Солнечные батареи своими руками

В последнее время все большую популярность приобретает жизнь в так называемом стиле Органик, ее идея заключается в гармоничных отношениях человека с окружающей его средой. Как и обычно, камнем преткновения каждого экологического подхода становится использование различных ископаемых для выработки энергии.

Выделения токсичных веществ и углекислого газа в атмосферу, которые образуются в процессе сгорания ископаемого топлива, медленно, но верно убивают планету. В связи с этим концепция зеленой энергии,  не вредящей окружающей среде, становится базовой основой большинства новых энерготехнологий. И сегодня одним из таких направлений выработки экологически чистой энергии считается технология преобразования в электрический ток обыкновенного солнечного света. Да, все именно так, как звучит, речь идет о солнечных батареях и возможности монтажа систем автономного энергообеспечения собственными руками в загородном доме.

В данный момент энергоустановки промышленного производства на базе таких солнечных батарей, используемые для полного энергетического и теплового обеспечения коттеджа, стоят порядка 15000-20000 долларов, а гарантированный сроке эксплуатации их составляет около 25 лет. В это же время стоимость какой-либо гелиевой системы в соответствии с соотношением гарантированного срока эксплуатации к среднестатистическим годичным затратам на постоянное коммунальное содержание дома за городом, достаточно высокая. В первую очередь, на сегодняшний день средняя цена на солнечную энергию соизмерима с приобретением энергоресурсов из центральных энергосетей, а во вторую – необходимо сделать одномоментное капитальное вложение для установки такой системы.

Как правило, принято разделять гелиосистемы, которые предназначены для теплового и энергетического обеспечения. Для первого случая применяется технология солнечного коллектора, для второго используется фотоэлектрический эффект, генерирующий электрический ток в солнечных батареях. Сегодня предлагаю рассмотреть возможность самостоятельного производства солнечных батарей.

В целом, технология ручной сборки солнечных энергетических систем является достаточно простой и доступной. Фактически каждый человек вполне может собрать собственные энергосистемы с высоким КПД при достаточно невысоких затратах, в сравнении с покупкой. Это доступно, выгодно, а в последнее время, к тому же, вошло в моду.

Подбор солнечных элементов для изготовления солнечной панели

Начиная изготовление солнечной системы, следует обратить отдельное внимание, на то, что при индивидуальной сборке нет надобности одномоментного монтажа полнофункциональной системы, её без проблем можно постепенно наращивать. Если первый опыт окажется положительным, то имеет смысл расширять в дальнейшем функциональность вашей гелиосистемы.

Солнечная батарея по своей сути является генератором, работающим на основе фотоэлектрического эффекта, который преобразует солнечную энергию в необходимую нам электрическую. Кванты света, которые  попадают на кремниевую пластину, извлекают электрон с крайней атомной орбиты кремния. Такой эффект создает необходимое количество свободных электронов, и они образуют поток электрического тока.

Прежде, чем начинать сборку батареи, следует определиться в виде фотоэлектрического преобразователя, а точнее выбрать монокристаллический, поликристаллический или аморфный. Для сборки солнечной батареи своими руками выбирают, как правило, доступные в магазинах монокристаллические и поликристаллические солнечные модули.

Если панели имеют в основе поликристаллический кремний, то они отличаются довольно низким КПД (порядка 7-9%), однако такой недостаток компенсируется тем, что поликристаллы фактически не понижают мощность работы даже при облачности или пасмурной погоде, гарантийный срок эксплуатации таких элементов составляет примерно 10 лет. Второй вариант панели на основе монокристаллического кремния обладают КПД порядка 13% при гарантированном периоде работы около 25 лет, однако данные элементы значительно снижают мощность, когда отсутствует прямой солнечный свет. Данные КПД кристаллов кремния от различных производителей могут варьироваться в довольно широких рамках. Как показывает практика работы солнечных электростанций в практически полевых условиях, срок службы монокристаллических модулей длиться более 30 лет, а у поликристаллических превышает 20-летний период. Кроме того, за все время эксплуатации утрата мощности у кремниевых моно- и поликристаллических элементов будет составлять не более 10%, в то время, как у тонкопленочных аморфных батарей мощность даже за первые два года понижается в среднем на 10-40%.

Если говорить про конкретные места приобретения, то на  аукционе Еbay можно купить набор Solar Cells для монтажа солнечной батареи, состоящий из 36 или 72 солнечных элементов. Подобные наборы доступны в продаже и по всей стране. Чаще всего, для собственноручной сборки солнечных батарей применяются солнечные модули В-типа, другими словами модули, которые отбракованы на промышленном производстве. Такие модули не утратили своих эксплуатационных качеств и стоят значительно меньше. Некоторые поставщики поставляют солнечные модули на основе  стеклотекстолитовой платы, что обеспечивает хороший уровень герметичности элементов, а это, в свою очередь, надежность.

Проектирование гелиевой энергосистемы

Разработка проекта будущей гелиосистемы зависит во многом от метода её установки и монтажа. Устанавливать солнечные батареи необходимо под наклоном, чтобы гарантировать попадание максимума солнечных лучей, направленных под прямым углом. Во многом производительность солнечной панели будет зависеть от интенсивности световой энергии, а кроме того и от угла падения солнечных лучей. Размещать солнечную батарею относительно солнца и выставлять угол наклона следует в зависимости от географического расположения данной системы и текущего времени года.

Зачастую промышленные гелиосистемы снабжены датчиками, обеспечивающими ротационное передвижение солнечной панели в направлении перемещения солнечных лучей, а также зеркалами, которые концентрируют солнечный свет. Использование подобных элементов в индивидуальных системах основательно усложняют и делают дороже систему, поэтому практически не применяются. Использована может быть самая простая механическая система, контролирующая угол наклона. В зимний период солнечные панели установлены должны быть почти что вертикально, это, кроме всего прочего, обеспечивает защиту панели от наваливания снега и обледенения самой конструкции.

Монтируются солнечные батареи, соответственно, с солнечной стороны здания, обеспечивая таким образом максимальный доступный объем поступающей солнечной энергии в дневное время суток. Зависимо от географического положения и уровня солнцестояния рассчитывается угол наклона батареи, который будет лучше всего подходить для конкретного местоположения.

Несколько усложнив конструкцию, можно сделать систему, управляющую углом наклона солнечной батареи в разное время года и углом поворота панели на протяжении суток. Энергетическая эффективность подобной системы значительно повысится.

В процессе проектирования солнечной системы, в будущем  установленной на крыше дома, следует непременно выяснить, есть ли возможность у кровельной конструкции выдержать необходимый вес. Самостоятельная разработка проекта предусматривает расчет кровельной нагрузки, который учитывает вес снежного покрова в зимний период.

Для производства солнечных панелей выбирать можно разнообразные материалы по удельному весу и прочим характеристикам. При подборе материалов конструкции следует учитывать также максимально допустимый показатель температуры нагрева солнечного элемента, поскольку температура солнечного модуля, который работает на полную мощность, должна быть не более, чем 250 градусов. При превышении данного показателя солнечный модуль сразу же утрачивает свою способность перерабатывать солнечный свет в необходимый электрический ток. Как правило, готовые гелиосистемы личного использования, не располагают охлаждением солнечных элементов. Изготовление собственными руками может подразумевать охлаждение гелиосистемы, также как и контролирование угла наклона солнечной панели для гарантирования поддержания функциональной температуры модуля, а также подбор подходящего прозрачного материала, который поглощает ИК-излучение.

Правильная конструкция солнечной системы дает возможность обеспечить необходимую мощность солнечной батареи, по максимуму подходящую к номинальной. При проектировании конструкции следует учитывать, что однотипные элементы и напряжение дают одинаковое, которое не зависит от размера элементов. Сила тока при этом у крупнокалиберных элементов будет больше, однако и батарея при этом будет несколько тяжелее. Для производства солнечной системы используются всегда солнечные модули одного размера, поскольку максимальный ток будет ограничиваться максимальным током наименьшего элемента.

Как показывают расчеты, в среднем в безоблачный солнечный день с одного метра солнечной панели получить можно максимум до 120 Вт мощности. Данная мощность не сможет обеспечить работу даже одному компьютеру. Система, размер которой 10 метров гарантирует более 1 кВт энергии и сможет снабжать электроэнергию для работы основных бытовых приборов, к примеру, освещения, телевизора, компьютера. В дом, где проживает семья из 3-4 человек, требуется порядка 200-300 кВт в месяц, поэтому если установить  солнечную систему, размером в 20 метров с южной стороны, то вполне можно обеспечить необходимую мощность.

Если рассмотреть среднестатистические показатели по электроснабжению частного жилого дома, то появляются следующие цифры: ежедневное энергопотребление находится в пределах 3 кВт ч, с весны по очень солнечная радиация 4 кВт ч/м в день, максимальная мощность потребления 3кВт (при включеной стиральной машине, холодильнике, утюге и электрочайнике и т.д.). Для оптимизации энергопотребления, чтобы осветить внутренние помещения дома лучше всего монтировать лампы переменного тока с невысоким энергопотреблением, к примеру, светодиодные или люминесцентные.

Каркас солнечной батареи – основы изготовления

В качестве каркаса для солнечной батареи применяется алюминиевый уголок. Все на тому же аукционе Еbay купить можно готовые рамы, специально для солнечных батарей. Выбрать прозрачное покрытие можно по желанию, ориентируясь на характеристики, которые требуются для конкретной конструкции.

В качестве критерия подбора материала можно рассматривать  показатели преломления света. Самым минимальным коэффициентом преломления обладает плексиглас, менее дорогостоящим вариантом прозрачного материала считается отечественное оргстекло, не так оптимально подходящим поликарбонат. Производители предлагают поликарбонат, имеющий антиконденсатное покрытие, кроме того, данный материал гарантирует хороший уровень термозащиты. Выбирая прозрачные материалы по удельному весу и возможности поглощать ИК-спектр, в первую очередь следует обратить внимание на поликарбонат. К самым прозрачным материалам относятся те, которые обладают высоким светопропусканием.

При производстве солнечной батареи немаловажно подбирать прозрачные материалы, которые не будут пропускать ИК-спектр и, соответственно, снижающие нагревание кремниевых элементов, которые утрачивают свою мощность, когда температура превышает 250 градусов. В промышленности прменяются специализированные стекла, на которые нанесено оксидно-металлическое покрытие. Оптимальным стеклом для солнечных панелей является такой материал, которые будет пропускать весь спектр, за исключением ИК-диапазона.

Защитный силикатный стеклянный материал с оксидом железа обеспечивает максимальное поглощение ИК-спектра, однако он имеет зеленоватый оттенок. Отлично поглощает ИК-спектр какое-либо минеральное стекло кроме кварцевого, в том числе, к разряду органических стекол относится оргстекло и плексиглас. Минеральное стекло является наиболее устойчивым к повреждениям, но стоимость его довольно высока и потому оно малодоступно. Также для солнечных батарей используется специальное антибликовое сверхпрозрачное стекло, которое пропускает примерно 98% спектра. Кроме того, такое стекло обеспечивает поглощение основной части ИК-спектра.

Правильный выбор оптических и спектральных качеств стекла основательно увеличивает эффективность фотопреобразования солнечной панели.

В большинстве мастер-классов по изготовлению солнечных батарей советуется применять оргстекло, делая переднюю и заднюю панель. Это дает возможность проводить контроль контактов. Но при этом конструкцию из оргстекла трудно назвать абсолютно герметичной, той, которая способна гарантировать бесперебойную работу панели на протяжении всех 20 лет эксплуатации.

Установка корпуса солнечной батареи

В тех же самых мастер-классах показывают изготовление солнечной панели, собранной из 36 поликристаллических солнечных элементов, размер которых 81150 мм. Ориентируясь на эти размеры, можно рассчитать размеры предполагаемой солнечной батареи. В процессе расчета размеров немаловажно между элементами оставлять некоторое расстояние,  учитывающее деформацию размеров основы под воздействием атмосферных процессов, иными словами, между элементами должно оставаться около 3-5 миллиметров. В результате, размер заготовки должен составлять 83,5х69,0 сантиметров при ширине уголка 3,5 сантиметра.  

На солнечную панель, изготовленную на фабрике, больше всего похожа самодельная солнечная батарея, которая сделана с применением алюминиевого профиля. При этом достигается достаточно высокий уровень герметичности и надежности самой конструкции. Для производства используется алюминиевый уголок, и делаются заготовки рамки размером 835х690 мм. Для возможности провести крепление метизов, необходимо сделать в раме отверстия. На внутреннюю сторону уголка следует дважды нанести силиконовый герметик. При этом нужно непременно проследить, чтобы не осталось незаполненных мест. Долговечность и герметичность батареи будет напрямую зависеть от этого. Затем в раму укладывается прозрачный лист из материала, который был выбран: поликарбонат, оргстекло, плексиглас, антибликовое стекло и так далее. Очень важно дать силикону полностью высохнуть на открытом воздухе, в противном случае испарения создадут эффект пленки на элементах. Стекло необходимо крепко прижать и хорошо зафиксировать.     Для максимально надежного крепления стекла потребуются метизы. Необходимо закрепить 4 угла рамки и разместить по периметру два метиза на длинной стороне рамки и по одному метизу на короткой стороне. Фиксируются метизы с помощью шурупов. Плотно затянуть шурупы поможет шуруповерт.

Теперь каркас солнечной батареи пригоден к использованию. Прежде чем крепить солнечные элементы, следует не забывать очистить стекло от пыли.

Выбор и пайка солнечных элементов

На сегодняшний день на аукционе Еbay предлагается широчайший ассортимент изделий для собственноручного изготовления солнечных батарей.

Поскольку солнечная батарея, которая сделана самостоятельно, стоит практически в 4 раза меньше, чем готовая, изготовление своими руками становится значительной экономией средств. Вполне можно подобрать солнечные элементы, которые имеют некоторые дефекты, но при этом не утрачивают своей функциональности, и соответственно, стоимость солнечной батареи становится существенно меньше, если внешний вид батареи для вас не являются очень уж важным фактором, и вы можете им пожертвовать.

В первый раз лучше покупать наборы для производства солнечных панелей, сегодня в продаже представлены солнечные элементы с уже готовыми припаянными проводниками, поскольку пайка контактов является весьма сложным процессом, так как он усложняется хрупкостью солнечных элементов.

В случае, если вы все же купили кремниевые элементы, не имеющие проводников, тогда вначале понадобится сделать пайку контактов.

Если поликристаллический кремниевый элемент не имеет проводников, то их следует нарезать при помощи картонной заготовки. Затем нужно осторожно уложить проводник на фотоэлемент. Потом на место припаивания наносится кислота для паяния и припой. Для удобства работы проводник фиксируется с одной стороны каким-нибудь тяжелым предметом. В этом положении требуется тщательно припаять проводник к фотоэлементу. В процессе пайки нельзя прижимать кристалл, поскольку он довольно хрупкий.

Несомненно, пайка элементов это весьма кропотливая работа. Если не получится сделать нормальное соединение, тогда необходимо будет работу повторить. По принятым нормативам нанесенное на проводник серебряное напыление выдерживать должно 3 цикла пайки при максимально допустимых тепловых режимах, однако практика не раз показывала, что напыление может разрушаться. Происходит разрушение серебряного напыления в связи с использованием паяльников, мощность которых составляет 65 Вт и не  регулируется, избежать этого можно, если уменьшить мощность. А понизить мощность можно следующим образом следует последовательно с паяльником подключить патрон с лампочкой в 100 Вт. Стандартная мощность нерегулируемого паяльника чересчур высока для пайки необходимых кремниевых контактов.

Продавцы, как правило, утверждают, что припой на соединителе присутствует, однако лучше нанести его дополнительно. В процессе пайки старайтесь осторожно обращаться с элементами, даже при крайне небольшом усилии они лопаются. Не желательно складывать элементы пачкой, поскольку нижние элементы от веса могут треснуть.

Пайка и дальнейшая сборка солнечной батареи

Во время первого самостоятельного изготовления солнечной батареи оптимальным вариантом будет воспользоваться разметочной подложкой, помогающей расположить элементы ровно и на одинаковом расстоянии друг от друга (примерно 0,05 см).

Основа изготавливается из листа фанеры с маркированными уголками. После пайки на все элементы с обратной стороны прикрепляют кусок монтажной ленты, теперь достаточно плотно придавить заднюю панель к скотчу, и перенесутся все элементы.

При таком варианте крепления сами элементы не требуется дополнительно герметизировать, они имеют возможность свободно расширяться при влиянии температуры, это не спровоцирует повреждение солнечной батареи и не приведет к разрыву контактов и других элементов. Герметизации подлежат только соединительные элементы конструкции. Данный тип крепления оптимально подходит для опытных образцов, однако вряд ли сможет обеспечить долгосрочную эксплуатацию в бытовых условиях.

Поэтапный план сборки батареи выглядит следующим образом:

• Элементы выкладываются на стеклянную поверхность. Расстояние между элементами должно оставаться таким, чтоб обеспечивало свободное изменение размеров, не нанося ущерб конструкции. При помощи грузов нужно прижать элементы.
• Затем производится пайка. Плюсовые токоведущие дорожки размещаются на лицевой стороне элементов, а на обратной стороне минусовые. Прежде чем начинать пайку нужно нанести флюс и припой, а потом осторожно припаять серебряные контакты. Таким же образом соединяются все нужные солнечные элементы.
• Расположенные с краю контакты выводятся на шину, на плюс и минус соответственно. Для шины применяется серебряный проводник большей толщины, который, к примеру, есть в наборе Solar Cells.
• Желательно также заранее выводить среднюю точку, и при помощи нее устанавливать дополнительно два шунтирующих диода.
• В качестве проводящих ток проводов можно использовать акустический кабель, имеющий силиконовую изоляцию. Подручным средством изоляции могут стать обычные трубки из-под капельницы. Следует учитывать, что все провода должны быть надежно зафиксированы силиконом.
• Соединять элементы можно последовательно, а не только посредством общей шины, в таком случае 2-й и 4-й ряд требуется повернуть на 1800 градусов относительно 1-го ряда.

Главной  проблемой сборки солнечной панели, как правило, является качество пайки контактов, в связи с этим специалисты рекомендуют, прежде чем герметизировать панель, сначала протестировать ее.

Проводить тестирование можно после каждой пайки группы элементов.

Герметизация солнечной панели

При собственноручном изготовлении герметизация солнечных панелей считается одним из наиболее спорных вопросов среди специалистов. Если посмотреть с одной стороны, провести герметизацию панелей необходимо для максимизирования долговечности, она всегда используется при промышленном производстве. Зарубежные мастера рекомендуют пользоваться для герметизации эпоксидным компаундом Sylgard 184, который обеспечивает абсолютно прозрачную полимеризованную, весьма эластичную поверхность. Средняя цена Sylgard 184 на сегодняшний день в соответственных магазинах составляет порядка 40 долларов.

Однако, если посмотреть с другой стороны, в случае, когда дополнительные затраты для вас крайне нежелательны, вполне можно воспользоваться силиконовым герметиком. Но следует учитывать, что в таком случае не желательно полностью заливать элементы, в противном случае вполне могут произойти повреждения в процессе дальнейшей эксплуатации. Учитывая этот факт, к задней панели прикрепить элементы можно с помощью силикона и герметизировать исключительно лишь края конструкции. Сложно точно сказать насколько эффективной является подобная герметизация, но применять нежелательные гидроизоляционные мастики все же не следует, поскольку возникает очень высокая вероятность последующего разрыва контактов и элементов.

Прежде, чем начинать герметизацию, необходимо подготовить используемую смесь (рассмотрим это на примере смеси Sylgard 184).

Изначально заливаются места стыковки элементов. Дождитесь, пока смесь схватится, закрепив все элементы на стекле.

Когда  элементы зафиксированы, необходимо сделать сплошной полимеризирующий слой из эластичного герметика, его можно равномерно распределить при помощи кисточки.

Поверхность, на которую нанесен герметизирующий слой, должна очень хорошо просохнуть. Только после абсолютного высыхания можно начинать крепление солнечной батареи задней панелью.

В процессе установки непременно следует ориентироваться на схему электроснабжения в дома, а начинать сам монтаж лишь после того, как солнечная батарея абсолютно готова.

Схема электроснабжения дома

В домах, где используются солнечные батарей, системы электроснабжения чаще всего называют фотоэлектрическими системами, другими словами системами, которые обеспечивают генерацию энергии с применением фотоэлектрического эффекта. Рассматриваются для индивидуальных жилых домов три основных фотоэлектрические системы: первый вариант – это автономная система энергообеспечения, второй вариант гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, и третий – это фотоэлектрическая система без аккумулятора, которая подключена к центральной системе энергоснабжения.

Любая из вышеперечисленных систем обладает своим предназначением и имеет свои преимущества, однако чаще всего в современных жилых домах используют фотоэлектрические системы, имеющие резервные аккумуляторные батареи и подключение к централизованной энергосети. Таким образом, питание электросети поступает с помощью солнечных батарей, в ночное время или сумерки от аккумуляторов, а в случае их разрядке обеспечивается центральной энергосетью. В некоторых труднодоступных районах, где отсутствует центральная сеть, в качестве запасного источника энергоснабжения применяются генераторы, работающие на жидком топливе.