Солнечная батарея своими руками: делаем солнечную батарею в домашних условиях

В получении электроэнергии альтернативными методами в последнее время прослеживается тенденция к активному развитию. И это несмотря на то что подобный подход пока еще остается весьма затратным, если планируется приобрести готовое оборудование. Ждать быстрой окупаемости сделанных вложений не приходится.

Тем не менее, многие рачительные хозяева домов и даже квартир все пристальнее рассматривают такие возможности. А некоторые из них идут по пути самостоятельного создания необходимого оборудования, хотя бы в качестве стартового эксперимента. Так, например, солнечная батарея своими руками вполне может быть создана в домашних условиях, так как сегодня для ее сборки можно приобрести все необходимое. Тем более что существует несколько способов сборки солнечных панелей из разных комплектующих.

Тем, кто хочет попробовать самостоятельно собрать такой источник электроэнергии, и переназначена настоящая публикация.

Что такое солнечная батарея, и как она работает?

Общие понятия о принципе получения электричества от солнечной энергии

У людей, решивших собрать солнечную батарею, возникает немало вопросов, а для многих эта задача видится и вовсе не выполнимой из-за кажущейся сложности ее конструкции. Однако, на самом деле особых трудностей в ее сборке нет. И в этом можно убедиться, изучив схему и рассмотрев, как выполняет работу мастер, изготовивший не один подобный прибор.

Солнечная батарея представляет собой совокупность фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую.

Отдельные фотоэлементы соединены в единую панель и защищены с двух сторон материалами, стойкими к ультрафиолету, влаге и другим атмосферным явлениям. Это важно, так как батареи чаще всего эксплуатируются на открытом незащищенном пространстве — это может быть крыша здания, балконное ограждение или же поляна около дома.

Общая конструкция системы получения электрической энергии от солнечной представляет собой целый ряд приборов и устройств, соединенных в единую цепь:

• Пластины-преобразователи — это полупроводниковые фотоэлементы, обладающие способностью генерировать постоянный ток под воздействием света. Пластины соединяются между собой по определенной схеме специальными шинами (плоскими проводниками), и собираются в батарею в общем корпусе.
• Панели-батареи, собранные из фотоэлементов, подключаются к прибору-контролеру с подобранными параметрами тока и напряжения, необходимыми для зарядки аккумулятора.
• Аккумулятор или целая батарея таких аккумуляторов накапливает заряд.
• Специальный инвертор преобразует постоянный ток в переменный с напряжением в 220 В (если этот необходимо).

Использование солнечных батарей для полного снабжения дома энергией актуально в регионах, где количество солнечных дней в  течение года преобладает. Этим обычно «славятся» южные регионы страны. В других условиях они чаще всего применяются в качестве дополнительных источников электроснабжения.

Модули солнечных батарей, из которых собирается панель, подразделяются на три типа:

— монокристаллический;

— поликристаллический;

— аморфный (тонкопленочный).

От особенностей структурного строения пластин напрямую зависит эффективность конструкции, а также ее общая стоимость.

Монокристаллический и поликристаллический вариант солнечной батареи

Монокристаллические пластины изготавливаются из монокристаллов кремния, выращенных по методу Чохральского. Они отличаются высоким качеством и обладают неплохим (по меркам фотоэлементов) КПД, равным примерно 20÷22%. Из-за этого и стоимость их достаточно высока.

Солнечные лучи, попадая на монокристаллическую поверхность, способствуют возникновению направленного движения свободных электронов. Пластины с двух сторон подсоединены к шинам, которые затем подключаются к общей электрической цепи системы.

Высокий КПД этого типа пластин объясняется тем, что солнечные лучи равномерно рассеиваются по поверхности кристалла.

Поликристаллические фотоэлементы изготавливаются из полупроводника, имеющего поликристаллическую структуру. Именно этот тип батареи считается оптимальным для создания системы преобразования солнечной энергии. Стоимость элементов, а как следствие — и целых батарей получается ниже по сравнению с монокристаллическими приборами. Это обуславливается особенностями производства фотоэлементов, так как при их изготовлении применяются фрагменты, оставшиеся от монокристаллов.

Если сравнивать два этих типа изделий, то можно выделить следующие различия, выявленные тестированием независимых компаний:

• Поликристаллические пластины отличаются по внешнему виду от монокристаллов, так как имеют неоднородный по цвету окрас поверхностей, с перемежением темных и светлых участков.

• В процессе эксплуатации у всех фотоэлементов происходит постепенное снижение мощности. Так, после года работы монокристаллов она снижается на 3%, а у поликристаллических элементов — на 2%.
• Суммарное количество электроэнергии, выработанное монокристаллическим модулем, примерно на 30% выше, чем у поликристаллических элементов, при их одинаковой площади.
• Стоимость поликристаллов на 10÷15 % ниже монокристаллических батарей.

Аморфные солнечные модули

Этот тип элементов представляет собой плотную гибкую пленку, значительно упрощающую процесс монтажа батарей.

На современном рынке представлены три поколения подобных фотоэлементов:

• Элементы первого поколения являются однопереходными. Они имеют низкий КПД — всего 5% и относительно небольшой срок эксплуатации — не более 10 лет.
• Пленка второго поколения тоже однопереходного типа, но уровень КПД у нее повышен до 8%, увеличен и срок эксплуатации.
• Тонкопленочные батареи третьего поколения обладают КПД до 12%, и обладают длительным сроком службы, составляя конкуренцию кристаллическим вариантам.

Несмотря на не выдающиеся характеристики, самыми популярными остаются однопереходные тонкопленочные модули второго поколения. Они доступны по цене и обладают приличной мощностью, которая вполне может конкурировать с кристаллическими вариантами батарей.

Сравнение солнечных фотоэлементов

Если сравнивать кристаллические и пленочные батареи, то у последних существует ряд существенных преимуществ, благодаря которым часто предпочтение отдается именно им:

• Аморфные пленочные элементы лучше реагируют на изменение температуры, в частности, на ее повышение. В солнечные месяцы года этот тип батарей способен произвести большее количество энергии по сравнению с кристаллическими аналогами — те при нагреве способны потерять до 20% мощности.
• Пленочные батареи продолжают выработку энергии даже при рассеянном солнечном свете, в отличие от кристаллов, которые не генерируют энергию в пасмурную погоду. При слабом или рассеянном свете аморфная пленка способна вырабатывать до 20% энергии от своих номинальных показатели. Не слишком много, но лучше, чем ничего.
• Стоимость кристаллических панелей гораздо выше, чем пленочных. Причем цена на последние продолжает снижаться из-за активного наращивания объемов их производства.
• Пленочные солнечные батареи имеют меньшее количество дефектов и уязвимых мест. Дело в том, что жёсткие пластины при формировании панели спаиваются между собой, а пленка устанавливается в корпус конструкции в целом виде.

Если подвести итоги и вывести их в таблицу, то сравнительные характеристики пленочных аморфных и жестких кристаллических солнечных фотоэлементов будут выглядеть следующим образом:

Необходимо уточнить, что производятся и комбинированные варианты солнечных батарей, то есть состоящие из кристаллических и аморфных элементов. То есть используются по максимуму все преимущества обоих типов. Однако, стоимость подобных изделий весьма высока, поэтому они не настолько популярны, как упомянутые выше батареи.

Что влияет на эффективность солнечных батарей?

Чтобы не удивляться тому, что солнечные батареи работают с разной эффективностью в различные периоды, необходимо выделить факторы, которые влияют на КПД системы. Причем названные ниже моменты действуют на солнечные батареи всех типов, но с различной интенсивностью.

• При повышении температуры производительность любых фотоэлементов панелей снижается.
• При частичном затемнении, например, если солнце попадает только на часть панели, а какое-то количество элементов остается неосвещенным, выходное напряжение падает за счет потерь неосвещенных пластин.
• Панели, оснащенные линзами для концентрирования излучения, становятся совершенно неэффективными в облачную погоду, так как пропадает эффект фокусирования потока света.
• Для достижения высокой эффективности работы солнечной батареи необходим правильный подбор сопротивления нагрузки. Поэтому панели подключаются не напрямую к приборам или аккумулятору, а через управляющий системой контролер, который обеспечи оптимальный режим функционирования батареи.

Недостатки солнечных батарей

У солнечных батарей существует ряд недостатков, узнав о которых многие хозяева жилья сразу отказываются от затеи их приобретения и установки.

• Для получения достаточного количества энергии необходимо установить весьма большое количество батарей довольно больших размеров. Понятно, что для их размещения потребуются большие площади. Многие собственники частных домов используют для их монтажа солнечную сторону крыши.

• Нельзя забывать, что батарея будет работать эффективно, только если ее лицевая сторона будет подвергаться периодической очистке от насевшей пыли, грязи, разводов высохшей дождевой воды. А это значит, что к поверхности необходимо обеспечить удобный и легкий доступ.
• Солнечные батареи недостаточно эффективно функционируют в сумерках и совершенно не работают в ночные часы. Чтобы использовать энергию от них в любое время суток необходимо подключение к нескольким аккумуляторам, которые за солнечный период накапливают энергию.
• Для большого количества аккумуляторов, если система планируется в качестве основного источника энергии, может потребоваться отдельное помещение.

• Солнечная энергия считается экологически чистой, однако сами пластины фотоэлементов содержат в себе такие токсичные вещества, как кадмий, свинец, мышьяк, галлий и т.п. При нагревании конструкции данные вещества могут выделяться не только в окружающую среду, но и проникать в помещения дома, если батареи установлены на крыше или балконе дома. Оптимальным вариантом будет установить систему в отдалении от жилых строений.

• При установке батарей на открытой площадке, для более высокой эффективности их работы, систему часто снабжают специальным фотоэлементом, реагирующим на положение Солнца, и поворотным механизмом, который будет поворачивать их вслед за движением светила. Эффективность повышается, но зато возрастает сложность системы и стоимость реализации проекта.
• Пока что не приходится говорить о высокой эффективности работы подобных систем. Их КПД составляет в амом лучшем случае 20%, остальные 80% воспринятой поверхностью солнечной энергии уходят на нагрев самой батареи, средняя температура которой может достигать 55÷60 градусов. Как уже говорилось выше, при нагреве фотоэлементов, эффективность их работы падает.
• Чтобы предотвратить перегревание батарей, применяют те или иные системы принудительного охлаждения. Например, устанавливаются вентиляторы или насосы, перекачивающие хладагент. Понятно, что такие приборы также требуют электроэнергии, а также периодического обслуживания. Кроме того, они могут значительно снизить надежность работы всей конструкции. Ну а проблема эффективного пассивного охлаждения батарей пока не решается.

Как собрать солнечную батарею в домашних условиях?

Если после изучения представленной выше информации желание заняться изготовлением солнечной батареи не пропало, можно поэкспериментировать, создав и проверив собственное творение. Далее будет подробно рассмотрена сборка панели из монокристаллических пластин.

В показанном примере домашний мастер собирает панель габаритами 750×960 мм, состоящую из 36 жёстких монокристаллических пластин размером мм. Пластины устанавливаются в четыре ряда, по 9 фотоэлементов в каждом. Между фотоэлементами выдерживается зазор порядка 10÷12 миллиметров.

Многие мастера, кроме стекла и пленки, используют еще и обрамление батареи, одевая ее в жесткую раму. Это придает конструкции необходимую прочность и повышает ее надежность.

Если планируется собрать и использовать несколько солнечных батарей, то их соединяют или последовательно — для увеличения напряжения на выходе, или параллельно – так можно добиться более высоких показателей тока и суммарной мощности

Комплекс панелей через контроллер подключается к аккумулятору — накопителю энергии, а уже от него идет распределение на точки потребления, напрямую или через инвертор.

Узнайте, как сделать солнечный коллектор своими руками, из нашей новой статьи на нашем портале.

*  *  *  *  *  *  *

Итак, как можно видеть из представленной информации, батарею вполне можно собрать своими руками. Потребуется наличие некоторых знаний электротехники и монтажа, усидчивость и внимательность.

Другое дело — что предварительно стоить очень тщательно взвесить ожидаемый эффект от батареи и стоимость комплектующих и всего необходимого для системы оборудования. Насколько система получится рентабельной, тем более с учетом местных климатических условий? Не превратится ли ее создание просто в «игрушку» для деятельного мужчины среднего возраста?

Возможно, некоторые вопросы по этому поводу снимет размещенный ниже видеосюжет:

Видео: Основные ошибки, допускаемые начинающими при планировании создания домашних солнечных электростанций