1. Що таке сонячна батарея
2. Пристрій
3. Види елементів для модулів
4. кристалічні
5. плівкові
6. З чого можна зробити геліопанель в домашніх умовах
7. з діодів
8. з транзисторів
9. Раціональне розміщення батарей
10. Як розрахувати необхідну потужність
11. споживана потужність
12. Ємність АБ (акумуляторної батареї) і потужність інвертора
13. Необхідна кількість осередків
14. Таблиця інсоляції по місяцях для різних регіонів
15. Як зібрати сонячну батарею своїми руками
16. Матеріали і інструменти
17. Розрахунок каркаса
18. виготовлення короба
19. Пайка елементів та збирання модулів
20. Відео: пайка та збирання сонячного модуля
21. Виготовлення поворотного механізму
22. Відео: як виготовити самостійно електронний сонячний трекер
23. обслуговування модулів
24. Як скоро окупляться витрати

У сучасному світі складно уявити собі існування без електричної енергії. Освітлення, опалення, зв'язок і інші радощі комфортного життя безпосередньо залежать від неї. Це змушує шукати альтернативні і незалежні джерела, одним з яких є сонце. Ця область енергетики поки ще не надто розвинена, і промислові установки коштують недешево. Виходом стане виготовлення сонячних батарей своїми руками.

Що таке сонячна батарея

Сонячна батарея являє собою панель, що складається із сполучених між собою фотоелементів. Вона безпосередньо перетворює сонячну енергію в електричний струм. Залежно від пристрою системи, електрична енергія акумулюється або відразу йде на енергозабезпечення будівель, механізмів і приладів.

Сонячна батарея состоін із сполучених між собою фотоелементів

Найпростішими фотоелементами користувався майже кожен. Вони вбудовані в калькулятори, ліхтарики, акумулятори для підзарядки електронних гаджетів, садові ліхтарики. Але цим використання не обмежується. Існують електромобілі з підзарядкою від сонця, в космосі це один з основних джерел енергії.

У країнах з великою кількістю сонячних днів батареї встановлюються на дахах будинків і використовуються для опалення та нагріву води. Цей вид називають колекторами, вони перетворюють енергію сонця в теплову.

Нерідко електропостачання цілих міст і селищ відбувається тільки за рахунок цього виду енергії. Будуються електростанції, що працюють на сонячній радіації. Особливого поширення вони отримали в США, Японії і Німеччині.

Пристрій

В основі пристрою сонячної батареї лежить явище фотоефекту, відкрите в ХХ столітті А. Енштейна. З'ясувалося, що в деяких речовинах під дією сонячного світла або інших речовин, відбувається відрив заряджених частинок. Це відкриття і привело в 1953 році до створення першого геліомодуля.

Матеріалом для виготовлення елементів служать напівпровідники - суміщені пластини з двох матеріалів з різною провідністю. Найчастіше для їх виготовлення використовується полікристалічний або монокристалічний кремній з різними добавками.

Під дією сонячного світла в одному шарі з'являється надлишок електронів, а в іншому - їх недолік. «Зайві» електрони переходять в область з їх недоліком, цей процес отримав назву р-n перехід.

Сонячний елемент складається з двох напівпровідникових слоём з різною провідністю

Між матеріалами, які утворюють надлишок і недолік електронів, поміщений бар'єрний шар, що перешкоджає переходу. Це необхідно для того, щоб струм виникав тільки при наявності джерела споживання енергії.

Потрапляють на поверхню фотони світла вибивають електрони і постачають їх необхідною енергією для подолання бар'єрного шару. Негативні електрони переходять з р-провідника в n-провідник, а позитивні роблять зворотний шлях.

За рахунок різної провідності матеріалів напівпровідника вдається створити спрямований рух електронів. Таким чином виникає електричний струм.

Елементи послідовно з'єднані між собою, утворюючи панель більшою або меншою площі, яку і називають батареєю. Такі батареї можна безпосередньо підключати до джерела споживання. Але оскільки сонячна активність протягом доби змінюється, а вночі припиняється взагалі, використовують акумулятори, що накопичують енергію на час відсутності сонячного світла.

Необхідною складовою в цьому випадку є контролер. Він служить для контролю за зарядкою акумулятора і відключає батарею при повному заряді.

Що виробляється сонячною батареєю ток є постійним, для використання його необхідно перетворити в змінний. Для цього служить інвертор.

Оскільки всі електричні прилади, які споживають енергію, розраховані на певну напругу, в системі необхідний стабілізатор, який забезпечує потрібні значення.

Між геліомодулем і споживачем встановлюють додаткові прилади

Тільки при наявності всіх цих складових можна отримати функціональну систему, що постачає енергією споживачі і не загрожує вивести їх з ладу.

Види елементів для модулів

Існує три основних типи геліопанелей: полікристалічні, монокристалічні і тонкоплівкові. Найчастіше все три типу виробляються з кремнію з різними добавками. Використовуються також телурид кадмію і селенід міді-кадмію, особливо для виробництва плівкових панелей. Ці добавки сприяють збільшенню ефективності осередків на 5-10%.

кристалічні

Найпопулярніші - монокристалічні. Вони виготовляються з монокристалів, мають рівномірну структуру. Такі пластини мають форму багатокутника або прямокутника зі зрізаними кутами.

Монокристалічна осередок має форму прямокутника зі скошеними кутами

Батарея, зібрана з монокристалічних елементів, має більшу в порівнянні з іншими видами продуктивність, її ККД 13%. Вона легка і компактна, не боїться невеликого вигину, може бути встановлена ​​на нерівну поверхню, термін служби 30 років.

До недоліків можна віднести значне зниження потужності при хмарності, аж до повного припинення вироблення енергії. Це ж відбувається і при затемненні, вночі батарея працювати не буде.

Полікристалічна осередок має форму прямокутника, що дозволяє зібрати панель без пропусків

Полікристалічні виробляються методом лиття, мають прямокутну або квадратну форму і неоднорідну структуру. Ефективність їх нижче монокристалічних, ККД всього 7-9%, але падіння вироблення при хмарності, запиленні або в сутінках несуттєво.

Тому їх застосовують при влаштуванні вуличного освітлення, їх же частіше використовують самоделкиних. Вартість таких пластин нижче монокристалів, термін експлуатації 20 років.

плівкові

Токкоплёночние або гнучкі елементи виготовляються з аморфної форми кремнію. Гнучкість панелей робить їх мобільними, звернувши рулоном їх можна взяти з собою в подорожі і мати незалежне джерело енергії в будь-якому місці. Це ж властивість дозволяє монтувати їх на криволінійних поверхнях.

Плівкова батарея виготовляється з аморфного кремнію

За ефективністю плівкові панелі поступаються кристалічним в два рази, для виробництва однакової кількості необхідна подвійна площа батареї. Та й довговічністю плівка не відрізняється - в перші 2 роки їх ефективність падає на 20-40%.

Але при хмарності або затемненні вироблення енергії скорочується всього на 10-15%. Безсумнівним достоїнством можна вважати їх відносну дешевизну.

З чого можна зробити геліопанель в домашніх умовах

Незважаючи на всі переваги батарей промислового виробництва, головним їх недоліком є ​​висока ціна. Цією неприємності можна уникнути, виготовивши найпростішу панель своїми руками з підручних матеріалів.

з діодів

Діод - це кристал в пластиковому корпусі, що виступає в ролі лінзи. Вона концентрує сонячні промені на провіднику, в результаті виникає електричний струм. Поєднавши між собою велику кількість діодів, отримуємо сонячну батарею. Як плату можна використовувати картон.

Проблема в тому, що потужність отриманої енергії мала, для вироблення достатньої кількості знадобиться величезна кількість діодів. За фінансовим і трудовитрат така батарея набагато перевершує заводську, а по потужності сильно їй поступається.

Крім того, вироблення різко падає при зменшенні освітленості. Та й самі діоди поводяться некоректно - нерідко виникає мимовільне світіння. Тобто самі ж діоди споживають вироблену енергію. Висновок напрошується сам: неефективно.

з транзисторів

Як і в діодах, головний елемент транзистора - кристалик. Але він укладений в металевий корпус, що не пропускає сонячне світло. Для виготовлення батареї кришка корпусу спиливается ножівкою по металу.

Батарею невеликої потужності можна зібрати з транзисторів

Потім елементи кріплять до пластини з текстоліту або іншого матеріалу, придатного на роль плати, і з'єднують між собою. Таким способом можна зібрати батарею, енергії якої достатньо для роботи ліхтарика або радіоприймача, але великої потужності очікувати від такого пристрою не варто.

Але як похідного джерела енергії невеликої потужності цілком підійде. Особливо якщо вас захоплює сам процес створення і не дуже важлива практична користь від результату.

Умільці пропонують використовувати в якості фотоелементів CD-диски і навіть мідні пластини. Портативну зарядку для телефону нескладно виготовити з фотоелементів від садових ліхтариків.

Кращим рішенням буде покупка готових пластин. Деякі інтернет-майданчики продають модулі з невеликим виробничим браком за прийнятною ціною, вони цілком придатні для використання.

Раціональне розміщення батарей

Від розміщення модулів в великій мірі залежить, скільки енергії буде виробляти система. Чим більше променів потрапить на фотоелементи, тим більше вони зроблять енергії. Для оптимального розташування потрібно дотримуватися таких умов:

1. Для економії місця батареї найчастіше розміщують на дахах.

   Розміщення сонячних Барат на даху дозволяє заощадити місце

2. Модулі встановлюють з нахилом в 450С, в ідеалі промені повинні потрапляти на панель під прямим кутом.
3. Найкраще їх орієнтувати на південь або забезпечити поворотною системою, що забезпечує максимальну освітленість протягом всього дня.
4. Щоб уникнути перегріву, влітку для установки рекомендується використовувати поверхню, забарвлену в світлі тони або покриту блискучою фольгою.
5. На модулі не повинні падати тіні висотних будинків, дерев, труб та інших перешкод, що перешкоджають проходженню променів.
6. Взимку модулі встановлюють майже вертикально для забезпечення самоочищення від снігу.

Важливо! Сила струму батареї задається продуктивністю самого слабкого елемента. Навіть невелика тінь на одному модулі може знизити продуктивність системи від 10 до 50%.

Як розрахувати необхідну потужність

Перш ніж приступити до складання батареї, необхідно визначитися з необхідною потужністю. Від цього залежить кількість придбаних осередків і загальна площа готових батарей.

Система може бути як автономної (самостійно забезпечує електрикою будинок), так і комбінованої, що поєднує енергію сонця і традиційного джерела.

Розрахунок складається з трьох кроків:

1. З'ясуйте загальну споживану потужність.
2. Визначте достатню ємність акумуляторної батареї і потужність інвертора.
3. Обчисліть необхідну кількість осередків на основі даних про інсоляції в вашому регіоні.

споживана потужність

Для автономної системи визначити її можна по вашому електролічильників. Загальна кількість споживаної енергії за місяць розділіть на кількість днів і отримаєте середнє значення щоденного споживання.

Якщо від батареї буде запитана тільки частина пристроїв, з'ясуйте їх потужність по паспорту або маркування на приладі. Отримані значення помножте на кількість годин роботи на добу. Склавши отримані значення для всіх пристроїв, отримаєте середнє споживання на добу.

Ємність АБ (акумуляторної батареї) і потужність інвертора

АБ для сонячних систем повинні витримувати велику кількість циклів розряду і розряду, мати малий саморозряд, витримувати великий струм зарядки, працювати при високих і низьких температурах, при цьому вимагати мінімального обслуговування. Ці параметри є оптимальними у свинцево-кислотних АБ.

Ще один важливий показник - ємність, максимальний заряд, який може прийняти і зберегти акумулятор. Недостатню ємність збільшують, поєднуючи АБ паралельно, послідовно або комбінуючи обидва з'єднання.

З'ясувати необхідну кількість АБ допоможе розрахунок. Розглянемо його для концентрації запасу енергії на 1 день в АБ ємністю 200 А.ч і напругою 12 В.

Припустимо, щоденна потреба становить 4800 В.час, вихідна напруга системи 24 В. Врахуємо, що втрати на инверторе складуть 20%, введемо поправочний коефіцієнт 1,2.

4800: 24х1.2 = 240 А.ч

Глибина розряду АБ не повинні перевищувати 30-40%, врахуємо це.

240х0.4 = 600 А.ч

Отримане значення втричі перевищує ємність акумулятора, тому для запасу необхідної кількості потрібно 3 АБ, з'єднаних паралельно. Але при цьому напруга акумулятора 12 В, щоб збільшити його в два рази, знадобиться ще 3 АБ, з'єднаних послідовно.

Для отримання напруги в 48 В з'єднайте паралельно дві паралельні ланцюжки по 4 АБ

Інвертор служить для перетворення постійного струму в змінний. Вибирають його по пікової, максимальному навантаженні. На деяких споживають пристроях величина пускового струму значно вище номінальної. Саме цей показник і береться до уваги. В інших випадках враховуються номінальні значення.

Має значення і форма напруги. Кращий варіант - чиста синусоїда. Для приладів, нечутливих до перепадів напруги підійде квадратна форма. Слід також враховувати можливість перемикання приладу від АБ безпосередньо до сонячних батарей.

Необхідна кількість осередків

Показники інсоляції в різних областях сильно відрізняються. Для правильного розрахунку необхідно знати ці цифри для вашої місцевості, дані нескладно знайти в інтернеті або на метеостанції.

Таблиця інсоляції по місяцях для різних регіонів

Інсоляція залежить не тільки від пори року, але і від кута нахилу батареї

При розрахунку орієнтуйтеся на показники найменшою інсоляції протягом року, інакше в цей період батарея нічого очікувати виробляти достатню кількість енергії.

Припустимо, мінімальні показники - в січні, 0.69, максимальні - в липні, 5.09.

Поправочні коефіцієнт для зимового часу - 0.7, для літнього - 0.5.

Необхідна кількість енергії - 4800 вт.ч.

Одна панель має потужність 260 Вт і напруга 24 В.

Втрати на АБ і инверторе складають 20%.

Обчислюємо споживання з урахуванням втрат 4800 × 1,2 = 5760 Вт · год = 5,76 кВтг.

Визначаємо продуктивність однієї панелі.

Влітку: 0,5 × 260 × 5,09 = 661,7 Втч.

Взимку: 0,7 × 260 × 0,69 = 125,5 Втч.

Вираховуємо необхідну кількість батарей, розділивши споживану енергію на продуктивність панелей.

Влітку: 5760 / 661,7 = 8,7 шт.

Взимку: 5760 / 125,5 = 45,8 шт.

Виходить, що для повного забезпечення, взимку знадобиться в п'ять разів більше модулів, ніж влітку. Тому варто відразу встановлювати більше батарей або на зимовий період передбачити гібридну систему електропостачання.

Як зібрати сонячну батарею своїми руками

Збірка складається з декількох етапів: виготовлення корпусу, пайка елементів, збірка системи і її установка. Перш ніж приступити до роботи, запасіться всім необхідним.

Батарея складається з декількох шарів

Матеріали і інструменти

• фотоелементи;
• плоскі провідники;
• спиртово-каніфольного флюс;
• паяльник;
• алюмінієвий профіль;
• алюмінієві куточки;
• металовироби;
• силіконовий герметик;
• ножовка по металу;
• шуруповерт;
• скло, оргскло або плексиглаза;
• діоди;
• вимірювальні прилади.

Фотоелементи краще замовити в комплекті з провідниками, вони спеціально призначені для цієї мети. Інші провідники мають більшу крихкістю, що може стати проблемою при пайку і збірці. Є осередки з уже припаяними провідниками. Коштують вони дорожче, але істотно економлять час і трудовитрати.

Придбайте пластини з провідниками, це скоротить час роботи

Рамка корпусу зазвичай виготовляється з алюмінієвого куточка, але можливе використання дерев'яних рейок або брусків квадратного перетину 2х2. Цей варіант менш кращий, так як не забезпечує достатній захист від атмосферного впливу.

Для прозорої панелі вибирайте матеріал з мінімальним показником заломлення світла. Будь-яка перешкода на шляху променів збільшує втрати енергії. Бажано, щоб матеріал пропускав якомога менше інфрачервоного випромінювання.

Важливо! Чим більше наргевается панель, тим менше вона виробляє енергії.

Розрахунок каркаса

Габарити каркаса вираховуються виходячи з розмірів осередків. Важливо між сусідніми елементами передбачити невелику відстань в 3-5 мм і врахувати ширина рамки, щоб вона не перекривала крайки елементів.

Осередки випускаються різних типорозмірів, розглянемо варіант з 36 пластин, розміром 81х150 мм. Елементи маємо в 4 ряди, по 9 штук в одному. Виходячи з цих даних, розміри каркаса виходять 835х690 мм.

виготовлення короба

1. З алюмінієвого куточка шириною 35 мм і вирізаємо дві заготовки по 835 мм, дві по 690 мм.
2. Просвердлите по краях отвору під кріплення.
3. На великих заготовках просвердлите по 4 отвори на кожній.
4. Збираємо каркас, скріпивши зовні куточками за допомогою шурупів.

   Каркас для батареї виготовляється з алюмінієвого профілю і скріплюється куточками

5. Зі скла, оргскла або плексиглаза вирізаємо прямокутний лист трохи менших розмірів.
6. Готовий каркас зсередини промазуємо силіконовим герметиком, не допускаючи пропусків.

   Вставте в рамку прозору пластину

7. Вкладаємо в каркас скло, гарненько притискаємо, фіксуємо і даємо висохнути.

Пайка елементів та збирання модулів

Якщо елементи придбані без контактів, спочатку їх потрібно припаяти до кожної пластині. Для цього наріжте провідник на однакові відрізки.

1. Віріжте з картону прямокутник потрібного розміру и намотайте на него провідник, потім розріжте по обидвоє боки.
2. На кожен провідник нанесіть флюс, прикладіть смужку до елементу.
3. Акуратно припаяйте провідник по всій довжині осередку.

   Припаяйте провідники до кожної пластині

4. Осередки викладіть в ряд один за одним з зазором 3-5 мм і послідовно спаяти між собою.

   При монтажі періодично перевіряйте працездатність модулів

5. Готові ряди по 9 осередків перенесіть в корпус і вирівняйте відносно один одного і контуру рамки.
6. Спаяти паралельно, використовуючи більш широкі шини і дотримуючись полярності.

   Викладіть ряди елементів на прозору підкладку і спаяти між собою

7. Виведіть контакти «+» і «-».
8. На кожен елемент нанесіть по 4 краплі герметика і покладіть зверху друге скло.
9. Дайте клею висохнути.
10. Залийте по периметру герметиком, щоб всередину не потрапляла волога.
11. Закріпіть панель в корпусі за допомогою куточків, прикрутивши їх в бічних сторонах алюмінієвого профілю.
12. Встановіть за допомогою герметика блокувальний діод Шотткі, щоб виключити розрядку АБ через модуль.
13. Вихідний провід забезпечите двоконтактний роз'ємом, до нього в подальшому підключіть контролер.
14. Прикрутіть до рамки куточки для кріплення батареї до опори.

Відео: пайка та збирання сонячного модуля

Батарея готова, залишилося її встановити. Для більш ефективної роботи можна виготовити трекер.

Виготовлення поворотного механізму

Найпростіший поворотний механізм нескладно виготовити самостійно. Принцип його роботи заснований на системі противаг.

1. З дерев'яних брусків або алюмінієвого профілю зберіть опору для батареї у вигляді драбини.
2. За допомогою двох підшипників і металевої штанги або труби встановіть на вершині батарею так, щоб вона була закріплена по центру більшої сторони.
3. Зорієнтуйте конструкцію зі сходу на захід і дочекайтеся, коли сонце буде в зеніті.
4. Поверніть панель, щоб промені падали на неї вертикально.
5. Зміцніть на одному кінці ємність з водою, уравновесьте її на іншому кінці вантажем.
6. У ємності виконайте отвір, щоб вода потроху витікала.

У міру витікання води, вага судини буде зменшуватися і край панелі підніметься вгору, повертаючи батарею за сонцем. Величину отвори доведеться визначати дослідним шляхом.

Найпростіший сонячний трекер виготовляється за принципом водяного годинника

Все, що вам знадобиться, це вранці налити води в ємність. Таку конструкцію не встановив на даху, а для садової ділянки або галявини перед будинком вона цілком підійде. Є й інші, більш складні конструкції трекера, але вони зажадають великих витрат.

Відео: як виготовити самостійно електронний сонячний трекер

установка батарей

1. Перед тим, як встановлювати батареї на дах, перевірте її міцність, при необхідності зміцните покрівлю.
2. Змонтуйте опори, на які будуть кріпитися батареї, і зміцните їх на даху. Конструкція повинна витримувати сильний вітер.
3. Встановіть модулі, щоб вони щільно прилягали до елементів опори, закріпіть саморізами.

   На даху панель встановлюється на опору з алюмінієвого профілю або іншого матеріалу

4. Підключіть роз'єми до проводів, провідним до контролера. Всі прилади, крім панелей встановлюються всередині приміщення.
5. Встановіть АКБ, інвертор, автомати, підключіть все до мережі.

Зміцнити модуль можна і на вертикальній опорі

Тепер можна провести випробування, і користуватися безкоштовним електрикою.

обслуговування модулів

Особливої ​​обслуговування сонячні панелі не вимагають, адже у них немає рухомих частин. Для їх нормального функціонування досить час від часу очищати поверхню від бруду, пилу і пташиного посліду.

Помийте батареї із садового шлангу, при хорошому натиску води для цього не знадобиться навіть забиратися на дах. Слідкуйте за справністю додаткового обладнання.

Як скоро окупляться витрати

Не варто чекати миттєвого прибутку від геліосистеми постачання електрикою. Середня її окупність приблизно 10 років для автономної системи будинку.

Чим більше ви споживаєте енергії, тим швидше окупляться ваші витрати. Адже і для маленького, і для великого споживання потрібне придбання додаткового обладнання: АКБ, інвертора, контролера, а вони залишають німалую частина витрат.

Враховуйте також термін служби обладнання, та й самих панелей, щоб не довелося їх міняти перш, ніж вони окупляться.

Незважаючи на все витрати і недоліки, за сонячною енергією майбутнє. Сонце відноситься до поновлюваних джерел енергії і він прослужить, принаймні, ще 5 тисяч років. Та й наука не стоїть на місці, з'являються нові матеріали для фотоелементів, з набагато більшим ККД. А значить, скоро вони будуть доступнішими за ціною. Але використовувати енергію сонця можна вже зараз.