Делаем солнечные батареи для дома своими руками

Долгое время уделом солнечных батарей были либо громоздкие панели спутников и космических станций, либо маломощные фотоэлементы карманных калькуляторов. Это было связано с примитивностью первых монокристаллических кремниевых фотоэлементов: они имели не только низкий КПД (не более 25% в теории, на практике – около 7%), но и заметно теряли эффективность при отклонении угла падения света от 90˚. Учитывая, что в Европе в облачную погоду удельная мощность солнечного излучения может падать ниже 100 Вт/м², для получения сколько-нибудь значительной мощности требовались слишком большие площади солнечных батарей. Поэтому первые солнечные электростанции строились только в условиях максимальной мощности светового потока и ясной погоды, то есть в пустынях вблизи экватора.

Значительный прорыв в создании фотоэлементов вернул интерес к солнечной энергетике: так, наиболее дешевые и доступные поликристаллические кремниевые элементы, хотя и имеют меньший КПД, чем у монокристаллических, но зато и менее чувствительны к условиям работы. Солнечная панель на основе поликристаллических пластин выдаст достаточно стабильное напряжение при переменной облачности. Более современные фотоэлементы на основе арсенида галлия имеют КПД до 40%, но слишком дороги для изготовления солнечной батареи своими руками.

На видео идет рассказ об идее постройки солнечной батареи и ее реализации

Стоит ли делать?

С этой целью выпускаются и продаются готовые компактные панели, выполненные в виде быстро сворачиваемых сборок на основе из синтетической ткани. В средней полосе России такая панель размером около 30х40 см сможет обеспечить мощность в пределах 5 Вт при напряжении 12 В.

Более крупная батарея сможет обеспечить до 100 Вт электрической мощности. Казалось бы, это не так много, но стоит вспомнить принцип работы небольших ветряных электростанций: в них вся нагрузка запитывается через импульсный преобразователь от батареи аккумуляторов, которые заряжаются от маломощного ветряка. Таким образом становится возможным использование более мощных потребителей.

Использование аналогичного принципа при постройке домашней солнечной электростанции делает ее более выгодной по сравнению с ветряком: летом солнце светит большую часть дня, в отличие от непостоянного и часто отсутствующего ветра. По этой причине аккумуляторы смогут набирать заряд днем гораздо быстрее, а сама солнечная панель гораздо проще в установке, чем требующий высокой мачты ветряной генератор.

Есть свой смысл и в использовании солнечной батареи исключительно как источника аварийного питания. Например, если в частном доме установлен газовый котел отопления с циркуляционными насосами, при отключении электропитания можно через импульсный преобразователь (инвертор) запитать их от аккумуляторов, которые поддерживаются заряженными от солнечной батареи, сохраняя систему отопления работоспособной.

Телевизионный сюжет на эту тему

Подборка компонентов

Основа панели – это сборка фотоэлементов. Так как для получения достаточной мощности нам потребуется достаточно большое их количество, стоит рассмотреть наиболее дешевые источники, в роли которых традиционно выступают Ebay и Aliexpress. Нужный товар ищется по запросу “solar cell”.

В среднем готовая тонкопленочная сборка под напряжение 12 В и ток 100 мА стоит в Китае около 200-300 рублей, ее размеры составят около 85×115 мм. Можно встретить также как меньшие сборки (на 5, 6 вольт), так и отдельные фотоэлементы (их рабочее напряжение – 0,5 В). В любом случае их придется комбинировать, чтобы получить нужное напряжение и мощность. Для этого будет необходимо скомбинировать последовательное и параллельное подключение фотоэлементов.

• Соединяя фотоэлементы последовательно, мы не изменяем максимальный ток, который может отдать сборка, но увеличиваем напряжение на ее выходах: к примеру, сборка из 6 поликристаллических фотоэлементов (напомним, рабочее напряжение каждого – 0,5 В) будет выдавать 3 В.
• Соединяя фотоэлементы параллельно, мы увеличиваем токоотдачу сборки, сохраняя ее рабочее напряжение. При этом важно, чтобы каждая секция имела одинаковое количество элементов.

На приведенном выше рисунке отображен принцип соединения фотоэлементов. Каждый из них имеет напряжение в 0,5В; сборка из двух фотоэлементов SB2 и SB3 выдает нам 1В, сборка из трех – 1,5В, параллельное подключение второй секции не изменяет напряжение.

Также по схеме видно, что каждая из параллельно соединенных секций подключена к нагрузке через диод. Это необходимо для того, чтобы избежать потери тока через менее освещенные секции (например, половину батареи закрыла тень), а также не дать аккумуляторам разряжаться ночью. Для обеспечения максимального КПД нам понадобятся диоды с минимальным прямым падением напряжения (так называемые диоды Шоттки). Их нужно подбирать с учетом полуторакратного запаса по обратному напряжению и току.

При выборе фотоэлементов предпочтите уже имеющие готовые площадки для пайки, сборка панели в этом случае будет гораздо проще. Также можно увидеть в продаже солнечные батареи без площадок для пайки: их нужно собирать с использованием токопроводящих шин из медной фольги, это менее удобный способ.

Итак, определившись с типом используемых элементов, можно приступить к расчету конструкции панели. Например, мы выбрали сборку из одиночных (0,5В) фотоэлементов с номинальным током 100 мА, рассчитывая на зарядку аккумулятора 12В током до 6 А. Следовательно, нам понадобится 6/0,1=60 секций по 12/0,5=24 фотоэлемента, итого 1440 фотоэлементов. Также потребуется 60 барьерных диодов.

Сами фотоэлементы необходимо будет разместить под прозрачным листом, который будет защищать их от механических повреждений. Лучше использовать толстое (3-4 мм) минеральное стекло, а не органическое, так как, несмотря на большую массу и стоимость, оно не мутнеет и не царапается.

Размеры стеклянной панели рассчитываются из размеров и расположения секций. В нашем примере, применяя элементы размером 53х18 мм, мы получим размеры секции в 212х108 мм, если расположим их в порядке 4×6:

60 таких секций разумнее всего расположить в порядке 5х12, таким образом общие размеры панели составят 1060х1296 мм. При этом нужно учесть припуск на бортики панели в зависимости от их конструкции.

На видео показан процесс постройки с комментариями

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.

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.

Дополнительные устройства для эксплуатации

Важной особенностью солнечной батареи является сильная зависимость ее выходного напряжения и максимального тока от освещенности. Сделав своими руками батарею с расчетным напряжением в 12В, можно будет обнаружить, что ее реальное напряжение будет колебаться от 9В при слабом и косо падающем свете до 18-19В при ярком прямом освещении. Напрямую подключать солнечную батарею к аккумулятору нельзя – это может привести к перезаряду и выкипанию электролита, если используется свинцово-кислотный аккумулятор. Для герметичных гелевых аккумуляторов перезаряд еще более страшен и приводит к необратимому повреждению.

Во избежание перезаряда аккумуляторных батарей используются специальные контроллеры заряда. Наиболее простые схемы просто отключают аккумулятор по мере набора заряда, а сама зарядка идет лишь тогда, когда напряжение на солнечной батарее выше, чем на аккумуляторе (так называемая схема On-Off). По соображениям безопасности отключение зарядки происходит заведомо раньше полного набора емкости, в среднем на 70 процентах. Более совершенные зарядные устройства на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции, также PWM от Pulse Width Modulation) поддерживают заряд аккумулятора практически на 100%, переходя по мере набора емкости в импульсный режим. Самые сложные и дорогие контроллеры MPPT (Maximum Power Point Tracking, отслеживание точки максимальной мощности) также отслеживают и состояние самой батареи, включая ее температуру, для обеспечения максимального КПД.

Китайские контроллеры заряда производства фирм наподобие EP Solar обойдутся недорого по сравнению с самой солнечной батареей: блок 12В/5А стоит около 1100 р., более мощные и совершенные американские блоки Morningstar имеют цену от 8 тысяч рублей.

Но подобное устройство можно собрать и самостоятельно при наличии соответствующих навыков в радиоэлектронике. Ниже приведена простая схема повышающего контроллера, способного обеспечивать заряд аккумулятора от шестивольтовой солнечной батареи:

Для подстройки максимального напряжения на выходе служит подстроечный резистор R2.

Для солнечных батарей, рассчитанных на 12В, можно использовать следующую схему:

Здесь MainLoad– разъем для подключения аккумулятора, AuxLoad– для дополнительной нагрузки, требующей ограничения напряжения (например, зарядное устройство телефона). Достоинство этой схемы – возможность ее использования с различными типами аккумуляторов, определяемыми положением переключателя:

• 1.Обслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор
• 2.Необслуживаемый аккумулятор
• 3.Батарея литиевых аккумуляторов (3 аккумулятора по 4,1 В)

Заключение

В первую очередь – благодаря дешевизне производимых в Китае поликристаллических кремниевых фотоэлементов, которые позволяют собирать достаточно бюджетные конструкции. В зависимости от потребностей и возможностей солнечная батарея может быть изготовлена с разнообразными характеристиками – от компактной складной конструкции для зарядки телефона или навигатора до крупногабаритных панелей, работающих в системах резервного питания совместно с аккумуляторными батареями и инверторными преобразователями.