Солнечные батареи это одно из перспективных средств получения электрической энергии. На приобретение такого устройства нужно потратить довольно много денег. Но можно сделать солнечную батарею своими руками, и это обойдется дешевле.
Устройство и принцип работы
Солнечная батарея – это несколько полупроводниковых фотоэлементов, преобразующих световую энергию в электричество. Ее работа основана на использовании барьерного фотоэффекта.
Принцип работы полупроводникового фотоэлемента
В месте соединения полупроводников разных типов проводимости (р и n) возникает электрическое поле, которое препятствует проникновению электронов из области с n-проводимостью в зону р-типа и «дырок» из участка полупроводника с р-проводимостью в участок с n-проводимостью. Если осветить такой кристалл, то элементарные частицы света фотоны будут выбивать электроны со своих орбит и генерировать электронно-дырочную пару.
При этом электроны, генерируемые в р слое рядом с р-n-переходом, под действием электрического поля барьера будут переходить в n-область. Аналогично «дырки», возникающие под действием света n-области, будут выноситься в зону с р-проводимостью. В результате в n-слое возникнет избыток электронов, и, соответственно, эта область будет заряжена отрицательно. Соответственно, в p-слое появится избыток дырок и положительный заряд. На контактах пластины возникнет разность потенциалов. Отрицательное напряжение будет действовать на контакте, соединенном с полупроводником n-типа, а положительное на другом выводе.
Как устроен фотоэлемент
Из чего состоит
Для изготовления солнечных батарей используют такие материалы:
- кремний (Si);
- германий (Ge);
- арсенид галлия (GaAs);
- селен (Se);
- теллурид кадмия (CdTe).
Самое большое распространение получили солнечные элементы, изготовленные на основе кремния. Они отличаются хорошим КПД и сравнительно невысокой стоимостью.
Солнечные источники питания бывают трех видов: монокристаллические, поликристаллические и аморфные.
- Монокристаллические элементы сделаны из одного цельного кристалла кремния. Эти элементы изготавливают, разрезая искусственно выращенные кристаллы кремния. Их КПД находится в пределах от 13 до 25%. Они могут работать в течение 25 лет, однако, их коэффициент полезного действия со временем уменьшается. Такие элементы теряют свою эффективность при слабом освещении.
- Поликристаллические фотоэлементы изготавливают, расплавляя, а потом охлаждая кристалл кремния. КПД таких приборов находится в пределах от 9 до 18%. Срок их службы 10 лет, но при этом коэффициент полезного действия не уменьшается с течением времени. Эти модули могут работать даже в плохую погоду.
- Солнечные элементы на основе аморфного кремния изготавливают путем напыления полупроводника на основание из полимера. Такие элементы способны гнуться, поэтому их легко монтировать. Однако КПД у них небольшой от 5 до 10%, а срок службы не более 2-х лет. Неплохо работают при слабом освещении.
Более подробно читайте в статье: из чего состоит и как работает солнечная батарея.
Рекомендуется выбирать одинаковые фотоэлементы, чтобы не возникло проблем при сборке панели и во время работы.
Пошаговая инструкция по сборке панели из готовых элементов
Изготовление солнечной панели начинается с подбора инструментов и приобретения фотоэлементов. После этого делаем каркас, соединяем элементы в батарею, устанавливаем их в корпус, герметизируем конструкцию и подключаем ее к контроллеру и аккумулятору. Рассмотрим по шагам, как самому сделать солнечную батарею.
Солнечная батарея
Нам понадобятся такие материалы и инструменты
Прежде чем начать собирать солнечную батарею, нам потребуются такие материалы:
- фотоэлементы;
- ДСП или фанера;
- деревянные рейки;
- алюминиевый уголок;
- стекло;
- герметик;
- диоды Шотки;
- провода;
- крепежные болты, винты, гайки, саморезы;
- стекло или прозрачный полимер.
Также потребуются аккумулятор, контроллер и инвертор. Кроме материалов, нужны также следующие инструменты:
- набор отверток;
- электродрель;
- шуруповерт;
- паяльник;
- мультиметр.
Шаг 1: Выбор элементов
Покупать лучше всего кремниевые монокристаллические фотоэлементы. Они имеют лучший КПД и более долговечны по сравнению с остальными моделями элементов.
Чтобы рассчитать, сколько элементов потребуется, нужно определить суммарную площадь пластин. При ее определении следует учитывать, что с 1 м. кв. можно получить 120 Вт. Таким образом, чтобы получить 3 кВт энергии, нужна солнечная батарея площадью 3 000 Вт / 120 Вт = 25 м. кв. Приведенные выше расчеты являются приблизительными и не учитывают особенностей местности, в которой будет установлен источник тока. Кроме того, мощность, выдаваемая таким источником питания, зависит от погодных условий.
Важно! Сила тока и мощность, выдаваемые фотоэлементом, зависит от его размера, а напряжение от материала и типа ячейки.
Часто в магазине продаются фотоэлементы со светочувствительным покрытием для защиты от механических повреждений. Чтобы его удалить, нужно:
- распаковать панели и поместить их в горячую воду (температура воды до 90 градусов);
- когда воск растает, а вода немного остынет, нужно разъединить элементы;
- удалить со всех панелей остатки воска;
- вынуть элементы из воды и просушить.
Шаг 2: Делаем каркас
Размер каркаса самодельных солнечных батарей зависит от габаритов фотоэлементов. При расчете габаритов следует также учитывать расстояние между элементами.
Чтобы сделать каркас из алюминиевых уголков, нужно:
- разметить алюминиевые уголки;
- разрезать их ножовкой по металлу под углом 45 градусов;
Разрезаем уголки
- приложить алюминиевые уголки друг к другу, как показано на рисунке;
Прикладываем алюминиевые уголки друг к другу
- перпендикулярно сверху поставить уголок и нанести на нем линию среза;
Размечаем крепежные уголки
- отрезать 4 уголка;
Отрезаем крепежные уголки
- определить центр скобы и просверлить отверстие диаметром 6 мм;
Сверлим отверстие
- разметить отверстия в раме и отметить цифрой угол и соответствующую ему скобу;
Размечаем отверстия в раме
- просверлить в раме отверстия диаметром 5 мм;
Сверлим отверстия
- собрать конструкцию при помощи заготовленных заранее болтов и гаек;
Cобираем конструкцию
- приклеить герметиком стекло к алюминиевой раме и обработать силиконом стыки снаружи и внутри.
Приклеиваем герметиком стекло к алюминиевой раме
После того этого можно приступать к изготовлению задней части каркаса. Она состоит из стенки, сделанной из фанеры, и бортиков, изготовленных из деревянных реек. Их высота не должна быть больше 2 см, чтобы не затенять светочувствительные элементы. Чтобы сделать деревянную часть корпуса, нужно:
- привинтить деревянные рейки к задней стенке при помощи саморезов;
Привинчиваем деревянные рейки
- высверлить в бортиках отверстия для вентиляции (диаметр сверла 10 мм);
Отверстия для вентиляции
- в стенке также требуется высверлить отверстия по всей площади листа с шагом 100 мм.
Сверлим отверстия в задней стенке
Шаг 3: Схемы соединения элементов в батарею
Давайте разберемся, как собрать солнечную панель. Существует три схемы соединения солнечных элементов: параллельная, последовательная и смешанная.
При параллельном соединении напряжение остается таким же, как и у каждого модуля, а сила тока увеличивается во столько раз, сколько источников тока соединено последовательно. Например, если соединить таким образом две батареи напряжением 15 В (30 элементов по 0,5 В, соединенные параллельно) и мощностью 75 Вт, то получим источник питания на 15 В и 150 Вт.
Параллельное подключение
При параллельном соединении нужно использовать диоды. Они нужны для того, чтобы электрическая энергия из модуля с большим напряжением не перетекала в батарею с меньшей разностью потенциалов. Кроме того, они не дают току от аккумулятора течь через ячейки в темное время суток. Диоды подключаем анодом к плюсу батареи, как показано на схеме.
Подключение диодов при параллельном соединении
Последовательное соединение используется для того, чтобы повысить напряжение источника питания. Сила тока при этом остается такой же. Если соединить последовательно те же элементы, что и в прошлом примере, то получим источник питания на 30В мощностью 150 Вт.
Последовательное подключение
С помощью смешанного соединения можно повысить как напряжение, так и ток, выдаваемые солнечной батареей.
Схема смешанного подключения
Кроме того, рекомендуется также использовать обходные (байпасные) диоды. Они подключаются параллельно светочувствительным ячейкам и нужны для подстраховки. Если один из фотоэлементов выйдет из строя, то ток пойдет через обходной диод и батарея продолжит работу. В качестве обходных диодов лучше использовать диоды Шотки, так как падение напряжения на них меньше.
Включение обходных диодов
Шаг 4: Как и чем их соединять
Монтаж солнечной батареи начинается с пайки соединительных проводов к светочувствительным элементам. Так как фотоэлементы очень хрупкие и их легко повредить, лучше приобрести их вместе с проводами.
Для пайки нам потребуются: паяльник мощностью 40 Вт или больше, спиртовой раствор канифоли и шины для солнечной батареи. В качестве провода можно также использовать медный интернет провод витая пара, который следует предварительно зачистить от изоляции.
Чтобы припаять элементы, нужно выполнить следующие действия:
- режем провода на части при помощи картонного трафарета, при этом длина каждого участка должна быть в 2 раза больше длины фотоэлемента;
Режем провода
- покрываем место пайки на элементе спиртовым раствором канифоли;
Покрываем место пайки спиртовым раствором канифоли
- залуживаем провода и место пайки на фотоэлементе;
Залуживаем место пайки на фотоэлементе
- подпаиваем провода.
Припаиваем провода
Важно! При пайке нужно быть очень аккуратным. Нельзя давить на фотоэлемент, так как он хрупкий и легко трескается.
После того как провода к верхней стороне припаяны, можно клеить элементы на стекло. Алгоритм действий:
- раскладываем элементы на стекле, при этом важно обеспечить расстояние между ними в 3 … 5 мм. (можно использовать крестики, применяемые при укладке кафеля);
Раскладываем фотоэлементы
- клеим фотоэлементы строительным силиконом;
Клеим элементы
- подпаиваем элементы с другой стороны;
Подпаиваем фотоэлементы
- закрепляем и выводим положительный и отрицательный провода.
Выводим провода наружу
Теперь можно провести окончательную проверку работоспособности конструкции. Для этого замеряем напряжение на каждом элементе, оно должно быть 0,5 В. Если напряжение меньше 0,3 В, значит, элемент негодный.
Проверка фотоэлементов
Шаг 5: Защита и герметизация сборки
Для герметизации лучше использовать эпоксидный клей, но можно использовать и силиконовый герметик. При этом он должен выдерживать отрицательные температуры. Чтобы выполнить герметизацию, нужно залить все фотоэлементы, начиная с первого и заканчивая последним.
Полезно! Чем выше температура окружающей среды, тем быстрее происходит затвердевание герметика.
Шаг 6: Устанавливаем элементы в каркас
После того как герметик или эпоксидная смола застынут, можно устанавливать фотоэлементы в корпус. Для защиты конструкции от механических повреждений между задней стенкой и каркасом рекомендуется установить поролоновую прокладку. Однако делать это необязательно, но желательно, учитывая хрупкость кремниевых пластин. Затем алюминиевая рама помещается в деревянный каркас, а на место соединения наносится герметик.
Шаг 7: Подключаем к контроллеру и аккумулятору
Кроме солнечной батареи, для обеспечения электроэнергией всего дома понадобятся аккумулятор, контроллер и инвертор. Контроллер заряда подключается между солнечными источниками тока и аккумулятором. Он контролирует заряд АКБ и защищает аккумулятор от полного разряда и перезаряда.
Схема подключения панели
Для преобразования постоянного тока, вырабатываемого батареей, в переменный напряжением 220 В, от которого питаются большинство электрических приборов, нужен инвертор. Они отличаются по форме выходного сигнала. Приборы, выдающие чистую синусоиду, стоят дороже.
Идеи для изготовления из фольги, диодов транзисторов и других подручных средств
Рассмотрим несколько идей, как можно сделать солнечную батарею своими руками из подручных средств.
Один из вариантов это солнечная батарея из фольги. Чтобы сделать данное устройство, нужно выполнить такие действия:
- отрезаем кусок медной фольги и удаляем с его поверхности жир;
- обрабатываем медный лист наждаком, чтобы удалить с поверхности оксидную пленку;
- нагреваем фольгу на электрической печке в течение 30 минут;
- охлаждаем лист на воздухе;
- при помощи воды аккуратно удаляем с поверхности пленку оксида меди;
- вырезаем еще один лист такого же размера, что и первый;
- срезаем горлышко с пластиковой бутылки и помещаем в нее куски медной фольги;
- к каждому листу подключаем провода (минусовой вывод к обработанному листу, плюсовой к необработанному);
- в банку наливаем солевой раствор.
Батарея из фольги
Также можно сделать солнечный фотоэлемент из транзисторов. Для этого можно использовать старые, морально устаревшие транзисторы.
Чтобы получить такой фотоэлемент, нужно срезать с транзистора крышку, зажав его в тиски.
Убираем крышку
Под крышкой находится пластина. Один кремниевый транзистор в среднем может выдать напряжение равное 0,35 В. Сила тока зависит от типа транзистора.
Кремниевая пластина
Чтобы соединить несколько транзисторов в одну батарею, нужно подключить базу одного транзистора к коллектору следующего, как показано на рисунке.
Соединяем транзисторы в батарею
От такой батареи можно запитать часы или маленький радиоприемник.
Еще можно сделать солнечный источник электрической энергии из диодов. Для этого можно взять диоды Д223Б. На солнце он может генерировать напряжение 350 мВ. Чтобы сделать такую батарею, нужно сделать следующее:
- при помощи ацетона (можно использовать любой другой растворитель) снимаем краску;
- определяем плюсовой контакт каждого диода и загибаем его;
- впаиваем диоды в монтажную плату.
Панель из диодов
Важно! Диоды нужно впаивать вертикально, положительным выводом вверх. Именно при таком положении генерация энергии будет максимальна.
При изготовлении таких источников тока следует помнить, что любая батарея своими руками из подручных материалов выдает очень небольшую мощность.
