Сделать солнечную батарею в домашних условиях. Солнечная батарея из подручных средств своими руками
Экология потребления. Наука и техника: Всем известно, что солнечная батарея преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И существует целая индустрия по производству таких элементов на огромных фабриках. Я же предлагаю вам выполнить свою собственную солнечную батарею из легкодоступных материалов.
Всем известно, что солнечная батарея преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И существует целая индустрия по производству таких элементов на огромных фабриках. Я же предлагаю вам выполнить свою собственную солнечную батарею из легкодоступных материалов.
Составные части солнечной батареи
Главным элементом нашей с вами солнечной батареи будут две медные пластинки. Ведь, как известно, окись меди стала первым элементом, в котором ученые открыли фотоэлектрический эффект.
Итак, для успешной реализации нашего скромного проекта понадобится:
1. Медный лист. На самом деле целый лист нам не нужен, а вполне хватит небольших квадратных (или прямоугольных) кусков по 5 см.
2. Пару зажимов типа крокодил.
3. Микроамперметр (чтобы понять величину генерируемого тока).
4. Электрическая печка. Она необходима для того чтобы окислить одну из наших пластин.
5. Прозрачная емкость. Вполне подойдет обычная пластиковая бутыль из-под минеральной воды.
6. Поваренная соль.
7. Обычная горячая вода.
8. Небольшой кусок наждачной бумаги, чтобы очистить наши медные пластины от оксидной пленки.
Как только все необходимое подготовлено, можно приступать к самому важному этапу.
Готовим пластины
Итак, первым делом берем одну пластину и промываем ее для удаления всех жиров с ее поверхности. После этого с помощью наждачной бумаги счищаем пленку окиси и уже очищенную планку кладем на включенную электрическую горелку.
После этого включаем ее и наблюдаем, как она раскаляет и изменяет нашу с вами пластину.
Как только медная пластина полностью приобретёт черный цвет подержите ее еще как минимум сорок минут на раскаленной плите. После этого выключите плитку и подождите пока полностью не остынет ваша «прожаренная» медь.
Из-за того что скорость остывания медной пластины и оксидной пленки будет разной большая часть черного налета отойдет самостоятельно.
После того как пластина остыла, возьмите ее и аккуратно смойте черную пленку под водой.
Важно. При этом не следует отдирать оставшиеся черные области или же каким-либо образом сгибать. Это нужно для того, чтобы остался неповрежденным слой меди.
После этого берем наши пластины и аккуратно помещаем в подготовленную емкость, а к краям прикрепляем наши крокодильчики с припаянными проводами. Причем нетронутый кусок меди соединяем с минусом, а обработанный к плюсу.
Затем готовим солевой раствор, а именно растворяем несколько ложек соли в воде и эту жидкость заливаем в емкость.
Теперь проверяем работоспособность нашей с вами конструкции путем подключения к микроамперметру.
Как вы видите установка вполне рабочая. В тени микроамперметр показал примерно 20 мкА. А вот на солнце прибор аж зашкалил. Поэтому лишь могу сказать, что на солнце такая установка выдает явно больше 100 мкА.
Конечно, от такой установки вы не сможете даже лампочку зажечь, но сделав такую установку со своим ребенком, вы сможете подогреть его интерес к изучению, например, физики. опубликовано
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .
Солнечная батарея - это устройство, которое позволяет генерировать электроэнергию с помощью специальных фотоэлементов. Оно помогает значительно снизить расходы на электричество и получить неисчерпаемый его источник. Такую установку можно не только купить в готовом виде, но и сделать своими руками. Солнечная панель для дома в частном секторе станет идеальным решением, которое поможет избежать частых перебоев со светом.
Общие сведения
Перед тем как сделать солнечную батарею в домашних условиях, необходимо подробно изучить её устройство, принцип действия, преимущества и недостатки. Владея этой информацией можно правильно подобрать нужные составляющие, которые будут долго работать и приносить пользу.
Устройство и принцип работы
Конструкции всех типов работают на основе преобразования энергии, излучаемой ближайшей звездой, в электрическую. Происходит это благодаря специальным фотоэлементам, которые объединяются в массив и формируют общую конструкцию. В качестве преобразователей энергии используются полупроводниковые элементы, изготавливаемые из кремния.
Принцип действия солнечной панели:
- Свет, идущий от Солнца, попадает на фотоэлементы.
- Он выбивает свободные электроны с последних орбит всех атомов кремния.
- Из-за этого появляется большое количество свободных электронов, которые начинают быстро и хаотично двигаться между электродами.
- Следствием этого процесса становится выработка постоянного тока.
- Затем он быстро преобразовывается в переменный и поступает в принимающее устройство.
- Оно распределяет полученную электроэнергию по всему дому.
Преимущества и недостатки
Солнечные панели, сделанные своими руками, обладают рядом преимуществ перед заводскими конструкциями и другими источниками энергии. Благодаря этому устройства быстро набирают популярность и используются по всему миру.
Среди положительных сторон солнечных панелей следует выделить такие:
Несмотря на большое количество преимуществ у солнечных панелей есть и недостатки. Их обязательно нужно брать во внимание перед началом изготовления конструкции и её монтажом.
К недостаткам относят следующее:
Для того чтобы готовая конструкция качественно выполняла свои функции и обеспечивала людей достаточным количеством электричества, необходимо правильно её изготовить. Для этого нужно учитывать много факторов и выбирать только высококачественные материалы.
Основные требования
Перед тем как своими руками сделать солнечную батарею, необходимо выполнить ряд подготовительных мероприятий и тщательно изучить все требования, предъявляемые к устройству. Это поможет получить работающую установку и упростить процесс её монтажа.
Чтобы солнечная панель работала на максимуме своих возможностей, необходимо соблюдать такие требования:
Материалы и инструменты
Наиболее важными деталями устройства считаются фотоэлементы. Производители предлагают покупателям только 2 их разновидности: из монокристаллического (КПД до 13%) и поликристаллического кремния (КПД до 9%).
Первый вариант подходит только для работы в солнечную погоду, а второй - в любую. Другими важными элементами конструкции являются проводники. Они используются для соединения фотоэлементов друг с другом.
Для изготовления панели понадобятся такие материалы и инструменты:
Порядок действий
Для того чтобы сделать солнечные батареи своими руками в домашних условиях, необходимо соблюдать последовательность действий. Только в этом случае можно избежать ошибок и добиться желаемого результата.
Процесс изготовления панели прост и состоит из следующих этапов:
- Берётся набор поли- или монокристаллических фотоэлементов и детали собираются в общую конструкцию. Их количество определяется исходя из требований владельцев дома.
- На фотоэлементы наносятся контуры, образующиеся из олова припаянные проводники. Эта операция выполняется на ровной стеклянной поверхности при помощи паяльника.
- По заранее подготовленной электрической схеме соединяются друг с другом все ячейки. При этом обязательно нужно подключить шунтирующие диоды. Идеальным вариантом для солнечной батареи будет использование диодов Шоттки, предотвращающих разрядку панели в ночное время.
- Конструкция из ячеек перемещается на открытое пространство и тестируется на работоспособность. При отсутствии каких-либо проблем можно начинать сборку каркаса.
- Для этих целей используются специальные уголки из алюминия, которые крепятся к элементам корпуса при помощи метизов.
- На внутренние части реек наносится и равномерно распределяется тонкий слой силиконового герметика.
- Поверх него кладётся лист из плексигласа или поликарбоната и плотно прижимается к контуру рамы.
- Конструкция оставляется на несколько часов для полного высыхания силиконового герметика.
- Как только этот процесс завершился, прозрачный лист дополнительно крепится к корпусу при помощи метизов.
- Вдоль всей внутренней части получившейся поверхности помещаются выбранные фотоэлементы с проводниками. При этом важно оставлять небольшое расстояние (примерно 5 миллиметров) между соседними ячейками. Для упрощения этой процедуры можно заранее нанести необходимую разметку.
- Установленные ячейки надёжно фиксируются на раме с помощью монтажного силикона, а панель полностью герметизируется. Всё это поможет увеличить срок работы солнечной батареи.
- Изделие оставляется для высыхания нанесённой смеси и приобретает свой окончательный вид.
Изделия из подручных материалов
Солнечную батарею можно собрать не только из дорогостоящих материалов, но и из подручных. Готовая конструкция хоть и будет менее эффективной, но позволит немного сэкономить на электроэнергии.
Это один из самых простых и доступных вариантов изготовления самодельной солнечной панели. В основе устройства будут использоваться диоды небольшого вольтажа, которые изготовлены в стеклянном корпусе.
Делается батарея с соблюдением такой последовательности действий:
Медная фольга
Если нужно получить небольшое количество электроэнергии, то можно смастерить солнечную батарею из обыкновенной фольги.
Готовая конструкция будет обладать малой мощностью, поэтому применять её можно только для подпитки небольших устройств.
Пошаговая инструкция:
Пивные банки
Этот простой способ изготовления батареи не требует больших финансовых затрат. С его помощью можно получить малое количество электричества, которое немного уменьшит расходы.
Порядок действий:
Самостоятельно изготовленная солнечная панель - это замечательное устройство, которое позволяет снизить затраты на электроэнергию. При правильном его изготовлении и соблюдении всех рекомендаций можно смастерить качественное изделие, которое будет работать на протяжении многих лет.
В последние годы вопрос о обеспечении энергосбережения становится все более остро. Многие люди начинают думать о том, как сэкономить электроэнергию с применением разнообразных энергосберегающих технологий. В последнее время использование солнечной энергии в бытовых условиях начинает интересовать все больше людей, которые приходят к выводу, что лучше будет один раз поставить солнечные батареи, а потом получать весомую экономию своего бюджета. Это актуально в условиях постоянного подорожания цен на энергоносители как в России, так и по всему миру. Еще сильнее можно сэкономить, если разобраться, как собрать солнечную батарею своими руками. Главной особенностью сбора солнечных батарей будет доступность комплектующих и минимальные финансовые вложения.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Выбираем элементы для панелей
Большим достоинством своими силами собранной солнечной системы является то, что не нужно устанавливать сразу всю комплексную систему, мощность можно постепенно увеличивать. Если опыт сбора будет успешным, то можно продолжать работу и увеличивать объем.
Солнечная батарея является локальным генератором, который функционирует на основе преобразования солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлектрического элемента. Для того, чтобы собрать ее своими руками необходимо подбирать в свободной продаже солнечные модули. К примеру, на Ebay можно прикупить комплект SolarCells , состоящий из 36 солнечных элементов, который как раз предназначен для самостоятельной сборки батареи. Подобные наборы можно приобрести и в России.
Разрабатываем проект
Разработка проекта будет зависеть от того, где Вы будете размещать солнечную батарею и варианта монтажа. Подобные батареи должны устанавливаться под углом, который обеспечивает попадание солнечных лучей под прямым углом на фотоэлементы. Не забывайте, что производительность солнечной батареи полностью зависит от интенсивности освещения. Их нужно устанавливать на солнечной стороне здания. В зависимости от месторасположения объекта, а также потока солнечной энергии в каждом регионе вычисляется угол наклона для солнечной панели.
Стоит обратить Ваше внимание на то, что в момент проектирования системы, которую предполагается устанавливать на крыше здания, заранее необходимо выявить или просчитать несущую способность кровли. Кровля должна полностью выдерживать приложенную нагрузку, а также обеспечить запас прочности.
Изготавливаем каркас
До того, как сделать солнечную батарею необходимо приобрести солнечные элементы (36 штук). По проведенным расчетам один элемент выдает 0,5 Вольт энергии, то есть при наличии 36 элементов может получиться 18 Вольт.
На рынке представлен огромный выбор пластин, имеющих различные размеры, однако необходимо помнить следующее во время их выбора:
- Все пластины будут производить одинаковый уровень напряжения вне зависимости от их размеров;
- Большие пластины производят большую силу тока;
- Используя пластины большого размера можно получить больше энергии, но помните о весе панелей увеличенного размера;
- Не рекомендуется применять пластины разных размеров в одной конструктивной системе.
Для каркаса при изготовлении солнечных батарей применяют алюминиевый уголок, но можно купить и уже готовые предназначенные для этого рамы. Прозрачное покрытие нужно выбирать по своему желания, но учитывая показатели преломления света. Самым доступным материалом будет оргстекло, а наименее подходящим по своим характеристикам является обычный поликарбонат. Лучшими материалами для изготовления панели будут материалы, имеющие высокий уровень светопропускания. Если использовать оргстекло, то в процессе эксплуатации можно проводить наблюдения за контактами в системе.
Монтаж корпуса солнечной батареи
Если говорить о стандартном изготовлении одной солнечной батареи, то оно предполагает применение 36 фотоэлементов с пластинами 150х81 мм. Во время расчета размеров нужно учесть наличие зазоров между элементами в 3-5 мм, которые будут необходимы при изменении размеров каркаса под воздействием атмосферных явлений. Размеры заготовки с учитываемыми допусками будут 690х835 мм и ширина уголка в каркасе 35 мм. Солнечная батарея, которая будет изготовлена с помощью алюминиевого профиля будет похожа на панель заводского производства и будет обеспечивать высокий уровень герметичности, прочности и жесткости.
Для начала из алюминиевого уголка нужно сделать заготовки – рамки размерами 690х835 мм. Для дальнейшего крепления саморезов в полученной рамке нужно сделать отверстия. Затем по внутренней поверхности уголков следует нанести без пропусков силиконовый герметик. Это достаточно важный момент, т.к. не должно получаться мест, которые не заполнены силиконом. В полученную раму нужно положить прозрачный лист из оргстекла, специального поликарбоната или антибликового стекла.
Обращаем внимание , что силикону нужно дать просохнуть, в противном случае испарение будет создавать лишнюю пленку на фотоэлементах.
Уложенное стекло нужно с тщательностью прижать к каркасу и зафиксировать. Для хорошей фиксации крепеж нужно выполнить по всему периметру рамки. Все, каркас солнечной батареи почти выполнен.
Подбираем и паяем элементы
Также на том же Ebay или другом подобном магазине можно приобрести солнечные элементы, имеющие уже припаянные проводники. Обязательно оцените свои способности, т.к. паять контакты в подобной конструкции довольно таки сложный процесс. Ответственность еще увеличивается за счет хрупкости элементов.
Если все же решили пропаять элементы самостоятельно, то для начала проводники необходимо нарезать с помощью картонной заготовки и с аккуратностью разложить на фотоэлементе. Затем на точки припаивания нужно нанести кислоту и припой. Для более удобного выполнения работы прижмите проводник тяжелым предметом. Далее следует аккуратно припаять к фотоэлементу проводник, но не пережмите хрупкие кристаллы. По указанным нормативам на проводнике серебряное напыление обязано выдержать три пайки.
Собираем элементы солнечной батареи
Когда производите первую сборку лучше всего использовать размеченную подложку, которая поможет разместить элементы ровно относительно друг друга. Основа выполняется из фанеры, обязательно промаркируйте уголки конструкции. После проведенной пайки на элементы батареи на обратную сторону нужно закрепить кусочек ленты для монтажа и подобным образом их переносить. Герметизировать необходимо только соединительные части.
Далее элементы нужно выкладывать на поверхность стекла. Не забывайте оставлять между элементами расстояние и прижать их грузом. Пайку проводите по приложенной электрической схеме. Плюсовые дорожки должны быть размещены на лицевой стороне, а минусовые – с обратной. Пропаивайте все серебряные контакты. По этому принципу соедините все фотоэлементы. На крайних элементах панели контакты нужно вывести на шину плюс и минус. Рекомендуется создать «среднюю» точку – используя два дополнительные шунтирующие диоды. Клемма устанавливается на внешней стороне рамы. Для выводящих проводов можно применять акустический кабель в изоляции. После пайки все провода нужно зафиксировать силиконом. После сборки солнечные панели в качестве основной проблемы имеют качество пайки контактов. Именно поэтому специалисты рекомендуют перед герметизацией проводить тестирование, которое нужно выполнить в каждой группе элементов, когда проводится пайка.
Если выполнена грамотная конструкция всей системы, то это обеспечить достаточную мощность батареи. Во время расчета всей конструкции следует учитывать, что во время изготовления одной солнечной батареи нужно использовать только солнечные модули одних размеров, т.к. в системе максимальный ток ограничивается током самого маленького элемента.
Стандартные подсчеты дают понять, что в достаточно солнечный день с одного метра панели получается примерно 120 Вт мощности. Естественно, что подобная мощность не позволит даже на компьютере поработать, но панели в 10 метров уже обеспечит 1 кВт энергии, что даст Вам возможность дать энергию для основных приборов в доме. В среднем, для семьи требуется в месяц примерно 300 кВт, поэтому система, которая оптимально установлена на южной стороне размерами в 20 метров позволит обеспечить электроэнергией семейные потребности. Для оптимизации использования электроэнергии в освещении рекомендуется использовать лампочки переменного тока светодиодные или люминесцентные. Как подобрать подобные лампочки, к примеру для натяжного потолка можно прочитать .
Солнечные батареи становятся все более популярными среди альтернативных источников питания. Однако в наших условиях их цена чаще всего завышена, поэтому используя всем доступные материалы и необходимые инструкции можно собрать солнечную батарею своими руками.
Видео
А этом видео представлен процесс сборки солнечной батареи.
Долгое время уделом солнечных батарей были либо громоздкие панели спутников и космических станций, либо маломощные фотоэлементы карманных калькуляторов. Это было связано с примитивностью первых монокристаллических кремниевых фотоэлементов: они имели не только низкий КПД (не более 25% в теории, на практике – около 7%), но и заметно теряли эффективность при отклонении угла падения света от 90˚. Учитывая, что в Европе в облачную погоду удельная мощность солнечного излучения может падать ниже 100 Вт/м 2 , для получения сколько-нибудь значительной мощности требовались слишком большие площади солнечных батарей. Поэтому первые солнечные электростанции строились только в условиях максимальной мощности светового потока и ясной погоды, то есть в пустынях вблизи экватора.
Значительный прорыв в создании фотоэлементов вернул интерес к солнечной энергетике: так, наиболее дешевые и доступные поликристаллические кремниевые элементы, хотя и имеют меньший КПД, чем у монокристаллических, но зато и менее чувствительны к условиям работы. Солнечная панель на основе поликристаллических пластин выдаст достаточно стабильное напряжение при переменной облачности . Более современные фотоэлементы на основе арсенида галлия имеют КПД до 40%, но слишком дороги для изготовления солнечной батареи своими руками.
На видео идет рассказ об идее постройки солнечной батареи и ее реализации
Стоит ли делать?
Во многих случаях солнечная батарея окажется очень полезной : например, владелец частного дома или дачи, расположенного вдалеке от электросети, сможет даже от компактной панели поддержать свой телефон заряженным, подключить маломощные потребители наподобие автомобильных холодильников.С этой целью выпускаются и продаются готовые компактные панели, выполненные в виде быстро сворачиваемых сборок на основе из синтетической ткани. В средней полосе России такая панель размером около 30х40 см сможет обеспечить мощность в пределах 5 Вт при напряжении 12 В.
Более крупная батарея сможет обеспечить до 100 Вт электрической мощности. Казалось бы, это не так много, но стоит вспомнить принцип работы небольших : в них вся нагрузка запитывается через импульсный преобразователь от батареи аккумуляторов, которые заряжаются от маломощного ветряка. Таким образом становится возможным использование более мощных потребителей.
Использование аналогичного принципа при постройке домашней солнечной электростанции делает ее более выгодной по сравнению с ветряком: летом солнце светит большую часть дня, в отличие от непостоянного и часто отсутствующего ветра. По этой причине аккумуляторы смогут набирать заряд днем гораздо быстрее, а сама солнечная панель гораздо проще в установке, чем требующий высокой мачты .
Есть свой смысл и в использовании солнечной батареи исключительно как источника аварийного питания. Например, если в частном доме установлен газовый котел отопления с циркуляционными насосами, при отключении электропитания можно через импульсный преобразователь (инвертор) запитать их от аккумуляторов, которые поддерживаются заряженными от солнечной батареи, сохраняя систему отопления работоспособной.
Телевизионный сюжет на эту тему
Уже не одно десятилетие человечество ищет альтернативные источники энергии, способные хотя бы частично заменить существующие. И самыми перспективными из всех на сегодняшний день представляются два: ветро‑ и солнечная энергетика.
Правда, ни тот ни другой не могут предоставить непрерывного производства. Это связано с непостоянством розы ветров и суточно‑погодно‑сезонными колебаниями интенсивности солнечного потока.
Сегодняшняя энергетика предлагает три основных метода получения электрической энергии, но все они тем или иным образом вредны для окружающей среды:
- Топливная электроэнергетика — самая экологически грязная, сопровождается значительными выбросами в атмосферу углекислого газа, сажи и бесполезной теплоты, вызывая сокращение озонового слоя. Добыча топливных ресурсов для нее также наносит значительный вред природе.
- Гидроэнергетика связана с очень значительными ландшафтными изменениями, затоплением полезных земель, причиняет ущерб рыбным ресурсам.
- Атомная энергетика — самая экологически чистая из трёх, но требует очень значительных расходов на поддержание безопасности. Любая авария может быть связана с нанесением непоправимого долголетнего вреда природе. К тому же требует специальных мер по утилизации отходов использованного топлива.
Строго говоря, получить электроэнергию от солнечного излучения можно несколькими способами, но большинство из них используют промежуточное её преобразование в механическую, вращающую вал генератора и только затем в электрическую.
Такие электростанции существуют, они используют в работе двигатели внешнего сгорания Стирлинга, имеют неплохой КПД, но у них есть и существенный недостаток: чтобы собрать как можно больше энергии солнечного излучения, требуется изготовление огромных параболических зеркал с системами слежения за положением солнца.
Надо сказать, что существуют решения, позволяющие улучшить ситуацию, но все они достаточно дорогостоящие.
Есть методы, дающие возможность прямого преобразования энергии света в электрический ток. И хотя явление фотоэффекта в полупроводнике селене было открыто уже в 1876 году, но только в 1953 году, с изобретением кремниевого фотоэлемента, появилась реальная возможность создания солнечных батарей для получения электроэнергии.
В это время уже появляется теория, позволившая объяснить свойства полупроводников, и создать практическую технологию их промышленного производства. К сегодняшнему дню это вылилось в настоящую полупроводниковую революцию.
Работа солнечной батареи основана на явлении фотоэффекта полупроводникового p-n перехода, по сути представляющего собой обычный кремниевый диод. На его выводах при освещении возникает фото‑эдс величиной 0,5~0,55 В.
При использовании электрических генераторов и батарей необходимо учитывать различия, которые существуют между . Подключая трехфазный электродвигатель в соответствующую сеть, можно в три раза увеличить его выходную мощность.
Следуя определенным рекомендациям, с минимальными затратами по ресурсам и времени можно изготовить силовую часть высокочастотного импульсного преобразователя для бытовых нужд. Изучить структурные и принципиальные схемы таких блоков питания можно .
Конструктивно каждый элемент солнечной батареи выполнен в виде кремниевой пластины площадью в несколько см 2 , на которой сформировано множество соединённых в единую цепь таких фотодиодов. Каждая такая пластина является отдельным модулем, дающим при солнечном освещении определённое напряжение и ток.
Соединяя такие модули в батарею и комбинируя параллельно‑последовательное их подключение, можно получить широкий диапазон значений выходной мощности.
Основные недостатки солнечных батарей:
- Большая неравномерность и нерегулярность энергоотдачи в зависимости от погоды, и сезонной высоты солнца.
- Ограничение мощности всей батареи, если затенена хотя бы одна её часть.
- Зависимость от направления на солнце в различное время суток. Для максимально эффективного использования батареи нужно обеспечивать её постоянную направленность на солнце.
- В связи с вышесказанным, необходимость аккумулирования энергии. Наибольшее потребление энергии приходится на то время, когда выработка её минимальна.
- Большая площадь, требующаяся для конструкции достаточной мощности.
- Хрупкость конструкции батареи, необходимость постоянной очистки её поверхности от загрязнений, снега и т. п.
- Модули солнечной батареи работают наиболее эффективно при 25°C. Во время работы же они нагреваются солнцем до значительно более высокой температуры, сильно снижающей их эффективность. Чтобы поддерживать КПД на оптимальном уровне, необходимо обеспечивать охлаждение батареи.
Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.
Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.
Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.
Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:
- Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
- Минимальные расходы на эксплуатацию.
- Долговечность 30~50 лет.
- Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
- Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
- Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
- Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.
В приэкваториальных районах Земли средний поток солнечной энергии составляет в среднем 1,9 кВт/м 2 . В средней полосе России он находится в пределах 0,7~1,0 кВт/м 2 . КПД классического кремниевого фотоэлемента не превышает 13%.
Как показывают опытные данные, если прямоугольную пластину направить своей плоскостью на юг, в точку солнечного максимума, то за 12‑часовой солнечный день она получит не более 42% суммарного светового потока из‑за изменения угла его падения.
Это означает, что при среднем солнечном потоке 1 кВт/м 2 , 13% КПД батареи и её суммарной эффективности 42% удастся получить за 12 часов не более 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, или 0,6 кВтч за день с 1 м 2 . Это при условии полного солнечного дня, в облачную погоду — значительно меньше, а в зимние месяцы эту величину нужно разделить ещё на 3.
Учитывая потери на преобразование напряжения, схему автоматики, обеспечивающую оптимальный зарядный ток аккумуляторов и предохраняющую их от перезаряда, и прочие элементы можно принять за основу цифру 0,5 кВтч/м 2 . Этой энергией можно в течение 12 часов поддерживать ток заряда аккумулятора 3 А при напряжении 13,8 В.
То есть для заряда полностью разряженной автомобильной батареи ёмкостью 60 Ач потребуется солнечная панель в 2 м 2 , а для 50 Ач — примерно 1,5 м 2 .
Для того чтобы получить такую мощность можно приобрести готовые панели, выпускающиеся в диапазоне электрических мощностей 10~300 Вт. Например, одна 100 Вт панель за 12‑ти часовой световой день с учётом коэффициента 42% как раз обеспечит 0,5 кВтч.
Такая панель китайского производства из монокристаллического кремния с очень неплохими характеристиками стоит сейчас на рынке около 6400 р. Менее эффективная на открытом солнце, но имеющая лучшую отдачу в пасмурную погоду поликристаллическая — 5000 р.
При наличии определённых навыков в монтаже и пайке радиоэлектронной аппаратуры можно попробовать собрать подобную солнечную батарею и самому. При этом не стоит рассчитывать на очень большой выигрыш в цене, кроме того, готовые панели имеют заводское качество как самих элементов, так и их сборки.
Но продажа таких панелей организована далеко не везде, а их транспортировка требует очень жёстких условий и обойдётся достаточно дорого. Кроме того, при самостоятельном изготовлении появляется возможность, начав с малого, постепенно добавлять модули и наращивать выходную мощность.
Подбор материалов для создания панели
В китайских интернет‑магазинах, а также на аукционе eBay предлагается широчайший выбор элементов для самостоятельного изготовления солнечных батарей с любыми параметрами.
Ещё в недалёком прошлом самодельщики приобретали пластины, отбракованные при производстве, имеющие сколы или другие дефекты, но существенно более дешёвые. Они вполне работоспособны, но имеют немного пониженную отдачу по мощности. Учитывая постоянное снижение цен, сейчас это уже вряд ли целесообразно. Ведь теряя в среднем 10% мощности, мы теряем и в эффективной площади панели. Да и внешний вид батареи, состоящей из пластин с отколотыми кусочками выглядит довольно кустарно.
Можно приобрести такие модули и в российских онлайн‑магазинах, например, molotok.ru предлагает поликристаллические элементы с рабочими параметрами при световом потоке 1,0 кВт/м 2:
- Напряжение: холостого хода — 0,55 В, рабочее — 0,5 В.
- Ток: КЗ — 1,5 А, рабочий — 1,2 А.
- Рабочая мощность — 0,62 Вт.
- Габариты — 52х77 мм.
- Цена 29 р.
Совет: Надо учитывать, что элементы очень хрупкие и при транспортировке часть из них может быть повреждена, поэтому при заказе следует предусмотреть некоторый запас по их количеству.
Изготовление солнечной батареи для дома своими руками
Для изготовления солнечной панели нам понадобится подходящая рама, которую можно сделать самостоятельно или подобрать готовую. Из материалов для нее лучше всего использовать дюралюминий, он не подвержен коррозии, не боится сырости, долговечен. При соответствующей обработке и покраске для защиты от атмосферных осадков подойдёт и стальная, и даже деревянная.
Совет: Не стоит делать панель очень больших размеров: она будет неудобна в монтаже элементов, установке и обслуживании. К тому же маленькие панели имеют низкую парусность, их можно удобнее разместить под требуемыми углами.
Рассчитываем комплектующие
Определимся с размерами нашей рамы. Для зарядки 12-ти вольтового кислотного аккумулятора требуется рабочее напряжение не ниже 13,8 В. Примем за основу 15 В. Для этого нам придётся соединить последовательно 15 В / 0,5 В = 30 элементов.
Совет: Выход солнечной панели следует подключать к аккумулятору через защитный диод во избежание его саморазряда в темное время суток через солнечные элементы. Так что на выходе нашей панели будет: 15 В – 0,7 В = 14,3 В.
Чтобы получить зарядный ток 3,6 А, нам необходимо соединить в параллель три таких цепочки, или 30 x 3 = 90 элементов. Это будет нам стоить 90 x 29 р. = 2610 р.
Совет: Элементы солнечной панели соединяются параллельно‑последовательно. Необходимо соблюдать равенство количества элементов в каждой последовательной цепочке.
Таким током мы можем обеспечить стандартный режим заряда для полностью разряженного аккумулятора ёмкостью 3,6 x 10 = 36 Ач.
Реально эта цифра будет меньше из‑за неравномерности солнечного освещения в течение дня. Таким образом, для заряда стандартной автомобильной батареи 60 Ач, нам нужно будет соединить параллельно две таких панели.
Эта панель может нам обеспечить электрическую мощность 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.
Или в течение 12‑часового солнечного дня с учётом поправочного коэффициента 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтч.
Разместим наши элементы в 6 рядов по 15 штук. Для установки всех элементов нам потребуется поверхность:
- Длина — 15 x 52 = 780 мм.
- Ширина — 77 x 6 = 462 мм.
Для свободного размещения всех пластин примем габариты нашей рамы: 900×500 мм.
Совет: Если есть готовые рамы с другими габаритами, можно пересчитать количество элементов в соответствии с приведёнными выше намётками, подобрать элементы других типоразмеров, попробовать разместить их, комбинируя длину и ширину рядов.
Также нам потребуются:
- Паяльник электрический 40 Вт.
- Припой, канифоль.
- Монтажный провод.
- Силиконовый герметик.
- Двусторонний скотч.
Этапы изготовления
Для монтажа панели необходимо подготовить ровное рабочее место достаточной площади с удобным подходом со всех сторон. Сами пластины элементов лучше разместить отдельно в стороне, где они будут защищены от случайных ударов и падений. Брать их следует аккуратно, по одной.
Устройства защитного выключения повышают безопасность домашней электросети, снижая вероятность поражения электричеством и возникновения пожаров. Детальное ознакомление с характерными особенностями разных видов выключателей дифференциального тока подскажет, для квартиры и дома.
При эксплуатации электросчетчика возникают ситуации, когда его надо заменить и заново подключить — об этом можно прочитать .
Обычно для изготовления панели используют способ приклеивания предварительно распаянных в единую цепь пластин элементов на плоскую основу‑подложку. Мы предлагаем другой вариант:
- Вставляем в раму, хорошо закрепляем и герметизируем по краям стекло или кусок плексигласа.
- Раскладываем на нем в соответствующем порядке, приклеивая их двусторонним скотчем, пластины элементов: рабочей стороной к стеклу, выводами для пайки — к задней стороне рамы.
- Положив раму на стол стеклом вниз, мы сможем удобно распаивать выводы элементов. Выполняем электрический монтаж в соответствии с выбранной принципиальной схемой включения.
- Склеиваем окончательно пластины с задней стороны скотчем.
- Подкладываем какую‑либо демпфирующую прокладку: листовую резину, картон, ДВП и т. п.
- Вставляем в раму заднюю стенку и герметизируем её.
При желании вместо задней стенки можно залить раму сзади каким‑нибудь компаундом, например, эпоксидкой. Правда, это уже исключит возможность разборки и ремонта панели.
Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.
Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.
Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м 2 = 20 м 2 .
Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.
Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.
Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.
Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.
Делаем выводы
При условии аккумулирования и рационального использования энергии, уже сегодня нетрадиционные виды электроэнергетики начинают создавать солидную прибавку в общем объёме её выработки. Можно даже утверждать, что они постепенно становятся традиционными.
Учитывая значительно снизившийся в последнее время уровень энергопотребления современной бытовой техники, применение энергосберегающих осветительных приборов и значительно увеличившийся КПД солнечных батарей новых технологий, можно сказать, что уже сейчас они способны обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом в южных странах с большим количество солнечных дней в году.
В России же они вполне могут применяться, как резервные или дополнительные источники энергии в комбинированных системах электроснабжения, а если эффективность их удастся повысить хотя бы до 70%, то вполне реально будет и их использование в качестве основных поставщиков электроэнергии.
Видео о том, как изготовить прибор для сбора солнечной энергии самому