Самодельные солнечные батареи и их промышленные аналоги

Сборка

Секции укладываются на стекло подложкой кверху и спаиваются между собой и диодами согласно выбранной схеме последовательно-параллельного подключения. Для фиксации фотоэлементов на месте, а также закрепления проводников и диодов можно использовать прозрачный термоклей или бескислотный уксусный герметик.

Не используйте кислотные (легко отличимые по уксусному запаху) герметики – их использование в закрытом объеме приведет к быстрой коррозии пайки!

После того, как все фотоэлементы размещены, закреплены и спаяны, к выводам припаивается более толстый силовой провод – в нашем случае будет достаточно сечения 1,5 мм2. Он пропускается через отверстие в рамке, которую проще всего сделать из пропитанной олифой деревянной рейки. Метод закрепления стекла в рамке может быть различным:

• Укладка в паз с последующим закреплением штапиком (наподобие тому, как это делается в оконных рамах);
• Размещение между двумя рамками с последующей их стяжкой саморезами;

В любом случае, учитывая склонность дерева «дышать», нужно применять при укладе стекла незатвердевающий герметик.

Вместо дерева можно использовать более совершенные материалы при их доступности: алюминиевый уголок, металлопрофиль, использующийся при изготовлении стеклопакетов и так далее.

Стыки конструкции рамки, а также место вывода проводов необходимо дополнительно залить герметиком. После вторичной проверки всех соединений залейте фотоэлементы прозрачным лаком, чтобы полностью загерметизировать и скрепить сборку. После высыхания лака к рамке можно прикрепить заднюю стенку из любого подходящего материала, желательно из полимера наподобие поликарбоната. Пространство между стенкой и залитыми фотоэлементами лучше всего залить доступным компаундом, например – эпоксидной смолой.

Крепить получившуюся батарею, учитывая ее достаточно большую массу, необходимо как минимум в четырех углах рамки. Лучший способ усиления конструкции – собрать вторую рамку из стального уголка таким образом, чтобы солнечная панель достаточно плотно встала в нее, а затем саморезами скрепить их по периметру. Такую конструкцию можно спокойно будет размещать на крыше, стене или наклонной стойке в зависимости от того, как Вы планируете использовать солнечную батарею.

Наиболее оптимальный вариант стационарного размещения батареи – горизонтальный или с небольшим уклоном для стока осадков. В этом случае «электростанция» будет иметь максимальный КПД в полдень, когда влияние погоды и посторонних помех на мощность падающего солнечного излучения минимально. Максимальную токоотдачу в течение длительного времени можно обеспечить, предусмотрев возможность наклона панели вдоль хода солнца хотя бы вручную.

Тепло от алюминиевых банок

Вряд ли найдется хотя бы один человек, который никогда не пил из алюминиевых банок. И чаще всего мы их просто выкидываем, а ведь они могут стать отличным исходным материалом при изготовлении солнечной батареи для дома. Да, да, не удивляйтесь, это не выдумка, а вполне проверенный факт. Единственное уточнение, из алюминиевых банок вы сможете смастерить не батарею, а коллектор, то есть на выходе Вы получите не электрическую энергию, а тепловую, например, для обогрева дома, что тоже очень даже неплохо.

Делается подобная солнечная батарея очень просто. Все, что Вам понадобится это некоторое количество банок, рама и материал для остекления коллектора. Из деревянных брусков или картона собирается рама, которая заполняется банками. Для увеличения количества поглощенного тепла раму и банки рекомендуется покрасить в черный цвет. Сверху полученная конструкция накрывается стеклом, гофрированным поликарбонатом или пластиком. У каждого из этих материалов есть и плюсы, и минусы. Стекло является самым дорогим и хрупким, главный недостаток поликарбоната – небольшая ширина листа, всего 60 см, а пластик прослужит Вам не больше 3-х лет. Но при этом все они справляются с повышенными температурами и хорошо пропускают солнечный свет.

Каким бы странным Вам не казался этот метод изготовления батареи (коллектора) из алюминиевых банок, практика показывает, что он вполне действенный. При размещении на южной стороне дома такая самодельная батарея хорошо нагревается и может служить эффективным обогревательным прибором. А с ее сборкой справится и школьник.

Подробности изготовления солнечной панели из банок на видео:

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

Постройка домашней солнечной электростанции является нетривиальной задачей и требует как финансовых и временных затрат, так и минимальных знаний основ электротехники

Приступая к сборке солнечной панели, следует соблюдать максимальное внимание и аккуратность — только в этом случае можно рассчитывать на удачное решение вопроса. Напоследок хотелось бы напомнить о том, что загрязнение стекла является одним из факторов падения производительности

Не забывайте своевременно чистить поверхность солнечной панели, иначе она не сможет работать на полную мощность.

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

Задумываясь о строительстве собственной солнечной электростанции, каждый мечтает о том, чтобы полностью отказаться от проводного электричества. Для того чтобы проанализировать реальность этой затеи, сделаем небольшие расчёты.

Узнать суточное потребление электроэнергии несложно. Для этого достаточно заглянуть в присланный энергосбывающей организацией счёт и разделить количество указанных там киловатт на число дней в месяце. К примеру, если вам предлагают оплатить 330 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

В расчётах следует обязательно учитывать тот факт, что солнечная панель будет вырабатывать электричество только в светлое время суток, причём до 70% генерации осуществляется в период с 9 до 16 часов. Кроме того, эффективность работы устройства напрямую зависит от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.

Небольшая облачность или дымка снизят эффективность токоотдачи гелиоустановки в 2–3 раза, тогда как затянутое сплошными облаками небо спровоцирует падение производительности в 15–20 раз. В идеальных условиях для генерации 11 кВт×час энергии было бы достаточно солнечной батареи мощностью 11/7 = 1.6 кВт. Учитывая влияние природных факторов, этот параметр следует увеличить примерно на 40–50%.

Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6×0.7) =2.7 кВт.

Использование сборок из высокотоковых литиевых аккумуляторов является одним из наиболее изящных, но отнюдь не самым дешёвым способом хранения солнечной электроэнергии

Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.

Определение солнечной батареи

Конструктивно солнечная батарея представляет собой схему преобразователя одного вида энергии в другой. В частности, энергия света преобразуется в электрическую энергию. Причём результатом преобразования становится электрический ток постоянной величины.

Активными элементами конструкции солнечной панели выступают полупроводники, обладающие свойствами фотохимического синтеза. Например, кремний (Si), применением которого были отмечены самые первые исследования в области получения электричества солнца.

Простейший набор из солнечной панели и автомобильного аккумулятора уже составляет конструкцию настоящей домашней энергетической установки

На текущий момент кремний уже не рассматривается безальтернативным химическим элементом, опираясь на который есть смысл сооружать солнечные батареи из панелей, в том числе своими руками.

Более перспективными и эффективными теперь видятся другие представители таблицы Менделеева (в скобках цифры энергетической отдачи):

1. Арсенид галлия GaAs (кристаллический 25,1).
2. Фосфит индия InP ( 21,9).
3. Фосфат индия с галлием + Арсенид галлия + Германий GaInP + GaAs + Ge (32).

Рассматривать солнечную панель глазами обывателя следует как пластину полупроводника (кремния и т.п.), каждая из сторон которой является положительным и отрицательным электродом.

Под влиянием света солнца, в результате химического фотосинтеза, на электродах панели образуются электрические потенциалы. Казалось бы, всё просто. Остаётся только подключить провода к нагрузке и пользоваться электричеством. Но на деле всё несколько иначе.

Батареи из кремния

Кремниевые панели имеют следующие подвиды…

Поликристаллические кремниевые панели

В производстве панелей такого типа используется кремниевый кристалл не самой высокой чистоты. Его получают, когда расплавленный кремний проходит процесс охлаждения. В результате цвет поверхности до воли интересный. Здесь отображен весь диапазон оттенков синего цвета. Коэффициент полезного действия равен приблизительно 15 %.

Монокристаллические панели

Монокристалл в темно-синей или черной окраски имеет наибольшую востребованность в этой отрасли. Чтобы сделать панель такого вида, производят кремний самого высокого качества, который получают методом литья. К расплавленному кремнию добавляют затравку, затем материал становится твердым.

Следующие этапы — это придание формы цилиндра и нарезка пластин. Их делают очень тонкими, а процесс нарезания очень дорогостоящий. Этим объясняется высокая цена таких батарей.

Эффективность использования солнечных панелей такого типа очень высока, поскольку, во-первых, КПД составляет 20 % (это обосновано качеством материала, а также тем, что электронам атомовкремния легче покидать свои орбиты), а во-вторых, срок службы составляет 25 лет.

Аморфные модули

В год такая батарея, по сравнению с поликристаллической, производит на 10% больше электричества, даже при рассеянном свете солнца. Она не перестает функционировать и в пасмурные дни. Основной материал, что был использован для производства пластин, — аморфный кремень. Модуль будет производить ток при следующих погодных условиях:

• дождь;
• закат;
• запыленный воздух;
• рассвет.

Солнечные батареи из подручных материалов

Помимо сборки СБ из купленных фотоэлементов их можно собрать из подручных материалов, которые есть у любого радиолюбителя: транзисторов, диодов и фольги.

Батарея из транзисторов

Для этих целей наиболее подходящими деталями являются транзисторы типа КТ или П. Внутри них находится довольно большой кремневый полупроводниковый элемент, необходимый для производства электричества. Подобрав необходимое количество радиодеталей, с них необходимо срезать металлическую крышку. Для этого нужно зажать его в тесках и ножовкой по металлу аккуратно произвести срез верхней части. Внутри можно увидеть пластину, которая будет служить в качестве фотоэлемента.

Транзистор для батареи со спиленной крышечкой

Все эти детали имеют три контакта: база, эмиттер и коллектор. При сборке СБ нужно выбирать коллекторный переход в связи с наибольшей разностью потенциалов.

Сборка осуществляется на ровной плоскости из любого диэлектрического материала. Спаивать транзисторы нужно в отдельные последовательные цепочки, а эти цепочки, в свою очередь соединять параллельно.

Расчет готового источника тока можно производить из характеристик радиодеталей. Один транзистор выдает напряжение 0,35 В и силу тока при КЗ в 0,25 мкА.

Батарея из диодов

Солнечная батарея из диодов Д223Б действительно может стать источником электрического тока. Эти диоды имеют наибольший вольтаж и выполнены в стеклянном корпусе, покрытом краской. Напряжение на выходе готового изделия можно определить из расчета, что один диод на солнце генерирует 350 мВ.

1. Необходимое количество радиодеталей складываем в емкость и заливаем ацетоном или другим растворителем и оставляем на несколько часов.
2. Затем, необходимо взять пластину нужного размера из не металлического материала и выполнить разметку под впаивание компонентов источника питания.
3. После размокания краску можно легко соскрести.
4. Вооружившись мультиметром, на солнце или под лампочкой определяем плюсовой контакт и загибаем его. Диоды впаиваются вертикально, так как в таком положении кристалл лучше всего генерирует электричество из энергии солнца. Поэтому на выходе получим максимальное напряжение, которое будет генерировать солнечная батарея.

Распайка диодов

Батарея из фольги

Помимо описанных выше двух способов источник питания можно собрать из фольги. Самодельная солнечная батарея, сделанная согласно пошаговой инструкции, описанной ниже, сможет давать электроэнергию, хотя и очень малой мощности:

1.  Для самоделки понадобится медная фольга площадью 45 кв. см. Отрезанный кусок обрабатывается в мыльном растворе для удаления жира с поверхности. Так же желательно вымыть руки, чтобы не оставлять жировые пятна.
2. Наждаком необходимо удалить защитную оксидную пленку и любой другой вид коррозии с плоскости отреза.
3. На горелку электрической плитки мощностью не меньше 1,1 кВт ложится лист фольги и нагревается до образования красно-оранжевых пятен. При дальнейшем нагреве образовавшиеся окислы превращаются в оксид меди. Этому свидетельствует черный цвет поверхности куска.
4. После образования оксида нагрев необходимо продолжать в течение 30 минут, чтобы образовалась оксидная пленка достаточной толщины.
5. Прожарка останавливается, и лист остывает вместе с печкой. При медленном охлаждении медь и оксид остывают с разной скоростью, что способствует последнему легко отслоиться.
6. Под проточной водой удаляются остатки оксида. При этом нельзя сгибать лист и механически отдирать мелкие кусочки, чтобы не повредить тонкий слой окиси.
7. Вырезается второй лист по размерам первого.
8. В пластиковый бутыль объемом 2–5 литров с обрезанным горлом нужно поместить два куска фольги. Закрепить их зажимами «крокодил». Располагать их надо, чтобы они не соединялись.
9. К обработанному куску подводится минусовая клемма, а ко второму — плюсовая.
10. В банку заливается солевой раствор. Его уровень должен быть ниже верхней кромки электродов на 2,5 см. Для приготовления смеси 2–4 столовые ложки соли (в зависимости от объема бутылки) растворяются в небольшом количестве воды.

Батарея из фольги

Все солнечные батареи не пригодны для обеспечения дачи или частного дома помещения электричеством в виду своей маломощности. Но они способны служить источником питания для радиоприемников или зарядки мелких электроприборов.

Разновидности солнечных батарей

Все солнечные панели могут быть кремниевыми или пленочными. Панели, основой для которых служит кремний, разделяются на типы:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллическая солнечна батарея представляет собой квадратное устройство темно-синего цвета. Ее поверхность имеет вкрапления неоднородных кристаллов кремния. Несмотря на низкий КПД 18%, данное устройство обладает возможностью вырабатывать ток во время пасмурной погоды, что делает их незаменимыми в местностях, где преобладает рассеянный солнечный свет.

Монокристаллические преобразователи солнечной энергии представлены черными панелями со скошенными углами, для которых используется чистый кремний. Все ячейки устройства направлены в одну сторону, что позволяет получить максимальный КПД 25%. Недостатком таких батарей является то, что их лицевая сторона всегда должна быть обращена к солнцу. Если оно не успело взойти, спряталось за тучами и опустилось за горизонт, солнечные панели будут производить ток слабой мощности. Это самый дорогостоящий, но и обеспечивающий максимальную производительность, тип устройства.

Гибкая солнечная панель удобна в работе — ее легко можно прикрепить на неровные участки крыши

Каждая аморфная батарея состоит из множества тончайших слоев кремния, которые получаются путем напыления мельчайших частиц материала на стекло, пластмассу или фольгу. Такие слои достаточно быстро выгорают, что уже через полгода приводит к падению эффективности работы устройства на 15-20%. КПД таких преобразователей составляет всего 6%. Они являются самыми дешевыми и способны работать даже в пасмурную погоду. Однако максимальный срок их службы составляет 2 года.

В основе пленочных батарей лежит не твердая подложка из металла или стекла, а полимерная пленка. Поэтому они выпускаются в рулонах, что позволяет расстелить батареи на больших площадях. Благодаря своей конструкции, их можно разрезать на различные по форме и размеру части, разместить солнечные батареи на крышу дома с плавными изгибами. Они компактные и легкие. Рулонная панель обойдется значительно дешевле, чем кремниевая, для изготовления которой используется дорогостоящий материал. Однако такие модели менее мощные. Приобрести их сегодня достаточно непросто, поскольку производство только развивается.

Все солнечные батареи, независимо от типа устройства, оснащаются контроллерами, которые следят за степенью заряда панели. Они перераспределяют полученную энергию, направляя ее к источнику потребления напрямую или сохраняя в аккумуляторе.

Устанавливать стационарные солнечные панели стоит только с солнечной стороны дома

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.

Как собрать солнечную батарею своими руками

Сборка корпуса солнечной батареи

Сборка солнечных батарей, а именно, корпуса может выполняться в разных вариантах. В первом случае ее можно сделать из фанерных листов и деревянных реек, поэтому такой монтаж не представляет особой сложности. Конструкции выпиливаются по размерам, а затем соединяются между собой саморезами. Все стыки и швы предварительно промазываются герметиком. Все деревянные части покрываются краской или специальными защитными составами. Дальнейшие работы проводятся только после полного высыхания конструкции.

Немного сложнее изготовить солнечную батарею из алюминиевого уголка. В этом случае сборка каркаса происходит в следующем порядке:

• Сборка из уголка прямоугольного каркаса.
• В каждом углу конструкции сверлятся отверстия под крепления.
• Внутренняя часть профиля по всему периметру покрывается силиконовым герметиком.
• Внутрь каркаса на обработанные места укладывается текстолит или оргстекло, вырезанные по размеру. Их нужно как можно плотнее прижать к уголкам.
• Внутри корпуса лист прозрачного материала фиксируется крепежными уголками, установленными по углам.
• Дальнейшие работы проводятся после полного высыхания герметика. Предварительно, все внутренние поверхности протираются от пыли и загрязнений.

Пайка проводов и соединение фотоэлементов

Все элементы для солнечных батарей отличаются повышенной хрупкостью и требуют аккуратного обращения. Перед началом пайки они протираются, чтобы поверхность была идеально чистой. Элементы с припаянными проводниками все равно следует проверить и устранить обнаруженные недостатки.

На каждой фотопластинке имеются контакты с различной полярностью. Вначале проводники припаиваются к ним, а уже потом соединяются между собой.

При использовании шин вместо проводов, необходимо учитывать следующие особенности:

• Шины размечаются и разрезаются на требуемое количество полосок.
• Контакты пластин протираются спиртом, после чего на них наносится тонкий слой флюса, с одной стороны.
• Шина прикладывается по всей длине контакта, после чего по ней нужно провести разогретым паяльником.
• Пластина переворачивается, и такая же операция повторяется на другой стороне.

Паяльник во время монтажа нельзя сильно прижимать к пластине, иначе она может лопнуть. На лицевой стороне после пайки не должно оставаться неровностей. Если они остались, нужно еще раз пройти паяльником по шву.

Чтобы не ошибиться с размещением пластин, перед тем как их собирать, на поверхность листа рекомендуется нанести разметку с учетом всех размеров и зазоров. После этого фотоэлементы укладываются на свои места. Затем контакты панелей соединяются между собой с обязательным соблюдением полярности.

Нанесение герметизирующего слоя

Перед тем как самому герметизировать конструкцию, нужно выполнить тестирование и проверить солнечные батареи на работоспособность. Она выносится на солнце, после чего на выводах шин замеряется напряжение. Если оно в пределах нормы, можно приступать к нанесению герметика.

Один из наиболее подходящих вариантов предполагает следующие действия:

• Силиконовый герметик наносится на самодельные солнечные батареи капельками по краям корпуса и между пластинами. После этого края фотоэлементов аккуратно прижимаются к прозрачному основанию и должны прилегать к нему как можно плотнее.
• На каждый край пластинок укладывается небольшой груз, после чего герметик полностью высыхает, а фотоэлементы надежно фиксируются.
• В самом конце аккуратно промазываются края рамки и все стыки между пластинами. На данном этапе герметиком покрывается все, кроме самих пластинок, он не должен попасть на их оборотную сторону.

Окончательная сборка солнечной панели

После всех операций остается лишь полностью собрать солнечную батарею в домашних условиях.

В этом случае порядок действий будет следующий:

• В боковой части корпуса устанавливается соединительный разъем, к которому подключаются диоды Шоттки.
• С лицевой стороны вся сборка пластинок солнечной батареи закрывается прозрачным защитным экраном и герметизируется, чтобы исключить попадание влаги внутрь конструкции.
• Для обработки лицевой стороны рекомендуется использовать специальный лак, например, PLASTIK-71.
• После сборки выполняется окончательная проверка, после чего солнечная батарея из подручных средств сделанная своими руками может устанавливаться на свое место.

Читайте далее:

Как сделать солнечную батарею своими руками

Повер банк с солнечной батареей

Обзор солнечных батарей для туристов

Установка солнечных батарей

Солнечные батареи для дома

Производство солнечных батарей

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• из аморфного Si.

Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы — эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами

В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин — они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических — не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок — следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов

Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью — их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях — высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.

Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:

• на основе теллурида кадмия;
• из тонких полимеров;
• с использованием индия и селенида меди.

О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.

Инструкция по изготовлению

Процесс изготовления солнечной батареи состоит из нескольких этапов:

1. Подготовка фотоэлементов и пайка проводников.
2. Создание корпуса.
3. Сборка элементов и герметизация.

Подготовка фотоэлементов и пайка проводников

На столе собирается набор фотоячеек. Допустим, производитель указывает на мощность 4 Вт и напряжение 0,5 вольт. В таком случае нужно использовать 36 фотоэлементов, чтобы создать солнечную батарею на 18 Вт.

С помощью паяльника, мощность которого составляет 25 Вт, наносятся контуры, образуя припаянные проводки из олова.

Качество пайки является главным требованием для эффективной работы солнечной батареи

Затем все ячейки соединяются между собой в соответствии с электрической схемой. При подключении солнечной панели можно воспользоваться одним из двух способов: параллельным или последовательным соединением. В первом случае плюсовые клеммы соединяются с плюсовыми, минусовые с минусовыми. Затем клеммы с разным зарядом выводятся к аккумулятору. Последовательное подключение предусматривает соединение противоположных зарядов путём поочерёдного скрепления ячеек между собой. После этого оставшиеся концы выводятся к аккумуляторной батарее.

Когда спайка будет завершена, нужно вынести ячейки на солнце, чтобы проверить их работоспособность. Если функциональность в норме, можно начинать сборку корпуса.

Проверка устройства выполняется на солнечной стороне

Как собрать корпус

Подготовить уголки из алюминия с невысокими бортиками.
Для метизов предварительно выполняются отверстия.
Затем на внутреннюю часть алюминиевого уголка наносится силиконовый герметик (желательно сделать два слоя). От того, насколько качественно он будет нанесён, зависит герметичность, а также длительность службы солнечной батареи
Важно обратить внимание на отсутствие незаполненных мест.
После этого в раму помещается прозрачный лист поликарбоната и плотно фиксируется.
Когда герметик высохнет, крепятся метизы с шурупами, что обеспечит более надёжное крепление.. Учитывая хрупкость конструкции, рекомендуется сначала создать каркас, а затем только устанавливать фотоэлементы. Учитывая хрупкость конструкции, рекомендуется сначала создать каркас, а затем только устанавливать фотоэлементы

Учитывая хрупкость конструкции, рекомендуется сначала создать каркас, а затем только устанавливать фотоэлементы

Сборка элементов и герметизация

• Очистите прозрачный материал от загрязнений.
• Разместите фотоэлементы на внутренней стороне листа из поликарбоната на расстоянии 5 мм между ячейками. Чтобы не ошибиться, предварительно сделайте разметку.
• На каждый фотоэлемент нанесите монтажный силикон.

Чтобы продлить срок службы солнечной батареи, рекомендуется нанести на её элементы монтажный силикон и закрыть задней панелью

После этого прикрепляется задняя панель. После застывания силикона нужно герметизировать всю конструкцию.

Герметизация конструкции обеспечит плотное прилегание панелей друг к другу

Устройство и принцип действия

Принцип действия электрической батареи базируется на таких физических явлениях, как полупроводимость и фотоэлектрический эффект. В основе любого солнечного элемента лежат полупроводники, атомы которых испытывают недостаток в электронах (p-тип проводимости), либо имеют их избыток (n-тип). Другими словами, используется двухслойная структура с n-слоем в качестве катода и p-слоем в качестве анода. Поскольку силы удержания «лишних» электродов в n-слое ослаблены (у атомов не хватает на них энергии), то они легко выбиваются из своих мест при бомбардировке фотонами света. Далее электроны перемещаются в свободные «дырки» p-слоя и через подключённую электрическую нагрузку (или аккумулятор) возвращаются к катоду — вот так и течёт электрический ток, спровоцированный потоком солнечного излучения.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно благодаря фотоэлектрическому эффекту, который описал в своих работах Эйнштейн

Как уже отмечалось выше, энергия от одного фотоэлемента крайне мала, поэтому их объединяют в модули. Последовательным подключением нескольких таких блоков наращивают напряжение батареи, а параллельным увеличивают силу тока. Таким образом, зная электрические параметры одной ячейки можно собрать батарею требуемой мощности.

Полученную от солнечной батареи электроэнергию можно накапливать в аккумуляторах и после преобразования в напряжение 220 В использовать для питания обычных бытовых прибораз

Для защиты от атмосферного воздействия полупроводниковые модули устанавливают в жёсткий каркас и закрывают стеклом с повышенным светопропусканием. Поскольку солнечную энергию можно использовать лишь в течение светового дня, то для её накопления используются аккумуляторы — расходовать их заряд можно по мере необходимости. Для повышения напряжения и его адаптации в соответствии с потребностями бытовых приборов используются инверторы.