Солнечная панель из СD-дисков без обмана: практический эксперимент

Шаг 3: Выбор панелей

О том как правильно выбирать солнечных батарей в блоге магазина MyWatt есть отдельная статья, поэтому останавливаться на этом долго не будем. Рассматривать будем только  монокристаллические или поликристаллические, а аморфные и прочие тонкопленочные панели рассматривать не будем, в виду их быстрой деградации – потери мощности.

Основные отличия моно и поли:

Монокристаллические панели дороже и эффективнее, чем поликристаллические панели. Но в целом эффективность отличается незначительно, она зависит не только от типа ячейки, но и от качества самих ячеек и добросовестности производителя.

Характеристики солнечных панелей, как правило, приводятся к стандартным условиям испытаний (STC):

• освещенность = 1 кВт/м2;
• воздушная масса (AM) – 1,5;
• температура – 25°C.

Как самостоятельно рассчитать мощность солнечных батарей?

Мощность солнечных батарей должна выбираться таким образом, чтобы потребляемая мощность нашими электроприборами, была восполнена обратно. Иными словами – сколько взяли, столько и нужно отдать + потери на преобразование, а также собственное потребления инвертора с контроллером заряда.

В связи с тем, что солнечный свет в течение дня поступает непостоянно и с разной интенсивностью, нельзя знать сколько выработает та или иная панель сегодня, но исходя их статистических данных это можно предположить достаточно точно.

Например, для средней полосы России в летнее время хорошим показателем считается если каждый 1 Ватт солнечной батареи выработал 6Вт*ч за световой день, но если рассматривать пасмурный, дождливый день этот показатель может быть в несколько раз меньше, поэтому при расчетах учтем этот факт и вместо 6Вт*ч, подставим 3Вт*ч.

Итак, наше потребление в Ватт-часах, с учетом КПД составило 32,5Ач * 12В = 390Вт*ч, разделим на 3Вт*ч и получим мощность солнечной батареи 130Вт, если у Вас получается не целое число – округляйте вверх.

Зимой и в весенне – осенний период запас по мощности требуется делать значительно больше, поскольку световой день короче – солнце находится над горизонтом меньше времени.

Устройство и принцип работы

За описание механизма фотоэлектрического эффекта Альберт Эйнштейн получил нобелевскую премию. А первое преобразование солнечных лучей в электричество стало возможным еще в середине девятнадцатого века, когда француз Александр Беккерель открыл это явление. Правда понадобилось еще 50 лет, чтобы русский ученый Александр Столетов в своей лаборатории смог получить практический результат.

Первый солнечный фотоэлемент из кристаллического кремния разработала компания Bell Laboratories в 1954 году. Именно с этого момента и взяла старт технология, благодаря которой рассчитывают полностью убрать из обихода углеродное топливо. Причем перспективы поистине огромны. С квадратного метра земной поверхности за день можно получить 4.2 кВт/час солнечной энергии. Что эквивалентно расходу одного барреля нефти.

Одна фотоэлектрическая ячейка производит ток, который измеряется в миллиамперах. И чтобы сделать солнечную панель, вырабатывающую электроэнергию достаточной мощности, такие звенья соединяют в модульную конструкцию. Целые массивы, из разного количества фотоэлементов, и составляют солнечную батарею.

Фотоэлектрическая ячейкаИсточник remont-system.ru

Из-за сложности и дороговизны изготовления, технология изначально нашла применение только в космической отрасли. Но когда придумали способ производить фотоэлементы из более дешевых материалов, то солнечная батарея пришла и в наши дома. Сначала для портативных калькуляторов, затем для фотоаппаратов и небольших светильников.

Вскоре технология перекочевала из космоса и на землю. Начались создаваться геоэлектрические установки, которые закреплялись на крышах домов. Благодаря такому новшеству, эти здания отключались от проводного электричества и становились автономными. И сейчас уже не редкость встретить многокилометровые поля с установленными на них кремниевыми панелями. Такие электростанции способны обеспечить электроэнергией целые города.

Сложный фотоэлектрический эффект оказался чрезвычайно прост. Но это на сегодняшний день. Ведь еще 50 лет назад не было технологии, позволяющей получать материалы с неустойчивой атомной структурой. А именно это свойство вещества и является ключом к получению энергии. Когда отдельные неустойчивые атомы бомбардируются фотонами света, то из их орбит выбиваются электроны. Вот последние и представляют из себя источник тока.

ПолупроводникИсточник rusinfo.info

Открытие полупроводников выступило огромным скачком в развитии отрасли получения альтернативных источников электроэнергии. Эти материалы имеют атомы, у которых или слишком много электронов, или очень мало. Деление на катод (излишек) и анод (нехватка) и позволяет при обстреле фотонами света выбивать частицы из атомов с избытком электронов.

Таким способом катод передает их на свободные орбиты аноду. А если создать нагрузку, то электроны возвращаются на свои первоначальные места. Таким образом движение частиц в замкнутом контуре создает электрический ток. А привычное магнитное поле в громоздких электрических генераторах заменяется на поток частиц солнечного излучения.

Сборка

При первой сборке лучше воспользоваться заготовленной разметочной подложкой, помогающей расположить ровно элементы друг от друга. Основу выполняем из фанеры с обязательным маркированием уголков конструкции. После пайки на элемент батареи с обратной стороны крепим кусок ленты для монтажа, и таким образом их переносим. Герметизации подвергаются исключительно соединительные части.

Дальнейшие действия выглядят следующим образом:

• Выложите элементы на поверхность стекла.
• Между элементами оставьте расстояние и прижмите их грузами.
• Пайку сделайте по электрической схеме, то есть «Плюсовые» дорожки размещаются на лицевой стороне, а «минусовые» дорожки — на обратной стороне.
• Аккуратно припаяйте серебряные контакты.
• Соедините по этому принципу все элементы. В крайних элементах контакты выводят на шину «плюс» и «минус».

Рекомендуется также поставить «среднюю» точку, с двумя дополнительными шунтирующими диодами. Клемму устанавливают с внешней стороны нашей рамы. В качестве выводящих проводов можно использовать акустический кабель в изоляции. Все провода прочно фиксируются силиконом.

Грамотная конструкция системы позволит обеспечить необходимую мощность батареи. При расчете конструкции учитывают, что для изготовления одной солнечной батареи всегда берут солнечные модули только одного размера, так как в системе максимальный ток ограничен током самого малого элемента.

Стандартные расчеты показывают, что в солнечный день получают с 1 метра панели около 120 Вт мощности. Конечно, такая мощность не даст необходимого напряжения даже для компьютера. Но уже панель в 10 метров даст 1 кВт энергии и обеспечит энергией работу основных приборов дома: светильников, телевизора, холодильника и компьютера. Для обычной семьи из 4 человек необходимо в месяц около 300 кВт, поэтому система, установленная оптимально с южной стороны, размером 20 метров обеспечит семейные потребности в электроэнергии

С целью оптимизации потребления энергии для освещения важно использовать в доме лампочки переменного тока — светодиодные и люминесцентные

Пошаговая фотоинструкция

Максимально подробно рассказано, как своими руками собрать солнечную батарею из фотоэлементов на алюминиевом каркасе.

Сточить напильником углы на одной грани с каждой стороны алюминиевого угла под 45 градусов.

Обрезать уголки ножовкой по металлу под 45 градусов. Для удобства можно воспользоваться стуслом:

С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:

Обрезанный алюминиевый уголок

Делаем скобы для соединения уголков:

На сторонах каждой полученной скобы находим центр и сверлим отверстие, диаметром 6 мм:

Делаем разметку через отверстие в каждой скобе на уголке. Чтобы потом не перепутать, помечаем каждый угол и каждую скобу цифрой:

Сверлим отверстия в уголке сверлом 5 мм, должно получиться так:

Отверстия в уголке

Собираем рамку с помощью болтов и гаек:

Соединение рамки болтами и гайками

Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:

Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри

Обезжирить поверхность стекла изнутри и разложить фотоэлементы лицевой стороной вниз таким образом, чтобы контактные шины были параллельны:

Соедините между собой фотоэлементы скотчем, так они не распадутся при дальнейших операциях.

Соединить между собой элементы по схеме:

Схема соединения фотоэлементов в батарее

Собираем уплотняющую конструкцию:

1. Из листа пенополиуретана вырезаем прямоугольник, меньше внутренней части рамки на 1 см с каждой стороны;
2. Запаиваем получившийся прямоугольник в полиэтиленовую пленку с помощью скотча или паяльника

Конструкция укладывается внутрь рамки:

Поролон укладывается внутрь рамки

Рамка вместе с поролоном переворачивается и снимается. Остаются только уложенные и скрепленные между собой скотчем фотоэлементы:

На всю поверхность фотоэлементов кистью наносится герметик Sylgard 184 и накрывается сверху рамкой со стеклом:

Ставим груз на стекло на несколько часов, за это время должны удалиться пузыри воздуха:

Пузыри уходят за 2-3 часа

Через 12 часов снимаем груз и отрываем поролон. Батарея готова к подключению!

Расчет и проектирование

Для расчетов солнечной батареи, собранной дома, обязательно потребуется перечень всех электроприборов и оборудования, имеющихся в доме. Сразу же нужно выяснить потребляемую мощность каждого из них.

Данные о мощности указываются в маркировке или в техническом паспорте устройства. Их значения довольно приблизительные, поэтому для панели, работающей с инвертором нужно ввести поправку, то есть среднее энергопотребление умножается на поправочный коэффициент. Полученная таким образом общая мощность дополнительно умножается на 1,2, учитывая потери при работе инвертора. Мощные приборы при запуске потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный. В связи с этим, инвертор также должен в течение короткого времени выдерживать двойную или тройную мощность.

Если мощных потребителей довольно много, но одновременно они практически не включаются, то применяемый в системе инвертор с большим выходным током получится слишком дорогим. При отсутствии значительных нагрузок рекомендуется использовать менее мощные недорогие приборы.

Солнечная батарея в домашних условиях рассчитывается по времени работы каждого электроприбора в течение суток. Вычисленное опытным путем, значение умножается на мощность, и в результате получается суточное энергопотребление, измеряемое в киловатт-часах.

Обязательно понадобятся сведения с местной метеостанции о количестве солнечной энергии, которую можно реально получить в этой местности. Расчет данного показателя выполняется на основе показаний среднегодовой солнечной радиации и ее среднемесячных значений при самой плохой погоде. Последняя цифра позволяет определить минимальное количество электроэнергии, достаточное для решения текущих задач.

Получив исходные данные можно приступать к определению мощности одного фотоэлемента. Вначале показатель солнечной радиации нужно разделить на 1000, в результате, получаются так называемые пикочасы. В это время интенсивность солнечного свечения составляет 1000 Вт/м2.

Формула для расчета

Количество энергии W, вырабатываемое одним модулем, определяется по следующей формуле: W = k*Pw*E/1000, в которой Е – величина солнечной инсоляции за определенный период времени, k – коэффициент, составляющий летом – 0,5, зимой – 0,7, Pw – мощность одного модуля. Поправочный коэффициент учитывает потери мощности фотоэлементов при нагревании солнечными лучами, а также изменение наклона лучей относительно поверхности в течение дня. Зимой элементы нагреваются меньше, поэтому и значение коэффициента будет выше.

Учитывая суммарную мощность энергопотребления и данные, полученные с помощью формулы, рассчитывается общая мощность фотоэлементов. Полученный результат делится на мощность 1 элемента и в итоге будет требуемое количество модулей.

Существуют различные модели с целым рядов мощностей элементов – от 50 до 150 Вт и выше. Выбирая компоненты с необходимыми показателями, можно собрать солнечную панель с заданной мощностью. Например, если потребность в электроэнергии составляет 90 Вт, то необходимы два модуля по 50 Вт каждый. По такой схеме можно создать любую комбинацию из имеющихся фотоэлементов. В любом случае расчеты следует производить с некоторым запасом.

Количество фотоэлементов оказывает влияние на выбор емкости аккумуляторной батареи, поскольку именно они создают зарядный ток. Если мощность панели 100 Вт, то минимальная емкость АКБ должна быть 60 А*ч. С возрастанием мощности панелей потребуются и более мощные аккумуляторы.

Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея – это полупроводниковое устройство, которое преобразовывает солнечное излучение в электрическую энергию. Главной задачей такой системы является надежное, экономное и бесперебойное электроснабжение дома. Такие устройства целесообразно устанавливать в районах, где существуют перебои с подачей от основного источника электроэнергии.

Солнечная электростанция не эффективно работает ночью и в пасмурные дня, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы

Главными преимуществами солнечной батареи являются:

• простая установка устройства, которая не требует прокладывания кабелей к опорам;
• система не требует больших временных затрат на свое обслуживание;
• выработка электроэнергии не оказывает пагубного влияния на окружающую среду;
• конструкция не имеет подвижных частей;
• бесшумный режим работы;
• поставка электроэнергии не зависит от распределительной сети;
• длительный период эксплуатации системы при минимальных затратах.

Недостатки солнечной батареи:

• процесс изготовления системы весьма трудоемкий;
• солнечная панель занимает много места;
• устройство очень чувствительно к загрязнению;
• ночью батарея не работает;
• эффективность работы устройства напрямую зависит от погодных условий, а именно от солнечных и пасмурных дней.

В зимнее время стоит позаботиться о возможности очистки солнечных панелей от изморози и снега

Что учитывать при выборе фотоэлементов?

Для изготовления таких солнечных батарей существует два типа фотоэлементов — из поликристаллического кремния и монокристаллического. Однако, собирая их в домашних условиях своими руками, нужно знать, что коэффициент полезного действия первой конструкции выше, чем второй — 17,5% против 15%.

Это позволит понять, сколько потребуется купить солнечных элементов и какая площадь потребуется, чтобы батареи установить. Важен и угол наклона панели, находиться которая должна на самой солнечной стороне жилища

Важно, чтобы угол наклона мог изменяться, чтобы использовались панели из подручных средств более эффективно

Соединены фотоэлементы с помощью припаянных к ним проводников как последовательно, так и параллельно, что увеличивает напряжение и силу тока, а также позволяет получить энергию даже при повреждении одного их элементов.

В солнечных батареях кроме проводников имеются полупроводники, защищающие их от перегрева – диоды. Ведь в темное время суток конструкция активно поглощает энергию, накопившуюся благодаря аккумулятору, в роли которого выступает свинцовая обычная батарея.

Проект солнечной энергосистемы для дома и дачи

В начале проводится расчет мощности солнечных батарей: просчитывается нагрузка задействованных приборов, подсчитывается число соединяемых фотопреобразователей и площадь, занимаемая готовыми панелями. Средняя мощность отдельного элемента размером 6×6 (15,24×15,24 см) составляет 4Вт, напряжение ‒ 0,5В. То есть для получение хотя бы 18 В потребуется 36 элементов. С учетом небольшого промежутка между ФЭП размер самодельной панели будет не менее 95×95 см, а учетом потерь при передаче и аккумулировании энергии она будет выдавать не более 0,12 Квт в день.

Далее отталкиваются от потребности в электричестве. Средняя величина потребления для загородного дома в день составляет 7,5 кВт, то есть для полного обеспечения потребуется не менее 62 панелей (и примерно столько же занятых м2 на крыше). Помимо площади возникает проблема веса: покупная панель мощностью 260 Вт с легкой алюминиевой рамой размером около 160×100 см весит не менее 20 кг. Собранная батарея своими руками весит еще больше (трудно найти легкое и прочное основание)

Поэтому перед размещением панелей следует проверить состояние кровли, и не важно: будут ли это собранные солнечные батареи своими руками или покупные

По понятным причинам отдача фотопреобразователей выше в ясные дни, панель размещается на южной стороне крыши и, в идеале, отслеживает движение солнца. Причем крышу не должны окружать высокие деревья или другие объекты, дающие тень. Большинство продаваемых панелей уже имеют поворотные механизмы, при самостоятельной сборке этот вопрос требует проработки. Это усложняет подключение солнечных панелей, но только при соблюдении этих условий достигается эффективность фотопреобразования в пасмурные и зимние дни.

Принцип расчёта мощности батареи

Для расчёта необходимой мощности самодельной электрической гелиосистемы необходимо знать месячное потребление электроэнергии. Определить это параметр легче всего — количество потребляемого электричества в киловатт-часах можно посмотреть по счётчику или узнать, заглянув в счета, которые регулярно присылает энергосбыт. Так, если затраты составляют, например, 200 кВт×ч, то солнечная батарея должна вырабатывать в день примерно 7 кВт×ч электроэнергии.

В расчётах следует учитывать, что солнечные панели генерируют электричество только в светлое время суток, причём их производительность зависит как от угла Солнца над горизонтом, так и погодных условий. В среднем до 70% всего количества энергии вырабатывается с 9 часов утра до 16 часов вечера и при наличии даже небольшой облачности или дымки мощность панелей падает в 2–3 раза. Если же небо затянут сплошные облака, то в лучшем случае вы сможете получить 5–7% от максимальных возможностей гелиосистемы.

По графику энергоэффективности солнечной батареи видно, что основная доля генерируемой энергии приходится на время от 9 до 16 часов

Учитывая всё вышесказанное, можно подсчитать, что для получения 7 кВт×ч энергии при идеальных условиях понадобится массив панелей мощностью не менее 1 кВт. Если же учитывать уменьшение производительности, связанное с изменением угла падения лучей, погодные факторы, а также потери в аккумуляторах и преобразователях энергии, то этот показатель необходимо увеличить как минимум на 50–70 процентов. Если брать в расчёт верхний показатель, то для рассматриваемого примера будет нужна солнечная панель мощностью 1.7 кВт.

Дальнейший расчёт зависит от того, какие фотоэлементы будут использоваться. Например, возьмём упоминаемые ранее поликристаллические элементы 3˝×6˝ (площадь 0,0046 кв. м) с напряжением 5 В и силой тока до 3 А. Чтобы набрать массив фотоэлементов с выходным напряжением 12 В и силой тока, равной 1 700 Вт/12 В = 141 А понадобится соединить 24 элемента в ряд (последовательное соединение позволяет суммировать напряжение) и использовать 141 А/ 3 А = 47 таких ряда (1 128 пластин). Площадь батареи при максимально плотной укладке составит 1 128 х 0.0046 = 5.2 кв. м

Для того чтобы накопить и трансформировать солнечную энергию в привычные 220 Вольт понадобится массив аккумуляторов, контроллер заряда и повышающий инвертор

Для накопления электричества используются аккумуляторы с напряжением 12 В, 24 В или 48 В, причём их ёмкости должно хватать для того, чтобы вместить те самые 7 кВт×ч энергии. Если брать распространённые 12-вольтовые свинцовые батареи (далеко не самый лучший вариант), то их ёмкость должна быть не менее 7 000 Вт×ч/12 В = 583 А×ч, то есть три больших аккумулятора по 200 ампер-часов каждый. Следует учитывать, что КПД аккумуляторных батарей составляет не более 80%, а также то, что при преобразовании напряжения инвертором в 220 В будет теряться от 15 до 20% энергии. Следовательно, придётся докупить как минимум ещё один такой же аккумулятор для компенсации всех потерь.

Как самостоятельно сделать солнечную батарею

Конечно, фотоэлементы самостоятельно сделать нельзя, их надо покупать. И остальные компоненты батареи продаются в магазинах электроники. Но сборка батареи из готовых компонентов заводского изготовления вполне доступна умелому самодельщику, знакомому с основами электротехники.

Инструменты

Для работы потребуются паяльник, оловянный легкоплавкий припой, ножовка по металлу, острый нож, отвёртки, плоскогубцы. Необходимы измерительные приборы – мультиметр или по отдельности вольтметр, амперметр, омметр.

Рабочий чертёж

Рабочие чертежи в совокупности составляют комплект рабочей документации. В их составе должны быть чертежи конструкции, собранной из фрагментов, и общая электрическая схема всей солнечной батареи, состоящей из нескольких крупных самостоятельных устройств. В проект должно быть включено техническое описание всего устройства, инструкция по эксплуатации и способы устранения некоторых типичных неисправностей.

Подборка компонентов

Для создания солнечной батареи необходимо иметь следующее:

• силикатные пластины — фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки для создания конструктива (основного каркаса);
• жёсткий поролон толщиной 1,5–2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• эпоксидный компаунд или заменяющий его силиконовый герметик для наружных работ;
• шурупы, саморезы;
• электрические провода, диоды, клеммы;
• рамку – выполняет роль основного каркаса, в котором располагается вся солнечная батарея. Состоит из основания – ДСП, USB, фанеры и прочих металлических или деревянных планок, уголков и саморезов для их соединения;
• аккумуляторную батарею, которая является накопителем сгенерированной в светлое время суток электрической энергии с целью её дальнейшего использования;
• инвертор – служит для преобразования постоянного напряжения в переменное, которое нужно для подключения к солнечной батарее любых бытовых приборов.

Инструкция по изготовлению

Создание солнечной батареи для многих людей, даже специалистов в технике, является делом незнакомым и непривычным. Особенно это относится к сборке больших солнечных панелей из сравнительно малых по размерам фотоэлементов. Поэтому необходимо тщательно изучить инструкции, пообщаться со специалистами и (желательно) немного потренироваться.

Объединение нескольких отдельных пластин

Отдельные фотоэлементы необходимо собрать в укрупнённые панели. Их раскладывают на столе рядом, между ними создают зазор примерно в 5 мм для температурного расширения отдельных элементов и проводами спаивают соответствующе схеме клеммы. Припой на основе олова, низкотемпературный, рекомендуется ПОС-61. Паяльник мощностью не более 45 Вт, но ещё лучше использовать паяльную станцию.

ФОТО: avatars.mds.yandex.netСборка панели из фотоэлементов

Изготовление рамы и защитного экрана

Рама является основанием солнечной панели. Может быть собрана с маленькими бортами из пластика, дерева или металлического профиля. В днище короба сверлятся отверстия диаметром 10 мм для притока охлаждающего панель воздуха. В короб укладывается демпфирующий лист поролона, а на него – панель спаянных фотоэлементов. Для защиты фотоэлементов от атмосферных осадков они накрываются прозрачным стеклом.

Сборка компонентов

Когда рама с уложенными фотоэлементами и защитным стеклом готова, следует проверить её работоспособность. Надо вынести сборку на солнце и подключить измерительные приборы. Если сборка фотоэлементов заработает, можно начинать сборку солнечной батареи из составляющих её компонентов. Структура солнечной батареи показана на рисунке.

ФОТО: avatars.mds.yandex.netСтруктурная схема солнечной батареи на даче

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.

Бликов на корпусе быть не должно

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

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.