Технология изготовления солнечных батарей. Технологии производства солнечных батарей

При постоянно растущих ценах на электроэнергию поневоле начнешь задумываться об использовании природных источников для электроснабжения. Одна из таких возможностей — солнечные батареи для дома или дачи. При желании они могут обеспечить полностью все потребности даже большого дома.

Устройство системы электропитания от солнечных батарей

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

• Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
• Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
• Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы

Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Виды солнечных батарей

С ростом цен на энергоносители идея использования энергии солнца для получения электроэнергии становится все более популярной. Тем более, что с развитием технологий солнечные преобразователи становятся эффективнее и, одновременно, дешевле. Так что, при желании, можно свои нужды обеспечить установив солнечные батареи. Но они бывают разных типов. Давайте разбираться.

Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью. Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог, и элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%). На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на корпусе.

Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Вообще, из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;

Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.

Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома

Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.

Что надо купить

Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Без некоторых частей вполне можно обойтись. Они служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:

Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.

Без чего можно обойтись

Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.

Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Технические характеристики: на что обратить внимание

В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.

Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого ходы выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).

Корпус и стекло

Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.

Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.

Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения

Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:

• расстояние менее 10 метров:
  • 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
  • на две батареи — 2,5 мм2;
  • три батареи — 4,0 мм2;
• расстояние больше 10 метров:
  • для подключения одной панели берем 2,5 мм2;
  • двух — 4,0 мм2;
  • трех — 6,0 мм2.

Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно ).

При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.

Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).

Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).

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!

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.

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.

являются фотоэлектрические преобразователи (солнечные модули), которые обращают энергию солнечного света в электричество. Для того, чтобы в доме пользоваться бытовыми приборами за счет солнечной батареи, таких модулей должно быть достаточно много.

Энергии, вырабатываемой одним модулем, недостаточно для удовлетворения энергетических потребностей. Между собой фотоэлектрические преобразователи связаны одной последовательной цепью.

Части, из которых состоит солнечная батарея:

1. Солнечные модули ,объединенные в рамки.В одной рамке объединяются от единиц до нескольких десятков фотоэлектрических элементов. Для обеспечения электроэнергией целого дома понадобится несколько панелей с элементами.
2. . Служит для накопления получаемой энергии, которую затем можно использовать в темное время суток.
3. Контроллер . Он следит за разрядкой и зарядкой аккумулятора.
4. . Преобразует постоянный ток, полученный от солнечных модулей в переменный.

Солнечный модуль (или фотоэлектрический элемент) основан на принципе p-n перехода, и по своему устройству очень напоминает транзистор. Если у транзистора спилить шляпку и на поверхность направить солнечные лучи, то подключенным к нему прибором можно определить мизерный электрический ток. Солнечный модуль работает по такому же принципу, только поверхность перехода у солнечного элемента значительно больше.

Как и многие типы транзисторов, солнечные элементы изготавливаются из кристаллического кремния.

По технологии изготовления и материалам различают три вида модулей:

1. Монокристаллические . Изготовлены в виде цилиндрических кремниевых слитков. Преимущества элементов заключается в высокой производительности, компактности и в наибольшем сроке службы.
2. Тонкопленочные . Делается напыление слоев фотоэлектрического преобразователя на тонкую подложку. КПД тонкопленочных модулей относительно невысок (7-13%).
3. Поликристаллические . Расплавленный кремний заливается в квадратную форму, затем остуженный материал режется на квадратные пластинки. Внешне отличаются от монокристаллических модулей тем, что края углов у поликристаллических пластин не обрезаны.

Аккумулятор. В солнечных батареях наибольшее применение нашли свинцово-кислотные аккумуляторы. Стандартный аккумулятор имеет напряжение 12 вольт, для получения большего напряжения собирают аккумуляторные блоки. Так можно собрать блок напряжением 24 и 48 вольт.

Контроллер заряда солнечных батарей. Контроллер заряда действует по принципу регулятора напряжения в автомобиле. В основном на 12 вольт выдают напряжение от 15 до 20 вольт, и без контроллера могут быть повреждены перегрузкой. При 100% заряженном аккумуляторе контроллер отключает модули и предохраняет аккумулятор от закипания.

Инвертор. Солнечные модули вырабатывают постоянный ток, а для использования бытовых приборов и техники требуется переменный ток и напряжение 220 вольт. Инверторы предназначены для преобразования постоянного тока, делая его переменным.

Выбор комплектующих для изготовления

Чтобы снизить себестоимость солнечной станции, нужно попробовать собрать ее самостоятельно. Для этого потребуется закупить необходимые комплектующие, какие-то элементы можно изготовить самому.

Самостоятельно получится собрать:

• рамки с фотоэлектрическими преобразователями;
• контроллер зарядки;
• инвертор напряжения;

Самые большие затраты будут связаны с приобретением самих солнечных элементов. Детали можно заказать из Китая или на eBay, такой вариант обойдется дешевле.

Благоразумно приобретать работоспособные преобразователи с повреждениями и дефектами – они просто забракованы производителем, но вполне исправны. Нельзя покупать элементы разных размеров и мощности – максимальный ток солнечной батареи будет ограничен током самого малого элемента.

Для изготовления рамки с солнечными элементами потребуется:

• алюминиевый профиль;
• солнечные элементы (обычно 36 штук для одной рамки);
• припой и флюс;
• дрель;
• крепежные делали;
• силиконовый герметик;
• медная шина;
• лист прозрачного материала (оргстекло, поликарбонат, плексиглас);
• лист фанеры или текстолита(оргстекла);
• диоды Шоттки;

Собирать инвертор самостоятельно имеет смысл только при небольшом энергопотреблении. Контроллер заряда в простом исполнении не так дорого стоит, поэтому нет особого смысла тратить время на изготовление прибора.

Технология изготовления своими руками

Для сборки солнечной батарей потребуется:

1. Сконструировать рамку (корпус).
2. Спаять все солнечные элементы в параллельную цепь.
3. Закрепить солнечные элементы на рамке.
4. Сделать корпус герметичным – прямое попадание атмосферных осадков на фотоэлектрические элементы недопустимо.
5. Разместить батарею в районе наибольшей солнечной освещенности.

Для удовлетворения энергетических потребностей частного дома одной солнечной панели (рамки) будет недостаточно. Исходя из практики, с одного квадратного метра солнечной панели можно получить 120 Вт мощности. Для нормального энергообеспечения жилого дома потребуется где-то 20 кв. м. площади солнечных элементов.

Чаще всего батареи размещают на крыше дома с солнечной стороны.

Сборка корпуса

Корпус можно собирать из фанерного листа и реек, или из алюминиевых уголков и листа и оргстекла (текстолита). Необходимо определиться, сколько элементов будет размещаться в рамке. Следует учитывать, что между элементами необходим зазор в 3-5 мм, и размер рамки рассчитывается с учетом этих расстояний. Расстояние необходимо для того, чтобы при тепловом расширении пластины не прикасались друг с другом.

Сборка конструкции из алюминиевого профиля и оргстекла:

• из алюминиевого уголка делается прямоугольный каркас;
• По углам в алюминиевом корпусе сверлятся отверстия для крепежа;
• на внутреннюю часть профиля корпуса наносится силиконовый герметик по всему периметру;
• в раму устанавливается лист оргстекла (текстолита) и плотно прижимается к раме;
• по углам корпуса с помощью шурупов ставятся крепежные уголки, которые надежно фиксируют лист прозрачного материала в корпусе;
• герметику дают основательно высохнуть;

Все, корпус готов. Перед размещением солнечных элементов в корпусе необходимо тщательно протереть поверхность от грязи и пыли.

Соединение фотоэлементов

Обращаясь с фотоэлектронными элементами, следует помнить, что они очень хрупкие и требуют бережного отношения. Перед соединением пластин в последовательную цепочку их сначала тщательно, но аккуратно протирают– пластины должны быть идеально чистыми.

Если фотоэлементы были куплены уже с припаянными проводниками, это упрощает процесс соединения модулей. Но перед сборкой в этом случае необходимо проверить качество готовой пайки, и если есть неровности – устранить их.

На фотоэлектрических пластинах предусмотрены контакты по обеим сторонам – это контакты разной полярности. Если проводники(шины) еще не припаяны, необходимо сначала припаять их к контактам пластин, а затем уже соединить фотоэлектрические элементы между собой.

Чтобы припаять шины к фотоэлектрическим модулям, нужно:

1. Отмерить нужную длину шины и нарезать на куски нужное количество полосок.
2. Протереть контакты пластин спиртом.
3. Тонким слоем нанести на контакт флюс по всей длине контакта с одной стороны.
4. Приложить шину точно по длине контакта и разогретым паяльником медленно провести по всей поверхности пайки.
5. Перевернуть пластину и повторить все операции пайки на другой стороне.

Нельзя сильно прижимать паяльник к пластине, элемент может лопнуть. Также необходимо проверить качество пайки – неровностей на лицевой стороне фотоэлементов быть не должно. Если бугорки и шероховатости остались, нужно еще раз аккуратно пройтись паяльником по шву контакта. Пользоваться необходимо маломощным паяльником.

Что нужно сделать, чтобы правильно и точно произвести соединение фотоэлектрических элементов:

1. Если нет опыта в сборке элементов, рекомендуется воспользоваться разметочной поверхностью, на которой следует разместить элементы (фанерный лист).
2. Расположить солнечные панели строго по разметке. Размечая, не забывать оставлять расстояние между элементами 5 мм.
3. Пропаивая контакты пластин, обязательно следить за полярностью. Фотоэлементы должны быть правильно собраны в последовательную цепочку, иначе батарея не будет нормально работать.

Механический монтаж панелей:

1. В корпусе сделать разметку для пластин.
2. Солнечные элементы поместить в корпус, положив их на оргстекло. В рамке закрепить силиконовым клеем по размеченным местам. Клея много не наносить, только крохотную каплю по центру пластины. Нажимать осторожно, чтобы не повредить пластины.В корпус лучше перемещать пластины вдвоем, одному будет неудобно.
3. Соединить все провода по краям пластин с общими шинами.

Прежде чем герметизировать панель, нужно протестировать качество пайки. Конструкцию аккуратно выносят поближе к солнечному свету и замеряют напряжение на общих шинах. Оно должно быть в пределах ожидаемых значений.

Как вариант, герметизацию можно провести следующим образом:

1. Нанести капельки силиконового герметика между пластинами и по краям корпуса, аккуратно пальцами руки края фотоэлементов прижать к оргстеклу. Нужно, чтобы элементы как можно плотнее легли к прозрачному основанию.
2. Поставить на все края элементов небольшой груз , допустим, головки из автомобильного набора инструментов.
3. Дать герметику хорошо высохнуть , пластины за это время надежно зафиксируются.
4. Затем промазать аккуратно все стыки между пластинами и краями рамки. То есть, нужно промазать в корпусе все, кроме самих пластин. Попадание герметика на края тыльной стороны пластин допустимо.

Финальная сборка солнечной батареи

1. Сбоку корпуса установить соединительный разъем, разъем соединить с Шоттки.
2. Закрыть с наружной стороны пластины защитным экраном из прозрачного материала. В данном случае, оргстеклом. Конструкция должна быть герметичной и исключать проникновение в нее влаги.
3. Лицевую сторону (оргстекло) желательно обработать , например, лаком (лак PLASTIK-71).

Для чего нужен диод Шоттки? Если свет падает только на часть солнечной батареи, а другая часть затемнена, возможен выход элементов из строя.

Диоды помогают избежать поломки конструкции в таких случаях. При этом теряется мощность на 25%, но без диодов не обойтись – они шунтируют ток, ток идет в обход фотоэлементов. Чтобы падение напряжения было минимальным, необходимо применять низкоомные полупроводники, такими являются диоды Шоттки.

Преимущества и недостатки солнечной батареи

У солнечных батарей есть как преимущества, так и недостатки. Если бы были только одни плюсы от применения фотоэлектрических преобразователей, весь мир давно бы уже перешел на этот вид получения электроэнергии.

Преимущества:

1. Автономность источника питания , нет зависимости от перебоев напряжения в централизованной электросети.
2. Отсутствие абонентской платы за использование электроэнергией.

Недостатки:

1. Высокая себестоимость оборудования и элементов.
2. Зависимость от солнечного освещения.
3. Возможность повреждения элементов солнечной батареи вследствие неблагоприятных погодных условий (град, буря, ураган).

В каких случаях целесообразно использовать установку на фотоэлектрических элементах:

1. Если объект (дом или дача) находится на большом удалении от линии электропередач. Это может быть загородный коттедж в сельской глубинке.
2. Когда объект расположен в южном солнечном районе.
3. При совмещении различных видов энергии. Например, отопление частного дома с помощью печного отопления и солнечной энергии. Себестоимость маломощной солнечной станции будет не столь высока, и может быть экономически оправдана в данном случае.

Установка

Монтировать батарею необходимо по месту максимальной освещенности солнечным светом. Панели могут крепиться на крыше дома, на жестком или поворотном кронштейне.

Лицевая часть солнечной батареи должна быть обращена на юг или юго-запад под углом от 40 до 60 градусов. При монтаже нужно учитывать внешние факторы. Панели не должны загораживаться деревьями и другими предметами, на них не должна попадать грязь.

1. Лучше покупать фотоэлементы с небольшими дефектами. Они также работоспособны, только имеют не такой красивый внешний вид. Новые элементы очень дороги, сборка солнечной батареи будет экономически не оправдана. Если нет особой спешки, пластины лучше заказать на eBay, это обойдется еще дешевле. С пересылкой и Китая нужно быть осторожнее – большая вероятность получить бракованные детали.
2. Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом , велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
3. Если элементы пока не используются , следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
4. При первой сборке следует изготовить шаблон , на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
5. Паять необходимо маломощным паяльником , и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
6. Для сборки корпуса удобнее применять алюминиевые уголки , деревянная конструкция менее надежная. В качестве листа с тыльной стороны элементов лучше использовать оргстекло или другой подобный материал и надежнее, чем крашеная фанера, и эстетично выглядит.
7. Располагать фотоэлектрические панели следует в местах, где солнечное освещение будет максимальным в течение всего светового дня.

Схема электроснабжения дома

Последовательная цепь энергоснабжения частного дома на солнечных батареях выглядит следующим образом:

1. Солнечная батарея из нескольких панелей , которые расположены на скате крыши дома, либо на кронштейне. В зависимости от энергопотребления, панелей может быть до 20 штук и больше. Батарея вырабатывает постоянный ток 12 вольт.
2. Контроллер зарядки . Устройство предохраняет аккумуляторы от преждевременного разряда, а также ограничивает напряжение в цепи постоянного тока. Тем самым, контроллер защищает аккумуляторы от перегрузки.
3. Инвертор напряжения . Преобразует постоянный ток в переменный ток, обеспечивая тем самым возможность потребления электроэнергии бытовыми приборами.
4. Аккумуляторы . Для частных домов и дач ставят несколько аккумуляторов, соединяя их последовательно. Служат для накопления энергии. Энергия аккумуляторов используется в темное время суток, когда элементы солнечной батареи не вырабатывают ток.
5. Электросчетчик .

Довольно часто в частных домах система энергоснабжения дополняется резервным генератором.

В целом, собрать солнечную батарею своими руками не так уж и сложно. Необходимы только определенные средства, терпение и аккуратность.