Солнечная энергетика быстро набирает популярность в обществе. Процент интереса к солнечным панелям стремительно увеличивается за счёт владельцев загородных домов, коттеджей, вилл. Не остаются в стороне и владельцы дачных хозяйств, для кого дешёвая энергия солнца также необходима.
Вариант солнечной батареи обещает существенное снижение расходов на содержание любой недвижимости. Счета на оплату за потребление электрической энергии традиционно входят в книгу рекордов Гиннеса. А тут — электрический ток практически даром.
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.
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):
- Арсенид галлия GaAs (кристаллический 25,1).
- Фосфит индия InP ( 21,9).
- 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.
Эффективность солнечных батарей
Достичь высокой степени эффективности от использования солнечной батареи крайне проблематично. Тем более, когда солнечная батарея изготавливается своими руками, и делаются попытки получить энергию под бытовые нужды целого дома или хозяйственные нужды дачного участки.
Чтобы получать максимальную эффективность от солнечного генератора энергии, необходимо постоянно определять и точно согласовывать сопротивление нагрузки.
Здесь без привлечения технологичных электронных устройств – контроллеров управления, не обойтись никак. А сделать подобный контроллер своими руками – задача сложная.
Фотоэлементам, на основе которых выстраивается структура солнечных панелей, присуща температурная нестабильность. Практика применения указывает на значительное падение производительности фотоэлементов в результате повышения температуры их поверхности.
Так появляется ещё одна, не менее трудная задача. Её решение требует использования солнечного света, лишённого тепла. Сделать нечто подобное в кустарных условиях видится бесперспективной идеей.
И ещё недостатки альтернативной энергетики:
- потребность в значительных площадях под размещение панелей батареи;
- бездействие установки в тёмное время суток;
- наличие в составе компонентов батареи ядовитых веществ (свинца, галлия, мышьяка и т.п.);
- значительные эксплуатационные издержки.
Тем не менее, профессиональное изготовление солнечных генераторов энергии стабильно наращивается. Существует уже как минимум пять компаний, готовых предложить к установке современные конструкции, в том числе предназначенные для объектов жилой недвижимости:
- Canadian Solar
- Jinko Solar
- Hanwha Qcells
- JA Solar
- Trina Solar
Солнечная энергия в доме своими руками
Самостоятельное изготовление батареи на базе солнечных панелей, пригодной для нужд частного хозяйства, видится реальным делом только в рамках скромных проектов.
К примеру, изготовление солнечной батареи своими руками для подзарядки небольшого аккумулятора, энергия которого используется для питания двух-трёх маломощных (6 – 12 вольтовых) фонарей.
По таким проектам делаются установки, вырабатывающие напряжение не выше 20 вольт при токе не более 1 А. Рассмотрим один из возможных вариантов создания солнечной батареи с похожими рабочими характеристиками.
Для реализации проекта потребуются:
- Пластины кремниевых фотоэлементов.
- Паяльник электрический.
- Олово паяльное.
- Этиловый спирт.
- Канифоль сосновая для пайки.
- Инструмент электро-монтажника.
- Вспомогательные электронные компоненты и модули.
Пластины фотоэлементов (кремниевых) проще всего приобрести уже готовые, к примеру, на Aliexpress. Там вполне пригодные конструкции разных размеров продают по доступной цене. Также доступны предложения на отечественном Маркете:
Инструмент электро-монтажника, у человека знакомого с электроникой, как правило, имеется по умолчанию. Из вспомогательной аппаратуры потребуется регулятор заряда аккумулятора, инвертор.
Сборка солнечной батареи: пошаговая инструкция
Пошаговая сборка генератора на солнечных панелях выглядит примерно следующим образом:
- Пайка отдельных пластин с фотоэлементами в единую солнечную батарею.
- Проверка работы собранной батареи измерительным прибором.
- Укладка панелей внутрь защитной конструкции.
- Подключение собранной батареи через контроллер заряда к АКБ.
- Преобразование энергии АКБ в требуемое напряжение.
Спайка отдельных панелей в единую батарею – работа кропотливая, требующая навыков пайки и внимания. Сложность действий для сборщика обусловлена здесь хрупкой конструкцией кремниевых пластин.
Соединять пластины одну с другой рекомендуется плоскими ленточными проводниками. Цель – минимизировать, насколько это возможно, сопротивление проводников.
Места пайки следует предварительно обрабатывать этиловым спиртом. Паять рекомендуется с минимальным использованием канифоли и олова.
Завершив спайку, нужно проверить конструкцию на работоспособность. Делается эта процедура обычным образом, с помощью измерительного прибора – тестера (стрелочного, электронного).
На выходных проводниках замеряют выходное напряжение и ток в условиях максимальной и минимальной освещённости полотна. При качественной спайке всех пластин и без наличия дефектов, результат получается, как правило, положительный.
Контроллер заряда аккумулятора
Энергетическая солнечная установка станет надёжнее и безопаснее, если в состав её схемы включить контроллер заряда (разряда) аккумулятора. Этот прибор можно купить уже в готовом виде.
Но если имеются способности в области электроники и желания к совершенству, контроллер заряда нетрудно сделать своими руками. Для справки можно уточнить: разработаны два вида таких приборов:
- PWM (Pulse Width Modulation).
- MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Если перевести на русский язык, первый вид устройств действует на принципах широтно-импульсной модуляции. Второй вид приборов создан под вычисление так называемой максимальной точки мощности.
В любом случае, обе схемы собраны на классической элементной базе, с той лишь разницей, что вторые устройства отличаются более сложными схемными решениями. В систему контроллеры заряда включаются так:
Главная задача контроллера заряда АКБ энергетической солнечной установки – отслеживание уровня напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Недопущение выхода напряжения за границы, когда нарушаются условия эксплуатации АКБ.
Благодаря присутствию контроллера, остаётся стабильным срок службы аккумуляторной батареи. Конечно же, помимо этого прибор контролирует температурные и другие параметры, обеспечивая безопасность работы АКБ и всей системы.
Для сборки контроллера MPPT своими руками можно взять массу схемных решений. В поиске схемотехники проблем нет, стоит только сделать соответствующий запрос в поисковой системе.
Например, собрать контроллер можно на основе такой вот, несложной на первый взгляд, структурной схемы:
Однако для бытовых целей вполне достаточно простейшего ШИМ-контроллера, так как в составе бытовых энергоустановок, как правило, не используются массивные солнечные панели. Для контроллеров же типа MPPT, характерной особенностью является именно работа с панелями большой мощности.
На малых мощностях они не оправдывают их схемной сложности. Для пользователя приобретение таких приборов оборачивается лишними расходами. Поэтому логично рекомендовать для дома простой PWM аппарат, собранный своими руками, к примеру, по этой схеме:
Солнечная батарея: схема инвертора
Полученную от солнца энергию аккумулируют. В домашних условиях для накопления энергии обычно используется стандартная автомобильная батарея (или несколько батарей).
Напряжения и силы тока аккумулятора вполне достаточно для питания маломощных бытовых приборов, рассчитанных под напряжение 12 (24) вольт. Однако этот вариант устраивает далеко не всегда.
Поэтому дополнительно к собранной конструкции подключают инвертор – устройство, преобразующее напряжение аккумулятора в переменное напряжение 127/220 вольт, пригодное для питания бытовых приборов или хозяйственной техники.
Найти подходящую схему инвертора несложно. Есть множество идей на этот счёт. Традиционно схема инвертора включает следующие компоненты:
- полупроводниковую солнечную панель,
- интегральную микросхему типа SG3524 (регулятор заряда),
- аккумуляторную батарею,
- интегральную микросхему управления МОП-транзисторами,
- силовые МОП-транзисторы,
- трансформатор.
Структурная схема регулятора в паре с инвертором выглядит примерно так:
Защитная конструкция солнечной панели
Собранную из хрупких кремниевых пластин солнечную батарею необходимо дополнительно защитить от внешнего воздействия. Защитный корпус делают на основе прозрачного материала, который легко поддаётся чистке.
Полиуретановые или алюминиевые уголки каркаса и прозрачное органическое стекло подойдут в самый раз. Разъяснять тонкости сборки защитного корпуса не имеет смысла. Это простейшая сборка, собранная своими руками при помощи набора бытовых инструментов.
Пример реализации домашней энергоустановки
Источник: zetsila.ru
Немного истории
Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.
Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.
Принцип работы
Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Устройство
Конструкция солнечной батареи очень проста.
Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.
Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.
От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.
Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.
Как подключается
Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.
Разновидности солнечных батарей
Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.
Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.
Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.
Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.
Преимущества и недостатки
Как добиться максимальной эффективности
Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.
Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.
Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.
Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.
Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.
Источник: solar-energ.ru
Принцип работы
Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Лучи солнца, попадая на батарею, отдают часть своей энергии электронам, тем самым приводя их в движение. Электроны движутся, то есть получается электрический ток.
Солнечные батареи вырабатывают постоянный ток, с помощью которого они заряжают аккумуляторы. Аккумуляторы в свою очередь, могут сразу питать какой-либо приемник, например лампочку или зарядное устройство, или подсоединяться к инвертору напряжения для преобразования в переменный ток и дальнейшего использования в электросети.
Обычно материалом, который выступает в роли фотоэлектрического преобразователя, является кристаллический кремний, но это может быть и теллурид кадмия.
Устройство солнечной батареи
На производстве солнечных батарей из кремния нарезают тонкие листы небольшой площади. Такой лист называется модулем, затем этот модуль объединяют в цепочку из 9 таких же модулей, а потом объединяют уже 4 цепочки из 9 модулей. Не сложно посчитать, что количество модулей в одной батареи – 36. Все эти модули соединены последовательно и каждый из них вырабатывает электроэнергию. При этом дорожки, которые соединяют модули, могут быть из серебра или меди.
Затем все 36 модулей закрываются стеклом и пленкой и упаковываются в рамку.
Конструкция необязательно должна состоять из 36 модулей и именно в таком порядке, такая конструкция рассматривалась как наиболее распространенная.
Одним из недостатков такой конструкции является то, что при некотором затемнении солнечной батареи, часть модулей работают как нагрузка, ведь они соединены последовательно. Чтобы избавится от такого эффекта, устанавливаются байпасы на каждый модуль, то есть если модуль оказался в тени, то он оказывается исключенным из общей цепи, дабы не создавать нагрузку.
В некоторых видах солнечных батарей используют специальный концентратор, который представляет из себя линзу, которая сфокусирована на небольшой участок батареи. Таким образом, добиваются уменьшения размеров солнечной батареи и некоторого увеличения КПД.
Источник: electroandi.ru