделия, отнесённые к этой группе имеют брак, но пригодны к использованию, а их стоимость ниже, чем у стандартных пластин на 40-60%.

Каркас и прозрачный элемент

Каркас для будущей панели можно сделать из деревянных реек или алюминиевых уголков.

Второй вариант более предпочтителен по целому ряду причин:

• Алюминий – лёгкий металл, не дающий серьёзной нагрузки на опорную конструкцию, на которую планируется установка батареи.
• При проведении антикоррозийной обработки алюминий не подвержен воздействию ржавчины.
• Не впитывает влагу из окружающей среды, не гниёт.

При выборе прозрачного элемента необходимо обратить внимание на такие параметры, как показатель преломления солнечного света и способность поглощать ИК-излучение. От первого показателя напрямую будет зависеть КПД фотоэлементов: чем показатель преломления ниже, тем выше КПД кремниевых пластин

От первого показателя напрямую будет зависеть КПД фотоэлементов: чем показатель преломления ниже, тем выше КПД кремниевых пластин.

Минимальный коэффициент светоотражения у плексиглас или более дешёвого его варианта – оргстекла. Чуть ниже показатель преломления света у поликарбоната.

От величины второго показателя зависит, будут ли нагреваться сами кремниевые фотоэлементы или нет. Чем меньше пластины подвергаются нагреванию, тем дольше они прослужат. ИК-излучения лучше всего поглощает специальное термопоглощающее оргстекло и стекло с ИК-поглощением. Немного хуже – обычное стекло.

Если есть возможность, то оптимальным вариантом будет использование в качестве прозрачного элемента антибликового прозрачного стекла.

По соотношению стоимости к показателям преломления света и поглощения ИК-излучения оргстекло – самый оптимальный вариант для изготовления гелиобатареи

Как сделать солнечную батарею своими руками

Сначала определимся с инструментами, материалами и правилами их выбора.

Инструменты

• Ножовка по дереву или металлу – нужна для резки заготовок.
• Шуруповерт – понадобится при скреплении деталей основания и боковин шурупами-саморезами. Если его нет, можно обойтись отверткой.
• Паяльник – необходим для пайки токопроводящих дорожек.
• Мультиметр – этим прибором на завершающем этапе проверяются вольтамперные характеристики готового изделия.

Материалы

• Фотоэлектрические ячейки-пластины на основе кремния с токопроводящими дорожками.
• Деревянные рейки.
• Листы ДСП.
• Алюминиевые уголки.
• Поролоновые прокладки, толщина около 2 см.
• Лист прозрачного материала, который послужит подложкой.
• Пакет саморезов. 
• Банка герметика.
• Набор проводов.
• Клеммы и диоды.

Правила выбора комплектующих и числа ячеек

Для сборки солнечной батареи своими руками в домашних условиях потребуется соблюдать следующие правила выбора.

Фотоэлементы. Обязательное условие – абсолютно одинаковые размеры. Наиболее распространенные габариты 3х6 дюйма. Покупаются обычно на Ali Express или других китайских сайтах. Максимально выгодно приобретать готовыми пачками, по 36 ли 72 шт. Единственный недостаток – в самых дешевых наборах часто встречается брак. 
Клеммы и токопроводящие шины

Приобретаются для соединения фотоэлектрических ячеек в единый модуль
Важно помнить, что кремниевые пластинки очень хрупкие, поэтому обращаться с ними в процессе припайки следует предельно осторожно!

Деревянные рейки или алюминиевый профиль для рамы. Собирая солнечную батарею своими руками из подручных средств, предпочтительнее использовать алюминий
Этот авиационный металл легкий, дешевый, не подвержен коррозии и не гниет, подобно древесине

Купить готовые профили любых размеров несложно в обычных хозяйственных магазинах.

Прозрачные защитные листы. Могут быть поликарбонатными, плексигласовыми, акриловыми или стеклянными с антибликовым покрытием. Последний вариант дороже, но наиболее предпочтителен, поскольку обладает наивысшим коэффициентом поглощения лучей. Дополнительное его преимущество – минимальная среди перечисленных материалов степень нагрева, что способствует повышению КПД.

Число и общая площадь ячеек. Лучшие самодельные панели, как установлено опытным путем, выдают порядка 100-120 Вт на квадратный метр площади. На первый взгляд кажется, что выгодно сделать и сами модули, и их количество как можно большим. Но на практике даже одна солнечная батарея, собранная своими руками, требует долгих часов, а иногда и дней кропотливого труда. При этом в процессе пайки нельзя допускать ни одной ошибки, иначе вся проделанная работа пропадет зря. Поэтому рассчитывать на создание полноценной мощной СЭС не  стоит. Обычно вручную, а не на заводских автоматических линиях, реальной оказывается сборка одной- двух, редко трех-четырех панелей.

Место размещения

Оптимальным местом установки готовых модулей должен быть участок земли или пространство на крыше, постоянно освещаемые солнцем. 

Для повышения производительности в любое время года панели желательно закреплять на конструкциях, позволяющих осуществлять поворот модулей. Тогда азимут и угол наклона относительно солнца всегда будет приближенным к идеальному положению. Собрать такие конструкции также несложно самостоятельно.

Изготовление в домашних условиях

Для того чтобы готовая конструкция качественно выполняла свои функции и обеспечивала людей достаточным количеством электричества, необходимо правильно её изготовить. Для этого нужно учитывать много факторов и выбирать только высококачественные материалы.

Основные требования

Перед тем как своими руками сделать солнечную батарею, необходимо выполнить ряд подготовительных мероприятий и тщательно изучить все требования, предъявляемые к устройству. Это поможет получить работающую установку и упростить процесс её монтажа.

Чтобы солнечная панель работала на максимуме своих возможностей, необходимо соблюдать такие требования:

1. Готовое изделие отличается повышенной хрупкостью, поэтому его нужно защитить специальным каркасом.
2. Размер конструкции зависит от количества необходимой электроэнергии. При этом следует учитывать, что увеличение количества проводников приведёт к повышению массы батареи.
3. В корпусе устройства должны быть предусмотрены боковые бортики небольшой величины. Всё это нужно для того, чтобы отбрасываемая ими тень закрывала минимальное рабочее пространство батареи.
4. Конструкция устанавливается на открытом воздухе, поэтому будет подвергаться постоянному воздействию атмосферных явлений. Из-за этого внутренняя и внешняя часть корпуса должна быть покрыта качественной влагостойкой краской.
5. В каркасе необходимо предусмотреть место для изготовления подложки.
6. В нижней части панели нужно сделать небольшие отверстия для вентиляции. С их помощью будет выводиться газ, который образовывается в процессе работы батареи.

Материалы и инструменты

Наиболее важными деталями устройства считаются фотоэлементы. Производители предлагают покупателям только 2 их разновидности: из монокристаллического (КПД до 13%) и поликристаллического кремния (КПД до 9%).

Для изготовления панели понадобятся такие материалы и инструменты:

• набор фотоэлементов;
• крепёжные детали (метизы);
• вакуумные подставки из силикона;
• медные провода, способные работать при большой мощности;
• алюминиевые уголки;
• диоды Шоттки;
• паяльное оборудование;
• набор винтов;
• прозрачный лист из плексигласа или поликарбоната.

Порядок действий

Для того чтобы сделать солнечные батареи своими руками в домашних условиях, необходимо соблюдать последовательность действий. Только в этом случае можно избежать ошибок и добиться желаемого результата.

Процесс изготовления панели прост и состоит из следующих этапов:

Берётся набор поли- или монокристаллических фотоэлементов и детали собираются в общую конструкцию. Их количество определяется исходя из требований владельцев дома. На фотоэлементы наносятся контуры, образующиеся из олова припаянные проводники. Эта операция выполняется на ровной стеклянной поверхности при помощи паяльника. По заранее подготовленной электрической схеме соединяются друг с другом все ячейки. При этом обязательно нужно подключить шунтирующие диоды. Идеальным вариантом для солнечной батареи будет использование диодов Шоттки, предотвращающих разрядку панели в ночное время. Конструкция из ячеек перемещается на открытое пространство и тестируется на работоспособность. При отсутствии каких-либо проблем можно начинать сборку каркаса. Для этих целей используются специальные уголки из алюминия, которые крепятся к элементам корпуса при помощи метизов. На внутренние части реек наносится и равномерно распределяется тонкий слой силиконового герметика. Поверх него кладётся лист из плексигласа или поликарбоната и плотно прижимается к контуру рамы. Конструкция оставляется на несколько часов для полного высыхания силиконового герметика. Как только этот процесс завершился, прозрачный лист дополнительно крепится к корпусу при помощи метизов. Вдоль всей внутренней части получившейся поверхности помещаются выбранные фотоэлементы с проводниками

При этом важно оставлять небольшое расстояние (примерно 5 миллиметров) между соседними ячейками. Для упрощения этой процедуры можно заранее нанести необходимую разметку

Установленные ячейки надёжно фиксируются на раме с помощью монтажного силикона, а панель полностью герметизируется

Всё это поможет увеличить срок работы солнечной батареи. Изделие оставляется для высыхания нанесённой смеси и приобретает свой окончательный вид.

Выводы и полезное видео по теме

Владельцы загородного жилья уже давно оценили достоинства альтернативной энергии и активно используют СЭС в качестве постоянного или резервного источника. Полезные рекомендации от пользователей солнечных электростанций помогут вам с монтажом собственной системы.

Видео #1. Пошаговый инструктаж по сборке и подключению:

Видео #2. Разбор нередко встречающихся ошибок при выборе и установке оборудования:

Видео #3. Обзор одного из вариантов домашней установки:

Использование альтернативной энергии для нужд человечества – это действительно большой технологический скачок. Сегодня каждый домовладелец может самостоятельно собрать и подключить солнечную электростанцию, питающую дом электричеством. С учетом окупаемости и экологической чистоты это практичное и результативное решение.

Хотите рассказать о том, как собрали небольшую солнечную электростанцию собственными руками? Есть интересные факты и полезные сведения по теме статьи? Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке, делитесь впечатлениями, мнением и тематическими фотоснимками.