Солнечная батарея своими руками: экологичная дешёвая электростанция

Большая доля электроэнергии в городских жилищах появляется от работающих тепловых электростанций. В топках котлов сжигается топливо: уголь, мазут или газ. В котлах нагретая вода превращается в пар, который крутит паровую турбину, она вращает электрогенератор. Вот он и вырабатывает электрический ток, идущий по проводам в жилые дома. А дым от сожжённого топлива, особенно от угля, по небу расползается над землёй, загораживает солнечный свет, отравляет воздух.

Инженеры и учёные давно ищут альтернативу тепловой энергетике. Атомные, гидравлические, ветряные и солнечные электростанции тоже вырабатывают электроэнергию, но пока ещё в недостаточных количествах. И нельзя сказать, что она получается значительно дешевле. В загородном доме, который ещё не подключен к электроснабжению, или в моменты аварийного отключения от сети приходится пользоваться аккумулятором. А его тоже необходимо подзаряжать. А иногда и сэкономить на оплате электроэнергии хочется. В этих случаях можно взять бесплатную энергию от солнца. Правда, сначала нужно заплатить за солнечный генератор. А при большом желании и некотором умении его можно собрать своими руками. Но кое-что всё-таки придётся докупить.

Что представляет собой солнечная батарея

Солнечная батарея – это комплект специализированных фотоэлементов, которые при облучении солнечным светом генерируют электрический ток. Законченное изделие, применяемое на практике, включает в свой состав инвертор, зарядное устройство, аккумулятор. Фотоэлементы соединены в группы последовательно и параллельно, таким образом получается определённая сила ток и его напряжение. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный. Зарядное устройство нужно для зарядки аккумулятора, ведь солнце ночью не светит.

ФОТО: avatars.mds.yandex.net

Разновидности

Солнечные батареи классифицируются по целой гамме признаков. Кремниевые батареи имеют два вида – монокристаллические, изготовленные из очень чистого кремния, и поликристаллические, полученные постепенным охлаждением кремния.

Монокристаллические изготавливаются из одного монокристалла, выращенного из кремния в определённых условиях. Представляют собой тонкий поперечный срез этого кристалла. КПД составляет 17–22%. Это самые дорогие и качественные элементы. Внешне выглядят как чёрные прямоугольники со скошенными краями.

Поликристаллические фотоэлементы разработаны для того, чтобы снизить себестоимость и конечную цену элементов. Изготавливаются из расплава кремния, состоящего из множества кристаллических образований. КПД составляет 12–18%. Характеристики этих элементов несколько снижены, но и цена более доступная для массового покупателя. Внешне они представляют собой синие прямоугольники.

Плёночные батареи (они же аморфные) подразделяются на следующие виды. На основе теллурида кадмия, который обладает высоким коэффициентом светопоглощения, и на основе селенида меди – индия, у которого КПД выше, чем у предыдущих. Полимерные солнечные батареи отличаются дешевизной материала, экологичностью, эластичностью. Аморфные элементы имеют более слабые характеристики, чем моно- или поликристаллические конструкции. Однако они намного дешевле, что позволяет получить общую мощность аморфных солнечных панелей, не уступающую более производительным конструкциям. Разница только в количестве элементов. Аморфные солнечные батареи изготавливаются из разных материалов, могут быть жёсткими или гибкими. Особенностью таких панелей является способность работать в пасмурную погоду, когда освещённость низкая.

ФОТО: stroyday.ru

Преимущества и недостатки

Солнечная энергетика имеет много преимуществ перед традиционной тепловой:

Но и без минусов не обходится. У фотоэлементов низкое светопоглощение, они обрабатывают только около 20% поступающих солнечных лучей, и у них к тому же низкий КПД. Если сравнивать их с классическими источниками электроэнергии, солнечные батареи производят только около 15% от поглощённой солнечной энергии. У фотоэлементов большая зависимость от погоды: в пасмурные или туманные дни КПД резко падает.

На какую мощность можно рассчитывать

Мощность солнечной батареи — это количество электроэнергии, которое батарея способна выдать в единицу времени. Теоретически возможная мощность характеризуется солнечной постоянной – 1 кВт на 1 м². Эта величина измерена на экваторе при 250 °С и обозначает количество энергии, прошедшее через земную атмосферу и падающее вертикально на земную поверхность в солнечный день. КПД солнечного элемента 16%. Это значит, что с одного квадратного метра можно получить в лучшем случае около 160 Ватт электричества. На практике достичь такой величины мощности невозможно.

Расчёт солнечной электростанции должен учитывать поправки на сезонные условия, длительность дня в данной точке планеты и другие природные факторы.

ФОТО: avatars.mds.yandex.net

Дополнительное оборудование тоже потребляет электрическую энергию. Корректный расчёт требуемого количества солнечных панелей можно сделать и по формулам, и по онлайн-калькулятору. А ещё можно изучить опыт соседей, которые уже смонтировали солнечную электростанцию.

Сборка представленной на рис. 3 батареи проводилась из 36 пластинок размером 80 х 150 мм. Производительность каждой пластинки по 2,1 Вт, общая мощность прибора 76 Вт.

Правила конструирования

Правила конструирования технических изделий выработаны давно и проверены при выполнении многих десятков тысяч различных конструкторских работ. Результатом конструирования является комплект рабочей документации, по которой можно изготовить задуманное изделие.

Всё начинается с разработки технического задания (ТЗ). В этом документе формулируется цель работы, технические характеристики изделия, краткое техническое описание (принцип действия), приводится экономический анализ.

Затем разрабатывается комплект рабочей документации: чертежи общего вида, чертежи всех деталей, перечень всех деталей – спецификация. Приводится описание технологии изготовления некоторых самодельных устройств.

Как самостоятельно сделать солнечную батарею

Конечно, фотоэлементы самостоятельно сделать нельзя, их надо покупать. И остальные компоненты батареи продаются в магазинах электроники. Но сборка батареи из готовых компонентов заводского изготовления вполне доступна умелому самодельщику, знакомому с основами электротехники.

Инструменты

Для работы потребуются паяльник, оловянный легкоплавкий припой, ножовка по металлу, острый нож, отвёртки, плоскогубцы. Необходимы измерительные приборы – мультиметр или по отдельности вольтметр, амперметр, омметр.

Рабочий чертёж

Рабочие чертежи в совокупности составляют комплект рабочей документации. В их составе должны быть чертежи конструкции, собранной из фрагментов, и общая электрическая схема всей солнечной батареи, состоящей из нескольких крупных самостоятельных устройств. В проект должно быть включено техническое описание всего устройства, инструкция по эксплуатации и способы устранения некоторых типичных неисправностей.

Подборка компонентов

Для создания солнечной батареи необходимо иметь следующее:

• силикатные пластины — фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки для создания конструктива (основного каркаса);
• жёсткий поролон толщиной 1,5–2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• эпоксидный компаунд или заменяющий его силиконовый герметик для наружных работ;
• шурупы, саморезы;
• электрические провода, диоды, клеммы;
• рамку – выполняет роль основного каркаса, в котором располагается вся солнечная батарея. Состоит из основания – ДСП, USB, фанеры и прочих металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для их соединения;
• аккумуляторную батарею, которая является накопителем сгенерированной в светлое время суток электрической энергии с целью её дальнейшего использования;
• инвертор – служит для преобразования постоянного напряжения в переменное, которое нужно для подключения к солнечной батарее любых бытовых приборов.

Инструкция по изготовлению

Создание солнечной батареи для многих людей, даже специалистов в технике, является делом незнакомым и непривычным. Особенно это относится к сборке больших солнечных панелей из сравнительно малых по размерам фотоэлементов. Поэтому необходимо тщательно изучить инструкции, пообщаться со специалистами и (желательно) немного потренироваться.

Объединение нескольких отдельных пластин

Отдельные фотоэлементы необходимо собрать в укрупнённые панели. Их раскладывают на столе рядом, между ними создают зазор примерно в 5 мм для температурного расширения отдельных элементов и проводами спаивают соответствующе схеме клеммы. Припой на основе олова, низкотемпературный, рекомендуется ПОС-61. Паяльник мощностью не более 45 Вт, но ещё лучше использовать паяльную станцию.

ФОТО: avatars.mds.yandex.net

Изготовление рамы и защитного экрана

Рама является основанием солнечной панели. Может быть собрана с маленькими бортами из пластика, дерева или металлического профиля. В днище короба сверлятся отверстия диаметром 10 мм для притока охлаждающего панель воздуха. В короб укладывается демпфирующий лист поролона, а на него – панель спаянных фотоэлементов. Для защиты фотоэлементов от атмосферных осадков они накрываются прозрачным стеклом.

Сборка компонентов

Когда рама с уложенными фотоэлементами и защитным стеклом готова, следует проверить её работоспособность. Надо вынести сборку на солнце и подключить измерительные приборы. Если сборка фотоэлементов заработает, можно начинать сборку солнечной батареи из составляющих её компонентов. Структура солнечной батареи показана на рисунке.

ФОТО: avatars.mds.yandex.net

Особенности изготовления из подручных материалов

Умельцы ухитряются строить солнечные энергетические станции без применения фотоэлементов. Так, пивные банки превращаются в эффективный нагреватель воздуха.

Модели из фольги и варианты из пивных банок

Небольшие манипуляции с медной фольгой превращают её в фотоэлемент. Кусок фольги прокаливается полчаса на плите, от него отслаивается оксидная плёнка. Затем без нагрева берётся второй кусок. Оба куска помещаются в сосуд с соляным раствором, из пластин и нагрузки собирается электрическая цепь.

Из пустых пивных банок тоже можно сделать нагреватель воздуха. Банки снаружи покрываются чёрной краской. Из них собираются воздушные туннели, в которые вентилятором загоняется воздух. Чёрная поверхность очень сильно нагревается на солнце и нагревает воздух в баночном туннеле. В помещение он проходит уже почти горячим.

Варианты из транзисторов и модели из диодов

В любом старом транзисторе при его разборке можно обнаружить кремниевую пластинку. Это и есть фотоэлемент. При очень хорошем освещении пластинка генерирует постоянный ток силой около 1мА. И несколько спаянных пластин смогут зарядить маломощный аккумулятор. Для этой цели отлично подходят мощные кремниевые транзисторы с буквенной маркировкой КТ или П.

Фотоэлемент можно создать самому, вытащив кремний из старых диодов.

ФОТО: avatars.mds.yandex.net

Как выбрать место установки

Мощность солнечной батареи зависит от интенсивности её освещения. А эта величина сама зависит от множества факторов: погодных условий, температуры окружающего воздуха, времени суток, времени года, координат точки установки батареи на планете, угла падения солнечных лучей. Нужно проследить и за тем, чтобы тень от деревьев и соседних высоких построек не падала на солнечную панель.

Подключение к потребителям

От правильности подбора компонентов системы и соблюдения правил сборки зависит эффективность работы солнечной электростанции. Основные компоненты системы:

• солнечные панели, преобразующие солнечный свет в электричество;
• контроллер, управляющий зарядкой аккумулятора;
• инвертор – преобразует постоянный ток в переменный.

Порядок подключения компонентов: сначала соединяют контроллеры с аккумуляторами для их проверки. Затем контроллер подключают к панелям. Затем к АКБ подключается инвертор, а к нему – потребители.

Заключение

Солнце снабжает энергией всё живое на Земле: обеспечивает обмен веществ в растениях, способствует выработке витаминов в живых организмах, прогревает почву, растопляет льды и может генерировать электричество. Человек понял, как это происходит, и создал технические средства, чтобы солнце служило ему, так как оно является самым экологичным источником энергии.