Солнечная батарея своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 03.09.2024

Стоимость солнечных панелей ежедневно снижается. Приобретение или самостоятельная сборка и установка автономных солнечных систем стали доступными для простых потребителей. Мы решили создать это руководство, чтобы потребители разобрались с нужными компонентами, и смогли собрать солнечную электростанцию для дома своими руками.

Для самостоятельного проектирования автономной системы нужны знания основ электротехники и определенные познания в математике. Для сборки самой простой солнечной электростанции потребуется 4 компонента:

Солнечная батарея (PV панель);
Контроллер заряда;
Инвертор;
Аккумулятор.

Кроме вышеуказанных компонентов, потребуется медный кабель, коннекторы, устройства защиты и кое-какая мелочевка. Дальше мы пошагово объясним, как можно выбрать компоненты именно под ваши потребности.

Шаг 1: Расчет нагрузки

Прежде, чем выбрать компоненты, необходимо рассчитать нагрузку приборов, которые будут подключаться к вашей солнечной электростанции и сколько времени они будут работать. Для этого нужно сделать следующее:

Определите, какую технику (освещение, вентилятор, телевизор, насос и т.д.) вы будете подключать, и сколько времени (часов) она будет работать;
Ознакомьтесь со спецификациями ваших приборов для определения их мощности;
Рассчитайте величину потребляемого электричества в Ватт-часах (Вт*ч), которая равна произведению номинальной мощности ваших приборов (Вт) на время работы (ч).

Например Вы хотите включить какой-то прибор мощностью 10 ватт на 5 часов от солнечной панели. Количество потребленной электроэнергии будет: 10Вт х 5ч = 50Вт*ч. Таким же образом необходимо рассчитать общую величину потребляемой энергии, а именно рассчитать для каждого прибора и сложить полученные величины.

Пример: настольная лампа = 10Вт х 5ч = 50 Вт*ч + вентилятор = 50Вт х 2ч = 100Вт*ч, телевизор = 50Вт х 2ч = 100 Вт*ч, всего = 50 + 100 + 100 = 250 Вт*ч.

Когда закончите расчет нагрузки, пора приступать к выбору компонентов в соответствии с вашим требованием нагрузки.

Шаг 2: Выбор аккумуляторов

Все солнечные панели являются источниками постоянного тока. Электроэнергию они генерируют только днем. Если есть желание подключить нагрузку постоянного тока днем, то с этим нет никаких проблем, можно подключиться непосредственно от панелей. Но сделать это – не самое хорошее решение, потому что:

Примечание: Перед тем как выбирать компоненты, определите, какую систему по напряжению вы хотите иметь: 12/24 или 48В. Чем выше напряжение, тем меньший ток будет в медных проводниках и тем меньше будут потери. Кроме того, чем выше рабочее напряжение, тем меньше потребуется сечение проводников. Чаще всего в качестве домашней электростанции используют системы с рабочим напряжением 12В или 24В. Это связано с тем, что часть домашних приборов можно питать напрямую от вашей электростанции, без двойного преобразования напряжения (вверх-вниз), которое приводит к потере мощности. В этом проекте рассмотрим систему 12В.

Емкость аккумулятора рассчитывается в ампер-часах (Aч).
Мощность (Вт)= Напряжение (В) х Ток (А). • Вт*час = Напряжение (В) х Ток (А) х Время (ч) = Вт*ч.
Напряжение батареи = 12В (для нашей системы).

Емкость аккумулятора (Ач) = Мощность нагрузки (Вт)*Время работы (ч)/напряжение(В) = 250/12 = 20,83Ач.

Нужно понимать, что КПД аккумуляторов не может быть 100%, чаще всего КПД равен 80%. Учитывая это, имеем емкость аккумулятора (Ач) = 20,83/0,8 = 26Ач. Поскольку мы используем преобразователь напряжения, который имеет свой КПД, обычно его также принимают равным 80%, добавим его: 26/0,8 = 32,5Ач. Но и это еще не все - даже не смотря на использование аккумуляторов глубокого цикла, для продолжительного срока службы, их не рекомендуется разряжать до полной разрядки, и по-хорошему нужно оставлять хотя бы 30% заряда - чем больше оставим, тем дольше он прослужит, получается: 32,5*1,3 = 42,25Ач Округляем вверх, для того что бы получить целое число и выбираем аккумуляторы глубокого разряда емкостью от 45 ампер-часов (Ач).

Шаг 3: Выбор панелей

О том как правильно выбирать солнечных батарей в блоге магазина MyWatt есть отдельная статья, поэтому останавливаться на этом долго не будем. Рассматривать будем только монокристаллические или поликристаллические, а аморфные и прочие тонкопленочные панели рассматривать не будем, в виду их быстрой деградации – потери мощности.

Основные отличия моно и поли:

Монокристаллические панели дороже и эффективнее, чем поликристаллические панели. Но в целом эффективность отличается незначительно, она зависит не только от типа ячейки, но и от качества самих ячеек и добросовестности производителя.

Характеристики солнечных панелей, как правило, приводятся к стандартным условиям испытаний (STC):

освещенность = 1 кВт/м2;
воздушная масса (AM) – 1,5;
температура – 25°C.

Как самостоятельно рассчитать мощность солнечных батарей?

Мощность солнечных батарей должна выбираться таким образом, чтобы потребляемая мощность нашими электроприборами, была восполнена обратно. Иными словами – сколько взяли, столько и нужно отдать + потери на преобразование, а также собственное потребления инвертора с контроллером заряда.

В связи с тем, что солнечный свет в течение дня поступает непостоянно и с разной интенсивностью, нельзя знать сколько выработает та или иная панель сегодня, но исходя их статистических данных это можно предположить достаточно точно.

Например, для средней полосы России в летнее время хорошим показателем считается если каждый 1 Ватт солнечной батареи выработал 6Вт*ч за световой день, но если рассматривать пасмурный, дождливый день этот показатель может быть в несколько раз меньше, поэтому при расчетах учтем этот факт и вместо 6Вт*ч, подставим 3Вт*ч.

Итак, наше потребление в Ватт-часах, с учетом КПД составило 32,5Ач * 12В = 390Вт*ч, разделим на 3Вт*ч и получим мощность солнечной батареи 130Вт, если у Вас получается не целое число – округляйте вверх.

Зимой и в весенне - осенний период запас по мощности требуется делать значительно больше, поскольку световой день короче - солнце находится над горизонтом меньше времени.

Шаг 4: Выбор контроллера заряда для солнечных батарей

Контроллер представляет собой устройство, которое помещается между солнечной панелью и аккумулятором. Он регулирует напряжение и ток, приходящий от солнечных панелей для поддержания надлежащего качества зарядки аккумуляторных батарей.

Чаще всего используют 12-вольтовые аккумуляторы, однако солнечные панели могут вырабатывать гораздо большее напряжение, чем требуется для зарядки аккумуляторов. Контроллер заряда фактически преобразует лишнее напряжение в ток, тем самым уменьшая время, необходимое для полной зарядки аккумуляторных батарей. Это позволяет солнечным батареям быть достаточно эффективными в любой момент дня.

Типы контроллеров заряда:

Вкл./Выкл. (ON/OFF);
ШИМ — широтно - импульсная модуляция (PWM — pulse-width modulation);
ТММ — слежение за точкой максимальной мощности (MPPT — Maximum power point tracker).

Рекомендуем Вам отказаться от контроллера заряда Вкл./Выкл. (ON/OFF), так как это наименее эффективный контроллер. ТММ (MPPT) контроллеры имеют самую высокую эффективность, но цена на них выше. Таким образом, мы рекомендуем Вам использовать либо ШИМ (PWM), либо ТММ (MPPT) контроллеры, в зависимости от того, какими финансами вы оперируете.

Так как наша система рассчитана на 12В, контроллер заряда также должен поддерживать 12В;
Контроллер заряда выбирается по мощности солнечных батарей, для каждого контроллера в паспорте указывается максимальная мощность, которую к нему можно подключить. Для данной системы 12В на 130Вт прекрасно подойдет контроллер на 10А;
Если Вы хотите получать максимум энергии - выбирайте MPPT контроллер заряда, а если Вы хотите снизить стоимость системы, выбирайте ШИМ (PWM) контроллер заряда, но желательно проверенного производителя.

Шаг 5: Выбор инвертора

Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.

Виды волн переменного тока на выходе инвертора:

Прямоугольная волна – меандр;
Модифицированная синусоида;
Чистая синусоида.

Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.

Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.

Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах. Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора).

Шаг 6: Монтаж солнечных модулей

После того как все рассчитано и куплены все комплектующие приходит время монтажа солнечной электростанции своими руками. Сначала выберите подходящее место на крыше, где нет никаких препятствий для солнечного света – никакой тени от деревьев и других построек.

Угол наклона солнечных батарей

Чтобы получить максимум от солнечной электростанции для дома или дачи, необходимо установить их в направлении, которое позволит захватить максимум солнечного света. Чем дольше панель будет находиться перпендикулярно солнцу, тем больше она выработает электроэнергии. Для средней полосы России оптимальный угол наклона 30° - 40° для лета и 70° - 80° для зимы.

С углом наклона разобрались, ориентация же панелей должна быть на юг, если нет такой возможности, то Юго-восток или юго-запад, но стоит понимать, что в таком случае выработки будет меньше. Существуют системы с изменяемым положением панелей (солнечный трекер), но его в этой статье рассматривать не будем в силу дороговизны реализации и наличием трущихся деталей.

Если у вас нет компаса, можете скачать приложение на свой смартфон и по нему определить, где у вас находится юг. Если нет возможности найти компас или установить приложение – запомните положение солнца в 12-00 часов – это и будет юг.

Стойку или крепеж для крыши солнечных батарей можно купить или смастерить своими руками хоть из дерева, хоть из металла. Главное, чтобы она была надежна, ведь панель имеет большую парусность, плюс нужно учесть расстояние между панелью и крышей – плотное прилегание недопустимо. Мы используем и рекомендуем Вам воспользоваться специальными крепежными элементами, именно для солнечных батарей.

На обратной стороне панели есть небольшая по размеру распаячная коробка, в ней находятся диоды Шоттки. Из распределительной коробки выводятся провода с уже установленными разъемами стандарта MC4. Всегда старайтесь использовать промаркированные провода, например красный и черный для подключения положительного и отрицательного разъемов. Если есть возможность подключить заземление, то используйте для этого желтый провод с зеленой полоской.

Шаг 7: Выбор последовательного или параллельного подключения

После расчета мощности аккумулятора и выбора солнечной панели вы должны подключить их. Во многих случаях довольно тяжело получить одной панелью или одним аккумулятором расчетные мощности, поэтому приходится объединять несколько панелей или объединять несколько аккумуляторов. Если у нас отдельно взятый аккумулятор или отдельно взятая панель соответствуют требованиям по напряжению, то соединяем их параллельно, через контроллер заряда, но бывают ситуации, когда нам понадобится последовательное соединение, например, для увеличения напряжения.

Шаг 8: Размещение оборудования

На этом моменте не будем долго задерживаться, тут нужно отталкиваться в от места установки. Главный момент - расположить оборудование недалеко друг от друга, чтобы использовать перемычки небольшой длины, для уменьшения потерь напряжения. Оборудование имеет активное или пассивное охлаждение и необходимо оставлять воздушный зазор согласно документации.

Шаг 9: Схема подключения солнечной электростанции

Сначала подсоединяем контроллер заряда. Обычно в нижней части контроллера заряда есть 3 пары контактов. Первый слева — подключение солнечной панели с отметками (+) и (-). Второй — выход для подключения аккумуляторов с отметками (+) и (-), и третий — выход для прямого подключения нагрузки постоянного тока, например, лампочки на 12В – инвертор туда подключать нельзя!

Нужно подсоединить контроллер заряда к аккумуляторам: черный (-) и красный (+). В этом случае контроллер сможет определить необходимое рабочее напряжение (12В, 24В или 48В), можно сразу настроить контролер заряда на нужный тип аккумулятора.

Примечание: Сначала подсоедините черный/отрицательный провод от батареи к отрицательному выводу контроллера, а затем подключите положительный провод. После подключения батареи к контроллеру вы увидите, как светится светодиод индикации уровня заряда.

Теперь нужно подключить панели к контроллеру. На тыльной стороне панели установлена распределительная коробка с 2 проводами (+) и (-) и коннекторами MC4, как правило, они небольшие по длине. Чтобы подсоединить панель к контроллеру заряда, необходимы провода со ответной частью разъемов MC4. После подключения солнечных панелей к контроллеру заряда загорится светодиодный индикатор, если солнечный свет присутствует.

Затем устанавливаем инвертор на место и подключаем его к АКБ. В подключении инвертора, тоже ничего сложно нет, главное соблюдать полярность подключения.

Безопасность

Важно отметить, что мы имеем дело с постоянным током. Так положительный контакт панели (+) должен быть подключен к положительному контакту контроллера заряда (+) и отрицательный контакт панели (-) должен быть подключен к отрицательному контакту контроллера заряда (-). Если вы перепутаете контакты произойдет неполадка, которая может привести к пожару. Рекомендуется использовать провода разного цвета, красный (+) и черный (-). Если у вас нет возможности использовать провода разного цвета, то можно обернуть красной и черной изолентой провода рядом с клеммами.

Последними должны подключаться: нагрузка постоянного тока и инвертор.

Дополнительная защита

Хотя контроллер заряда и инвертор имеют встроенные предохранители для защиты, вы можете поставить выключатели и предохранители в следующих местах для обеспечения защиты:

В разрыве между солнечной панелью и контроллером заряда;
В разрыве между контроллером заряда и аккумуляторами;
В разрыве между аккумуляторами и инвертором.

Измерение и регистрация данных

Если вы заинтересованы в том, чтобы знать, сколько энергии вырабатывается Вашей солнечной электростанцией, то стоит сделать выбор контроллера заряда, который способен регистрировать данные по выработке электроэнергии и другие показатели.

После подключения всего вышеописанного система готова к использованию.

Глубокие технические подробности компонентов мы сознательно затрагивать не стали. Дело в том, что принцип построения солнечных электростанций небольшой мощности, остается почти неизменным.

Идея автономного дома будоражит умы многих владельцев загородных коттеджей. И это неудивительно: коммунальные услуги дорожают дважды в год, а между тем – вот она, вода под ногами, термальное тепло и солнечная энергия. Сама природа даёт нам всё необходимое, так почему бы не воспользоваться её дарами? Взять, к примеру, энергию нашего космического светила. Это же буквально бесплатные киловатты, которые можно получить, если сделать своими руками солнечные батареи. Можно и купить, конечно, но самостоятельное изготовление – это значительная экономия. Итак, разберёмся, как сделать электростанцию для дома.

Читайте в статье

Как устроены и работают солнечные батареи

Как устроена солнечная батарея? Это, собственно, сами кремниевые панели, системы преобразования энергии электронов, аккумуляторные батареи для сохранения этой энергии и дополнительные элементы, которые позволяют извлекать эту энергию на пользу владельцу. Блоки преобразователей, они же фотоэлементы, они же кремниевые панели – это и есть полупроводники. Кремний может быть нанесён монокристаллическим методом, о котором уже было сказано, или поликристаллическим – менее эффективным в работе.

Для сохранения энергии потребуются аккумуляторы, причём их должно быть два (второй выполняет роль резервного). Первый аккумулятор собирает и направляет энергию сразу на расход к приборам потребления, а второй нужен для того, чтобы сохранить излишки этой энергии. Как только начинает падать напряжение в сети, подключается резерв.

При самостоятельной сборке комплекса солнечных батарей нельзя пренебрегать никакими элементами. Каждый из них, пусть даже самый маленький, выполняет важную задачу. Вот, к примеру, диоды. Казалось бы, не так они и нужны, а на самом деле они выполняют ответственную задачу защиты блоков от перегрева.

Виды фотоэлементов и их особенности

Кремниевые панели для солнечных батарей бывают поликристаллическими и монокристаллическими. Разберёмся, в чём их отличия и какие являются наиболее эффективными:

Монокристаллические элементы стоят дороже своих аналогов, так как их изготовление требует применения самых передовых технологий. Такие пластины имеют КПД до 25% и могут проработать как минимум четверть века. Это очень приличный срок для таких элементов. При этом за 25 лет они потеряют только около 5% от своей эффективности, что несущественно. Монокристаллические панели захватывают солнечную энергию всей поверхностью и продолжают работать даже при облачной погоде. По факту эти батареи хоть и стоят дороже, но окупают себя намного быстрее поликристаллических. Кроме того, они требуются в меньшем количестве, то есть для получения определённого количества электроэнергии вы можете занять меньше площади фотоэлементами из монокристаллического кремния.

Поликристаллические батареи уступают монокристаллическим хотя бы потому, что в них используется менее качественный кремний. Процесс изготовления более примитивен, а это напрямую сказывается на эффективности готового продукта. Зачастую поликристаллические батареи просто делают из отходов монокристаллического производства. Они имеют синеватый оттенок, их легко отличить. Поликристаллические элементы на 20% менее эффективны, а КПД не поднимается выше 18%. Получается, что для извлечения требуемого количества энергии потребуется большая площадь. Но, несмотря на очевидно малую эффективность, поликристаллические фотоэлементы покупают чаще. И дело не только в цене. Они показывают отличные результаты в пасмурную погоду – лучше, чем монокристаллические.

Плёночные батареи – новинка на рынке фотоэлементов, которая пока только набирает популярность. Стоимость этих панелей пока слишком высока для массового спроса, но стоит обратить на них внимание по нескольким причинам:

Плёночные элементы на основе теллурида кадмия – это космические технологии, которые прошли успешные испытания на внеземных аппаратах. Небольшой нюанс всё-таки присутствует – при нагреве кадмий выделяет ядовитые испарения. В солнечных батареях они минимальны и практически безопасны на открытом воздухе.
А вот элементы на основе CIGS – другое дело. Они безопасны, так как состоят из меди, селена, индия и галлия. Преимуществом этого типа является отличная гибкость. И, кстати говоря, и этот вид активно применялся на космических спутниках, а сейчас стал мегапопулярным среди потребителей продукции для активного туризма. Эффективность небольших источников питания на солнечных батареях CIGS достигает 20%.

Ещё один тип солнечных накопителей – аморфные батареи. Они тоже имеют в своей основе кремний, но он наносится особым способом горячего парового напыления, который исключает выращивание кристаллов и значительно ускоряет процесс. Самые современные аморфные модули показывают КПД в 12%, но пока они не так популярны из-за высокой стоимости. У аморфных модулей есть существенное преимущество перед всеми остальными – они способны работать даже при экстремальном нагреве и рассеянном освещении.

Анализируя виды солнечных батарей, можно сделать вывод, что на сегодняшний день самым оптимальным выбором будут монокристаллические фотоэлементы.

Какие материалы потребуются для создания солнечных батарей

Для сборки солнечной батареи вам потребуются, помимо фотоэлементов, листы ДСП или ОСБ, уголки и рейки из алюминия, лист поролона высокой жёсткости, герметик на основе из силикона, клеммы, транзистор, диоды и провода.

Для работы нужен минимальный набор инструментов: паяльник, отвёртки (лучше шуруповёрт с насадками), ножовки по металлу и дереву. Чтобы проверить эффективность батареи, потребуется тестер.

Панели модулей собирают с помощью профиля из алюминия. Неразумно приобретать батареи разного размера – так вам будет непросто собрать всё воедино. Кроме того, такой вариант сборки неблагоприятно скажется на эффективности комплекса, так как максимальный вырабатываемый ток будет ограничен показателями самых маленьких модулей.

Для каркаса можно использовать не только рейки из алюминия, но и дерево. Однако алюминий предпочтителен по нескольким причинам: он не боится коррозии, насекомых, гнили и грибка. Он не впитывает, как дерево, воду и не деформируется после дождя или снегопада. И самое главное, алюминий лёгкий и прочный – как раз то, что нужно для каркаса. Основание – лучше всего ОСБ: эти панели также не боятся сырости, особенно если их предварительно покрасить любой водостойкой эмалью.

Важно и правильно подобрать защитное стекло для солнечных батарей. Есть несколько вариантов: обычное стекло, плексиглас, оргстекло или поликарбонат. Все это дешёвые варианты, которые не обеспечивают хорошей прозрачности и тем самым снижают эффективность фотоэлементов. Если есть возможность, подберите антибликовое стекло – это будет оптимальный вариант. Нет возможности – тогда обычное стекло, которое используют для окон.

Герметик нужен для фиксации фотоэлементов на стекле. Самым надёжным вариантом считается эпоксидный компаунд, но это недешёвое средство, поэтому многие заменяют его силиконовым аналогом.

Что касается аккумуляторов, тут только один совет: не экономьте на качественном устройстве. Хороший аккумулятор и прослужит намного дольше и в работе покажет себя достойно. Чтобы подключить солнечные батареи в качестве источника питания, вам будет нужен преобразователь в 220 Вольт или, как его ещё называют, инвертор.

А теперь о том, как сделать в домашних условиях солнечные батареи.

Солнечная батарея от проекта до включения

Прежде чем приступать к сборке солнечной батареи, нужно хотя бы минимально набросать схему будущего устройства, только тогда вы будете знать, как самостоятельно собрать из модулей работоспособную панель.

Предварительное планирование

Такое решение позволит увеличить номинальную мощность комплекса вдвое. Если вы сделали выбор в пользу стационарных рамок, их нужно размещать под наклоном 50–60 градусов. А вот подвижные рамки требуют наклона зимой в 70 и летом в 30 градусов.

Второй существенный момент в планировании – определение количества фотоэлементов. Для этого нужно знать объём генерируемой энергии от одной пластины и вашу потребность. Для примера: фотоэлемент площадью 1 квадратный метр генерирует около 125 Вт. Чтобы получить энергию для нужд небольшого дома, потребуется минимум 2,5 кВт. Вот и считайте, сколько вам потребуется панелей, и думайте, где и как их разместить.

Как собрать фотоэлементы в единый комплекс

Фотомодули нужно объединить в общий комплекс. Для этого контакты каждого элемента припаиваются к проводам-проводникам. Как это правильно сделать:

все модули, которые вы будете соединять, выкладываются на ровную площадку (стол, стекло);

как паять: проводники прилуживаются к контактам. Делать это нужно очень осторожно, чтобы не повредить хрупкие пластины;
некоторые модели проводников продаются уже с соединительными проводами. Это значительно облегчает задачу, так что если есть выбор – берите такие;
остаётся только замерить суммарный ток от полученного комплекса.

Следующий этап – изготовление рамки для батареи. По сути это ящик, в котором есть дно из ОСБ или фанеры, низкие бортики и верхняя крышка – прозрачное стекло.

Подготовьте ОСБ или фанеру такого размера, чтобы поместились все фотоэлементы. В её основании делается несколько отверстий для вентиляции. По периметру крепятся бортики – это могут быть деревянные или алюминиевые рейки. Высота реек 1,5–2 см, не больше, иначе они будут давать тень на фотоэлементы.

Далее солнечные элементы помещают лицевой частью к стеклу. Между модулями оставляют расстояние примерно 5 мм. Чтобы всё получилось идеально ровно, можно предварительно разметить стекло.

Далее соответственно соединяются плюсовые контакты с плюсовыми, минусы – с минусами. Плюс размещают с лицевого края, минус – с внутреннего.

Соединение модулей происходит сверху вниз, чтобы вы нечаянно не повредили тонкие, как фольга, элементы во время соединения. Все вертикальные ряды припаиваются к общей шине.

Все провода фиксируются герметиком, после чего можно собирать рамку. Предварительно на дно короба укладывают поролон, который будет выполнять роль демпфера.

Где лучше всего поставить солнечную батарею

Для установки солнечного комплекса подойдут места, не затенённые кронами деревьев. Если у вас несколько модулей, их нужно ставить так, чтобы они не давали тени друг на друга.

Для максимальной эффективности работы модули должны располагаться перпендикулярно солнечным лучам.

В дополнение – полезное видео по сборке из подручных материалов и установке солнечных батарей:

Солнечные лучи, как альтернативный источник энергии, приобретают все более широкую популярность среди населения. Особенно это касается жителей частного сектора, постепенно избавляющихся от энергетической зависимости. Однако подобные системы еще довольно дороги и не все могут их приобрести. В таких ситуациях наилучшим выходом становится солнечная батарея изготовленная своим руками из подручных материалов.

Выбор фотоэлементов

Любая солнечная батарея для дома сделанная своими руками, будет в любом случае стоить значительно ниже, чем заводская. У известных производителей производится тщательный отбор фотоэлементов, в процессе которого отсеиваются заготовки, имеющие пониженные или нестабильные показатели. Поверхность готовых изделий покрывается специальным стеклом, снижающим отражение света, отсутствующим в свободной продаже. В производстве применяются многие другие методы исследования пластинок, совершенно не подходящие для домашних условий.

Однако, солнечная батарея своими руками вполне может быть изготовлена, а полученные самоделки обладают хорошей работоспособностью и не столь заметно отличаются от изделий промышленного производства. Зато экономия денежных средств получается практически в два раза, и в определенных условиях делать панели не только целесообразно, но и выгодно.

Следовательно, основная цель на стадии подготовки заключается в правильном выборе наиболее подходящих фотоэлементов. По техническим причинам пленочные или аморфные изделия можно сразу же исключить и остановиться на пластинках их кремниевых кристаллов. В самых первых домашних опытах рекомендуется воспользоваться более дешевыми элементами из поликристаллов и лишь потом переходить к работе с монокристаллическими кремниевыми материалами.

Приобрести фотоэлементы для солнечной батареи возможно на известных зарубежных торговых площадках, таких как Алиэкспресс, Амазон и других. Они находятся там в свободной продаже в виде отдельных пластинок с различной производительностью и габаритными размерами, что позволяет собрать солнечную панель требуемой мощности.

Кроме того, существуют бракованные изделия, относящиеся к так называемому классу В, имеющие различные повреждения в виде небольших сколов и трещин. На производительность это почти не влияет, зато их стоимость значительно ниже, поэтому они чаще всего используются в самодельных гелиосистемах.

Расчет и проектирование

Для расчетов солнечной батареи, собранной дома, обязательно потребуется перечень всех электроприборов и оборудования, имеющихся в доме. Сразу же нужно выяснить потребляемую мощность каждого из них.

Данные о мощности указываются в маркировке или в техническом паспорте устройства. Их значения довольно приблизительные, поэтому для панели, работающей с инвертором нужно ввести поправку, то есть среднее энергопотребление умножается на поправочный коэффициент. Полученная таким образом общая мощность дополнительно умножается на 1,2, учитывая потери при работе инвертора. Мощные приборы при запуске потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный. В связи с этим, инвертор также должен в течение короткого времени выдерживать двойную или тройную мощность.

Если мощных потребителей довольно много, но одновременно они практически не включаются, то применяемый в системе инвертор с большим выходным током получится слишком дорогим. При отсутствии значительных нагрузок рекомендуется использовать менее мощные недорогие приборы.

Солнечная батарея в домашних условиях рассчитывается по времени работы каждого электроприбора в течение суток. Вычисленное опытным путем, значение умножается на мощность, и в результате получается суточное энергопотребление, измеряемое в киловатт-часах.

Обязательно понадобятся сведения с местной метеостанции о количестве солнечной энергии, которую можно реально получить в этой местности. Расчет данного показателя выполняется на основе показаний среднегодовой солнечной радиации и ее среднемесячных значений при самой плохой погоде. Последняя цифра позволяет определить минимальное количество электроэнергии, достаточное для решения текущих задач.

Получив исходные данные можно приступать к определению мощности одного фотоэлемента. Вначале показатель солнечной радиации нужно разделить на 1000, в результате, получаются так называемые пикочасы. В это время интенсивность солнечного свечения составляет 1000 Вт/м 2 .

Формула для расчета

Количество энергии W, вырабатываемое одним модулем, определяется по следующей формуле: W = k*Pw*E/1000, в которой Е – величина солнечной инсоляции за определенный период времени, k – коэффициент, составляющий летом – 0,5, зимой – 0,7, Pw – мощность одного модуля. Поправочный коэффициент учитывает потери мощности фотоэлементов при нагревании солнечными лучами, а также изменение наклона лучей относительно поверхности в течение дня. Зимой элементы нагреваются меньше, поэтому и значение коэффициента будет выше.

Учитывая суммарную мощность энергопотребления и данные, полученные с помощью формулы, рассчитывается общая мощность фотоэлементов. Полученный результат делится на мощность 1 элемента и в итоге будет требуемое количество модулей.

Существуют различные модели с целым рядов мощностей элементов – от 50 до 150 Вт и выше. Выбирая компоненты с необходимыми показателями, можно собрать солнечную панель с заданной мощностью. Например, если потребность в электроэнергии составляет 90 Вт, то необходимы два модуля по 50 Вт каждый. По такой схеме можно создать любую комбинацию из имеющихся фотоэлементов. В любом случае расчеты следует производить с некоторым запасом.

Количество фотоэлементов оказывает влияние на выбор емкости аккумуляторной батареи, поскольку именно они создают зарядный ток. Если мощность панели 100 Вт, то минимальная емкость АКБ должна быть 60 А*ч. С возрастанием мощности панелей потребуются и более мощные аккумуляторы.

Выбор места установки

Производительность солнечных панелей во многом зависит от места их установки. Поэтому, перед тем как сделать солнечную батарею своими руками, нужно заранее определиться, где она будет расположена.

Современную жизнь трудно представить без электроэнергии. Вся бытовая техника, созданная для улучшения качества жизни человека, любые производственные процессы, не могут обойтись без источников энергии. Стоимость электроэнергии довольно высокая для конечного потребителя. Например, в себестоимости продукции машиностроения составляет более 25%. Кроме того, рост цен на электроэнергию сопровождает нас ежегодно. Электростанции наносят серьезный экологический ущерб. Эти причины заставляют задумываться об альтернативных источниках энергии, таких как ветер, солнце.

Особенности самодельных солнечных батарей

Рост цен, перепады в снабжении электроэнергией, частые ее отключения, а в некоторых случаях и отсутствие централизованного энергообеспечения, заставили многих домовладельцев пристально взглянуть на солнечные батареи и домашние электростанции.

Из-за довольно высокой цены, которая может подкосить бюджет семьи, народные умельцы делают их своими руками. Принцип действия домашней электростанции достаточно простой: солнечные (фотоэлектрические) элементы, обычно установленные на крыше, заряжают аккумуляторы, которые обеспечивают энергией домашние приборы.

Фотоэлементы делятся на 4 типа:

Фотоэлементы (кремниевые пластины) преобразуют попадающий на них солнечный свет в электрическую энергию, проходящую в аккумулятор через контроллер (следит за уровнем зарядки и разрядки), и, благодаря инвертору, преобразуется из постоянного тока в переменный. Затем доводится до нужного объекта.

Соединенные фотоэлементы являются единым полем, от размера поля зависит производительность (мощность) батареи.

Как сделать солнечные батареи в домашних условиях

Материалы и инструменты для работы

В процессе изготовления потребуются:

ячейки из фотоэлементов (лучше, если сразу припаяны проводники);
алюминиевый уголок (80 мм) или профиль;
диоды Шоттки;
силиконовый герметик;
проводники;
шурупы;
поликарбонат или оргстекло (лучше всего подойдет прозрачное антибликовое стекло);
ДСП или влагостойкая фанера;
паяльник;
амперметр (тестер);
ножовка.

При выборе типа ячеек необходимо еще учесть, что чем больше размер ячейки, тем больше электроэнергии она произведет, ячейки должны быть примерно одинакового размера (количество полученного тока определяется по ячейке с самым маленьким ее размером).

Для определения их количества, нужно рассчитать мощность будущей панели, для чего учесть потребность энергии в сутки, уточнить среднюю продолжительность светового дня на местности.

Затем следует посчитать вес и размеры будущей панели (чтобы выдержала крыша).

Место для установки солнечной панели нужно выбрать без затенения, перпендикулярно падающим солнечным лучам. Лучший вариант, чтобы панель могла изменять свое положение в зависимости от перемещения солнца и изменения угла падающих лучей.

Пошаговая инструкция по монтажу солнечной батареи

Изготовление корпуса-каркаса. Из алюминиевых уголков собрать и склеить герметиком рамку. Снизу закрепить фанеру или ДСП с подготовленными бортами (высота бортика примерно 2 см) и просверленными отверстиями (расстояние между которыми примерно 10 см). Сделать вывод для проводов.
Сборка ячеек. При сборке к фотоэлементам нужно относиться крайне бережно, они очень хрупкие! На прозрачную основу выкладываются ячейки синей стороной вниз на расстоянии около 0,5 см друг от друга (на случай расширения от температуры) и наносится разметка. Закрепить преобразователи последовательно – если нужно большее напряжение, или параллельно – если нужен больший ток. К плюсовому проводнику подключить диод Шоттки, чтобы аккумулятор не разрядился ночью (без солнечного света). Аккуратно спаять все элементы цепи между собой. Протестировать.
На заднюю часть спаянных фотоэлементов (не на синюю!) нанести герметик и аккуратно приклеить синей стороной вверх всю цепь по разметке. Протестировать.
Произвести герметизацию фотоэлементов либо способом полной заливки, либо только между фотоэлементами.
Закрепить конструкцию саморезами в корпусе.
На конструкцию аккуратно поставить груз, чтобы вышел лишний воздух.
Установить изделие на выбранное и подготовленное место.

Солнечная батарея из различных материалов своими руками

Вместо готовых панелей фотоэлементов можно использовать другие материалы, которые будут преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Солнечная батарея из CD-дисков

Такая батарея имеет довольно низкую выработку электроэнергии. Конструкция из 16-18 дисков способна стать источником питания для радиоприемника, электронных часов.

Сначала готовится основа с бортиками, в уголках просверливаются отверстия для крепления. Материалом для основы может послужить фанера, оргстекло.

На основу выкладывается подложка из картона, на которую уже двусторонним скотчем крепятся диски рабочей стороной вверх.

Паяльные выходы делают на обратной стороне диска и паяют все элементы, присоединяя их между собой. Диод Шоттки подключают к соединяющему разъему.

Полученную отражающую панель закрывают прозрачным оргстеклом. Стоит протестировать, чтобы убедиться в работоспособности батареи. Загерметизировать. Плотно зафиксировать оргстекло.

Солнечная батарея из медной фольги

Взять два листа медной фольги. Обезжирить и очистить наждачкой от коррозии и оксидной пленки.

Один лист накалить на электрической плите или газовой горелке до почернения (образовался оксид меди) и продолжить накаливание еще минут тридцать. Дать полностью остыть. Аккуратно смыть отслаивающуюся черную пленку.

Солнечные батареи из подручных средств

При изготовлении самодельных солнечных батарей можно использовать:

транзисторы, в которых имеется кремниевый полупроводниковый элемент (если срезать крышку, пластина внутри легко выполнит роль фотоэлемента.);
диоды;
пивные алюминиевые банки;
калькуляторы;
фонарики на солнечных батареях.

Светильник

Из вышедших из строя готовых светильников на солнечных батареях вполне можно собрать новый, оригинальный и более долговечный.

Для работы понадобятся:

солнечные модули из старых светильников (предварительно проверить их тестером на работоспособность);
аккумулятор;
светодиоды;
многожильный провод (лучше медный);
резисторы;
транзисторы;
диоды – или готовая электронная плата.

Для корпуса светильника подойдет обычная стеклянная банка с закручивающейся крышкой

В подготовленном листе влагостойкой фанеры сделать отверстие под крышку банки. На фанеру наклеить двусторонним скотчем модули в 2 ряда, спаять их.
Выходное напряжение должно быть 4,4 В. Светодиоды соединить с платой. В разрыв питания светодиодов можно подключить датчик движения, срабатывающий на проходящих людей, и фотоэлемент, тогда светильник будет включаться сам при наступлении темноты и выключаться с рассветом.
В крышке сделать два отверстия для проводов. В корпусе разместить электронику. Позаботиться о герметичности конструкции.

Фонарь

На дачном или садовом участке хочется, чтобы и ночью было освещение. Готовые фонари китайского производства часто не удовлетворяют запросам даже самого неприхотливого потребителя:

Фонарь на солнечных батареях легко можно изготовить своими руками, используя готовые солнечные модули и подручные материалы. В качестве плафона подойдут рюмка, стакан, бутылка, банка.
В донышке просверлить отверстие 6-8 мм. Вырезать основание из пластика ПВХ. К солнечной батарее (панели), состоящей из 4 фотоэлементов, припаять провода.
До закрепления панели к основанию нужно проверить ее работоспособность тестером.
Приклеить панель к основанию герметиком или водостойким клеем. Загерметизировать отверстия с выведенными проводами.
Из пластиковой трубки диаметром около 1 см сделать основание для светодиодов. Приклеить их, ориентируясь на центр плафона. Припаять провода и закрепить их вместе с проводами от панели. Установить плафон. Припаять к его проводам плату электроники. В качестве ножки для фонарика можно использовать обрезок пластиковой трубы.

Зарядка для телефона

Довольно просто сделать зарядку для телефона. Взять 4 полупроводника (фотоэлемента) из калькулятора или фонарика, работающего на солнечных батареях. В таких приборах источником питания служат аморфные фотоэлементы, размещенные на пластинке из стекла. Один такой блок дает 1,5 вольта. Соединить их между собой последовательно. У плюсового выхода припаять диод Шоттки.

В цепь после батареи поставить линейный стабилизатор на 5 Вольт и USB разъем. Термоклеем покрыть грани модулей.

При наличии свободного времени и желании, своими руками можно сделать не только простенький прибор на солнечных батареях, но и серьезную конструкцию, которая будет являться альтернативным источником энергии для дачи или собственного дома и экономить на расходах по оплате счетов за электроэнергию.

Устройство и принцип работы

Есть два основных способа использования солнечной энергии:

Прямое использование для нагрева воды и аккумулирования тепла в гелио системах отопления и горячего водоснабжения.
Преобразование света в электроэнергию.

Справка. Основные законы преобразования света в электроэнергию были сформулированы в конце XIX века российским ученым Александром Столетовым.

Каждый модуль заводской солнечной батареи имеет собственный несущий каркас, с расположенной на нем клеммной коробкой.

Это делает возможным объединять модули в единую систему, с подключением к общему оборудованию, которое позволяет контролировать работу, накапливать электроэнергию, преобразовывать ее и распределять между потребителями. А для защиты фотоэлементов используют специальное покрытие из закаленного стекла.

Солнечная панель из диодов

Для изготовления панели можно использовать диоды в металлических и стеклянных корпусах. Первый вариант мощнее, но более трудоемкий. Второй — проще, хотя для достижения такой же мощности понадобится больше элементов.

Панель из диодов в металлическом корпусе

Если говорить о максимальной мощности, которую можно получить с одного кристалла полупроводника, то лучшими в этом отношении будут диоды серии КД203 (КД2010).

Но сложность заключается в том, что диоды этой серии изготовлены в металлокерамическом корпусе, который заодно выполняет роль теплоотвода при монтаже на металлическое шасси.

Диоды средней мощности в металлическом или металлостеклянном корпусе серии Д7, Д214, Д215, Д226, Д237, Д242-Д247 разбирать проще. Сначала бокорезами обрезают жесткий контакт и часть корпуса в виде трубки со стороны анода. А затем вставив нож в шов между основанием и крышкой, открывают корпус. Для облегчения процесса можно предварительно слегка сжать фланец корпуса в тисках, чтобы раскрылась щель между основанием и крышкой.

И эту процедуру надо выполнить с каждым диодом, а их должно быть несколько десятков. В реальных условиях напряжение на одном кристалле будет ниже максимума раза в полтора — около 0.5 В. Чтобы получить на выходе 5 В, надо последовательно соединить в блок 10 кристаллов.

Сама панель должна иметь вид решетки из расположенных в несколько рядов ячеек двух разных диаметров, расположенных поочередно. Большое отверстие — для посадки корпуса, меньшее — для гибкого проводника, которым соединяют в цепь расположенные рядом диоды. Такая заготовка для диодов в металлическом корпусе без крышки глядит так:

Возможны и другие варианты конструкции панели, но принцип прежний — последовательно-параллельное соединение элементов. Принцип как сделать солнечную батарею из диодов был описан еще в советское время. Ниже приведено фото иллюстрации тех времен, на которой показаны способы разборки элементов и принципиальная схема соединения:

Панель из диодов в стеклянных корпусах

У некоторых серий корпус изначально прозрачный, а у тех элементов, корпуса которых окрашены, надо просто смыть краску растворителем.

К таким относятся диоды Д223Б, которые способны при оптимальной ориентации относительно яркого солнца выдавать напряжение около 0,3 В, что почти сопоставимо с более мощными аналогами.

Пошаговый процесс изготовления солнечной панели выглядит так:

помещают на некоторое время диоды в емкость с растворителем;
достают из растворителя элементы и счищают с них размягченную краску;
сгибают под 180° выводы анодов (это необходимо для правильного положения кристалла полупроводника относительно плоскости монтажной платы;
монтируют на монтажной плате элементы, объединяя их в последовательно параллельные группы согласно схеме соединения.

Вот так выглядит панель, состоящая из 9 параллельно соединенных блоков по 12 элементов в каждом:

Как видно, помещенная на солнце, она выдает напряжение в 2.5 В, а ее мощности хватает, чтобы полностью зарядить за 2 часа ионистор емкостью 0,47 Ф.

Панель из светодиодов

Любой светодиод обладает обратимостью: он не только излучает свет под напряжением, но и наоборот — генерирует электричество под воздействием света. Максимальная ЭДС у сверхярких элементов — до 1.65 В, но ток при этом получается очень маленьким — до 20 мкА. Зеленые индикаторные светодиоды с линзой диаметром 3 или 5 мм при освещении выдают почти 1.6 В. Совсем немного уступают им красные и оранжевые светодиоды с линзой 5 мм.

Но изготовить из них солнечную панель, способную работать как эффективное зарядное устройство, не получится из-за крайне маленького тока.

Панель солнечной батареи из транзисторов

Так же как и у диодов, открытый полупроводниковый кристалл транзистора при освещении образует разность потенциалов на p-n переходах. Если провести измерения, то в результате окажется, что всегда есть пара контактов, которая выдает максимально возможную мощность.

Обычно наибольшая ЭДС возникает между коллектором и базой или эмиттером и базой. Перед сборкой домашней солнечной панели надо протестировать все заготовленные элементы и рассортировать их по группам (блокам) с наиболее близкими значениями суммарных напряжений.

Для увеличения общего напряжения и тока применяют смешанное соединение.

Первый вариант. Соединяют параллельно группы (блоки) с одинаковым суммарным напряжением последовательно собранных элементов, и получают на выходе сумму токов от каждого блока. Схема приведена ниже:

Второй вариант. Элементы с приблизительно одинаковыми напряжениями соединяют в группе параллельно (выходной ток будет равен сумме токов). А чтобы нарастить напряжение, несколько таких групп соединяют последовательно.

В сравнении с диодной солнечной панелью собранный транзисторный блок при одинаковой мощности будет занимать большую площадь.

Сборка корпуса

Самый простой корпус для панели домашней солнечной батареи изготавливают из фанеры или листового пластика:

Вырезают по размеру лист, к которому крепят панель.
По периметру листа крепят саморезами или на клей небольшие бортики высотой чуть больше толщины панели.
Сверлят отверстия под выходной кабель с клеммами для подключения аккумулятора.
Подключают к панели кабель через диод Шотки (это надо, чтобы обезопасить аккумулятор от короткого замыкания).
Сверху накрывают лист светопрозрачным листом — оргстеклом или монолитным поликарбонатом. Крепят его к бортам саморезами.

Даже если кристалл полупроводника не лежит в главном фокусе, он все равно расположен на главной оптической оси, а это уже увеличивает концентрацию светового потока. Но такая конструкция оправдана в случае, если размеры панели не имеют значения, а количество диодов или транзисторов ограничено.

Описанные выше схемы не могут служить в качестве источника альтернативной энергии для подключения сколь значимого по мощности потребителя.

Читайте также: