Jak zrobić własny panel słoneczny?
Wyrwanie się z niewoli firm dostarczających prąd do naszych domów to marzenie dosłownie każdego mieszkańca planety. Każdego roku na potrzeby gospodarstw domowych potrzeba coraz więcej energii elektrycznej. A w związku z popytem na to wzrasta również koszt usług. Dlatego każdy mieszkaniec naszego kraju marzy o przejściu na alternatywne zasilanie. Zastanów się, jak samemu zrobić baterię słoneczną, czego potrzebujesz i jak prawidłowo podłączyć ją do akumulatora.
Urządzenie i zasada działania
Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za opisanie mechanizmu efektu fotoelektrycznego. A pierwsza konwersja światła słonecznego w elektryczność stała się możliwa w połowie XIX wieku, kiedy to zjawisko odkrył Francuz Alexander Becquerel. To prawda, że rosyjski naukowiec Aleksander Stoletow potrzebował kolejnych 50 lat, aby uzyskać praktyczny wynik w swoim laboratorium.
Pierwsze ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu zostało opracowane przez Bell Laboratories w 1954 roku. Od tego momentu powstała technologia, dzięki której spodziewają się całkowitego usunięcia paliwa węglowego z codziennego życia. A perspektywy są naprawdę ogromne. Z metra kwadratowego powierzchni ziemi można pozyskać 4,2 kW/h energii słonecznej dziennie. Co odpowiada zużyciu jednej baryłki ropy.
Jedno ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd mierzony w miliamperach. Aby stworzyć panel słoneczny generujący energię elektryczną o wystarczającej mocy, takie łącza są połączone w modułową konstrukcję. Całe matryce, z różnej liczby fotokomórek, tworzą baterię słoneczną.
Ze względu na złożoność i wysokie koszty wytwarzania technologia początkowo znalazła zastosowanie tylko w przemyśle kosmicznym. Ale kiedy wymyślili sposób na produkcję ogniw fotowoltaicznych z tańszych materiałów, do naszych domów trafiła bateria słoneczna. Najpierw do przenośnych kalkulatorów, potem do aparatów fotograficznych i małych lampek.
Wkrótce technologia przeniosła się z kosmosu na ziemię. Zaczęto tworzyć instalacje geoelektryczne, które mocowano na dachach domów. Dzięki tej innowacji budynki te zostały odłączone od przewodowej elektryczności i stały się autonomiczne. A teraz nie jest niczym niezwykłym spotkać wiele kilometrów pól z zainstalowanymi na nich silikonowymi panelami. Takie elektrownie są w stanie dostarczyć prąd do całych miast.
Złożony efekt fotoelektryczny okazał się niezwykle prosty. Ale to jest na dzisiaj. Wszak 50 lat temu nie było technologii, która pozwoliłaby na uzyskanie materiałów o niestabilnej strukturze atomowej. Mianowicie ta właściwość materii jest kluczem do pozyskiwania energii. Kiedy pojedyncze niestabilne atomy są bombardowane fotonami światła, elektrony są wybijane ze swoich orbit. Te ostatnie są aktualnym źródłem.
Odkrycie półprzewodników było ogromnym skokiem w rozwoju branży pozyskiwania alternatywnych źródeł energii elektrycznej. Materiały te mają atomy, które albo mają za dużo elektronów, albo bardzo mało. Podział na katodę (nadmiar) i anodę (brak) i wystrzeliwany przez fotony światła pozwala wybić cząstki z atomów z nadmiarem elektronów.
W ten sposób katoda przenosi je na swobodne orbity do anody. A jeśli stworzysz ładunek, elektrony powrócą do swoich pierwotnych miejsc. W ten sposób ruch cząstek w obwodzie zamkniętym wytwarza prąd elektryczny. A zwykłe pole magnetyczne w nieporęcznych generatorach elektrycznych zostaje zastąpione strumieniem cząstek promieniowania słonecznego.
Rodzaje paneli i ich zalety
Zobaczmy, z czego wykonane są panele słoneczne. Selen został użyty do stworzenia pierwszej komórki. Ale powstałe fotokomórki miały bardzo wysoką aktywność chemiczną i szybko się starzały. Dodatkowo skuteczność była śmieszna - tylko 1%. W poszukiwaniu zamiennika wypróbowano krzem krystaliczny. Ale ten element jest dielektrykiem. W związku z tym dla przewodnictwa trzeba było dodać różne metale ziem rzadkich.
Do chwili obecnej istnieją trzy rodzaje krzemowych ogniw fotowoltaicznych:
- na monokryształach;
- polikrystaliczny;
- amorficzny.
Każdy typ ma własną technologię produkcji. W pierwszym przypadku wlewki krzemowe przechodzą najwyższy stopień oczyszczenia. I dopiero potem odcina się od nich najcieńsze warstwy. W końcowym etapie uzyskuje się ciemnoniebieskie płytki, podobne do szkła i z wyraźną siatką elektrod na powierzchni.
Najwyższą sprawność mają monokrystaliczne ogniwa słoneczne - 19%. A żywotność szacuje się na 50 lat. Każda komórka krzemowa z czasem traci wydajność. I w tym przypadku prym wiodą amorficzne. Ale monokryształy robią to bardzo powoli. Baterie zbudowane z nich 40 lat temu nadal działają i zachowały 80% swojej pierwotnej wydajności.
Jeśli panele słoneczne z fotokomórkami polikrystalicznymi zostaną podłączone do zasilania domu, to ich wymiana będzie wymagana po 25 latach. Sprawność takiego urządzenia, choć mniejsza od monokryształu, nadal jest całkiem dobra - 15%. Spadek parametrów wynika z zastosowania w tym przypadku tańszego krzemu. I nie jest taki czysty. Dlatego wytwarzane płytki uzyskuje się z jaśniejszym wzorem, który tworzy granice między kryształami.
Ale polikrystaliczne ogniwa słoneczne mają swoje zalety. Po pierwsze jest to stosunkowo niska cena niż te monokrystaliczne. Po drugie, nie są one tak silnie zależne od niskiego zachmurzenia i orientacji względem gwiazdy. A także łatwiej tolerować zanieczyszczenia zewnętrzne. To sprawia, że polikrystaliczne ogniwa słoneczne są znacznie bardziej popularne wśród użytkowników.
Krzem amorficzny nie ma struktury krystalicznej. Podczas produkcji najcieńsza warstwa pierwiastka chemicznego jest nakładana na szkło lub polimer. Te panele nie trwają długo. Warstwa amorficzna szybko wypala się na słońcu i ulega całkowitej degradacji. A sprawność to tylko 9%. I z czasem szybko odpada. Ale tania metoda produkcji nieco uzasadnia ich zastosowanie w niektórych obszarach. Na przykład szybki spadek wydajności jest równoważony wysoką aktywnością słoneczną na pustyniach.
Ponieważ branża jest uważana za wysoce obiecującą, jej badania i rozwój idą pełną parą. Trwają poszukiwania nowych materiałów, które obniżą koszty produkcji i zmaksymalizują wydajność. A do tej pory uzyskano już nową technologię wytwarzania fotokomórek foliowych, które mają bardzo dobrą trwałość. A ich wydajność jest wyższa niż tych wykonanych z krzemu.
Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne wykonane są z:
- tellurek kadmu;
- polimery;
- selenek indu i miedzi.
Planowane jest dopiero podłączenie takich paneli słonecznych w sektorze prywatnym. W międzyczasie tylko kilku liderów w tej branży jest zaangażowanych w ich wydanie. Elastyczne ogniwa słoneczne są jeszcze rzadsze. Dlatego ich wykorzystanie w samodzielnym modelowaniu jest możliwe dopiero w przyszłości.
Fotokomórki i ich wymiana
Produkcja rzemieślnicza baterii słonecznych nieuchronnie będzie gorsza od produktów firm przemysłowych. Nawet jeśli użyjesz najlepszych materiałów. Faktem jest, że producenci dokonali skrupulatnego doboru fotokomórek, z odrzuceniem wszystkich, z najmniejszym niedoszacowaniem parametrów.
A do ochrony ogniw modułowych stosuje się specjalne szkło. Posiada maksymalną zdolność przepuszczania światła. Ale składnik odblaskowy jest zmniejszony. Taki materiał po prostu nie trafia do sieci handlowych.
Ale najważniejszym elementem jest obecność laboratorium. Próbka przed wprowadzeniem do masowej produkcji jest testowana na różnych modelach matematycznych. Poprawiając system rozpraszania ciepła, zmniejszając zależność wydajności od ciepła. A także poszukiwanie optymalnego przekroju szyn łączących i sposobu na zmniejszenie degradacji fotokomórki.
Ale tymczasem samodzielnie wykonane panele słoneczne mają prawo do życia. Jeśli nie weźmiesz pod uwagę zbyt wąskich momentów, to prowizoryczna bateria pokazuje nie tak złe wyniki wydajności. A zysk cenowy jest ponad dwukrotnie większy. Najważniejsze jest znalezienie najbardziej odpowiednich fotokomórek.
Filmy na dom znikają nawet dla tych, którzy nie są ograniczeni kosztami. Po prostu nie są na sprzedaż. Amorficzne nie są warte uwagi. Zbyt niska wydajność i szybka degradacja nie usprawiedliwiają nawet niskich kosztów. Dlatego musisz skupić się na krzemie krystalicznym. I trzeba zacząć od tańszych polikryształów. Oprócz uzasadnionych oszczędności jest jeszcze jeden powód takiego wyboru. Aby pracować z pojedynczym kryształem, potrzebujesz dobrej umiejętności.
Do tej pory rynek już szeroko oferuje produkty z krzemu krystalicznego. Oprócz głównych producentów, w naszych rodzimych przestrzeniach działa wiele małych firm, które handlują zarówno wyrobami gotowymi, jak i ich komponentami. Inna sprawa, że towar nie zawsze jest wysokiej jakości, a jego cena wciąż jest zbyt wysoka.
Dlatego musisz patrzeć na zagraniczne platformy transakcyjne. Taobao, Ebay, Aliexpress i Amazon zawsze będą oferować niedrogi produkt w szerokim asortymencie. Co więcej, możesz kupić osobno nie tylko wymaganą liczbę fotokomórek, ale także półprodukt. Wielu sprzedawców oferuje przydatne zestawy do samodzielnego montażu paneli słonecznych. Możesz nawet wybrać żądaną moc.
Czasami bardzo opłaca się kupować towary klasy „B”. Sprzedawca oferuje ogniwo słoneczne z wadami mechanicznymi. Trzeba powiedzieć, że drobne odpryski, a nawet pęknięcia nie wpływają znacząco na działanie fotokomórek. Ale ich koszt jest znacznie mniejszy.
Tymczasem doświadczeni radioamatorzy wiedzą, że surowce do baterii słonecznej można znaleźć dosłownie pod ich stopami. A nawet dobrej jakości. Mówimy o starych komponentach radiowych. Okazuje się, że krzemień krystaliczny można lutować z diod i tranzystorów. Ale jeśli myślisz rozsądnie, ta metoda nie zasługuje na uwagę.
Nawet najmocniejszy tranzystor germanowy zawiera krzem, który w najjaśniejszym słońcu da prąd o wartości zaledwie kilku mikroamperów. Złożenie sieci kilkuset półprzewodników będzie wymagało sporo wysiłku. A w praktyce okaże się, że zrobimy ogniwo słoneczne, poza ładowaniem telefonu komórkowego. Ale jeśli jest chęć, w formie eksperymentu i zdobycia umiejętności, można spróbować.
Kalkulacja i projekt
Zanim będziesz mógł zainstalować panel słoneczny w swoim domu, musisz wykonać dużo pracy. A przede wszystkim musisz podjąć obliczenia. Każdy ma ochotę porzucić przewodową elektryczność i nabyć własną elektrownię. Ale trzeba dokładnie przeanalizować możliwość realizacji takiego przedsięwzięcia.
Najpierw analizujemy fakturę do zapłaty od dostawcy energii elektrycznej. Wskazuje, ile kilowatów potrzeba, aby spłacić dług. Tę liczbę należy podzielić przez 30 (liczbę dni w miesiącu). Możesz więc poznać średnie dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną. I załóżmy, że dostajemy 10 kW dziennie.
W idealnych warunkach potrzebna byłaby bateria 1,5 kWh, aby zaspokoić nasze potrzeby. Ale musisz wziąć pod uwagę wszystkie wrogie okoliczności. A jest ich dużo. Po pierwsze, bateria będzie generować prąd tylko w ciągu dnia. Co więcej, największa efektywność przypada na czas od dziewiątej rano do czwartej po południu. A to tylko 70% generacji codziennej normy.
Po drugie, nawet lekka mgła w atmosferze zmniejszy prąd wyjściowy o 2-3 razy. Ciągłe zachmurzenie spowoduje natychmiastowy spadek wydajności o 15-20 razy. Dlatego pojemność baterii już musi zostać zwiększona o co najmniej 40%. Ale to nie wszystko.
Aby zgromadzić energię elektryczną, będziesz potrzebować dużej baterii i równie wydajnego konwertera napięcia. Nie można się bez tego obejść, ponieważ wszystkie urządzenia gospodarstwa domowego są zasilane prądem 220 V. Ale akumulacji i transformacji nieuchronnie towarzyszą straty. Eksperci twierdzą, że sięgają nawet 30%. Dlatego do wcześniej dodanych 40% dodajemy również tę liczbę. A na koniec będziesz już potrzebować baterii słonecznej od 2,5 do 3 kW o mocy.
Następnie obliczamy liczbę baterii. Ponadto potrzebujemy niskonapięciowych, zaprojektowanych na napięcie 12, 24 i 48 woltów. Jeśli korzystasz ze zwykłej wersji samochodu (12 V), to biorąc pod uwagę stawkę dzienną i nieuniknione straty, będziesz potrzebować 6 sztuk. Oczywiście możesz wziąć najlepsze, na 48 V, ale to tylko zwiększy całkowity koszt całej instalacji.
Od razu trzeba rozwiać mit o wykorzystaniu paneli słonecznych do ogrzewania domu zimą. Jeśli do obliczeń dodamy obliczenia dotyczące instalacji elektrycznych elementów grzejnych, to w końcu będziemy potrzebować bardzo poważnej elektrowni słonecznej. A na samowystarczalność i jeszcze większe oszczędności będzie trzeba czekać wiele lat.
Jeśli chodzi o wymiary akumulatora, to znowu zależą one od jego mocy, a także od rodzaju fotokomórki. Jeśli weźmiemy elementy z ogniwami polikrystalicznymi, które wytwarzają napięcie 0,5 V i prąd 3 A, to taki mini panel będzie miał boki 3 na 6 cali. Z reguły, aby naładować akumulator, trzeba je połączyć w bloki po 30 sztuk. Ponieważ moc jednego takiego modułu wynosi 45 W, już teraz łatwo jest obliczyć wymaganą liczbę jednostek, aby wytworzyć niezbędną moc do zaspokojenia codziennych potrzeb.
Instrukcje produkcyjne
Zrozumiemy szczegółowo, jak samemu wykonać baterię słoneczną. Biorąc pod uwagę powyższe obliczenia, będzie potrzebować 120 płyt. Do instalacji najwygodniej jest użyć ich umieszczenia w stosunku 1: 1. Dlatego musisz ułożyć 15 rzędów po 8 elementów. W takim przypadku dwie sąsiednie kolumny są połączone szeregowo. A powstałe 4 bloki można łatwo zadokować równolegle.
Rama
Montaż należy rozpocząć od stworzenia ramy. Aby to zrobić, zgodnie z naszym rozmiarem, wykonujemy ramę z aluminiowych narożników. Możesz użyć drewnianej szyny kwadratowej o przekroju nie większym niż 25 × 25 mm. Aby boki ramy nie rzucały cienia na skrajne elementy. Możesz umieścić tę samą szynę na środku ramy w celu wzmocnienia.
Tylna strona korpusu pokryta jest sklejką lub płytą OSB. Otwory wentylacyjne wiercone są od dołu w celu wyrównania wilgotności. W przeciwnym razie nie da się uniknąć zaparowania szkła. Te ostatnie powinny być najwyższej jakości i o najwyższym stopniu przejrzystości. Jest skrojony zgodnie z zewnętrznymi wymiarami ciała. Do mocowania służą kątowniki.
Możesz użyć pleksi. Następnie mocuje się go do ramy, wiercąc wzdłuż jej krawędzi otwory na wkręty samogwintujące. Drewnianą skrzynkę należy zaimpregnować antybakteryjnie i pokryć farbą olejną. To ochroni go przed wilgocią i pleśnią.
Lutowanie płytowe
Ponieważ układanie zostanie przeprowadzone w 15 rzędach, bardziej racjonalne jest połączenie ze sobą tylko 5 płytek. Aby zapobiec uszkodzeniu delikatnych części. A ostateczny montaż odbywa się na podłożu. Do lutowania potrzebna jest lutownica o małej mocy (40 W) i wysokiej jakości lut niskotopliwy. Podczas łączenia części ze sobą należy przestrzegać biegunowości.
Po zebraniu małego łańcucha musisz go przetestować. Aby to zrobić, umieszczamy płytki pod włączoną lampą i wykonujemy odczyty za pomocą woltomierza. Rejestracja wartości prądu i napięcia pozwoli na porównanie parametrów modułów.
Następnie na tył płytek nakłada się szczeliwo silikonowe. Moduły przyklejamy do podłoża wykonanego ze zwykłej płyty pilśniowej, którą należy wcześniej przygotować, wycinając ramę zgodnie z wymiarami wewnętrznymi. Ostateczne połączenie elementów odbywa się zgodnie ze schematem wskazanym na samym początku instrukcji. A każdy 15-woltowy blok jest dostarczany z diodą Schottky'ego. Zapobiegnie to rozładowaniu akumulatora, gdy napięcie panelu spadnie.
Montaż panelu
Zmontowane podłoże umieszcza się wewnątrz obudowy i mocuje za pomocą wkrętów samogwintujących. Otwory do mocowania przewodów są nawiercone w szynie poprzecznej, która służy jako wzmocnienie ramy. Kabel jest wyprowadzony i przylutowany do zacisków zespołu. Lepiej jest używać dwukolorowych rdzeni. Pomoże to nie pomylić się z polaryzacją.
Na zewnętrzną przednią stronę ramy nakładana jest ciągła warstwa szczeliwa silikonowego. A szkło już na nim jest. Dla niezawodności jest mocowany za pomocą wsporników narożnych. Nadmiar szczeliwa, który wyszedł, jest usuwany.
Przydatne wideo
Instalacja i podłączenie
W sektorze prywatnym panel jest zwykle umieszczany bezpośrednio na zboczu dachu domu, bezpiecznie mocując go na dachu. W takim przypadku wybierz najbardziej słoneczną stronę. Ale bardziej wydajne jest zainstalowanie baterii na płaskiej płaszczyźnie, która nie ma cienia o każdej porze dnia. A do tego potrzebny jest inny projekt, który można wykonać z dowolnych mocnych materiałów.
Na skalę przemysłową stosuje się zautomatyzowane stanowiska, które są wyposażone w silniki elektryczne i różne czujniki. Te ostatnie monitorują położenie słońca i przekazują polecenia do silników. A te zmieniają kąt nachylenia panelu. Do użytku domowego montowana jest prosta, ale mocno nachylona konstrukcja, której położenie będzie trzeba zmieniać kilka razy dziennie.
Zastanów się, jak podłączyć baterię słoneczną do baterii i konsumentów. Aby to zrobić, w pierwszym przypadku potrzebujesz kontrolera ładowania. Urządzenie steruje wyjściem prądowym i automatycznie przełącza dom na zasilanie sieciowe, gdy napięcie w akumulatorach spadnie. Sterownik dobierany jest w zależności od mocy zmontowanej elektrowni.
Aby zasilać urządzenia gospodarstwa domowego, konieczne jest przepuszczenie niskiego napięcia wyjściowego akumulatora przez falownik. Zamienia go na 220 V. Oba urządzenia można kupić na miejscu, zamiast szukać ich na zachodnich targowiskach. Próbki domowe są dość niezawodne i mają wszystkie niezbędne cechy. Dodatkowo taki zakup poparty jest realną gwarancją.
Przydatne wideo
Podsumowanie
Samodzielny montaż baterii słonecznej jest trudny tylko na pierwszy rzut oka. Jeśli nie produkujesz fotokomórek, ale kupujesz gotowe płyty, osoba poradzi sobie z instalacją modułów, bez specjalnej, wąsko skoncentrowanej wiedzy. Pożądane jest doświadczenie z lutownicą.
Przed montażem konieczne jest wykonanie obliczeń w celu określenia wymaganej mocy panelu. Jest to konieczne do obliczenia liczby fotokomórek, które będą wymagane do instalacji. W tym celu pobierana jest średnia wartość energii elektrycznej zużywanej na dzień i korygowana w górę o nieuniknione straty podczas transformacji i akumulacji, a także o warunki pogodowe.
