Если обратить внимание на крыши многих частных домов или небольших компаний, то там можно увидеть солнечные батареи. Подорожание энергоносителей приводит к тому, что люди начинают искать альтернативные источники. В этих условиях спрос на солнечные батареи растет день ото дня.
Потенциальные возможности
В условиях растущей популярности альтернативных источников энергии целесообразно вовремя занять нишу в рынке. Для этого необходимо для начала приобрести оборудование для производства солнечных батарей. Его можно купить как в странах Европы, США и СНГ, так и в Китае.
В зависимости от спроса на эти изделия в вашем регионе или в местах, куда вы сможете поставлять произведенный товар, необходимо определиться с тем, на что будет ориентировано ваше производство. В настоящее время на рынке можно найти панели, предназначенные для различных сфер использования.
Это могут быть как легкие переносные варианты, которые берут с собой в туристические походы, стационарные модули, подходящие для установки на крышах помещений и жилых домов, или мощные панели, которые используют в качестве небольших электростанций.
Рабочие линии
Если у вас есть помещение для изготовления, тогда можно задуматься и о том, чтобы купить оборудование для производства солнечных батарей. Также не стоит забывать, что при их изготовлении у вас должны всегда быть в достаточном количестве необходимые расходные комплектующие.
Так, в список необходимого оборудования попадают станки, которые нарезают лазером материал для панелей на квадраты, сортируют их, ламинируют, вставляют в рамы и соединяют их вместе. Помимо этого, для производства необходимы машины, которые занимаются замешиванием специального клея, обрезают пленку под панелью и их края. Не обойтись при изготовлении и без столов, на которых необходимо будет корректировать углы, вставлять в панели провода и формировать их, и тележек, предназначенных для их перемещения и прессования.
Каждый станок для производства солнечных батарей является незаменимым компонентом линии по их изготовлению. Поэтому, прежде чем начинать заказывать материалы для производства, подсчитайте общую стоимость оборудования и проанализируйте, можете ли вы позволить себе такие траты. Правда, при этом стоит учесть, что при наличии каналов сбыта, они достаточно быстро окупаются.
Процесс изготовления
Если вы видели солнечные батареи раньше только на картинках и плохо себе представляете, как идет их создание, тогда лучше найти человека, которому известна технология производства солнечных батарей. Если говорить о ней в общих чертах, то надо знать, что она состоит из ряда этапов.
Начинается изготовление с проверки и подготовки к работе поступивших в цех материалов. После нарезки и сортировки фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) они поступают на оборудование, на котором проходит процесс припайки к контактам панелей специальных луженных шинок из меди. Лишь после этого начинается процесс соединения всех ФЭП в цепочки необходимой длины.
Следующим этапом является создание сэндвича, который состоит из собранных в матрицу преобразователей, стекла, двух слоев герметизирующей пленки и тыльной стороны панели. Именно на этой стадии оборудование для производства солнечных батарей формирует схему модуля, тут же определяется его рабочее напряжение.
Собранную конструкцию проверяют и отправляют на ламинирование – герметизацию, которая проходит под давлением при высокой температуре. Лишь после этого на подготовленный полуфабрикат крепят раму и монтируют специальную коммутационную коробку.
Тестирование продукции
Встретить на рынке брак среди подобных товаров практически невозможно, ведь каждая панель после сборки попадает в специальный цех тестирования.
Именно там их проверяют на возможность пробоя напряжением. После этого они сортируются, пакуются и отправляются в продажу, в магазинах можно встреть как небольшие переносные варианты, так и солнечные батареи для дома.
Производство этих видов практически ничем не отличается.
Конечно, безукоснительно соблюдать все этапы может позволить себе только крупный производитель с большими объемами производства и достаточным количеством сотрудников. Новым мелким изготовителям тяжело конкурировать с гигантами, ведь единовременное создание больших партий позволяет уменьшить себестоимость продукции.
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.
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
Содержание:
Обеспечение комфортных условий проживания в современных квартирах и частных домах не может обойтись без электрической энергии, потребность в которой постоянно увеличивается. Однако с достаточной регулярностью увеличиваются и цены на этот энергоноситель. Соответственно возрастают и общие затраты на содержание жилья. Поэтому все более актуальной становится солнечная батарея своими руками для частного дома, наряду с другими альтернативными источниками электроэнергии. Данный способ дает возможность сделать объект энергонезависимым в условиях постоянного роста цен и отключений электричества.
Эффективность солнечных батарей
Проблема автономного электроснабжения приборов и оборудования в частных домах рассматривается уже в течение длительного времени. Одним из вариантов альтернативного питания стала солнечная энергия, которая в современных условиях нашла широкое применение на практике. Единственным фактором, вызывающим сомнения и споры, является эффективность солнечных батарей, которая не всегда оправдывает возлагаемые надежды.
Работа солнечных батарей напрямую зависит от количества солнечной энергии. Таким образом, батареи будут наиболее эффективны в регионах, где преобладают солнечные дни. Даже в самом идеальном варианте эффективность батарей составляет всего 40%, а в реальных условиях этот показатель гораздо ниже. Другое условие нормального функционирования заключается в наличии значительных площадей для монтажа автономных солнечных систем. Если для загородного дома это не является серьезной проблемой, то владельцам квартир приходится решать множество дополнительных технических задач.
Устройство и принцип работы
В основе работы солнечных батарей лежит способность фотоэлементов выполнять преобразование солнечной энергии в электрическую. Все вместе они собираются в виде многоячеистого поля, объединенного в общую систему. Действие солнечной энергии превращает каждую ячейку в источник электрического тока, собирающегося и накапливающегося в аккумуляторных батареях. Размеры общей площади такого поля напрямую влияют на мощность всего устройства. То есть с возрастанием числа фотоэлементов, соответственно увеличивается и количество вырабатываемой электроэнергии.
Это вовсе не означает, что необходимое количество электричества может вырабатываться только на очень больших площадях. Существует множество мелких бытовых приборов, использующих солнечную энергию - калькуляторы, фонарики и другие устройства.
В современных загородных домах все более популярными становятся приборы освещения на солнечных батареях. С помощью этих простых и экономичных устройств освещаются садовые дорожки, террасы и другие необходимые места. В темное время суток используется электроэнергия, накопленная днем, когда светит солнце. Использование экономных ламп позволяет расходовать накопленную электроэнергию в течение длительного времени. Решение основных задач энергоснабжения осуществляется с помощью других, более мощных систем, позволяющих вырабатывать достаточное количество электричества.
Основные виды солнечных батарей
Перед тем как приступать к собственноручному изготовлению солнечных батарей, рекомендуется ознакомиться с их основными видами, чтобы выбрать для себя наиболее подходящий вариант.
Все преобразователи солнечной энергии разделяются на пленочные и кремневые, в соответствии с их устройством и конструктивными особенностями. Первый вариант представлен тонкопленочными батареями, где преобразователи выполнены в виде пленки, изготовленной по специальной технологии. Эти конструкции также известны как полимерные. Их можно устанавливать в любые доступные места, однако, они требуют много места и обладают низким коэффициентом полезного действия. Даже средняя облачность способна снизить эффективность пленочных устройств сразу на 20%.
Кремниевые батареи представлены тремя типами:
- . Конструкция состоит из многочисленных ячеек с встроенными кремневыми преобразователями. Они соединяются в одно целое и заполняются силиконом. Отличаются простотой эксплуатации, легкостью, гибкостью, водонепроницаемостью. Но, чтобы обеспечить эффективную работу таких батарей, требуется действие прямых солнечных лучей. Несмотря на сравнительно высокий КПД - до 22%, при наступлении облачности выработка электроэнергии может значительно снизиться или прекратиться полностью.
- . По сравнению с монокристаллическими, у них больше преобразователей, размещаемых в ячейках. Их установка выполнена в разных направлениях, что существенно повышает эффективность работы даже при слабом свете. Эти батареи получили наибольшее распространение, особенно в городских условиях.
- Аморфные. Обладают низкой эффективностью - всего 6%. Однако, они считаются очень перспективными, благодаря способности к поглощению светового потока во много раз больше, чем у первых двух типов.
Все рассмотренные виды солнечных батарей изготавливаются в заводских условиях, поэтому их цена остается пока еще очень высокой. В связи с этим можно попытаться изготовить солнечную батарею самостоятельно, с использованием недорогих материалов.
Выбор материалов и деталей для изготовления солнечной батареи
Поскольку высокая стоимость автономных источников солнечной энергии делает их недоступными для широкого использования, домашние мастера могут попробовать организовать изготовление солнечных батарей своими руками из подручных материалов. Следует помнить, что при изготовлении батареи невозможно обойтись лишь подручными материалами. Обязательно придется покупать заводские детали, пусть даже и не новые.
В состав преобразователя солнечной энергии входит несколько основных элементов. В первую очередь, это сама батарея определенного типа, которая уже была рассмотрена выше. Далее идет контроллер батареи, контролирующий уровень заряда аккумуляторов полученным электрическим током. Следующим элементом являются аккумуляторы, накапливающие электричество. В обязательном порядке потребуется , преобразующий постоянный ток в переменный. Таким образом, все домашние бытовые приборы, рассчитанные на 220 вольт, смогут нормально работать.
Каждый из этих элементов можно свободно приобрести на рынке электроники. Если же имеются определенные теоретические знания и практические навыки, то большую часть из них можно собрать самостоятельно по типовым схемам, в том числе и контроллер солнечной батареи. Для того чтобы рассчитать мощность преобразователя, необходимо знать, с какой целью он будет использоваться. Это может быть только освещение или отопление, а также полное обеспечение потребностей объекта. В связи с этим будут выбираться материалы и комплектующие детали.
При изготовлении солнечной батареи своими руками, нужно определиться не только с мощностью, но и с рабочим напряжением сети. Дело в том, что сети на солнечной энергии могут работать на постоянном или переменном токе. Последний вариант считается более предпочтительным, так как позволяет разносить электроэнергию потребителям на расстояние свыше 15 метров. При использовании поликристаллических батарей, с одного квадратного метра можно получить, в среднем, за один час примерно 120 Вт. То есть, для получения 300 кВт в месяц потребуются солнечные панели общей площадью 20 м2. Именно столько расходует обычная семья в составе 3-4 человек.
В частных домах и на дачах применяются солнечные панели, каждая из которых включает 36 элементов. Мощность одной панели составляет около 65 Вт. В небольшом частном доме или на даче вполне достаточно 15 панелей, способных вырабатывать электрическую мощность до 5 кВт в час. После выполнения предварительных расчетов можно приобретать преобразующие пластины. Допускается приобретение поврежденных элементов с небольшими дефектами, влияющими только на внешний вид батареи. В рабочем состоянии каждый элемент способен выдавать около 19 В.
Изготовление солнечных батарей
После того как все материалы и детали подготовлены, можно начинать сборку преобразователей. При спаивании элементов нужно предусмотреть зазор на расширение между ними в пределах 5 мм. Паять следует очень внимательно и осторожно. Например, при отсутствии проводков у пластинок, их нужно будет напаять вручную. Для работы понадобится паяльник на 60 ватт, к которому последовательно подключена обычная лампа накаливания на 100 Вт.
Все пластины спаиваются последовательно между собой. Пластины отличаются повышенной хрупкостью, поэтому их спаивание рекомендуется производить с использованием каркаса. Во время распайки в схему совместно с фотопластинками вставляются диоды, предохраняющие фотоэлементы от разряда при снижении уровня освещенности или наступлении полной темноты. С этой целью половинки панели объединяются в общей шине, которая в свою очередь выводится на клеммник, за счет чего и происходит создание средней точки. Те же самые диоды предохраняют аккумуляторные батареи от разряда в ночное время.
Одним из основных условий эффективной работы батарей является качественная пайка всех точек и узлов. Перед тем как устанавливать подложку, эти места обязательно тестируются. Для вывода тока рекомендуется использовать проводники с малым сечением, например, акустический кабель в силиконовой изоляции. Все провода закрепляются с помощью герметика. После этого выбирается материал для поверхности, к которой будут прикрепляться пластины. Наиболее подходящими характеристиками обладает стекло, гораздо лучше пропускающее световой поток, чем карбонат или оргстекло.
При изготовление солнечной батареи из подручных средств, необходимо позаботиться и о коробе. Обычно короб изготавливается из деревянного бруса или алюминиевого уголка, после чего в него на герметик укладывается стекло. Герметик должен заполнить все неровности, а затем полностью высохнуть. За счет этого пыль не попадет внутрь, и фотопластинки в процессе эксплуатации не будут загрязняться.
Далее на стекло устанавливается лист с припаянными фотоэлементами. Он может закрепляться разными способами, однако, наиболее оптимальными вариантами считаются прозрачная эпоксидная смола или герметик. Эпоксидной смолой равномерно покрывается вся поверхность стекла, затем на нее устанавливаются преобразователи. При использовании герметика крепление осуществляется точками в центре каждого элемента. По концу сборки должен получиться герметичный корпус, внутри которого размещается солнечная батарея. Готовое устройство будет выдавать примерно 18-19 вольт, что вполне достаточно для зарядки аккумуляторной батареи на 12 вольт.
Возможность домашнего отопления
После того как самодельная солнечная батарея собрана, каждый хозяин наверняка захочет проверить ее в действии. Наиболее важной проблемой считается отопление дома, поэтому в первую очередь проверяются возможности обогрева за счет солнечной энергии.
Для отопления используется гелиоколлекторы. С помощью вакуумного коллектора солнечный свет превращается в тепло. Тонкие стеклянные трубки заполняются жидкостью, которая нагревается от солнца и передает тепло воде, помещенной в бак-накопитель. В нашем случае этот способ не подходит, поскольку речь идет исключительно о преобразовании солнечной энергии в электрическую.
Все зависит от мощности используемого устройства. В любом случае на нагрев воды в бойлере будет уходить большая часть получаемой энергии. Если 100 литров воды нагреть до 70-80 градусов, понадобится примерно 4 часа времени. Потребление электроэнергии водяным котлом с ТЭНами на 2 кВт составит 8 кВт. При вырабатывании электроэнергии 5 кВт в час, никаких проблем не будет. Однако при площади батарей менее 10 м2 отопление частного дома с их помощью становится невозможным.
Мировой вклад России в производство фотоэлектрических станций на сегодняшний день составляет не более 1% , тогда как солнечная фотоэнергетика является одной из наиболее быстро растущих отраслей мировой экономики (мировой темп роста - 30-50% в год). При этом в нашей стране пока еще нет лабораторий осуществляющих испытания и сертификацию солнечных элементов и модулей по международным стандартам. Поэтому для Европы Россия в смысле солнечной энергетики , пока является «белым пятном».
Стоит отметить, что солнечные батареи характеризуются рядом неоспоримых преимуществ :
- фотоэлектрические электростанции (ФЭС) самые экологически чистые и легко возводимые, благодаря своей модульной конструкции;
- ФЭС характеризует высокая надежность (до сих пор они являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания);
- низкие текущие расходы (благодаря отсутствию подвижных частей, ФЭС не требуют особого ухода);
- экологичность (это бесшумные и чистые модули, при их работе не происходит сжигания топлива);
- модульность (благодаря этому свойству, ФЭС могут достигать совершенно различных размеров, в зависимости от потребности в электроэнергии);
- длительный срок службы (работают до 30 лет);
- низкие затраты на строительство (обычно ФЭС строят близко к потребителю, т. е. нет нужды тянуть линии электропередач на дальние расстояния, не нужно закупать трансформаторы);
- независимость ФЭС от изменения цен на энергоносители.
Особенной популярностью солнечные батареи пользуются в южных странах, где их устанавливают непосредственно на крышах жилых домов. Можно назвать несколько крупных «солнечных парков» : «Солнечный парк» PEX в Испании на 30 МВт, способный обеспечить энергией до 16000 домов, «Солнечный парк» в Баварии на 11 МВт и в Лейпциге на 5 МВт, в Португалии - на 11 МВт, в Южной Корее на 4 МВт и в Израиле — на 100 МВт.
На сегодняшний день существует несколько технологий производства солнечных батарей , основанных на использовании того или иного материала при изготовлении пластины. Основано это на различном поглощении разными материалами солнечного излучения.
Среди широко используемых материалов можно назвать моно- и поликристаллический кремний, а также GaAs, CdTe, аморфный кремний и многие другие. В соответствии с выбранным материалом применяется определенная технология, которая отличается этапами производства и набором оборудования.
Наиболее часто в качестве сырья используется моно- и поликристаллический кремний . КПД пластин на основе этого материала колеблется в пределах от 13 до 18% (в настоящее время ведущие производители солнечных батарей пытаются повысить КПД до 19%). Такие пластины очень хрупкие, требуют дополнительной защиты, но значительно дешевле пластин из других материалов.
Тонкопленочная технология основана на использовании таких материалов, как CdTe, GaAs или аморфный кремний. КПД таких пластин также не превышает 20%, хотя в перспективе есть планы увеличения его до 22%. В зависимости от используемой подложки такие батареи могут гнуться, весьма устойчивы к механическим воздействиям, герметичны. Стоимость их выше стоимости кремниевых систем.
На сегодняшний день производство солнечных батарей в промышленном масштабе наиболее рентабельно выполнять по кремниевой технологии, это наиболее изученная и дающая наивысший выход технология производства.
Ниже приведена схема производства солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния. Данная цепочка складывается из следующих этапов:
- Подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;
- Структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;
- Легирование, нанесение фосфора;
- Диффузия фосфора, вжигание;
- Создание P-n-перехода, изолирование его, удаление не нужных слоев;
- Нанесение антиотражающего слоя SiN;
- Металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);
- Сушка и вжигание;
- Создание контактов на лицевой стороне пластины;
- Выравнивание пластины;
- Проверка и тестирование.
Оборудование под каждый из этапов поставляют европейские и американские компании - RENA, Roth&Rau, DESPATCH, BACCINI, MANZ - одни из мировых лидеров по производству оборудования в сфере солнечной энергетики.
В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO 2). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.
Выращивание кристаллов.
Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.
Обработка.
Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид - кремниевой суспензии или алмазно - импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.
Создание фотоэлектрического элемента.
Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.
Сборка модулей.
Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт - амперных характеристик. Все, можно использовать!
