Солнечная батарея своими руками: пошаговый мастер-класс

Какой вариант выбрать?

Первое, что вам нужно, это купить солнечный инвертор. Различные модели предлагаются как отечественными, так и зарубежными производителями. Самыми дешевыми вариантами являются китайские кремниевые солнечные батареи. У них есть ряд недостатков, но по сравнению с американскими и отечественными они намного дешевле. Все модели в зависимости от вида делятся на три вида:

• монокристаллические модули – состоят из искусственно выращенных кристаллов достаточно больших размеров. Они имеют самый высокий КПД 13 — 26% и самый большой срок службы 25 лет. Недостатком солнечных панелей на их основе является снижение максимального КПД в период эксплуатации.
• поликристаллические солнечные элементы – по сравнению с предыдущими имеют значительно меньший срок службы, как заявляет производитель – 10 лет. Они тоже могут выдавать всего 10 – 12% КПД по сравнению с предыдущими, но этот параметр остается у них постоянным на протяжении всего периода эксплуатации.
• аморфные батареи представляют собой пленочные батареи, в которых аморфный кремний нанесен на гибкую подложку. Такие фотоэлементы появились сравнительно недавно и их можно клеить на любую поверхность – окна, стены и т д. Они характеризуются самым низким КПД – 5 – 6%.

Выбор того или иного вида зависит от ваших пожеланий и задач. Например, если количество солнечного излучения в вашем районе относительно невелико, лучше установить монокристаллические инверторы, так как они имеют самый высокий КПД.

Подготовка инструментов и выбор материалов

Помимо инверторов, для сборки полноценной солнечной панели потребуются следующие материалы:

• Припой. Для солнечного элемента требуется легкоплавкий сплав олова.
• Соединительные провода — выбираются однопроволочные марки меди. Неизолированные проводники используются для соединения монокристаллических и поликристаллических пластин, а изолированные — для отвода тока.
• Рамка — создает основную рамку, на которой размещается вся солнечная панель. Он состоит из основы – ДСП, УСБ, фанеры и других, металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для соединения.
• Стеклянная или полимерная пластина – создают защитный слой над монокристаллическими пластинами, а также служат в сочетании с рамой для сокрытия элементов от воздействия атмосферных осадков и механических воздействий.
• Герметик — лучший материал для герметизации — эпоксидка, но это достаточно дорогое удовольствие, поэтому его можно заменить силиконовым герметиком.
• Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления электрической энергии в светлое время суток для дальнейшего использования. Не стоит экономить при выборе аккумулятора, так как качественная модель прослужит намного дольше.
• Инвертор — используется для преобразования постоянного напряжения в переменное. Преобразователь напряжения необходим для подключения всех бытовых приборов к солнечной батарее.

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

Как собрать солнечную батарею в домашних условиях?

Если после изучения представленной выше информации желание заняться производством солнечной батареи не пропало, можно поэкспериментировать, изготовив и испытав собственное творение. Далее будет подробно рассмотрена сборка панели из монокристаллических дисков.

Монокристаллическая пластина 78×156 мм с двумя собирающими щелями на лицевой стороне. Симметрично им на обратной стороне платы линии пайки сборных шин обозначены фигурными контактными окошками.

В показанном примере домашний мастер собирает панель размером 750 х 960 мм, состоящую из жестких монокристаллических панелей толщиной 36 мм. Пластины установлены в четыре ряда по 9 фотоэлементов в каждом. Зазор ок. Между фотоэлементами выдерживается 10 ÷ 12 миллиметров.

Солнечные панели установлены на перилах балкона, а также прикреплены к стеклу. Такая установка будет актуальна, если балкон находится на солнечной стороне дома. Красной рамкой выделена панель, установка которой будет отображаться.

	Для работы вам в первую очередь понадобятся сами пластины. Мастер рекомендует покупать их с запасом, так как они могут иметь разные параметры выходного напряжения, и из них нужно будет выбрать 36 штук, имеющих наиболее близкие друг к другу показатели. Шина представляет собой луженую медную ленту, то есть она уже луженая, что облегчает пайку. Потребуется около 10 метров узкой покрышки шириной 1,6 мм и 2 метра шириной 5 мм. Для электромонтажных работ необходимо приготовить обычный паяльник мощностью 40 Вт, флюс для пайки представляет собой растворенную в спирте канифоль, спирт для обезжиривания поверхностей припоя и последующей их очистки от остатков флюса, ватные диски и палочки. В данном случае в качестве основы для монтажа всего модуля используется акриловое стекло толщиной 5 мм. Для последующей герметизации фотоэлементов мастер решил использовать прочную бесцветную прозрачную ПВХ-пленку ORACAL®751, которая часто используется для крепления рекламы на транспортных средствах.
	Несколько слов о том, почему ширина шины 1,6 мм. Металл имеет свойство расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. На солнечной батарее этот процесс будет происходить постоянно, то есть днем ​​впаянные шины будут увеличиваться в размерах, а ночью — наоборот, что не очень полезно для конструкции. На опыте мастер тестировал ленту шириной 2 мм, и все же выбрал ширину 1,6 мм. По токопроводящим свойствам эти шины мало чем отличаются друг от друга, а более узкая все же меньше подвержена линейной деформации.
	Подготовив все необходимое, в первую очередь имеет смысл рассортировать тарелки. Как было сказано выше, несмотря на то, что это одна модель, в практической работе они часто могут иметь разную производительность. А для слаженной работы аккумулятора значения генерируемого напряжения должны быть максимально близки друг к другу. Например, в данном случае при тестировании было установлено, что фотоэлементы в равных условиях (при искусственном освещении) могут выдавать от 0,19 до 0,35 вольта. Лучше, если в одной панели будут собраны элементы, имеющие максимально близкие значения, например, от 0,30 до 0,33 вольта. Если в комплекс установить один-два элемента, существенно различающихся по выходному напряжению, они создадут лишнее сопротивление и начнут перегреваться. Таким образом, пластины, явно выпадающие из общей массы, отбраковываются.
	При установке плит между ними будет зазор 10÷12 мм. Это необходимо для того, чтобы пленка, которой крепятся элементы к акриловому стеклу, удерживала их со всех сторон.
	Далее нужно положить на стол две доски на расстоянии 10 мм, и с их помощью измерить, какой длины нужно нарезать узкие покрышки. Как видите, на внешней стороне пластин для крепления есть две металлические токосъемные планки, а на обратной стороне точки крепления обозначены пунктиром, с окошками.
	На лицевой стороне тарелки ок. От верхнего края отводится 3 мм.
	С тыльной стороны второй панели шина также не должна доходить до нижнего края на те же 2÷3 мм.
	После определения длины соединительной шины вдоль нее измеряют остальные соединительные элементы. На каждые две пластины потребуется две штуки покрышки, т.е всего нужно 72 штуки. В разрезе шины выглядят так, как показано на картинке. Совсем не обязательно заготавливать сразу все отрезки – их можно срезать в процессе работы. Но если они все же заготовлены сразу, рекомендуется собрать их и скрепить резинкой. Так они не потеряются и не будут мешать на столе.
	Сначала к лицевой стороне всех плат припаиваются шины. Но перед пайкой металлические токосъемные планки на пластинах необходимо подготовить, обезжирив спиртом. Для этой работы удобно использовать ватные палочки – их обмакивают в спирт и проводят по полоске. Этот процесс необходим для улучшения качества пайки.
	Следующим подготовительным этапом является нанесение очищенных спиртом полосок канифольного флюса. Лучше, если он будет перелит в эластичную емкость в виде маркера (клеевого стержня) с мягким наконечником. Так будет легче работать, при необходимости выдавить и распределить необходимое количество состава.
	Следующим шагом будет припайка шин с внешней стороны пластин. Шина укладывается на металлическую контактную планку и регулируется. Далее, удерживая большую часть покрышки, аккуратно прижимают ее к полоске, верхняя сторона фиксируется паяльником длиной 20÷30 мм. Дополнительный припой в этом случае не используется — достаточно слоя олова на самой шине. Теперь она закреплена и не сможет двигаться, поэтому закрепить оставшуюся длинную сторону на поверхности будет достаточно просто.
	Для этого пластину нужно повернуть к себе противоположной стороной, чтобы длинная часть покрышки оказалась под рукой. Держите шину и немного потяните ее, аккуратно проведите по ней паяльником, следя за тем, чтобы она не соскальзывала в сторону. Герметичная лента хорошо припаивается к правильно подготовленной поверхности – достаточно один раз не торопясь провести по ней хорошо нагретым паяльником. Если на ленте остались заусенцы, их нужно сразу зачистить, так как эта сторона пластин должна быть прижата к акриловому стеклу.
	После припайки обеих лент к плате их необходимо протереть спиртом с помощью ватной палочки или диска. Весь оставшийся флюс необходимо удалить с поверхности.
	Аналогично последовательно подготавливаются все 36 пластин или только 9 фотоэлементов для сборки одной из четырех полос солнечной панели. Здесь каждый мастер делает то, что ему удобнее.
	Далее будет рассмотрен монтаж подготовленных фотоэлементов в полосу. Таким же образом производится подключение оставшихся трех планок к солнечной панели.
	Сначала берется тарелка, которая становится первой в полосе. Его кладут лицевой стороной вниз на стол вместе с припаянными к нему шинами. Затем полоски для пайки, выделенные на обратной стороне пластины контактными окошками, обрабатывают спиртом, а затем флюсом. Далее, отступив от края примерно 3 мм по линии, проходящей через окна, укладывается кусок покрышки, и так же, как и снаружи, припаивается к поверхности. Свободные концы шин должны располагаться в направлении, противоположном припаянным к лицевой поверхности – они понадобятся при смене всего количества элементов на обычную батарею с широкими шинами.
	Теперь нужно соединить между собой первую и вторую пластину в ряду. Для этого концы шин, припаянные к передней части первой пластины, необходимо вывести на заднюю часть второй пластины. При этом пластины располагают параллельно друг другу с фиксированным расстоянием (10 мм). Для удобства можно заранее сделать разметку на рабочем столе, то есть сделать своеобразный шаблон взаимного расположения пластин.
	Места пайки контактов обрабатываются спиртом, а затем на них наносится флюс.
	Теперь можно припаять шины. Для этого их также проводят осторожно, медленно нагретым паяльником. После пайки обеих колод их также необходимо протереть спиртом, чтобы удалить остатки флюса.
	При этом третья и все последующие тарелки в ряду меняются аналогичным образом. В результате должны получиться четыре полосы с 9 фотоэлементами, соединенными, как показано на рисунках.
	Готовые, спаянные ряды фотоэлементов укладываются поочередно на заранее подготовленное акриловое стекло нужного размера. От краев элементов до края стекла необходимо соблюдать расстояние 50 ÷ 60 мм. На стекле ряды временно фиксируются короткими полосками прозрачного скотча.
	«Золотое правило» последовательного включения блоков питания постоянного тока: плюс предыдущего элемента соединяется с минусом следующего — и так далее. В строю это правило соблюдается. Теперь очень важно не сломать его, когда будете ставить ряды в батарею. Таким образом, части шин в первом и третьем рядах, выступающие слева, следует припаять к внешней стороне панели, которая в данном случае обращена к акриловой поверхности. Во втором и четвертом рядах должны выступать концы шин, прикрепленных к тыльной стороне светлой стороны пластин. Если вы допустите ошибку, последовательное соединение будет разорвано, и батарея не будет работать.
	В результате макет сложенной панели должен выглядеть так. Когда все ряды закреплены на стекле скотчем, их необходимо объединить в одну систему.
	Электрическое подключение осуществляется по представленной схеме. В итоге вверху будет «плюс», внизу «минус».
	В качестве соединительных элементов используются широкие шины – это наглядно показано на схеме выше. К ним припаиваются выступающие концы тонких шин. Излишки после пайки следует обрезать кусачками.
	На этой картинке хорошо видна крайняя точка переключения шины. После окончания работы панель необходимо проверить на работоспособность с помощью тестера, сменив его на вольтметр и установив щупы на плюс и минус.
	Панель можно проверить сначала на рабочем столе — основных индикаторов не будет, но составная панель продемонстрирует, что она «живая». А потом можно проверить, вынеся батарею на солнце.
	Щупы мультитестера крепятся к крайней положительной и отрицательной шинам.
	Даже в пасмурную погоду на холостом ходу аккумулятор выдает 19,4 вольта — это говорит о правильном подключении панелей.
	Во время теста не было солнца, а ток небольшой, всего около 0,5 ампера. Но даже в пасмурную погоду аккумулятор выдает около 10 Вт энергии.
	Параллельно рекомендуется проверить пластины на предмет перегрева — это легко почувствовать тыльной стороной ладони. Если отдельные пластины на общем фоне явно перегреваются, их желательно сразу заменить — сделать это пока несложно.
	Если аккумулятор исправен, можно его окончательно заклеить — завернуть в пленку. Срок службы этой плёнки семь лет, но как показывает практика, она отлично работает и дольше. Пленка имеет клеевой слой, покрытый защитной подложкой, которая удаляется по мере приклеивания покрытия к фотоэлементам и акриловому стеклу.
	Первое, что вам нужно сделать, это разложить пленку поверх конструкции и выровнять край, с которого она начнет приклеиваться. От того, насколько выровнен край, зависит качество склейки всей дорожки. Должна быть достигнута полная герметизация, без складок и пустот, так как пленка предназначена для надежной защиты фотоэлементов от внешних воздействий.
	Затем нужно аккуратно отделить защитный слой от пленки по всему краю, примерно на 40 мм, и сразу прикрепить к стеклу.
	Эту операцию проводят очень аккуратно, при наклеивании пленка выравнивается и разглаживается. Здесь необходимо помнить, что отклеить и выровнять определенную часть пленки уже не получится, поэтому нужно сразу делать работу качественно. Пленка не должна растягиваться, но в то же время не должна собираться в складки.
	Защитный слой отгибается и снимается постепенно по мере приклеивания. Выпустив 20÷30 мм пленки, ее приглаживают к фотоэлементам и зазорам между ними, то есть к акриловому стеклу.
	Процесс оборачивания аккумулятора пленкой долгий и трудоемкий, поэтому нужно набраться терпения и делать это не спеша. Если пленка все еще мятая или лежит на боку, не отклеивайте ее, иначе фотоэлементы будут повреждены. В этом случае необходимо вырезать и приклеить дополнительный фрагмент поверх уже закрепленной пленки. Самое главное – покрыть всю поверхность батареи. На этом рисунке показан свернутый край панели. Понятно, что идеальная гладкость не обязательна, главное плотное прилегание пленки по всей площади.
	После того, как пленка наклеена, готовую панель можно протестировать. Для этого аккумулятор нужно вынести на солнце и снова подключить к нему тестер.
	Как видите аккумулятор выдает почти 20 вольт. Далее проверяется ток короткого замыкания — он составил 3,94 ампера. А это ни много ни мало — почти 80 Вт.
	Для проверки под нагрузкой к аккумулятору через амперметр была подключена лампочка на 24 В. Результат на фото — горит, но не на полном накале, но достаточно сильно.

Многие мастера, кроме стекла и пленки, используют еще и рамку для батареи, помещая ее в жесткую раму. Это придает конструкции необходимую прочность и повышает ее надежность.

Если вы планируете установить и использовать несколько солнечных панелей, соедините их либо последовательно — для увеличения выходного напряжения, либо параллельно — так вы сможете добиться более высокого тока и суммарной мощности

Комплекс панелей через контроллер подключается к аккумулятору — накопителю энергии, а от него происходит распределение к точкам потребления, напрямую или через преобразователь.

Итак, как видно из предоставленной информации, собрать аккумулятор своими руками вполне реально. Вам потребуются некоторые знания в области электротехники и монтажа, усидчивость и внимательность.

Другое дело, что предварительно следует тщательно взвесить ожидаемую мощность от аккумулятора и стоимость комплектующих и всего необходимого для системы оборудования. Насколько экономичной будет система, особенно с учетом местных климатических условий? Не станет ли ее творение просто «игрушкой» для активного мужчины средних лет?

Возможно некоторые вопросы по этому поводу снимет видео ниже:

Технология изготовления своими руками

Для сборки солнечных батарей вам понадобится:

1. Сконструировать раму (корпус).
2. Припаяйте все солнечные элементы по параллельной схеме.
3. Прикрепите солнечные батареи к раме.
4. Сделайте дом герметичным – недопустимо прямое попадание атмосферных осадков на солнечные батареи.
5. Поместите батарею в место с наибольшим количеством солнечного света.

Для покрытия энергетических потребностей частного дома одной солнечной панели (каркаса) будет недостаточно. Исходя из практики, с квадратного метра солнечной панели можно получить мощность 120 Вт. Для нормального энергообеспечения жилого дома потребуется порядка 20 квадратных метров солнечных батарей.

Чаще всего батареи размещают на крыше дома с солнечной стороны.

Сборка корпуса

Корпус можно собрать из фанерного листа и реек, либо из алюминиевых уголков и листа и оргстекла (текстолита). Необходимо решить, сколько элементов будет размещено в кадре. Следует учитывать, что между элементами необходим зазор в 3-5 мм, и размер каркаса рассчитывается с учетом этих расстояний. Расстояние необходимо, чтобы пластины не касались друг друга при тепловом расширении.

Сборка конструкции из алюминиевого профиля и оргстекла:

• прямоугольная рама изготовлена ​​из алюминиевого уголка;
• В углах алюминиевого короба сверлятся отверстия для крепежа;
• силиконовый герметик наносится на внутреннюю часть кузовного профиля по всей окружности;
• в раму устанавливается лист оргстекла (текстолита) и плотно прижимается к раме;
• по углам корпуса с помощью шурупов размещаются крепежные уголки, которые надежно фиксируют лист прозрачного материала в корпусе;
• герметику дают хорошо высохнуть;

Все, тело готово. Перед размещением солнечных батарей в доме необходимо тщательно протереть поверхность от грязи и пыли.

Соединение фотоэлементов

При обращении с фотоэлектронными элементами следует помнить, что они очень хрупкие и требуют бережного обращения. Перед тем, как пластины соединятся в последовательную цепочку, их сначала тщательно, но тщательно просушивают — пластины должны быть совершенно чистыми.

Если фотоэлементы уже были куплены с припаянными проводниками, это упрощает процесс подключения модулей. Но перед сборкой в ​​этом случае необходимо проверить качество готовой пайки, и если есть неровности, устранить их.

Солнечные панели имеют контакты с двух сторон — это контакты с разной полярностью. Если проводники (шины) еще не были припаяны, необходимо сначала припаять их к контактам на пластинах, а затем соединить между собой солнечные элементы.

Чтобы припаять шины к солнечным модулям, вам потребуются:

1. Отмерьте нужную длину шины и нарежьте нужное количество полос на части.
2. Протрите контакты на пластинах спиртом.
3. Нанесите тонкий слой флюса на разъем по всей длине разъема с одной стороны.
4. Прикрепите крышку точно по длине разъема и медленно проведите нагретым паяльником по всей поверхности пайки.
5. Переверните пластину и повторите все операции пайки с другой стороны.

Нельзя сильно прижимать паяльник к пластине, элемент может треснуть. Также необходимо проверить качество пайки – на лицевой стороне фотоэлементов не должно быть неровностей. Если неровности и шероховатости остались, еще раз осторожно пройдитесь паяльником по контактному шву. Необходимо использовать паяльник малой мощности.

Что необходимо сделать для правильного и точного подключения солнечных батарей:

1. При отсутствии опыта установки элементов рекомендуется использовать разметочную поверхность, на которую предполагается размещать элементы (фанерная плита).
2. Располагайте солнечные панели строго по разметке. При разметке не забудьте оставить расстояние 5 мм между элементами.
3. Припаивая контакты к пластинам, обязательно следите за полярностью. Фотоэлементы должны быть правильно подключены последовательно, иначе батарея не будет работать должным образом.

Механическая сборка панелей:

1. На всякий случай сделайте разметку для пластин.
2. Разместите солнечные батареи в доме, поместите их на оргстекло. В рамку прикрепите силиконовым клеем в отмеченных местах. Не наносите много клея, достаточно небольшой капли в центр тарелки. Аккуратно прижимайте, чтобы не повредить пластины.Лучше сдвинуть пластины вместе в корпус, одному будет неудобно.
3. Соедините все провода по краям плат стандартными шинами.

Герметизация солнечной панели

Перед герметизацией панели проверьте качество припоя. Конструкцию осторожно выносят ближе к солнечному свету и измеряют натяжение на общих шинах. Оно должно быть в пределах ожидаемых значений.

В качестве альтернативы герметизацию можно выполнить следующим образом:

1. Нанесите капли силиконового герметика между пластинами и по краям корпуса, слегка прижав пальцами края фотоэлементов к оргстеклу. Необходимо, чтобы элементы были максимально приближены к прозрачной основе.
2. Поместите небольшой груз на все края предметов, например, головки из автомобильного набора инструментов.
3. Дайте герметику хорошо высохнуть, за это время пластины будут надежно прикреплены.
4. Затем тщательно смажьте все стыки между пластинами и краями каркаса. Это значит, что смазывать в коробке придется все, кроме самих пластин. Допустимо использование герметика на краях тыльной стороны досок.

Финальная сборка солнечной батареи

1. Установите разъем сбоку корпуса, соедините разъем с диодами Шоттки.
2. Закройте снаружи пластину защитным экраном из прозрачного материала. В данном случае оргстекло. Конструкция должна быть герметичной и не допускать проникновения в нее влаги.
3. Лицевую сторону (оргстекло) желательно обработать, например лаком (лак ПЛАСТИК-71).

Для чего нужен диод Шоттки? Если свет падает только на одну часть солнечной панели, а другая часть затемняется, элементы могут выйти из строя.

Диоды помогают избежать разрушения конструкции в таких случаях. При этом ток теряется на 25%, но без диодов не обойтись — они шунтируют ток, ток идет в обход фотоэлементов. Для минимизации падения напряжения необходимо использовать полупроводники с малым сопротивлением, например диоды Шоттки.

Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти

Самодельные солнечные панели всегда будут на шаг позади заводских аналогов по нескольким причинам. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая элементы с нестабильными или заниженными параметрами. Во-вторых, при производстве солнечных батарей используется специальное стекло с повышенной светопропускной способностью и пониженной отражательной способностью – найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступить к серийному производству, все параметры промышленного образца проверяются с помощью математических моделей. В результате сводится к минимуму влияние нагрева элемента на КПД батареи, совершенствуется система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединительных реек, исследуются способы снижения скорости деградации фотоэлементов и т.д. Без оснащенной лаборатории и соответствующей квалификации решить такие задачи невозможно.

Низкая стоимость самодельных солнечных панелей позволяет построить завод, позволяющий полностью отказаться от услуг энергетических компаний

Тем не менее, солнечные панели, сделанные своими руками, показывают хорошие результаты в работе и не сильно отстают от промышленных аналогов. Что касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при той же цене самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.

Принимая во внимание все вышеизложенное, вырисовывается картина, какие солнечные батареи подходят для наших условий. Пленки исчезают из-за отсутствия продаж, а аморфные — из-за недолговечности и низкой эффективности. Ячейки кристаллического кремния остаются. Надо сказать, что в первых самоделках лучше использовать более дешевые «поликристаллы». И только после вождения техники и «набивания руки» следует переходить на монокристаллические ячейки.

Дешевые некачественные фотоэлементы подходят для вбивания в технологии — как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках

Что касается вопроса, где достать солнечные элементы по доступным ценам, то их можно найти на зарубежных торговых площадках, таких как Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов разного размера и производительности, так и готовых готовые комплекты для сборки солнечных панелей любой силы тока.

Поставщики нередко предлагают так называемые солнечные элементы класса «В», которые представляют собой поврежденные моно- или поликристаллические солнечные панели. Мелкие сколы, трещины или отсутствие углов практически не сказываются на работоспособности ячеек, но позволяют купить их по гораздо более низкой цене. Именно по этой причине их лучше всего использовать в самодельных солнечных установках.

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

Редко у домохозяйки нет драгоценной коробки старых радиодеталей. А вот диоды и транзисторы из старых приемников и телевизоров — это все те же полупроводники с p-n переходами, которые при освещении солнечным светом генерируют ток. Используя эти свойства и соединив несколько полупроводниковых устройств, можно сделать настоящий солнечный элемент.

Для изготовления малоэнергетической солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов

Внимательный читатель сразу спросит, в чем подвох. Зачем платить за заводские моно- или поликристаллические элементы, когда можно использовать то, что находится буквально под ногами. Как всегда, дьявол кроется в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют добиться напряжения не более 0,2 В на сильном солнце при токе, измеряемом микроамперами. Для достижения параметров, которые выдает плоский кремниевый фотоэлемент, нужны десятки, а то и сотни полупроводников. Аккумулятор, сделанный из старых радиодеталей, годится только для зарядки светодиодного фонаря для кемпинга или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более крупных проектов покупные солнечные батареи незаменимы.

Составление проекта

На этапе подготовки проекта необходимо определить наиболее подходящее место для установки солнечной батареи. Определите, с какой стороны участка больше всего солнечного света, не падает тень от деревьев и других построек. Место установки может быть на земле, скатах крыши, стенах или отдельно стоящих конструкциях. Например, если вы хотите установить на крышу солнечную панель, вам следует убедиться, что конструкция выдержит вес.

В связи с тем, что максимальная работоспособность моно- и поликристаллических ячеек обеспечивается только при перпендикулярном попадании на них солнечных лучей, для них желательно собирать регулируемую конструкцию. Что позволит менять угол наклона солнечной батареи в зависимости от сезона или даже времени суток. Так как положение источника света в разные периоды года и суток существенно отличается (рис. 1).

Рис. 1: зависимость положения солнца от времени года

Также обратите внимание, что постоянно установленная батарея, например, производящая 7 кВтч в идеальных условиях, будет производить только 3 кВтч утром и вечером. Следовательно, при установке только в одном положении батарея будет обеспечивать номинальную мощность только в течение нескольких месяцев в году. Если вы решили монтировать его в стационарном положении, панели следует располагать под углом от 50 до 60º, для регулируемых устанавливаются два предела – зимний на 70º и летний на 30º, а в промежуточный период они наклоняются как стационарные.

Для определения количества пластин необходимо рассчитать, какой электрический ток или мощность вырабатывает одна из них или 1 м2. Как правило, 1 м2 дает около 125 Вт, поэтому, чтобы получить около 2,5 кВт для нужд дома, нужно установить 20 м2 панелей.

Порядок изготовления солнечной батареи

Элементы на поли- или монокристаллическом кремнии должны быть объединены в единую панель. Для этого припаиваем контакты к проводникам. Процедура пайки следующая:

• Разрежьте оголенные проводники на равные части ниже шаблона такой длины, чтобы она в два раза превышала размер солнечного элемента.
  Рис. 2. Измерьте проводники с помощью калибра
• Разместите модули на ровной поверхности (стекло, фанерный лист, стол и т.д.).
• Зачистите электрические контакты и залудите оловом, здесь не нужно использовать большое количество припоя, достаточно слегка покрыть контакт.
  Рисунок 3: несколько контактов
• Припаивайте к контактам луженые проводники, учтите, что сильно прижимать пластины нельзя, так как они очень хрупкие.
  Рисунок 4: Припаяйте провод к элементу
• Измерьте ток с одного элемента с проводниками, это поможет вычислить общее значение для всей батареи.

Если купленные вами солнечные элементы уже оснащены соединительными проводниками, вы можете пропустить этот шаг и сразу перейти к изготовлению каркаса.

Изготовление рамки

Каркас солнечной батареи представляет собой коробку с невысокими бортами, которая закрыта прозрачным стеклом. Как создать рамку:

• Возьмите прямоугольный лист фанеры или ДСП такого размера, чтобы на нем можно было разместить необходимое количество элементов. Просверлите в нем небольшие отверстия на расстоянии 10 см друг от друга для вентиляции.
  Рис. 5: просверлить отверстия для вентиляции
• По краю листа приклейте деревянные планки высотой не более 2 см, чтобы они не отбрасывали тень на солнечные приемники. Закрепите доски маленькими шурупами.
• Вырежьте крышку из стекла или прозрачной смолы. Его размеры должны соответствовать нижнему листу или быть меньше, в зависимости от того, подходит он для сверления или нет. Если крышку можно прикрутить шурупом, размер может быть одинаковым, если стекло может треснуть при попытке просверлить, сделайте его меньше на 0,5 — 1 см.
  Рис. 6: подготовьте стеклянную крышку
• Сделайте из алюминиевого уголка прижимную рамку для верхней прозрачной крышки солнечной панели, но пока ничего не вдавливайте.

Рис. 7 собрать солнечную панель

Старайтесь выбирать материал для прозрачного чехла без бликов, иначе часть солнечной энергии будет отражаться, что значительно снизит его эффективность. После того, как вы сделали каркас, соберите солнечную панель.

Изготовление модулей

Этот этап требует особой осторожности и внимания, так как именно здесь вы формируете электрическую цепь солнечной батареи. Если допустить прожоги или трещины, можно разрушить не только конкретный элемент, но и весь модуль, который со временем придется переделывать.

• Поместите солнечные коллекторы лицевой стороной вниз на прозрачную крышку. Оптимально между элементами должно быть 3 – 5 мм, если этого сложно добиться с первого раза, можно сделать разметку на стекле.
  Рис. 8. Расположите элементы
• Аккуратно припаяйте провода от каждого элемента «+» к «+», а «-» к «-». Положительные контакты должны располагаться спереди, а отрицательные — внутри.
  Рис. 9: припаиваем провода к элементам

Все элементы соединяются последовательно сверху вниз, чтобы не раздавить нижние при пайке. Припаяйте вертикальные ряды к общей шине.

• Приклейте фотоэлементы к прозрачной крышке, для этого нанесите немного герметика в центр элемента и аккуратно прижмите его. Следите за тем, чтобы она располагалась строго по разметке, рабочей поверхностью стекла, иначе приклеить ее потом будет проблематично.
  Рис. 10: приклейте элементы к стеклу
• Просверлите отверстия в раме для вывода плюсовой и минусовой шины солнечной батареи. Включите в цепь батареи контроллер заряда, который предотвратит разряд батареи на солнечную батарею в ночное время. Для этого выбирают такие характеристики диодов, которые обеспечат полную блокировку цепи от обратного тока.
• Закрепите провода солнечной панели в отверстиях герметиком и поместите в раму.
  Рис. 11. Загерметизируйте провода герметиком

После сборки аккумулятора проверьте его работоспособность. Вынесите его на солнце и измерьте ток на клеммах.

Рис. 12: выньте его и проверьте мультиметром

Сравните это значение с ранее измеренным значением для одного солнечного элемента. Для проверки правильности умножьте количество ячеек на силу тока от единицы, если прибор показал такое значение или близкое к нему, значит солнечная батарея правильно смонтирована и ее можно опломбировать.

Для герметизации используются компаунды или силиконовые герметики, которые подходят для минусовой температуры. Для этого солнечную батарею можно либо залить полностью, либо нанести герметик только между модулями.

Рис. 13: заполнить герметиком

Второй вариант более экономичен, но первый даст вам гораздо большую надежность и лучшую герметизацию. После уплотнения сверху устанавливается умеренный пресс до полного застывания.

Рис. 14: установить умеренное давление

Перед заливкой можно установить плотный поролоновый демпфер между фотоэлементами солнечной панели и ДСП. Ширина поролона выбирается меньше высоты бортика, в данном случае высота 2 см, соответственно можно взять поролон толщиной 1,5 см. Установить готовые и проверенные аккумуляторы согласно эскизному проекту и подключить к электросети дома через аккумулятор и преобразователь.

Выбор контроллера заряда для солнечных батарей

Контроллер представляет собой устройство, которое размещается между солнечной панелью и аккумулятором. Он регулирует напряжение и ток, поступающие от солнечных панелей, для поддержания правильного качества заряда батареи.

Чаще всего используются 12-вольтовые аккумуляторы, но солнечные батареи могут генерировать гораздо большее напряжение, чем требуется для зарядки аккумуляторов. Контроллер заряда фактически преобразует перенапряжение в ток, тем самым сокращая время, необходимое для полной зарядки аккумуляторов. Это означает, что солнечные панели могут быть достаточно эффективны в любое время суток.

Типы контроллеров заряда:

1. Вкл выкл. (ВКЛ ВЫКЛ);
2. ШИМ — широтно-импульсная модуляция (ШИМ — широтно-импульсная модуляция);
3. ТММ — трекер максимальной мощности (MPPT — Maximum power point tracker).

Мы рекомендуем оставить контроллер заряда включенным/выключенным. (ВКЛ/ВЫКЛ), так как это наименее эффективный контроллер. Контроллеры TMM (MPPT) имеют самый высокий КПД, но и цена выше. Поэтому мы рекомендуем вам использовать контроллеры PWM или MPPT, в зависимости от типа экономики, в которой вы работаете.

Варианты контроллера заряда:

• Так как наша система рассчитана на 12В, то и контроллер заряда должен поддерживать 12В;
• Контроллер заряда подбирается по мощности солнечных батарей; для каждого контроллера в паспорте указана максимальная мощность, которую можно к нему подключить. Для этой системы 12 В 130 Вт идеально подходит контроллер на 10 А;
• Хочешь получить максимум энергии — выбирай контроллер заряда MPPT, а если хочешь удешевить систему выбирай ШИМ (PWM) контроллер заряда, но желательно от надежного производителя.

Видео — как изготавливается солнечная батарея своими руками?

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первый солнечный элемент был изготовлен на основе селена (Se), но низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых солнечных элементов заставили искать другие, более дешевые и эффективные материалы. И были обнаружены в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент таблицы Менделеева является диэлектриком, его проводимость обеспечивалась включениями различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии производства различают несколько видов кремниевых фотоэлементов:

• монокристаллический;
• поликристаллический;
• из аморфного Si.

Первые изготавливаются путем срезания тончайших слоев с кремниевых блоков наивысшей степени чистоты. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как обычные пластины из темно-синего стекла с прозрачной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы до 50 лет. И хотя производительность панелей, изготовленных на основе монокристаллов, постепенно снижается, есть данные, что батареи, произведенные более 40 лет назад, до сих пор работают, выдавая до 80% первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные элементы имеют равномерный темный цвет и срезанные углы — эти особенности не позволяют их спутать с другими солнечными элементами

При производстве поликристаллических солнечных элементов используется менее чистый, но более дешевый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин – они имеют не однородный оттенок, а более светлый рисунок, образующий границы многих кристаллов. КПД таких солнечных элементов несколько ниже монокристаллических — не более 15%, а срок службы — до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных показателей эффективности совершенно не сказалось на популярности поликристаллических солнечных элементов. Они выигрывают от более низкой цены и меньшей зависимости от внешнего загрязнения, низкой дымки и солнечной ориентации.

Поликристаллические солнечные элементы имеют более светлый голубой оттенок и неравномерный рисунок — следствие их структуры, состоящей из множества кристаллов

Для солнечных элементов из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а очень тонкий слой кремния, который наносится на стекло или полимер. Несмотря на то, что этот способ производства является самым дешевым, такие панели имеют самый короткий срок службы, причиной чего является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Этот тип фотоэлементов также не удовлетворил своей производительностью — их КПД не превышает 9% и значительно снижается в процессе эксплуатации. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях — высокая солнечная активность снижает падение производительности, а большие просторы позволяют размещать солнечные электростанции любых размеров.

Возможность напыления кремниевой структуры на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства солнечных элементов вызвано необходимостью удешевления и повышения производительности. Пленочные фотоэлементы на сегодняшний день обладают максимальной производительностью и долговечностью:

• на основе теллурида кадмия;
• из тонких полимеров;
• с использованием селенидов индия и меди.

Пока рано говорить о возможности использования тонкопленочных фотоэлементов в самодельных устройствах. Сегодня их выпуском занимается всего несколько самых технологичных компаний, поэтому чаще всего гибкие солнечные элементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.