Особенности и разновидности устройства

Из экзотического устройства, предназначенного только для специальных нужд, солнечная батарея превратилась в уже относительно массовый источник энергии. И причина не только в экологических соображениях, но и в беспрерывном росте цен на электроэнергию из магистральных сетей. Более того, есть еще немало мест, где такие сети вовсе не протянуты и неизвестно когда они появятся. Самостоятельная забота о протягивании магистрали, объединение ради этого усилий большого числа людей вряд ли возможны. Тем более что даже при успехе предстоит окунуться в мир стремительной инфляции.

И дело даже не в формате – внешний вид и геометрия как раз довольно близки. А вот химический состав отличается разительно. Наиболее массовые изделия выполнены из кремния, который доступен почти всем и стоит недорого. По производительности батареи не хуже как минимум более дорогих вариантов.

Существует такие три основных варианта кремния, как:

• монокристаллы;
• поликристаллы;
• аморфное вещество.

Монокристалл, если исходить из сжатых технических объяснений – это наиболее чистый тип кремния. Внешне панель похожа на своеобразные пчелиные соты. Основательно очищенное вещество в твердом виде делят на особо тонкие пластины, каждая из которых имеет не больше 300 мкм. Чтобы они выполнили свою функцию, используют электродные сетки. Многократное усложнение технологии по сравнению с альтернативными решениями делает подобные источники энергии наиболее дорогими.

Несомненным преимуществом монокристаллического кремния является очень высокий КПД по меркам солнечной энергетики, составляющий приблизительно 20%. Поликристалл получают иначе, требуется сначала расплавить материал, а затем медленно понижать его температуру. Относительная простота методики и минимальный расход энергоресурсов при производстве положительно сказываются на стоимости. Минусом становится пониженная эффективность, даже в идеальном случае она составляет не более 18%. Ведь внутри самих поликристаллов есть немало структур, понижающих качество работы.

Аморфные панели почти не проигрывают обоим только что названным видам. Кристаллов тут нет вообще, есть вместо них «силан» – это соединение кремния с водородом, размещаемое на подложке. КПД составляет примерно 5%, что в значительной мере компенсируется многократно увеличенным поглощением.

Иногда можно встретить комбинацию монокристаллических или поликристаллических элементов с аморфным вариантом. Это помогает сочетать достоинства используемых схем и гасить практически все их недостатки. С целью снижения стоимости изделий сейчас все чаще используют пленочную технологию, которая предусматривает генерацию тока на базе теллурида кадмия. Само по себе это соединение является токсичным, но выброс яда в окружающую среду исчезающе мал. А также могут использоваться селениды меди и индия, полимеры.

Концентрирующие изделия повышают эффективность использования площади панели. Но это достигается только при использовании механических систем, обеспечивающих разворот линз вслед за солнцем. Применение фотосенсибилизирующих красителей потенциально помогает улучшить прием энергии Солнца, но пока это скорее общая концепция и разработки энтузиастов. Если нет желания экспериментировать, лучше выбрать более стабильную и проверенную конструкцию. Это относится как к самостоятельному изготовлению, так и к покупке готового продукта.

Способ, как сделать солнечную батарею в домашних условиях

Чтобы сделать солнечную панель своими руками в домашних условиях, необходимо запастись нужными материалами. Потребуется медный лист, пластиковая бутылка без горлышка, кухонная соль, теплая вода и 2 зажима. Из инструментов пригодится тестер, электроплита и наждачная бумага.

Последовательная сборка солнечной батареи:

1. Отрезаем кусок металла подходящего размера для размещения на спирали электрической плиты.
2. На плите медь нагреется и почернеет. Спустя полчаса можно снять материал.
3. Медь должна остыть. Материал начнет сжиматься и окись отслоится.
4. После остывания меди, материал моет в теплой воде.
5. Дальше начинается изготовление солнечной панели. Отрезаем еще одну медную пластину. Сжимаем 2 части и помещаем в бутылку. Медные части не должны контактировать между собой.
6. Фиксируем материал с помощью зажимов.
7. Подсоединяем провода к плюсам и минусам.
8. В бутыль помещаем соленую воду. При этом жидкость не должна доставать к меди несколько сантиметров.

Выбирать размер солнечной батареи нужно в зависимости от того, для чего она будет использоваться

Такая простая конструкция способна работать даже без солнечной энергии. Но это достаточно простая панель. Подходит она для зарядки мобильника, не более. Проверить работоспособность модуля можно с помощью тестера.

Комплектующие

Что необходимо для того, чтобы собрать простейшую солнечную батарею?

Во-первых, потребуются сами солнечные элементы, с помощью которых энергия нашего светила будет преобразовываться в электрическую. Производители предлагают различного рода элементы с разными размерами и разной мощностью. Чаще всего это устройства размерами 15×8 мм, такие небольшие пластинки. Чтобы собрать батарею мощностью 60 Вт, потребуется приблизительно около сорока приборчиков. Приплюсуйте сюда еще 10 штук про запас на случай излома. Солнечные элементы очень хрупкие.

• Во-вторых, понадобится оргстекло. Для этого надо будет два листа: один снизу, который будет выполнять функции основы батареи. Его толщина должна быть 4-6 мм. Кстати, нижнее оргстекло можно заменить фанерой. Второй слой – верхний толщиною 2 мм.
• В-третьих, крепежные детали: самоклеящийся двусторонний скотч, металлические (алюминиевые) уголки, клей, болты с гайками для крепления двух оргстекол между собой.
• В-четвертых, дополнительные электрические детали: припой (лучше всего легкоплавкий), флюс, диоды и так далее.

Солнечная батарея своими руками из подручных материалов: схема сборки

Сразу следует сказать, что одной общей схемы для создания солнечной батареи нет, сборки могут быть разными, и зависят они от выходных параметров. Самым простым вариантом можно назвать сборку из 4-х транзисторов последовательного расположения. Так например если в сборке будут присутствовать детали 2N3055, то при токе в 10-15мА вы сможете получить результат до 4 В. Конечно нельзя сказать что это хороший показатель, но даже используя такую конструкцию вы сможете подпитать небольшой светильный прибор и даже часы.

Чтобы сделать самодельную солнечную батарею, не нужно затрачивать много финансовых средств

Для того чтобы закрепить транзисторы в основном выбирают навесной монтаж, так как это значительно облегчает сборку. Кроме того, в основном все подобные устройства обладают немаловажным качеством, они не боятся короткого замыкания. Однако старайтесь оберегать их от возможных перегревов, так как при перегреве их напряжение на выходе может упасть.

Принцип работы и конструкция

Кванты попадают на фотоэлементы, в результате чего с внешних орбит атомов вещества уходят электроны.

Становясь свободными, они создают ток, идущий через контролер к аккумулятору, где накапливается заряд. Затем энергия поступает потребителю — различным бытовым или техническим устройствам.

Комплект солнечной батареи для дома составляется из кремниевых фотоэлементов. Одна их сторон пластины имеет тонкий слой химически пассивного фосфора либо бора.

Электроны, возникая, сдерживаются этой пленкой. Поверхность элемента пересекается металлическими дорожками, где свободные частицы собираются, выстраиваются и движутся упорядоченно, создавая ток.

При большом числе фотоэлементов в комплекте батареи можно получить достаточно много электричества.

Верхний слой пластины снабжен противоотражающим слоем. Это увеличивает КПД.

Пластины фотоэлементов могут быть:

• поликристаллические, с небольшим КПД около 12 %, но стабильно работающие до 10 лет;
• монокристаллические, с КПД до 25 % и функционированием до 25 лет, но со снижением параметра эффективности во времени;
• аморфные, КПД до 6 %, удобные для укладки.

Как работает солнечная батарея?

Работа солнечной батареи основывается на фотоэлектрическом эффекте. Первый функционирующий фотоэлемент был создан русским ученым Александром Столетовым, но открытие его еще середине XIX приписывают французскому физику Александру Беккерелю.

Фотоэлектрический эффект достигается путем замыкания полупроводников (фотоэлементов) в электрическую цепь. Один полупроводник должен иметь в составе лишние электроны (n-слой), во втором их должно не хватать (р-слой). Лучи солнца способны выбивать лишние электроны из n-слоя, после чего они автоматически направляются на свободные места в р-слое, и наоборот. Таким образом достигается постоянное движение электронов. Вытесненные из р-слоя электроны проходят через аккумулятор и возвращаются в n-слой.

Отдельные фотоэлементы могут обеспечить электроэнергией незначительные по мощности объекты, а для питания крупных объектов требуется объединить множество фотоэлементов в одну электрическую цепь.

Первым в истории фотоэлементом стал селен, но он обладал КПД менее одного процента, поэтому ему сразу же стали искать замену. Нашли ее в кремние и до сих пор этот элемент наиболее широко используется в солнечных панелях.

Общий принцип выбора и компоновки деталей для солнечных батарей

В связи с последними требованиями к производству электрической энергии, которые направлены на переход с традиционного сырья, используемого при его производстве, тема солнечных источников питания принимает все более практическое значение. Массовое производство элементов для создания собственной электрической сети уже предлагает потребителю различные варианты обеспечения автономной электроэнергией. Но пока еще стоимость автономного солнечного источника питания достаточна высока и недоступна для массового потребителя.

Но это не значит, что нельзя смастерить солнечные батареи своими руками. При этом просто необходимо определиться со способом сборки такого устройства. Или, приобретая отдельные элементы, компоновать их самостоятельно, или делать все составные части собственноручно.

Из чего, собственно, состоит система питания, основанная на преобразовании солнечной энергии в электрический ток? Основным, но не последним из ее элементов, является солнечная батарея, конструкция которой была рассмотрена выше. Вторым элементом в схеме является контроллер солнечной батареи, задача которого состоит в контроле зарядки аккумуляторных батарей электрическим током, полученным в солнечных батареях. Следующей частью домашней солнечной электростанции является батарея электрических аккумуляторов, в которой и накапливается электричество. И последним элементом «солнечной» электрической цепи будет инвертор, позволяющий полученное электричество небольшого вольтажа использовать для бытовых приборов, рассчитанных на 220 В.

Рассматривая каждый элемент домашней гелиоэлектростанции отдельно, можно увидеть, что каждый ее элемент может быть приобретен в розничной сети, на электронных аукционах и т. д. или собран собственноручно. И даже контроллер солнечной батареи своими руками можно изготовить – при наличии определенных навыков и теоретических знаний.

Теперь что касается задач, которые ставятся перед собственной электростанцией. Они просты и сложны одновременно. Простота их в том, что солнечная энергия используется для определенных целей: освещения, отопления или полного обеспечения потребностей жилища. Сложность – в правильном расчете требуемой мощности и соответствующем подборе комплектующих частей.

Сборка солнечной панели своими руками

После спайки собираем все элементы воедино. Для начала необходимо разобраться с инверторами. Они перерабатывают ток и меняют его напряжение.

Виды инверторов:

1. Системные – дополнительный источник энергии. При создании энергии в комплексе с центральным источником электроэнергии, аккумуляторы совсем не потребуются.
2. Гибридные – подходит в качестве основного источника, но от центральной подачи отказываться все равно не стоит. Такие инверторы способны не только перерабатывать энергию, но и накапливать ее.
3. Автономные – используются без центрального энергоснабжения. Монтируется с необходимым количеством аккумуляторов.

Количество аккумулятор для дома придется рассчитать, исходя из требуемой мощности. Также играет роль количество панелей и высота их установки. Чем выше смонтировать солнечную батарею, тем лучше.

К аккумулятору солнечная батарея подключается при помощи диода. Такое мероприятие не позволит батареи разрядиться за ночь. Для исключения перезарядки и закипания приборов приобретается контроллер заряда.

Сборка батареи

На нижний лист оргстекла с помощью самоклеящегося скотча прикрепляются солнечные элементы. Их можно располагать в любой последовательности, но лучше, если они заполнять равномерно всю площадь будущей батареи. При этом расстояние между ними должно быть минимальным.

На готовую панель укладывается верхний лист оргстекла

Обратите внимание, что с помощью скотча можно регулировать зазор между солнечными элементами и верхним стеклом. Уложите его чуть больше (в два или три слоя по периметру), и зазор увеличится

Нет необходимости переусердствовать, зазор быть должен, но небольшой (1-3 мм).

После чего по всему периметру между стеклами наносится герметик, далее устанавливается алюминиевый уголок, который скрепляется болтами и гайками. Все, самодельная солнечная батарея почти готова, можно проводить испытание. В таком состоянии прибор должен выдавать напряжение 20-22 вольта (это без нагрузки), при нагрузке 16-18 вольт. При этом выделяется ток силой 3,0-3,5 А. можно подсчитать, и результат будет – 60 Вт, что и требовалось.

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы — эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами

В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин — они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических — не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок — следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов

Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью — их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях — высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.

Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:

• на основе теллурида кадмия;
• из тонких полимеров;
• с использованием индия и селенида меди.

О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.

Монтаж солнечных батарей своими руками: расчетные работы

Раму для солнечных батарей можно сделать самостоятельно из подручных материалов, что поможет сэкономить. Но можно и приобрести готовый вариант. Для самостоятельно изготовления лучше всего использовать дюралюминий. Но можно специально подготовить и другой материал, который покрывается особенной защитой.

Для начала необходимо рассчитать размеры рамы. Необходимо взять необходимый заряд аккумулятора. Берем данное число за основу и разделяем на 0,5 Вт. Получается нужно количество элементов.

Для зарядного тока в 3,6 А потребуется соединить параллельно 3 цепочки. Для этого количество необходимых деталей умножается на 3 цепочки. Если умножить данный показатель на цену, то можно узнать стоимость панели.

На деле полученный расчет будет меньше, так как солнце неравномерно светит на протяжении всего дня. Для полноценного заряда потребуется соединить вместе несколько панелей. Так получится 6 рядов элментов.

Необходимые инструменты для работы:

• Сварочный аппарат;
• Канифоль;
• Монтажный провод;
• Герметик на основе силикона;
• Двусторонний скотч.

Для монтажа солнечных батарей потребуется минимум 2 человека

Количество инструментов может меняться. Чтобы разместить все элементы на раме, потребуется модуль размером 90х50 см. Если в готовых рамах другие размеры, то можно провести иные расчеты.

Какие бывают солнечные батареи

Солнечные панели сейчас широко применяются для питания различных устройств, механизмов и помещений, в частности для мобильных гаджетов, электроавтомобилей. Используются солнечные батареи в квартире, в доме, на даче и промышленных объектах.

Классификация солнечных батарей осуществляется по типу их конструкции и условно может быть распределена на четыре основных вида:

Транзисторы – генераторы электричества

Самодельная солнечная батарея, которая на выходе будет генерировать не тепловую энергию (как в предыдущем разделе), а электрическую может быть собрана из обычных транзисторов. Конечно, для энергообеспечения всего дома такая самодельная батарея не подойдет, но запитать небольшие приборы или подзарядить мобильный телефон Вы точно сможете. Чем больше транзисторов Вы используете, тем более мощная солнечная батарея у Вас получится, это нужно учитывать.

Первое с чего нужно начать, это аккуратно спилить верхнюю часть элемента, чтобы солнечный свет беспрепятственно попадал на p-n переходы. Если Вы используете транзисторы типа П, необходимо высыпать порошок из его внутренней части. После этих приготовлений переходим непосредственно к процессу сборки. Последовательное соединение элементов используется для повышения напряжения, а параллельное – силы тока. В качестве подложки рекомендуется использовать текстолит или органическое стекло. Чтобы не повредить кристалл транзистора, паять выводы, подходящие к нему, лучше не стоит. Один транзистор обеспечивает силу тока от 0,1 до 3 мА, а блок, состоящий из 4-х транзисторов, – от 10 до 15 мА.

Подбор и пайка солнечных элементов

Геопанель должна работать при температуре 70-90 градусов. Но контролировать данный показатель бывает непросто. Именно поэтому в раме потребуется проделать отверстия для вентиляции. Их диаметр приблизительно 10 мм. Элементы для батареи придется спаять самому.

Для приобретения набора элементов для пластин потребуется потратить определенную сумму. Но в итоге все равно выйдет дешевле, чем те варианты, что выпускает Мариуполь и другие заводы. Это кремниевые пластины, способные перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для их производства используется поликристаллический кремний.

Пайка деталей включает такие этапы:

1. Проводники необходимо нарезать согласно заготовкам;
2. Элементы устанавливаются на нужных местах;
3. На контакты наносят припой и кислоту;
4. Дальше происходит фиксация проводников;
5. Затем начинают паять.

Перед работой стоит учесть, что перевертывать сваренную конструкцию бывает непросто. Именно с этой целью сначала спаиваются элементы, а затем ряды. На крайних элементах делают шину на минус и плюс. Выводящая проводка оснащается изоляцией. Наружная сторона рамы оборудована клеммой.

Дальше необходимо прикрепить панели к основанию. Здесь пригодится силиконовый герметик. Силикон соединяет все элементы и провода с основанием.

После соединения элементов следует проверить их работоспособность. Для этого используют тестер. Оптимальные показатели прибора – 17-19 Вт. Данное мероприятие проводят несколько дней и только после этого переходят к герметизации.

Чтобы правильно выполнить пайку солнечных элементов, стоит предварительно посмотреть обучающее видео

На раму наносят герметик и монтируют оргстекло.  Нужно выделить время, чтобы силикон высох. К раме оргстекло прикрепляется с помощью саморезов. Все швы также необходимо заполнить герметиком.

Что влияет на эффективность солнечных батарей

Чтобы не удивляться тому, что солнечные батареи работают с разной эффективностью в различные периоды, необходимо выделить факторы, которые влияют на КПД системы. Причем названные ниже моменты действуют на солнечные батареи всех типов, но с различной интенсивностью.

• При повышении температуры производительность любых фотоэлементов панелей снижается.
• При частичном затемнении, например, если солнце попадает только на часть панели, а какое-то количество элементов остается неосвещенным, выходное напряжение падает за счет потерь неосвещенных пластин.
• Панели, оснащенные линзами для концентрирования излучения, становятся совершенно неэффективными в облачную погоду, так как пропадает эффект фокусирования потока света.
• Для достижения высокой эффективности работы солнечной батареи необходим правильный подбор сопротивления нагрузки. Поэтому панели подключаются не напрямую к приборам или аккумулятору, а через управляющий системой контролер, который обеспечит оптимальный режим функционирования батареи.