Как сделать солнечную батарею. Многие из нас, кто впервые решил заняться созданием своей собственной солнечной батареи на первых этапах сталкивались с огромным количеством мелких сложностей и непониманием некоторых аспектов при построении солнечной электростанции, которые полностью тормозили всю работу. В этом блоге мы постараемся ответить на все возможные вопросы и досконально опишем весь процесс создания солнечной батареи, не используя при этом дорогостоящее профессиональное оборудование, а только лишь из-того, что всегда лежит у нас под рукой, или же доступно в любом строительном магазине. А с вашей стороны останется лишь внимательно прочесть эту инструкцию и с полученными знаниями смело приступить к реализации своей задумки. И Вы таким образом сможете приобщиться к бурно развивающейса солнечной энергетике, источником энергии, который все больше и больше будет вытеснять нефть и газ.
Итак, не вдаваясь в подробности строения солнечных панелей, p-n перехода и другими вопросами из физики разберемся, что в конечном итоге нам пригодится для сборки солнечной электростанции:
Как сделать солнечную батарею и как все устроено
Основные материалы для создания самодельной солнечной батареи
Солнечные панели
Внимательно подойдите к выбору этих элементов так как по сути, они представляют собой «сердце» вашей электростанции и требуют полного понимания и видения конечной цели. Отсюда задайтесь вопросами: какова должна быть итоговая мощность батареи, ее максимальные габариты и какие потребители будут запитаны от нее. Поясним, почему это так важно на этапе выбора солнечных панелей – на рынке в основном представлены элементы с размерами 8х15, или 16х16 миллиметров. А теперь запомните этот факт: каждая панелька, независимо от ее размера вырабатывает напряжение в среднем 0,5-0,6 Вольт, при увеличении размера меняется лишь параметр мощности (ВАТТ), для панелей размером 8х15 в среднем это 2w, при габаритах 16х16 это – 4w, соответственно чем панель больше, тем больше мощности (Watt) она может произвести, однако вольтаж останется одинаковым и будет составлять приблизительно 0,5V на панель. Т.е. если нам надо подключить одну светодиодную лампочку, с напряжением в 12V и мощностью потребляемого тока в 2,5 W, не стоит для этого покупать заведомо дорогие элементы 16х16, так как мало-того что для получения пресловутых 12v, потребуется минимум 24 дорогостоящих панели ( 24шт*0,5V = 12V), а лучше в районе 32 (т.к наша батарея всего лишь производит электрический ток, а накапливает его для последующего использования, аккумуляторная батарея, для зарядки которой одним из необходимых параметров является – разница потенциалов в 3V, между солнечной батареей и соответственно аккумулятором), но и ее габариты в итоге будут в 2 раза больше, чем при использовании менее мощных элементов с размерами 8х15см.
Однако если в Ваши планы входит создание солнечной электростанции расчетной мощностью минимум 100W (В условиях Северо-Запада, фактически получаемая мощность порой уменьшается минимум на 30% – 40%. То есть 100W электростанция, с большой вероятностью будет вырабатывать всего 60-70W в пике, однако этот параметр очень зависит от того, как аккуратно будет собрана электростанция), то рациональнее по времени будет использование панелей по 16 см, т.к. на каждую нам придется напаивать токосъемную дорожку, а это весьма кропотливый и долгий процесс.
Исходя из всего вышеперечисленного, мы и выбираем размер солнечных панелей, для перехода на следующий этап.
Токосъемные дорожки
Токосъемники представляют собой «дорожки», сделанные из луженой меди. Они необходимы для сбора энергии с панели и направления ее к контроллеру, или напрямую к аккумулятору. Обычно они бывают 2х типов, шириной 2мм и 5 мм.
Дорожки шириной 2мм, необходимы для соединения между собой панелей, находящихся в одной цепочке. Обычно цепочки делают четное количество (чаще 4), для более удобной «игры с характеристиками» (об этом поговорим немножко позже).
Дорожки шириной 5 мм используют при подключении одной цепочки, к другой.
Флюс и припой.
Флюс известен всем, кто когда-либо пользовался паяльником, его основная задача – разрушать поверхностную пленку и обеспечивать необходимое смачивание.
Паяльник
Наилучшим вариантом будет выбор паяльника на 40W, он без особого труда припаивает токосъемные дорожки к панелям. Использование более мощных паяльных аппаратов может привести к разрушению хрупкой панели, в связи с большой разницей температур между жалом паяльника и пластиной. При пайке надо соблюдать все меры предосторожности и быть предельно аккуратными.
Оргстекло или профессиональное стекло для солнечных батарей
Так как панели из кремния крайне хрупкие, их необходимо защищать от всех возможных воздействий из вне. Обычно при сборке солнечных электростанций в домашних условиях используют оргстекло (шириной 4 мм), так как оно прочнее обычного стекла и с легкостью выдерживает небольшой град. К тому-же обычное стекло содержит большое количество примесей в его составе, которые негативно влияют на пропускную способность стекла и большое количество фотонов, необходимых для запуска фотоэлектрических процессов в нашей батарее, будет безвозвратно отражено в окружающую среду. Однако и у оргстекла есть свои недостатки, самым главным является его плохая переносимость к высоким температурам. Так как порой солнечные электростанции на хорошем летнем солнце с легкостью могут набрать температуру до 60 градусов, оргстекло может деформировать под воздействием избыточного тепла и в конечном итоге разрушить некоторые элементы. Однако оргстекло, остается наиболее лучшим вариантом при выборе поверхностной защиты нашей электростанции.
Если же Вы не хотите рисковать, то всегда можно заказать закаленное Float стекло без примесей железа. Что конечно является идеальным вариантом для солнечных батарей и еще больше увеличит срок жизни вашей батареи. Однако можно обойтись и без него, выбор всегда за вами.
Алюминиевые уголки.
Наша батарея должна иметь жесткий корпус и малый вес. Для этих целей идеально подходят алюминиевые уголки, которые Вы всегда сможете найти в любом строительном магазине. Можно конечно приобрести более дешевый железный аналог, но не забывайте что вам возможно придется устанавливать солнечную электростанцию на крыше дома, а манипуляции с тяжелыми конструкциями на высоте, не всегда являются хорошими идеями.
Компаунд
Компаунд состоит из двух реагентов, при смешивании которых образуется нечто напоминающее бесцветную, резиновой пленку, плотно облегающую все элементы солнечной батареи. Его главная цель, это защита всех токопроводящих элементов от окисления. Также компаунд не является диэлектриком и соответственно не препятствует движению электрического тока в солнечной батарее.
Наряду с фронтальной защитой и жесткими рамками, использование компаунда – это еще одно важное условие для защиты электростанции от негативного воздействия окружающей среды. Ведь только при грамотном подходе, наша солнечная батарея сможет с легкостью проработать более 10 лет.
АКБ (Аккумуляторная батарея)
Если солнечная электростанция предназначена для выработки электроэнергии, то аккумулятор необходим для ее накапливания и использования тогда, когда Вам это наиболее необходимо. Из всех типов аккумуляторов, наибольшую популярность при создании солнечных батарей в домашних условиях набирают конечно же: «Автомобильные» – свинцовые аккумуляторы, они отличаются дешевизной и доступностью. Однако такие аккумуляторы абсолютно не созданы для глубоких разрядов, каждый из которых либо сократит емкость аккумулятора на некоторое количество процентов, либо выведет его из строя, что конкретно из двух вариантов будет с ним происходить, зависит лишь от качества сборки АКБ. Однако как не странно использование автомобильных аккумуляторов практикуется в 70 случаях из 100, главное не допускать его глубоких разрядов.
Рациональным и самым лучшим выбором аккумулятора для солнечной электростанции, является конечно же гелиевые АКБ, не вдаваясь в технические характеристики, можно выделить их главное достоинство – практически полное отсутствие реакции на глубокий разряд и долгий срок жизни. Самый важный недостаток – высокая цена.
Примечание:
Оптимальным зарядным током для АКБ является ток, мощностью 1/10 от мощности аккумулятора. То есть, если у вас стоит аккумулятор на 50 а/ч, напряжением в 12V – то его должен заряжать ток, равный 5 амперам (50/10=5), или 60 Ватт (5а/ч*12v=60w). Поэтому если вы хотите чтобы аккумулятор прослужил дольше, то необходимо сделать для него батарею в 100W, почему именно в 100W? А это как раз таки и есть те поправочные 30-40%, о которых мы говорили в пункте про выбор солнечных панелей.
При параллельном соединении наращивается – мощность, при последовательном – напряжение. То есть если вы хотите нарастить емкость аккумуляторов (А/Ч), то их необходимо подключать параллельно, плюсы к плюсам, минусы к минусам соответственно. Если вы хотите увеличить количество вольт на выходе, то необходимо последовательное подключение
Эти принципы соответственно применяются и при сборке солнечных панелей в цепочки
Контроллер заряда АКБ
Контроллер заряда – это связующее устройство, расположенное между солнечной батареей и АКБ. Если солнечные панели это «сердце» нашей электростанции, то контроллер смело можно называть ее «мозгом». Он отслеживает состояние аккумуляторной батареи и информирует об уровне ее заряда на данный момент, а также предохраняет АКБ от перезарядки, которая, как и глубокий разряд, может привести аккумулятор к выходу из строя.
Порядок подключения:
Контроллер, в первую очередь подключается к АКБ, а уж затем к солнечной батарее. Ни в коем случае не перепутайте последовательность, иначе есть риск вывода контроллера из строя.
На сегодняшний день на рынке имеется огромный выбор контроллеров, под все необходимые потребности.
Как сделать солнечную батарею – сбор конструкции:
Итак, теперь, с полученными знаниями и с наличием под рукой элементами солнечной электростанции, мы можем приступить к ее сборке.
Сборка корпуса
Первое, с чего мы начнем, это сборка корпуса для будущей электростанции. К этому моменту у вас на руках уже должны быть солнечные панели и понимание конечных размеров нашей батареи. Кстати при подсчете размеров необходимо учитывая отступ между солнечными панельками (5мм.), это необходимо для того, чтобы наши панели при нагревании и соответственно расширении, могли иметь некий запас хода и не откалывали кусочки от соседних элементов.
Если для фронтальной защиты вы выбрали оргстекло, то для резки мы рекомендуем вам использовать ножовку с мелкими зубьями, т.к. при использовании ножовки с большими зубьями, возникает сильная вибрация по краям и оргстекло может легко треснуть. Поэтому если Вы хотите сделать все качественно, придется немного увеличить время работы, зато результат вас точно порадует.
После того, как с фронтальной защитой все улажено, переходим к подгонке жесткого каркаса нашей батареи. Определитесь с размерами каркаса (помните, что металлический каркас, будет расширяться при нагревании, поэтому при расчете габаритов, обязательно оставьте свободное пространство (5мм.) между каркасом и стеклом), затем отрежьте от профиля столько, сколько вам нужно для достижения необходимого результата. Далее получившиеся края алюминиевого профиля (или его аналога), необходимо отпилить под углом в 45 градусов и обработать напильником для исключения острых краев и придания некой эстетики. Затем необходимо просверлить дырки под крепления, расположенные по краям профилей в 2х местах (используйте сверло большего диаметра, чем скрепляющий болт, это необходимо для удобства дальнейшей работы). После окончания, соедините закрепительными болтами все элементы в одну фигуру. Должно получиться нечто подобное:
Теперь остается лишь зафиксировать стекло в металлической рамке, обычно для этого используется простой, строительный герметик. Главное чтоб он хорошо переносил перепады температур и высокую влажность.
Процесс крепления довольно просто: в рамку, устанавливается стекло и по периметру стыковки рамки и стекла, все заливается хорошим слоем герметика. После высыхания обеспечивается достаточная прочность и можно работать дальше. На стекле крайне рекомендуется нанести рисунком, местоположения каждой солнечной панельки. При этом расстояние между панелями должно быть 5мм, а расстояние между столбцами – определяется уже по вашему усмотрению, но главное берите не меньше 5 мм. Нанесение разметки на этом этапе, сильно упростит дальнейшую работу.
P.S. Данный способ закрепления стекла в раме, не является неоспоримым и оставляет большой простор для фантазии. Вы можете изменить порядок действий и необходимый перечень инструментов на этом этапе по своему усмотрению, главное чтобы конструкция получилось прочной, но при этом не стоит забывать, что если вы выбрали оргстекло, то при нагревании оно также как и рама – будет расширяться и соответственно закреплять его болтами не стоит, т.к. если оно не сможет «гулять» по сторонам, то оно будет деформироваться вовнутрь или наружу.
Сборка и пайка элементов
Работа с паяльником.Этот этап самый скрупулёзный, но и самый простой. От вас требуется лишь немного терпения.
Берем: паяльник, солнечную панель, флюс, припой и токосъемную дорожку (обычно их продают в катушках, по 2мм и 5мм шириной соответственно, сейчас нам нужна будет 2мм токосъемная дорожка. Нарежьте на каждую панель по 2 дорожки, длиной: в 2 пластины + 5 мм., делается это для получения зазора в 5мм. между пластинами) Будьте аккуратны при пайке пластин, помните, что они очень хрупкие и плохо реагируют на сильные перепады температур, можно даже разогреть их феном перед нанесением токосъемной дорожки. После подготовки рабочего места, приступаем к соединению солнечных панелей. (Кстати очень важный момент, рабочая поверхность батареи является носителем «минуса», а тыльная – «плюса».)
В итоге должно получиться что-то в этом роде:
Теперь, после того как все закончено, кладем наши панели с уже припаянными токосъемными дорожками на заранее подготовленные под них места на стекле (это упоминалось на предыдущем этапе). Таким образом, у нас получаются цепочки из солнечных панелей. Обычно количество панелек и «столбцов» – четное (например: 4 столбца, в каждом по 8 шт.. Главное не забыть про вольтаж, мы должны количеством панелей, набрать 14-18 вольт. Об этом мы говорили в самом начале статьи).
Затем аккуратно припаиваем друг к другу каждую панель в цепочке. Чтобы в итоге получилось нечто подобное:
Если при пайке на оргстекле, контакты будут впаиваться в пластиковую поверхность, ничего страшного, не дергайте ничего, просто дождитесь, когда поверхность остынет и аккуратно извлеките «прилипшую» деталь из оргстекла. Главное при процессе пайки, не делать никаких резких движений.
Теперь необходимо закрепить получившиеся цепочки на стекле, это мы можем сделать обычным силиконовым герметиком, просто поставив пару «точек» на границе стекла и панели, исключительно в целях устойчивости панелек, пока они не залиты компаундом. Поэтому используйте совсем чуть-чуть герметика.
Итак, переходим к заключительному этапу работы с паяльником. Соединяем получившиеся цепочки солнечных панелей между собой, токосъемными дорожками с шириной в 5мм. Делаем это последовательно, т.е. разворачиваем на 180 градусов 2й и 4й ряд относительно 1го и 3го, как показано на рисунке (в дальнейшем, когда углубитесь в этот процесс, не забывайте что при последовательном соединении, наращивается вольтаж, а при параллельном – показания мощности, т.е. Ватт).
В результате у нас получится готовая солнечная батарея, с выходами на «плюс» и «минус».
Заливка компаундом.
Этот этап является заключительным. Для работы вам необходимы: двухкомпонентный компаунд, кисточка и тара, в которой будет производится смешивание компонентов. А также еще один важный «инструмент», без которого между стеклом и панелями, останется воздушная прослойка, пагубно влияющая на КПД нашей электростанции (т.к. чем меньше сред будет на пути солнечного луча к солнечной панели, тем лучше). Этот инструмент представляет собой кусок пенопласта, вырезанный под размеры стекла. Аккуратно (и желательно в натяжку) окутанный полиэтиленовой (парниковой) пленкой, которая необходима нам для исключения «прилипания» компаунда к пенопласту. В дальнейшем именно эта конструкция «выдавит» лишние пузырьки воздуха из нашей батареи.
Все этапы лучше проводить на ровной поверхности, для этого лучше всего подойдет пол в доме или же большой стол.
Итак, приступаем к работе.
Для получения результата, нам необходимо смешать 2 компонента компаунда, в параметрах, установленных производителем, до получения однородной массы и залить получившимся составом нашу солнечную электростанцию. Затем аккуратно размажьте кисточкой компаунд. В итоге он должен полностью залить всю нашу солнечную батарею, слоем толщиной от миллиметра и более (это зависит от вашего желания и достатка, в данном случае лучше больше, чем меньше, но и выливать 2 литра компаунда на квадратный метр не стоит)
Теперь приступаем к заключительному мероприятию, в данном этапе. Аккуратно кладем подготовленную нами конструкцию из пенопласта на батарею, чтобы она входила между металлическим профилем и плотно ложилась на наши панельки, залитые компаундом. После этого, аккуратно кладете на пенопласт утяжеление, лучше книги или что-нибудь аналогичное, главное распределить нагрузку по всей батарее (старайтесь сделать величину нагрузки адекватной, не стоит класть 40 килограмм на хрупкие элементы). Теперь нам остается подождать в районе суток, пока компаунд затвердеет (приобретет состояние плотной, бесцветной резины) и аккуратно сняв утяжелители, извлеките пенопласт из батареи.
Поздравляем! Ваша, солнечная электростанция готова к эксплуатации.
Вам остается только припаять проводки к контактам солнечной батареи и подключить их к контроллеру, плюс к плюсу, минус к минусу соответственно. Далее контроллер подключается к аккумулятору для его подзарядки.
Полезная информация:
Автономная электростанция, без использования контроллера заряда.
Если Вы желаете сэкономить на всем, тогда есть возможность сделать автономную модель, без использования контроллера заряда, сэкономив при этом минимум 1.000 р. Для того чтобы сделать это, необходимо лишь просчитать количество солнечных панелей в вашей будущей батареи, чтобы при зарядке ею АКБ, между ними была разница потенциалов примерно в 3V. Максимальный заряд у обычного автомобильного аккумулятора равен 13.8-14.0V зная, что каждая панель, (практически независимо от размера) в среднем дает 0.53V, путем нехитрых вычислений получаем – 32 панели (32=(14+3)/0,53). Размеры панелей и соответственно мощность электростанции, выбираете по своему усмотрению. После создания батареи, необходимо решить еще одну проблему – обратный ток в темное время суток. Это легко решает полупроводниковый диод Шоттки.
Его необходимо подключить последовательно, к выходу из солнечной батареи с плюсовым значением. Т.е. мы берем диод Шоттки и припаиваем его «анод» к «плюсу» нашей солнечной батареи, а к «катоду» диода соответственно припаиваем провод, по которому ток будет идти в АКБ.
В теории, вы можете подключать диод Шоттки к каждой плате или отдельной цепочке в батарее, это позволит току не «уходить» в участки батареи, которые в данный момент находятся в тени и соответственно не могут вырабатывать ток.
Вот и все, проблема обратного тока решена. Таким образом, вы получите электростанцию, которая будет заряжать АКБ до максимума, но не перезаряжать его. Однако не стоит забывать, что контроллеры заряда обладают огромным количеством плюсов и то, что при подсчете количества панелей, мы исходили из идеальных значений. Учитывая нашу переменную погоду, в легкую дымку показатели будут падать ниже уровня показателей АКБ и как следствие процесс зарядки будет невозможен.
Контроллеры же не только решают этот недостаток, но и благодаря современной начинке, могут выбирать максимум из того, что им дают и существенно ускорять процесс зарядки. Выбор экономить на качестве, или нет, всегда остается за Вами.
