Расчет и проектирование
Для расчетов солнечной батареи, собранной дома, обязательно потребуется перечень всех электроприборов и оборудования, имеющихся в доме. Сразу же нужно выяснить потребляемую мощность каждого из них.
Данные о мощности указываются в маркировке или в техническом паспорте устройства. Их значения довольно приблизительные, поэтому для панели, работающей с инвертором нужно ввести поправку, то есть среднее энергопотребление умножается на поправочный коэффициент. Полученная таким образом общая мощность дополнительно умножается на 1,2, учитывая потери при работе инвертора. Мощные приборы при запуске потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный. В связи с этим, инвертор также должен в течение короткого времени выдерживать двойную или тройную мощность.
Если мощных потребителей довольно много, но одновременно они практически не включаются, то применяемый в системе инвертор с большим выходным током получится слишком дорогим. При отсутствии значительных нагрузок рекомендуется использовать менее мощные недорогие приборы.
Солнечная батарея в домашних условиях рассчитывается по времени работы каждого электроприбора в течение суток. Вычисленное опытным путем, значение умножается на мощность, и в результате получается суточное энергопотребление, измеряемое в киловатт-часах.
Обязательно понадобятся сведения с местной метеостанции о количестве солнечной энергии, которую можно реально получить в этой местности. Расчет данного показателя выполняется на основе показаний среднегодовой солнечной радиации и ее среднемесячных значений при самой плохой погоде. Последняя цифра позволяет определить минимальное количество электроэнергии, достаточное для решения текущих задач.
Получив исходные данные можно приступать к определению мощности одного фотоэлемента. Вначале показатель солнечной радиации нужно разделить на 1000, в результате, получаются так называемые пикочасы. В это время интенсивность солнечного свечения составляет 1000 Вт/м2.
Формула для расчета
Количество энергии W, вырабатываемое одним модулем, определяется по следующей формуле: W = k*Pw*E/1000, в которой Е – величина солнечной инсоляции за определенный период времени, k – коэффициент, составляющий летом – 0,5, зимой – 0,7, Pw – мощность одного модуля. Поправочный коэффициент учитывает потери мощности фотоэлементов при нагревании солнечными лучами, а также изменение наклона лучей относительно поверхности в течение дня. Зимой элементы нагреваются меньше, поэтому и значение коэффициента будет выше.
Учитывая суммарную мощность энергопотребления и данные, полученные с помощью формулы, рассчитывается общая мощность фотоэлементов. Полученный результат делится на мощность 1 элемента и в итоге будет требуемое количество модулей.
Существуют различные модели с целым рядов мощностей элементов – от 50 до 150 Вт и выше. Выбирая компоненты с необходимыми показателями, можно собрать солнечную панель с заданной мощностью. Например, если потребность в электроэнергии составляет 90 Вт, то необходимы два модуля по 50 Вт каждый. По такой схеме можно создать любую комбинацию из имеющихся фотоэлементов. В любом случае расчеты следует производить с некоторым запасом.
Количество фотоэлементов оказывает влияние на выбор емкости аккумуляторной батареи, поскольку именно они создают зарядный ток. Если мощность панели 100 Вт, то минимальная емкость АКБ должна быть 60 А*ч. С возрастанием мощности панелей потребуются и более мощные аккумуляторы.
Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти
Изготовленные кустарным способом солнечные панели всегда будут находиться на шаг позади своих заводских собратьев, и на то есть несколько причин. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая ячейки с нестабильными или сниженными параметрами. Во-вторых, при изготовлении гелиоэлектрических батарей используется специальное стекло с повышенным светопропусканием и сниженной отражающей способностью — найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступать к серийному выпуску, все параметры промышленных образцов обкатывают с использованием математических моделей. В итоге минимизируется влияние нагрева ячеек на КПД батареи, улучшается система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединяющих шин, исследуются пути снижения скорости деградации фотоэлементов и т. д. Решать подобные задачи, не имея оборудованной лаборатории и соответствующей квалификации, невозможно.
Низкая стоимость самодельных солнечных батарей позволяет построить установку, позволяющую полностью отказаться от услуг энергокомпаний
Тем не менее сделанные своими руками солнечные батареи показывают неплохие результаты производительности и не так уж и сильно отстают от промышленных аналогов. Что же касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при одинаковых затратах самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.
Учитывая всё вышесказанное, вырисовывается картина того, какие фотоэлементы подходят под наши условия. Плёночные отпадают по причине отсутствия в продаже, а аморфные — из-за короткого срока службы и низкого КПД. Остаются ячейки из кристаллического кремния. Надо сказать, что в первом самодельном устройстве лучше использовать более дешёвые «поликристаллы». И только обкатав технологию и «набив руку», следует переходить на монокристаллические ячейки.
Для обкатки технологий подойдут дешёвые некондиционные фотоэлементы — как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках
Что касается вопроса, где взять недорогие солнечные элементы, то их можно найти на зарубежных торговых площадках типа Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. Там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов различных размеров и производительности, так и готовыми наборами для сборки солнечных панелей любой мощности.
Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим
Редко у какого домашнего мастера не найдётся заветной коробочки со старыми радиодеталями. А ведь диоды и транзисторы от старых приёмников и телевизоров являются всё теми же полупроводниками с p-n-переходами, которые при освещении солнечным светом вырабатывают ток. Воспользовавшись этими их свойствами и соединив несколько полупроводниковых приборов, можно сделать самую настоящую солнечную батарею.
Для изготовления маломощной солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов
Внимательный читатель сразу же спросит, в чём подвох. Зачем платить за фабричные моно- или поликристаллические ячейки, если можно использовать то, что лежит буквально под ногами. Как всегда, дьявол скрывается в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют получить на ярком солнце напряжение не более 0.2 В при силе тока, измеряемой микроамперами. Для того чтобы достичь параметров, которые выдаёт плоский кремниевый фотоэлемент, понадобится несколько десятков, а то и сотен полупроводников. Сделанная из старых радиодеталей батарея сгодится разве что для зарядки кемпингового светодиодного фонаря или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более масштабных проектов, без покупных солнечных ячеек не обойтись.
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.
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.
Классификация фотоэлектрических модулей
Сегодня производство солнечных батарей идёт двумя параллельными путями. С одной стороны на рынке присутствуют фотоэлектрические модули, созданные на основе кремния, а с другой — плёночные, созданные с использованием редкоземельных элементов, современных полимеров и органических полупроводников.
Популярные сегодня кремниевые фотоэлементы подразделяются на несколько типов:
- монокристаллические;
- поликристаллические;
- аморфные.
Для использования в самодельных солнечных батареях лучше всего использовать модули из поликристаллического кремния. Хоть КПД последних и ниже, чем у монокристаллических элементов, но зато на их работоспособность не так сильно влияет загрязнённость поверхности, низкая облачность или угол падения солнечных лучей.
Что же касается батарей из аморфного кремния, то они ещё менее зависимы от погодных условий и за счёт своей гибкости практически не подвержены риску повреждений при сборке. Тем не менее использование их в собственных целях ограничивается как достаточно низкой удельной мощностью на 1 квадратный метр поверхности, так и по причине высокой стоимости.
Кремниевые солнечные элементы представляют собой самый распространённый класс электрических фотопластин, поэтому они чаще всего используются для изготовления самодельных устройств
Появление плёночных фотоэлектрических модулей обусловлено как необходимостью в снижении стоимости солнечных батарей, так и потребностью получить более производительные и долговечные системы. Сегодня промышленность осваивает выпуск тонких гелиоэлектрических модулей на основе:
- теллурида кадмия с КПД до 12% и стоимостью 1 Вт на 20–30% ниже, чем у монокристаллов;
- селенида меди и индия — КПД 15–20%;
- полимерных соединений — толщина до 100 нм, с КПД — до 6%.
О возможности использования плёночных модулей для постройки электрической солнечной станции своими руками говорить пока ещё рано. Несмотря на доступную стоимость, изготовлением теллуридо-кадмиевых, полимерных и меде-индиевых фотоэлементов занимаются лишь отдельные компании.
Такие достоинства плёночных фотоэлементов, как высокий КПД и механическая прочность позволяют с полной уверенностью говорить, что за ними — будущее солнечной энергетики
Хоть в продаже и можно найти батареи, созданные по плёночной технологии, в большинстве своём они представлены в виде готовых изделий. Нам же интересны отдельные модули, из которых можно построить недорогую самодельную солнечную панель — на рынке они пока ещё в дефиците.
Сводные данные по КПД солнечных элементов, которые выпускаются промышленностью, представлены в таблице.
Таблица: КПД современных солнечных батарей
| Тип фотоэлемента | Коэффициент полезного действия, % |
| Монокристаллический кремний | от 17 до 22 |
| Поликристаллический кремний | от 12 до 18 |
| Аморфный кремний | от 5 до 6 |
| Теллуридо-кадмиевые | от 10 до 12 |
| На основе селенида меди-индия | от 15 до 20 |
| Полимерный | от 5 до 6 |
Какие комплектующие нужны и где их купить
Основная деталь – солнечная фотопанель. Обычно кремниевые пластины покупают через интернет с доставкой из Китая или США. Это связано с высокой ценой на комплектующие отечественного производства.
Себестоимость отечественных пластин получается настолько высокой, что выгоднее заказать на Еbay. Что касается брака, то на 100 пластин лишь 2-4 непригодны к использованию. Если заказывать китайские пластины, то риски выше, т.к. качество оставляет желать лучшего. Преимущество – только в цене.
Готовая панель гораздо удобнее в использовании, но и втрое дороже, поэтому лучше все-таки озадачиться поиском комплектующих и собрать устройство своими руками
Остальные комплектующие можно купить в любом магазине электротоваров. Также потребуются оловянный припой, рама, стекло, пленка, лента и карандаш для разметки.
Солнечные элементы для батареи
Аккумулятор для солнечной системы
Комплект для сборки батареи
Стабилизатор напряжения для солнечной батареи
При покупке комплектующих стоит обращать внимание на гарантию производителя. Обычно она составляет 10 лет, в некоторых случаях – до 20
Важно также правильно подобрать аккумулятор. Экономия на нем нередко оборачивается неприятностями: во время зарядки прибора может выделяться водород, что чревато взрывом
Солнечная батарея – что это такое?
Устройство солнечной батареи основано на способности фотоэлементов преобразовывать солнечную энергию в электричество. Соединенные в общую систему, эти преобразователи создают многоячеистое поле, каждая ячейка которого под воздействием солнечной энергии становится источником электрического тока, который затем аккумулируется в специальных устройствах – аккумуляторах. Разумеется, что мощность такого устройства тем выше, чем больше данное поле. То есть чем больше в нем фотоэлементов, тем большее количество электроэнергии оно способно произвести.
Но это не значит, что только огромные площади, на которых возможна установка солнечных батарей, могут обеспечить необходимой электроэнергией. Существует множество гаджетов, которые имеют возможность работать не только от привычных всем автономных источников питания – батареек, аккумуляторов – но и использовать энергию солнца. В конструкции таких приборов вмонтированы портативные солнечные батареи, дающие возможность как подзаряжать устройство, так и работать автономно. Например, обычный карманный калькулятор: в солнечную погоду, положив его на стол, можно обеспечить подзарядку батареи, что продлевает срок ее службы на долгие годы. Существует масса различных устройств, где такие батареи используются: это и ручки-фонарики, и фонарики-брелоки и т. д.
На дачных и загородных участках в последнее время стало модным использовать для освещения фонарики на солнечных батареях. Экономичное и несложное устройство обеспечивает освещение вдоль садовых дорожек, на террасах и во всех необходимых местах, используя электроэнергию, накопленную в светлое время суток, когда светит солнце. Экономные лампы освещения способны расходовать эту энергию достаточно долгое время, что и обеспечивает большой интерес к таким устройствам. Освещение на солнечных батареях используется и в домах, коттеджах, а также подсобных помещениях.
Солнечная батарея из фольги
Как делается солнечная батарея из диодов, теперь понятно. Ещё хороший способ: можно сделать батарею из фольги. Но ее мощность будет ниже, чем у предыдущих методов.
Инструкция:
- Потребуется медная фольга площадью 45 кв. см. Ее нужно обезжирить.
- При помощи наждачной бумаги избавьтесь от оксидной пленки.
- Теперь нужно положить фольгу на горелку, мощность которой должна быть менее 1,1 кВт. Необходимо нагревать, пока не начнут появляться красно-оранжевые пятна.
- После этого нагревать нужно еще в течение получаса, чтобы образовалась оксидная пленка нужной толщины.
- Затем прожарку нужно остановить и дать остыть листу вместе с печкой.
- Остатки удалить проточной водой, но не сгибая лист
- Обрежьте с пластиковой бутылки объемом 2–2,5 литра горло и поместите туда два куска фольги. Они не должны соединяться. Закрепляются они специальным зажимом типа «Крокодил».
- К обработанному куску пойдет минус, а к другому – плюс.
- Теперь туда нужно залить раствор из соли. Его уровень должен быть чуть ниже верхней кромки электродов – примерно на 2,5 см. Готовится он из 2–4 столовых ложек соли.
Самодельная солнечная панель – это отличный выход. И как можно заметить, имеется много способов ее изготовить: солнечная батарея из транзисторов, солнечный коллектор из алюминиевых банок, из фольги, из диодов. И это еще далеко не все. Собирать совсем несложно, если понимать принцип ее работы. Она, конечно, не сможет запитать целый дом или дачу, но в качестве дополнительного аккумулятора для зарядки телефона или другой мелкой техники вполне подойдет. Изготавливая солнечную батарею в домашних условиях, будьте очень аккуратны и четко соблюдайте все инструкции.
Солнечная батарея своими руками – как сделать, собрать и изготовить?
Отходя от самодельных вариантов мы уделим внимание уже более серьёзным вещам. Сейчас мы поговорим о том, как правильно собрать и изготовить настоящую солнечную батарею своими руками. Да – такое тоже возможно
И хочется вас уверить – она будет не хуже покупных аналогов
Да – такое тоже возможно. И хочется вас уверить – она будет не хуже покупных аналогов.
Для начала стоит сказать, что, вероятно, вы не сможете найти на свободном рынке сами настоящие кремниевые панели, которые используются в полноценных солнечных батареях. Да и стоит они будут дорого. Мы же будем собирать нашу солнечную батарею из монокристаллических панелей – варианте более дешёвом, но отлично показывающим себя в плане выработки электрической энергии. Тем более что монокристаллические панели легко найти и стоят они достаточно недорого. Они бывают разных размеров. Самый популярный и ходовой вариант – 3х6 дюймов, который вырабатывает 0,5В в эквиваленте. Таких нам будет достаточно. В зависимости от ваших финансов вы можете купить их хоть 100-200 штук, но сегодня мы соберём вариант, которого хватит на то, чтобы запитать небольшие аккумуляторы, лампочки и прочие небольшие электронные элементы.
Выбор фотоэлементов
Как мы утверждали выше – мы выбрали монокристаллическую основу. Найти её можно где угодно. Самое популярное место, где её продают в гигантских количествах – это торговые площадки Amazon или Ebay.
Главное помните, что там очень легко нарваться на недобросовестных продавцов, так что покупайте только у тех людей, у кого достаточно высокий рейтинг. Если у продавца хороший рейтинг, то вы будете уверены, что ваши панели дойдут до вас хорошо запакованные, не битые и в том количестве, в котором вы заказывали.
Выбор места (система ориентации), проектирование и материалы
После того, как вы дождётесь вашу посылку с основными фотоэлементами, вы должны хорошо выбрать место для установки вашей солнечной батареи. Ведь вам нужно будет, чтобы она работала на 100% мощности, не так ли? Профессионалы в этом деле советуют проводить установку в то место, где солнечная батарея будет направлена чуть ниже небесного зенита и смотреть в сторону Запада-Востока. Это позволит практически весь день “ловить” солнечный свет.
Изготовление каркаса солнечной батареи
Для начала вам требуется изготовить основание солнечной батареи. Оно может быть деревянное, пластиковое или алюминиевое. Лучше всего себя показывает дерево и пластик. Оно должно быть достаточного размера, чтобы в ряд поместить все ваши фотоэлементы, но при этом они не должны будут болтаться внутри всей конструкции.
После того, как вы собрали основание солнечной батареи вам потребуется просверлить множество отверстий на его поверхности для будущего выведения проводников в единую систему.
Кстати не забудьте, что всё основание требуется сверху закрыть оргстеклом для защиты ваших элементов от погодных условий.
Пайка элементов и подключение
После того, как ваше основание будет готово вы можете размещать ваши элементы на его поверхности. Фотоэлементы размещаете вдоль всей конструкции проводниками вниз (просовываете их в наши просверленные отверстия).
Затем их требуется спаять между собой. В интернете есть множество схем, по которым происходит пайка фотоэлементов. Главное – соединить их в своеобразную единую систему для того, чтобы они все вместе могли собирать полученную энергию и направлять её в конденсатор.
Последним шагом будет припайка “выводного” провода, который будет подключён к конденсатору и выводить в него получаемую энергию.
Монтаж
Это финальный шаг. После того как вы убедитесь в том, что все элементы собраны верно, сидят плотно и не болтаются, хорошо закрыты оргстеклом – можно приступать к монтажу. В плане монтажа солнечную батарею лучше крепить на прочное основание. Отлично подойдёт металлический каркас, укреплённый строительными шурупами. На нём солнечные панели будут сидеть прочно, не шататься и не поддаваться никаким погодным условиям.
На этом всё! Что мы имеем в итоге? Если вы сделали солнечную батарею, состоящую из 30-50 фотоэлементов, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы быстро зарядить ваш мобильный телефон или зажечь небольшую бытовую лампочку, т.е. у вас на выходе получилось полноценное самодельное зарядное устройство для зарядки аккумулятора телефона, уличного дачного светильника, либо небольшого садового фонарика. Если же вы сделали солнечную панель, к примеру, в 100-200 фотоэлементов, то тут уже может идти речь о “запитке” некоторых бытовых приборов, например, кипятильника для нагрева воды. В любом случае – такая панель будет дешевле покупных аналогов и сохранит вам деньги.
Солнечная батарея: что это такое
Человечество загорелось идеей трансформации солнечного излучения в электрическую энергию с 30-х годов прошлого века. Именно тогда учёные из Академии наук СССР заявили о создании полупроводниковых медно-таллиевых кристаллов, в которых под действием световых лучей начинал протекать электрический ток. Сегодня это явление известно как фотоэлектрический эффект и широко используется как в гелиоэлектрических установках, так и в разнообразных датчиках.
Первые солнечные батареи известны ещё с 50-х годов прошлого века
Сила тока одного фотоэлемента измеряется в микроамперах, поэтому для получения сколь-нибудь значимой электрической мощности их объединяют в блоки. Множество таких модулей и составляют основу солнечной батареи (СБ), которую можно использовать для подключения различных электронных устройств. Если же говорить о законченном устройстве, которое можно установить под открытым небом, то корректнее говорить о солнечной панели (СП) с конструкцией, защищающей сборку фотоэлектрических модулей от внешних факторов.
Надо сказать, что КПД первых электрических гелиосистем не достигал и 10% — сказывались как недостатки полупроводниковой технологии, так и неустранимые потери, связанные с отражением, рассеиванием или поглощением светового потока. Десятилетия упорного труда учёных дали свой результат, и сегодня КПД самых современных солнечных батарей достигает 26%. Что же касается перспективных разработок, то здесь он ещё выше — до 46%! Конечно, внимательный читатель может возразить, что другие генераторы энергии работают с энергоэффективностью 95–98%. Тем не менее не следует забывать, что речь идёт о совершенно бесплатной энергии, величина которой в солнечный день превышает 100 Вт на один кв. м земной поверхности в секунду.
Современные солнечные панели генерируют электроэнергию в промышленных масштабах
Полученная с помощью солнечных панелей электроэнергия может использоваться аналогично той, что получают на обычных электростанциях — для питания различных электронных устройств, освещения, отопления и т. д. Единственное отличие, которое состоит в том, что на выходе фотоэлектронного модуля присутствует постоянный, а не переменный ток, на самом деле является преимуществом. Всё дело в том, что любая гелиосистема работает только в течение светового дня, причём её мощность очень сильно зависит от высоты солнца над горизонтом. Поскольку ночью СБ работать не может, электроэнергию приходится накапливать в аккумуляторах, а они-то все как раз и являются источниками постоянного тока.
Сборка
При первой сборке лучше воспользоваться заготовленной разметочной подложкой, помогающей расположить ровно элементы друг от друга. Основу выполняем из фанеры с обязательным маркированием уголков конструкции. После пайки на элемент батареи с обратной стороны крепим кусок ленты для монтажа, и таким образом их переносим. Герметизации подвергаются исключительно соединительные части.
Дальнейшие действия выглядят следующим образом:
- Выложите элементы на поверхность стекла.
- Между элементами оставьте расстояние и прижмите их грузами.
- Пайку сделайте по электрической схеме, то есть «Плюсовые» дорожки размещаются на лицевой стороне, а «минусовые» дорожки — на обратной стороне.
- Аккуратно припаяйте серебряные контакты.
- Соедините по этому принципу все элементы. В крайних элементах контакты выводят на шину «плюс» и «минус».
Рекомендуется также поставить «среднюю» точку, с двумя дополнительными шунтирующими диодами. Клемму устанавливают с внешней стороны нашей рамы. В качестве выводящих проводов можно использовать акустический кабель в изоляции. Все провода прочно фиксируются силиконом.
Грамотная конструкция системы позволит обеспечить необходимую мощность батареи. При расчете конструкции учитывают, что для изготовления одной солнечной батареи всегда берут солнечные модули только одного размера, так как в системе максимальный ток ограничен током самого малого элемента.
Стандартные расчеты показывают, что в солнечный день получают с 1 метра панели около 120 Вт мощности. Конечно, такая мощность не даст необходимого напряжения даже для компьютера. Но уже панель в 10 метров даст 1 кВт энергии и обеспечит энергией работу основных приборов дома: светильников, телевизора, холодильника и компьютера. Для обычной семьи из 4 человек необходимо в месяц около 300 кВт, поэтому система, установленная оптимально с южной стороны, размером 20 метров обеспечит семейные потребности в электроэнергии
С целью оптимизации потребления энергии для освещения важно использовать в доме лампочки переменного тока — светодиодные и люминесцентные
