Блохін Євген

Постійне зростання цін на енергоносії, а також слаборозвинута інфраструктура деяких регіонів змушують багатьох споживачів вдаватися до впровадження альтернативних джерел отримання ресурсу, серед яких можна виділити вітрогенератори, теплові насоси, водогрійні колектори.

Якщо ж врахувати, що левова частка споживаної енергії припадає на електрику, то стає ясно, чому останнім часом багатьох домашніх умільців цікавить питання, чи можна виготовити сонячні батареї для дому своїми руками, давайте розберемося з цим питанням більш детально.

Що являє собою сонячна батарея

В основу будь сонячної батареї входять фотоелементи, здатні трансформувати природне сонячне випромінювання в електричну енергію. В більшості випадків конструкція стандартної геліосистеми зводиться до розташування окремих генераторів електрики (фотоелементів) в єдиному корпусі, який здатний забезпечити захист елементів від несприятливих зовнішніх факторів і механічних впливів.

І хоча потужностні характеристики сонячних батарей сьогодні ще далекі від ідеалу, все більше людей вдаються до використання зазначених джерел у якості додаткових генераторів для вирішення базових завдань (наприклад, для підзарядки акумуляторних батарей, роботи електроніки тощо). Тому давайте в деталях розглянемо технологію виготовлення такої сонячної батареї, здатної генерувати напругу до 18 з струмовим навантаженням до 8 А, тобто виробляти потужність близько 130 Вт/год.

Вибір комплектуючих для виготовлення сонячної батареї

Перш ніж виконувати закупівлю комплектуючих, слід врахувати, що у якості основних джерел отримання електрики сьогодні в сонячних батареях можуть використовуватися фотоелементи з полікристалічного й монокристалічного кремнію, мають дещо відмінними властивостями. І хоча перші з них характеризуються відносно невисокою продуктивністю (ККД до 10%), їх ефективна робота практично не змінюється від ступеня освітленості, тоді як другий варіант вимагає наявності постійних сонячних променів, що робить його менш затребуваним для самостійного виготовлення гелиопанелей.

Що ж стосується закупівлі сонячних елементів, більш виправданим варіантом вважається звернення до інтернет-ресурсів, за рахунок яких можна придбати необхідні компоненти за мінімальною вартістю. До того ж, багато спеціалізовані проекти (наприклад, ebay) в змозі запропонувати користувачеві готові комплекти сонячних фотоелементів, забезпечені всіма необхідними комплектуючими для збірки.

Тобто на етапі заготовки слід подбати про придбання фотоелектричних панелей, причому щоб виключити помилок у процесі закупівлі зазначених елементів бажано дотримуватися наступних рекомендацій:

1. Для можливості виготовлення сонячної батареї здатної заряджати 12 вольтовий акумулятор, слід запастися як мінімум 36 фотоелементами (кожен видає по 0,5 В), однак враховуючи складність складання , фахівці рекомендують 3-4 елемента купити про запас.
2. Підбираючи сонячні фотоелементи слід враховувати рівень енергоспоживання і для виготовлення одного модуля застосовувати фотоелементи з ідентичними показниками по напрузі і струму. До того ж не рекомендується в одному модулі застосовувати системи різних виробників.
3. З метою мінімізації поломки фотоелементів у процесі складання, багато фахівці рекомендують віддавати перевагу виробам з вже напаяними провідниками.
4. До того ж, на етапі заготівлі, крім активних елементів, слід подбати про придбання комплектуючих для виготовлення каркаса, в якості чого можуть використовуватися дерев’яні бруски або алюмінієві куточки, листові матеріали (ДВП, ДСП, текстоліт), а також оргскло або антиконденсатний полікарбонат.

Технологія виготовлення сонячної батареї (СБ) своїми руками

Збірка корпусу для СБ

Після замовлення фотоелементів і визначення їх габаритних розмірів, можна приступати до виготовлення корпусу для сонячної батареї, для чого насамперед необхідно зробити ескіз майбутньої моделі. Причому виконуючи зазначену процедуру слід дотримуватися наступних рекомендацій:

1. Корпус – місце розташування фотоелементів (своєрідний ящик) повинен мати хорошу механічну міцність і захищати електрогенератори від усіляких впливів;
2. Габаритні розміри корпусу повинні дозволяти безперешкодно розташувати в ньому фотоелементи (з мінімальним зазором між ними 5 мм) і супутні елементи (провідники, шинки);
3. Конструкція корпусу повинна виключати попадання вологи всередину батареї.
   Як вже було сказано вище, в якості матеріалів для виготовлення каркаса для сонячної батареї можуть використовуватися різні матеріали (дерево, алюміній, пластик), але все ж перевагу слід віддавати вологостійким компонентів.

Якщо ж розглядати процедуру виготовлення каркаса покроково, то можна відзначити, що реалізуються заходи в наступній послідовності:

1. За наявними розмірами з щільного листа фанери або ДСП випилюється заготовка, яка буде виступати днищем сонячної батареї;
2. З дерев’яних брусів або алюмінієвих куточків робляться бортики, які фіксуються за допомогою шурупів до підготовленій основі по всьому периметру. Причому для підсилення каркасу деякі фахівці рекомендують виконувати додаткове поділ каркаса на дві, три частини шляхом укладання додаткових перемичок;
3. В отриманих бортах (у нижній частині батареї), робляться наскрізні отвори (діаметром 5-6 мм з кроком 100-150 мм), що дозволить повітрю циркулювати всередині батареї і виключить можливість утворення вологи;
4. З більш м’якого листового матеріалу (наприклад, ДВП) виготовляється підкладка, на яку згодом будуть змонтовані фотоелементи.
5. У фіналі робіт всі конструктивні елементи каркаса СБ слід покрити декількома шарами фарби, щоб захистити весь майбутній модуль деформації і руйнування. А також приготувати (викроїти з розміром каркаса) захист (оргскло), за рахунок якої фотоелементи будуть перебувати в безпеці.

З’єднання фотоелементів

Для того, щоб сонячна батарея своїми руками повністю відповідала технічним характеристикам дуже важливо правильно провести інтеграцію в каркас всіх фотоелементів. Тому першим ділом потрібно на підкладці нанести розмітку, за якою будуть встановлені геліомодулі, для чого рекомендується викласти всі фотоелементи на площині, забезпечити між ними потрібний зазор (можна застосовувати дистанційні хрестики для плитки), і після цього здійснити їх електричне з’єднання. Причому виконуючи зазначену операцію, слід бути дуже відповідальним, адже механічна міцність фотоелементів досить обмежена і навіть невелике натискання в стані деформувати тендітну основу комплектуючих.

Електричне з’єднання фотоелементів для сонячної батареї слід виконувати таким чином, щоб кожна наступна пластина, з’єднувалася з попередньою послідовно. Якщо ж врахувати, що в більшості випадків плюсовій потенціал знаходиться з лицьової частини фотоелемента, а мінусовій з тильного боку, то з’єднання двох сусідніх джерел виглядає як прокладання провідників від лицьової клеми однієї пластини до відповідної тильній клемі наступного елемента. А висновки з кожного ряду з’єднуються з наступними рядами за допомогою великих по перерізу проводів.

Сама ж процедура з’єднання панелей в єдину електричну батарею проводиться за допомогою малопотужного паяльника (25 Вт), шляхом металізації і подальшого припаивания провідників до заданих точках.

Підсумком таких робіт повинно стати два висновки, через які отримане напруга і буде спрямовуватися до споживача. Однак, для виключення саморозряду акумулятора, підключеного до батареї (наприклад, вночі) на загальний плюсової провід бажано встановити шунтуючі діоди Шотке.

Механічний монтаж панелей

Після електричного з’єднання фотоелементів слід виконати їх механічне закріплення на заздалегідь підготовленій основі. І хоча для цих цілей можуть використовуватися різні методики, самим оптимальним вважається варіант кріплення панелей до основи за допомогою герметика на силіконовій основі. Єдине, на що слід звернути увагу при виконанні зазначеної операції, точка кріплення для кожного елемента повинна бути одна (зазвичай в центрі), щоб під час роботи всього пристрою виключити механічну поломку крихких елементів внаслідок їх температурного розширення. Тобто кожна з 36 панелей закріплюється до основи підкладки за допомогою силікону в чітко встановленому місці, в результаті чого утворюється загальний джерело енергії.

Фінальна збірка сонячної батареї

Останнім штрихом, збираючи сонячні батареї для дому своїми руками буде приміщення отриманої системи всередину підготовленого каркаса і закріплення за допомогою стандартних саморізів (підкладка просто прикручується до днища каркаса). Після чого проводиться електричне з’єднання відхідних провідників, і вся конструкція накриваються прозорим оргсклом, яке фіксується до бортикам сонячної батареї за допомогою саморізів.

Встановлення сонячної батареї

Зроблена вищеописаним чином СБ зможе генерувати достатньо енергії для зарядки 12 вольтового акумулятора і тим самим забезпечувати дрібних споживачів довгоочікуваним ресурсом. Однак, враховуючи стовідсоткову залежність роботи сонячної батареї від ультрафіолетового випромінювання, велику увагу слід приділити правильності установки отриманого електроприладу.

Тобто монтувати сонячну батарею слід в місці максимальної сонячної активності, розташовуючи лицьову частину під кутом до горизонту 40-60 градусів у напрямку півдня або сходу. При цьому дуже важливо виключити затінення батареї або надмірне її забруднення листям, через що не рекомендується даний джерело монтувати під кроною дерев, а найкращим варіантом вважається скат даху.

Однак виконуючи самостійну установку сонячних батарей, слід бути особливо обережним і дотримуватися певні вимоги. Так, по-перше, несуча конструкція покрівлі під батарею повинна володіти достатньою жорсткістю, щоб протистояти додатковим навантаженням. По-друге, місце встановлення повинно бути легкодоступним (для обслуговування). По-третє, в якості провідників слід застосовувати кабельну продукцію, стійку до інтенсивного ультрафіолетового випромінювання.

Рекомендації з виготовлення сонячної батареї своїми руками

На підставі усього вищесказаного можна зробити висновок, що сонячні батареї для дому своїми руками – це цілком реально, головне не боятися і в процесі робіт дотримувати ряд дуже важливих рекомендацій:

1. Використовувати для виготовлення панелей лише якісні матеріали, здатні захистити конструкцію від природних опадів і інтенсивного випромінювання;
2. При проектуванні, збірці і установці батарей відштовхуватись від принципу модульності, адже згодом потужність і напруга СБ може бути значно збільшені шляхом монтажу додаткових фотоелементів
3. Застосовуючи герметик, слід бути обережним і приступати до подальших процедур, лише після його повного висихання (інакше на внутрішній стінці оргскла може утворюватися конденсат);
4. У процесі складання слід за допомогою приладу (мультиметра) постійно перевіряти рівень генеруємої напруги (з фотоелемента, з ряду фотоелементів, з усього модуля).

Також слід зазначити, що при необхідності така сонячна батарея може бути використана і в похідних умовах, що може зажадати деяких конструктивних доробок. Так що ж за справу!

У сьогоднішньому світі альтернативні джерела енергії вже не примха, а раціональне рішення, пов’язане з економічною вигодою і турботою про стан навколишнього середовища. Найпопулярнішим способом одержання екологічно чистої енергії залишаються сонячні батареї. Своїми руками виготовляти панелі виходить набагато дешевше, ніж купувати готові комплекти. Як виготовити саморобні сонячні батареї для приватного будинку буде розказано нижче.

Принцип роботи сонячного електропостачання, конструкція сонячної батареї

Перетворювати енергію сонця в електрику можна кількома способами. Іноді застосовується схема з генератором, де вона трансформується спочатку в механічну, обертає вал генератора, а потім переходить в електричну. Мінус такого способу в тому, що він досить дорогий, оскільки вимагає використання великих дзеркал, які повертаються за рухом сонця.

Застосування фотоелементів дозволяє безпосередньо перетворювати світ у струм. Це і є настільки популярні сьогодні сонячні батареї, які являють собою невелику (кілька см2) кремнієву пластину, на якій в єдину ланцюг зібрані фотодіоди. При попаданні світла, на виходах діодів з’являється напруга близько 0,5 – 0,55 V. За допомогою складання таких пластин у модулі можна отримати на виході необхідну потужність.

Якби хтось спробував домогтися значення 220 V, то отримав би батарею колосальних розмірів. Тому ставиться мета отримання 12-24 V, а всі подальші перетворення відбуваються за допомогою інших складових системи.

Конструкція включає в себе три основних вузла:

1. Сонячну панель.
2. Акумулятори.
3. Інвертор.

Як вже говорилося, завдання сонячної панелі виробити струм напругою 12-24 V, якого вистачить, щоб зарядити акумулятор на 12V.

Одного акумулятора буде замало для забезпечення житла потрібною кількістю електроенергії. Їх кількість розраховується виходячи з потреб конкретного будинку, і може становити понад 10 штук (проте кількість акумуляторів прямо пропорційно і розмірам сонячної панелі).

Перетворювати енергію низької напруги в стандартну повинен інвертор. Його купують готовий. При купівлі співвідносьте потужність з потребами житла в електриці. Щонайменше, повинна бути потужність в 1-2 кВт.

По пристрою сонячної батареї розрізняють два її види:

1. Плівкові.
2. Кремнієві.

Плівкові або полімерні рідше зустрічаються, оскільки мають невеликий ККД і вимагають багато місця для установки. Крім того, енергоефективність плівки скорочується на п’яту частину навіть при невеликій хмарності.

Кремнієві, описані вище, можуть бути монокристалічними і полікристалічними. Монокристалічні батареї — це безліч осередків з вбудованими кремнієвими перетворювачами і заповнені силіконом. У клітинках полікристалічних батарей більше перетворювачів, що встановлені різноспрямовано. Ця особливість забезпечує більш ефективну роботу панелі, навіть коли світло розсіяне. І хоча ККД таких батарей трохи нижче, ніж у монокристалічних, насправді вони виявляються більш продуктивними і їх частіше використовують.

Технологія самостійного виготовлення

Розглянемо, як зробити сонячну батарею своїми руками. Для виготовлення геліокомплексу своїми руками знадобиться:

1. Каркас з алюмінію або дерева.
2. Підкладка з ДВП.
3. Скло або оргскло.
4. Фотоячейки.
5. Діоди і провідники.

Одна батарея буде складатися з 36 елементів (81 х 150 мм), кожен з яких розрахований на 0,5 V– в цілому вийде 18 V. Звертатися з панелями потрібно з великою обережністю, тому що вони дуже крихкі. З тієї ж причини радиться купувати на 1-2 шт. більше, щоб були запасні на випадок пошкодження.

Сонячні батареї для будинку своїми руками

Великий плюс самостійного виготовлення сонячних батарей полягає в тому, що можна зібрати невеликий пробний комплекс, а потім поступово нарощувати потужність, докуповуючи більше елементів.

Не варто збирати надто великі батареї. Їх складно монтувати, важко змінювати кут нахилу, крім того, вони як вітрило – будуть вловлювати вітер, що небезпечно.

Вибір елементів для панелі

Головне питання – це придбання геліоелементів. Від вдалої покупки буде залежати, чи має сенс затівати самостійне виготовлення батареї. Можна придбати готовий комплект для складання панелі за 1.5 — 2 тис. грн.

Ще один варіант – на відомих торгових сайтах придбати пошкоджені, але працюючі панелі. Це деталі, відбраковані виробництвом – вони можуть мати, наприклад, сколи, що істотно знижує їх вартість, але не впливає на працездатність.

Вибір повинен здійснюватися на підставі необхідної потужності. Щоб розрахувати її, потрібно хоча б приблизно підрахувати, скільки кВт споживає в день техніка в вашому домі, а потім з’ясувати, яке середньодобове кількість сонячного часу у вашій місцевості. Це дозволить (знову ж приблизно) порахувати, скільки в день потужності буде видавати панель. Чим більше цей показник, тим менше знадобиться включати панелей в систему. Важливо знати, що незалежно від розміру пластини, вони видають однакову напругу, а на силу струму і вага конструкції, габарити впливають. Чим більше розмір панелі, тим вона важча. А ось застосовувати в одній системі різні панелі не можна.

Розробка проекту системи

За цими даними розраховується розмір майбутньої конструкції і її вага. Ці показники знадобляться для того, щоб виконати каркас потрібного розміру, а також з’ясувати, чи зможе витримати конструкцію покрівля будинку, на яку планується встановлення обладнання. Розміщуючи панель важливо прагнути, щоб сонячне світло потрапляв на поверхню під прямим кутом.

Тому, крім того, щоб вибрати найбільш освітлену сторону даху, потрібно ще й подбати про те, щоб можна було змінювати кут нахилу гелиопанели. У снігопад, наприклад, обладнання розміщують практично вертикально, щоб на його поверхні не затримувався сніг.

Виготовлення каркасу

Насамперед вираховуються розміри майбутньої конструкції. Зробити це просто, якщо вже відомо, скільки панелей і яких розмірів буде застосовуватися. Однак потрібно залишати за 3-4 мм між елементами, щоб компенсувати розширення основи при змінах температури.

За розрахованими розмірами, з фанери вирізається дно або основа майбутньої батареї. По периметру її зовнішньої сторони робиться рама з брусків. Товщина брусків – близько 20 мм.

Ідеальна температура для роботи гелиопанелей від 70 до 90° C. Під склом t складно контролювати і вона може значно підвищуватися, особливо в теплу пору року. Тому в дерев’яній рамі роблять вентиляційні отвори. Свердлять їх через кожні 20 см (діаметр близько 10 мм). У нижній частині теж насверливаем отвори з кроком в 5 см. Також можна зібрати раму з алюмінієвих куточків і накрити її оргсклом. Коли корпус готовий, його покривають двома шарами фарби і залишають до повного висихання.

Підбір і пайка елементів

В залежності від рівня майстерності можна придбати провідники з припаяними контактами і без.

Щоб самостійно паяти елементи:

1. Нарізати провідники в розмір за картонним шаблоном.
2. Розмістити провідники на потрібних місцях фотоелементів.
3. Нанести припій і кислоту на майданчики контактів.
4. Зафіксувати провідник.
5. Паяти, не натискаючи на кристалічну поверхню.

При утрудненнях з пайкою, можна легенько обробити майданчики для контактів нульовим наждачним папером.

Напилення з срібла, що наноситься на поверхню провідника, може витримати три цикли пайки. Здійснюючи паралельно-послідовне з’єднання елементів потрібно заздалегідь подумати про те, що перевернути зібрану воєдино, але дуже тендітну конструкцію буде складно. Тому радимо спочатку з’єднувати елементи рядами, перевертати ряд, а вже потім скріплювати ряди між собою. На крайніх деталях контакти виводяться на шину «мінус» і «плюс». На проводку треба пускати кабель з ізоляцією. На зовнішній стороні рами встановлюється клема.

Наступний етап – закріплення геліопанелей на фанерній основі. Для цього знадобиться силіконовий герметик. На зворотний бік кожної деталі наноситься по краплі герметика, потім вона акуратно фіксується. Також вливається силікон і в дроти.

Коли елементи послідовно з’єднані, тестером перевіряється напруга (це допоможе виявити огріхи в якості пайки). Якщо все зроблено правильно, то прилад покаже 17-19 V (напруга з різних причин може мати невеликі відхилення від зазначеного у документації).

Тестування батареї рекомендується проводити кілька днів і тільки після цього проводити процес герметизації. На алюмінієву раму наноситься герметик, і на нього клеїться оргскло. Обов’язково потрібно дати час на висихання силікону. До дерев’яної рами оргскло можна прикріпити саморізами. Всі стики, крім вентиляційних, також заливаються герметиком.

Складання елементів сонячної батареї

Розберемося, як відбувається складання сонячних батарей своїми руками. Інвертор перетворює надходячий струм у змінний, і змінює його напругу.

Можна вибрати один з трьох видів інверторів: Системний, гібридний чи автономний. Системний інвертор підійде, якщо мета сонячної батареї – створити додаткову енергію в пару до наявної центральної мережі 220 V. Тоді встановлювати акумулятори взагалі не потрібно. Мережевий інвертор перетворить кількість енергії, що надійшла, і направить її в будинок.

Гібридний інвертор стане у нагоді, якщо геліоенергія повинна стати основною, яка живить будинок, але і відмовлятися від централізованого електропостачання господарі не збираються. Гібридний варіант з акумуляторами буде і витрачати отриману сонячну енергію, і накопичувати її на темний і похмурий час.

Автономний ж інвертор встановлюють там, де мережі 220 V взагалі немає. Вони теж встановлюються в комплекті з акумуляторами.

Якщо потрібно включити в систему акумуляторні батареї, то потрібно розрахувати їх кількість і ємність. Все буде залежати від сумарної потужності всіх сонячних батарей, але чим вище буде ємність, тим краще. Наприклад, щоб повністю задовольнити потреби в електриці, знадобиться вироблення 4 кВт. Для накопичення такої кількості енергії необхідно близько 16 акумуляторів по 60 Ач. До акумулятора сонячну батарею потрібно підключати через діод. Це виключить його саморозряд на панель вночі. Щоб не відбувалося перезаряду і закипання акумуляторів, знадобиться контролер заряду. Вони можуть бути двох видів: МРРТ і ШИН. Перший варіант передає майже 100 % енергії, але коштує в 2-3 рази дорожче, ніж ШИН контролер, який втрачає до 20 % потужності сонячних панелей. У великих потужних системах, звичайно, краще один раз переплатити за МРРТ контролер. Невеликі конструкції можна обладнати і ШИН контролером, але втрачену потужність потрібно буде компенсувати придбанням додаткових акумуляторів.

Висновок

Залишається тільки додати, що геліосистема буде реально ефективна тільки в регіонах, де більшу частину року стоїть сонячна погода. Потрібно знати і те, що чим вище географічна широта, тим менша сила сонячних променів. Але сучасні технології дозволяють отримувати достатньо енергії навіть в похмурий час, а значить, хоча б як додаткове джерело електрики, сонячні батареї дуже навіть привабливі.