Як самостійно зробити сонячну батарею
Вийти з кабальної залежності від компаній, що поставляють електроенергію в наші будинки, мрія буквально кожного жителя планети. Щороку електрики для побутових потреб потрібно все більше. І у зв'язку з попитом на нього збільшується і вартість послуг. Тому будь-який мешканець нашої країни мріє перейти на альтернативне електропостачання. Розглянемо, як зробити сонячну батарею самостійно, що для цього знадобиться, та як правильно підключити її до акумулятора.
Пристрій та принцип роботи
За опис механізму фотоелектричного ефекту Альберт Ейнштейн отримав Нобелівську премію. А перше перетворення сонячних променів на електрику стало можливим ще в середині дев'ятнадцятого століття, коли француз Олександр Беккерель відкрив це явище. Щоправда знадобилося ще 50 років, щоб російський вчений Олександр Столетов у своїй лабораторії зміг здобути практичний результат.
Перший сонячний фотоелемент із кристалічного кремнію розробила компанія Bell Laboratories у 1954 році. Саме з цього моменту і взяла старт технологія, завдяки якій розраховують повністю прибрати вжитку вуглецеве паливо. Причому перспективи справді величезні. З квадратного метра земної поверхні за день можна отримати 4.2 кВт/год сонячної енергії. Що еквівалентно витрати одного бареля нафти.
Один фотоелектричний осередок виробляє струм, який вимірюється в міліамперах. І щоб зробити сонячну панель, що виробляє електроенергію достатньої потужності, такі ланки з'єднують у модульну конструкцію. Цілі масиви з різної кількості фотоелементів і складають сонячну батарею.
Через складність та дорожнечу виготовлення, технологія спочатку знайшла застосування тільки в космічній галузі. Але коли вигадали спосіб виробляти фотоелементи з дешевших матеріалів, то сонячна батарея прийшла і в наші будинки. Спочатку для портативних калькуляторів, потім для фотоапаратів та невеликих світильників.
Незабаром технологія перекочувала з космосу та на землю. Почалися створюватись геоелектричні установки, які закріплювалися на дахах будинків. Завдяки такому нововведенню ці будівлі відключалися від провідної електрики і ставали автономними. І зараз уже не рідкість зустріти багатокілометрові поля із встановленими на них кремнієвими панелями. Такі електростанції здатні забезпечити електроенергією цілі міста.
Складний фотоелектричний ефект виявився надзвичайно простим. Але це на сьогоднішній день. Адже ще 50 років тому не було технології, яка дає змогу отримувати матеріали з нестійкою атомною структурою. А саме ця властивість речовини є ключем до отримання енергії. Коли окремі нестійкі атоми бомбардуються фотонами світла, їх орбіт вибиваються електрони. Ось останні і являють собою джерело струму.
Відкриття напівпровідників виступило величезним стрибком у розвитку галузі отримання альтернативних джерел електроенергії. Ці матеріали мають атоми, які мають або занадто багато електронів, або дуже мало. Розподіл на катод (надлишок) і анод (брак) і дозволяє при обстрілі фотонами світла вибивати частинки з атомів з надлишком електронів.
У такий спосіб катод передає їх у вільні орбіти аноду. А якщо створити навантаження, то електрони повертаються на свої початкові місця. Таким чином, рух частинок у замкнутому контурі створює електричний струм. Звичне магнітне поле в громіздких електричних генераторах замінюється на потік частинок сонячного випромінювання.
Види панелей та їх переваги
Давайте розберемося, із чого роблять сонячні батареї. Для виготовлення найпершого осередку використовували селен. Але отримані фотоелементи мали дуже високу хімічну активність і швидко старіли. До того ж і ККД було сміховинне – лише 1 %. У пошуках заміни було випробувано кристалічний кремній. Але цей елемент є діелектриком. Тому для провідності довелося додавати різні рідкісноземельні метали.
На сьогоднішній момент існує три типи фотоелементів із кремнію:
- на монокристалах;
- полікристалічні;
- аморфні.
До кожного виду застосовується своя технологія виготовлення. У першому випадку зливки кремнію проходять найвищий ступінь очищення. І тільки після цього з них зрізаються найтонші верстви. А на заключному етапі отримують темно-сині пластини, схожі на скло та з яскраво вираженою електродною сіткою на поверхні.
Монокристалічні фотоелементи мають найвище ККД - 19%. А термін експлуатації розрахований на 50 років. Будь-яка комірка з кремнію з часом втрачає продуктивність. І в цьому випадку лідирують аморфні. Але монокристали роблять це дуже повільно. Побудовані з них 40 років тому батареї ще працюють та зберегли 80% своєї початкової продуктивності.
Якщо до електроживлення будинку виконати підключення сонячних панелей з полікристалічними фотоелементами, їх заміна знадобиться через 25 років. ККД такого пристрою хоч і менший за монокристалічний, але ще досить непоганий – 15 %. Зниження властивостей пов'язані з тим, що у разі використовується більш дешевий кремній. А він не такий чистий. Тому виготовлені пластини виходять з світлішим візерунком, що утворює межі між кристалами.
Але полікристалічні фотоелементи мають свої плюси. По-перше, це порівняно низька ціна, ніж у монокристалічних. По-друге, вони не так сильно залежать від низької хмарності та орієнтації на світило. А також легше переносять зовнішні забруднення. Це робить полікристалічні сонячні батареї набагато популярнішими для користувачів.
Аморфний кремній немає кристалічної структури. При виготовленні найтонший шар хімічного елемента наноситься або на скло або полімер. Такі панелі працюють недовго. Аморфний шар швидко вигоряє на сонці та повністю деградує. Та й ККД становить лише 9%. Причому згодом швидко падає. Але дешевий спосіб виробництва дещо виправдовує їхнє застосування в деяких областях. Наприклад, швидке зниження ККД нівелює висока сонячна активність у пустелях.
Оскільки галузь вважається високо перспективною, її вивчення і розробка йде повним ходом. Продовжується пошук нових матеріалів, які дозволять здешевити виробництво та максимально підвищити ККД. І на сьогоднішній день вже отримана нова технологія з виготовлення плівкових фотоелементів, які мають дуже хорошу довговічність. Та й продуктивність їх вища, ніж у зроблених із кремнію.
Тонкоплівкові фотоелементи виготовляють з:
- телуриду кадмію;
- полімерів;
- Індія та селеніду міді.
Підключення таких сонячних батарей у приватному секторі лише планується. А поки що їх випуском займається лише кілька лідерів у цій галузі. Гнучкі фотоелементи ще більша рідкість. Тому використання їх у самостійному моделюванні можливе лише у майбутньому.
Фотоелементи та їх заміна
Кустарне виготовлення сонячної батареї неминуче поступатиметься виробам промислових компаній. Навіть якщо використовувати найкращі матеріали. Справа в тому, що у виробників налагоджено скрупульозний відбір фотоелементів, з вибраковуванням усіх, з найменшим заниженням параметрів.
А для захисту модульних осередків використовується спеціальне скло. Воно має максимальну здатність до пропускання світла. А ось відбиваюча складова в ньому знижена. Такий матеріал у торговельні мережі просто не надходить.
Але найважливіша складова – наявність лабораторії. Перш ніж запустити зразок у масове виробництво, його обкатують на різних математичних моделях. Покращуючи систему відведення тепла, знижуючи залежність продуктивності від нагрівання. Також відбувається пошук оптимального перерізу сполучних шин і способу зниження деградації у фотоелемента.
Але між тим самостійно зроблені сонячні панелі мають право на життя. Якщо не брати до уваги надто вузькі моменти, то кустарна батарея показує не такі вже й погані результати щодо продуктивності. А виграш у ціні виходить більш ніж у два рази. Головне знайти найвідповідніші фотоелементи.
Плівкові для саморобки відпадають навіть тим, хто не обмежений у витратах. Їх просто немає у продажу. На аморфні та дивитися не варто. Занадто низька ККД та швидка деградація не виправдає навіть низьких витрат. Тому потрібно орієнтуватися на кристалічний кремній. І починати треба з дешевших полікристалів. Крім виправданої економії, є й інша причина цього вибору. Щоб працювати з монокристалом, потрібна хороша навичка.
На сьогоднішній день ринок вже широко пропонує продукцію із кристалічного кремнію. Крім основних виробників, існує чимало дрібних компаній, причому на наших вітчизняних просторах, які торгують як готовими виробами, так і їх комплектуючими. Інша річ, що товар трапляється не завжди якісний, а його ціна все одно завищена.
Тому треба дивитися у бік закордонних торгових майданчиків. На Taobao, Ebay, Aliexpress та Amazon завжди запропонують недорогий товар у широкому асортименті. Причому можна купити не лише потрібну кількість фотоелементів окремо, а й напівготовий виріб. Багато продавців пропонують зручні набори для самостійного збирання сонячної панелі. Можна навіть підібрати необхідну потужність.
Деколи дуже вигідно купувати товар класу «В». Продавець пропонує елемент сонячної батареї із механічними дефектами. Потрібно сказати, що невеликі відколи і навіть тріщини суттєво не впливають на продуктивність фотоелементів. Зате їхня вартість виходить набагато меншою.
Проте досвідчені радіоаматори знають, що сировину для сонячної батареї можна знайти буквально під ногами. І навіть непоганої якості. Йдеться про старі радіодетали. Виявляється, що кристалічний кремінь можна випаяти з діодів та транзисторів. Але якщо міркувати здорово, такий спосіб заслуговує на мало уваги.
Навіть найпотужніший германієвий транзистор має кремній, який на найяскравішому сонці дасть силу струму всього в кілька мікроампер. Доведеться неабияк попітніти, щоб зібрати мережу з кількох сотень напівпровідників. І на практиці вдасться виготовити сонячний елемент, хіба що для заряджання мобільного телефону. Але якщо є бажання, як експеримент і для набуття навичок можна спробувати.
Розрахунок та проект
Перед тим, як вдасться підключити сонячну панель у своєму будинку, доведеться виконати чимало роботи. І насамперед треба взятися за розрахунки. Бажання відмовитися від провідної електрики та обзавестися власною електростанцією є у кожного. Але потрібно добре проаналізувати можливість реалізації такої витівки.
Спочатку вивчаємо рахунок на оплату від постачальника електроенергії. У ньому зазначено, за скільки кіловат потрібно сплатити заборгованість. Це число треба ділити на 30 (кількість днів на місяць). Так можна дізнатися про середню добову потребу в електриці. І припустимо, що ми отримали 10 кВт на добу.
В ідеальних умовах знадобиться батарея потужністю 1,5 кВт, щоб закрити нашу потребу. Але доведеться врахувати усі ворожі обставини. А їх чимало. По-перше, батарея вироблятиме електрику лише вдень. Причому найбільша ефективність припадає на якийсь час від дев'ятої ранку до четвертої пополудні. А це лише 70% генерації від добової норми.
По-друге, навіть легкий серпанок в атмосфері знизить струмовіддачу в 2-3 рази. А хмарність змусить продуктивність впасти відразу в 15-20 разів. Тому потужність батареї вже потрібно збільшувати як мінімум на 40%. Але це ще не все.
Для накопичення електрики знадобиться об'ємний акумулятор і не менш потужний перетворювач напруги. Без останнього не обійтися, оскільки всі побутові прилади запитуються від струму напругою 220 В. Але накопичення і трансформація неминуче супроводжуються втратами. Експерти стверджують, що вони сягають 30 %. Тому до раніше доданих 40% плюсуємо і це число. І в результаті вже знадобиться сонячна батарея від 2,5 до 3 кВт потужністю.
Далі обчислюємо кількість акумуляторів. Причому потрібні низьковольтні, розраховані на напругу 12, 24 і 48 Вольт. Якщо використовувати звичайний автомобільний варіант (12 В), то зважаючи на добову норму та неминучі втрати, їх знадобиться 6 штук. Звичайно можна взяти кращі на 48 В, але це тільки збільшить загальну вартість всієї установки.
Відразу потрібно розвіяти міф про використання сонячної батареї для обігріву будинку в зимовий період. Якщо до проведених розрахунків додати обчислення встановлення електричних ТЕНов, то результаті знадобиться дуже серйозна геліоелектрична станція. І її самоокупності, а тим більше економії, доведеться чекати довгі роки.
Щодо розмірів батареї, то вони знову ж таки залежать від її потужності, а також від виду фотоелемента. Якщо брати елементи з полікристалічними осередками, які видають напругу 0,5, а силу струму 3 А, то така міні панель буде зі сторонами 3 на 6 дюймів. Як правило, для заряджання акумулятора їх потрібно з'єднувати в блоки по 30 штук. Оскільки потужність одного такого модуля становить 45 Вт, то неважко підрахувати необхідну кількість блоків для створення необхідної потужності, щоб закрити добові потреби.
Інструкція з виготовлення
Розберемося у подробицях, як самому зробити сонячну батарею. Враховуючи викладені вище розрахунки, для неї знадобиться 120 пластин. Для монтажу найзручніше використовувати їхнє розміщення у співвідношенні 1:1. Тому потрібно укласти 15 рядів по 8 елементів у кожному. При цьому два сусідні стовпчики з'єднуються послідовно. А отримані 4 блоки легко з'єднати паралельно.
Корпус
Починати складання необхідно зі створення каркасу. Для цього за нашими розмірами робимо рамку із алюмінієвих куточків. Можна використовувати дерев'яну квадратну рейку перетином трохи більше 25×25 мм. Щоби борти каркаса не відкидали тінь на крайні елементи. Можна в середині рамки для посилення розташувати таку саму рейку.
Зворотний бік корпусу закривається фанерою або OSB. З нижнього торця висвердлюються вентиляційні отвори для вирівнювання вологості. Інакше не уникнути запотівання скла. Останнє має бути високоякісним і з максимальним ступенем прозорості. Його вирізують за зовнішніми розмірами корпусу. Для кріплення використовують кутові кронштейни.
Можна використовувати плексиглас. Тоді його кріплять до рами, висвердливши по краях отвори для саморізів. Дерев'яний корпус обов'язково обробляють антибактеріальним просоченням і покривають олійною фарбою. Це вбереже його від вологи та плісняви.
Паяння пластин
Оскільки укладання буде виконуватися в 15 рядів, то раціональніше з'єднувати між собою лише по 5 пластин. Щоб не зашкодити крихких деталей. А остаточне складання проводити на підкладці. Для паяння необхідний малопотужний паяльник (40 Вт) та добротний легкоплавкий припій. При з'єднанні деталей один з одним необхідно дотримуватися полярності.
Зібравши невеликий ланцюжок, потрібно його протестувати. Для цього поміщаємо пластини під увімкнену лампу і знімаємо показання вольтметром. Запис значень сили струму та напруги дозволить порівняти параметри модулів.
Після цього на задню частину пластин наноситься силіконовий герметик. Приклеюємо модулі до підкладки із звичайного ДВП, яку потрібно підготувати заздалегідь, вирізавши за внутрішніми розмірами рамки. Остаточне з'єднання елементів проводимо за схемою, вказаною на початку інструкції. А кожен 15-вольтовий блок постачається діодом Шоттки. Це не дозволить розряджатися акумулятору, коли напруга панелі впаде.
Складання панелі
Зібрану підкладку поміщають усередину корпусу і закріплюють шурупами. У поперечній рейці, що служить посиленням для рами, заздалегідь висвердлюються отвори для монтажних дротів. Кабель виводять назовні та припаюють до висновків складання. Краще використовувати двоколірні жили. Це допоможе не помилитися з полярністю.
На зовнішній лицьовий бік рамки наноситься силіконовий герметик суцільним шаром. І вже на нього вкладається скло. Для надійності його фіксують кутовими кронштейнами. А надлишки герметика, що виступили, видаляють.
Корисне відео
Встановлення та підключення
У приватному секторі панель розташовують прямо на похилому схилі даху будинку, надійно фіксуючи її на покрівлі. При цьому вибирають сонячну сторону. Але ефективніше встановити батарею на рівній площині, яка не має тіні в будь-який час дня. А для цього знадобиться ще одна конструкція, яку можна зробити із будь-яких міцних матеріалів.
У промислових масштабах застосовують автоматизовані підставки, які мають електродвигуни і різні датчики. Останні стежать за положенням сонця та передають команду моторам. А ті змінюють кут нахилу панелі. Для побутового використання збирається проста, але міцна похила конструкція, положення якої доведеться змінювати пару разів на день самостійно.
Розглянемо, як підключити сонячну батарею до акумуляторів та споживачів. Для цього в першому випадку знадобиться контролер заряджання. Прилад контролює струмовіддачу та автоматично перемикає будинок на мережеве живлення, коли напруга в акумуляторах дасть просідання. Контролер підбирається згідно з потужністю зібраної електростанції.
Для живлення побутових приладів необхідно низьковольтну вихідну напругу акумулятора пропустити через інвертор. Він трансформує його у 220 В. Обидва прилади можна придбати на місці, а не шукати їх на західних торгових майданчиках. Вітчизняні зразки досить надійні і мають всі необхідні характеристики. До того ж, така покупка підкріплюється реальною гарантією.
Корисне відео
Висновок
Самостійно зібрати сонячну батарею складно лише на перший погляд. Якщо не займатися виготовленням фотоелементів, а придбати вже готові пластини, то з монтажем модулів упорається людина без спеціальних вузькоспрямованих знань. Бажано при цьому мати досвід поводження з паяльником.
Перед складання необхідно провести розрахунки для визначення необхідної потужності панелі. Це потрібно, щоб підрахувати кількість фотоелементів, які підуть на монтаж. Для цього береться середнє значення споживаної на добу електроенергії та робляться поправки у велику сторону на неминучі втрати при трансформації та накопиченні, а також погодні умови.
