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
Установка
Монтировать батарею необходимо по месту максимальной освещенности солнечным светом. Панели могут крепиться на крыше дома, на жестком или поворотном кронштейне.
Лицевая часть солнечной батареи должна быть обращена на юг или юго-запад под углом от 40 до 60 градусов. При монтаже нужно учитывать внешние факторы. Панели не должны загораживаться деревьями и другими предметами, на них не должна попадать грязь.
Несколько рекомендаций, которые помогут сберечь деньги и время при изготовлении солнечных панелей:
- Лучше покупать фотоэлементы с небольшими дефектами. Они также работоспособны, только имеют не такой красивый внешний вид. Новые элементы очень дороги, сборка солнечной батареи будет экономически не оправдана. Если нет особой спешки, пластины лучше заказать на eBay, это обойдется еще дешевле. С пересылкой и Китая нужно быть осторожнее – большая вероятность получить бракованные детали.
- Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом, велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
- Если элементы пока не используются, следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
- При первой сборке следует изготовить шаблон, на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
- Паять необходимо маломощным паяльником, и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
- Для сборки корпуса удобнее применять алюминиевые уголки, деревянная конструкция менее надежная. В качестве листа с тыльной стороны элементов лучше использовать оргстекло или другой подобный материал и надежнее, чем крашеная фанера, и эстетично выглядит.
- Располагать фотоэлектрические панели следует в местах, где солнечное освещение будет максимальным в течение всего светового дня.
Оснащение систем работающих с солнечными коллекторами автоматикой
Специфика работы гелиоустановок, постоянно меняющиеся исходные данные (время года, погодные условия и так далее) не обеспечивают стабильности параметров (температура, расход теплоносителей и других), что требует включению в схему установки управляющих систем.
Электронные устройства типа контроллера на основании анализа температуры в определенных местах схемы установки дают команды на открытие/закрытие клапанов, включают/выключают насосные установки для выбора оптимального движения теплоносителя по контуру. Так, например, при превышении температуры воды в накопительном баке теплоносителя, контроллер остановит его движение по контуру, прекратив потери тепла, которое могло бы сбрасываться в окружающую среду через коллектор.
Разновидности солнечных элементов
Фотоэлектрические преобразователи – это небольшие панельки со стороной от 38 до 156 мм. Для более-менее нормальной мощности вам понадобится не менее 35-50 элементов. Они могут быть как с припаянными проводниками, так и без них. Второй случай доставит больше хлопот с паяльником.
Панели очень хрупкие. Продавцы придумывают разные способы уберечь их от трещин и царапин во время доставки. Но даже такие меры не всегда спасают элементы. В процессе работы шанс повредить элементы еще больше: если их согнуть, они могут лопнуть, если сложить стопкой – поцарапать одна другую. Незначительные сколы не сильно повлияют на мощность.
На рынке есть два самых популярных типа фотоэлементов:
- поликристаллические;
- монокристаллические.
Поликристаллические имеют срок эксплуатации порядка 20 лет. Они достаточно эффективны в сложных погодных условиях. КПД – 7-9%. Монокристаллические преобразователи более долговечны (около 30 лет) и имеют больший КПД (13%). Однако они слишком чувствительны к плохой погоде: если солнце закрыто облаками или лучи падают не под прямым углом, эффективность существенно падает.
Виды солнечных элементов
Устройство и принцип работы
Солнечная батарея – это несколько полупроводниковых фотоэлементов, преобразующих световую энергию в электричество. Ее работа основана на использовании барьерного фотоэффекта.
Принцип работы полупроводникового фотоэлемента
В месте соединения полупроводников разных типов проводимости (р и n) возникает электрическое поле, которое препятствует проникновению электронов из области с n-проводимостью в зону р-типа и «дырок» из участка полупроводника с р-проводимостью в участок с n-проводимостью. Если осветить такой кристалл, то элементарные частицы света – фотоны – будут выбивать электроны со своих орбит и генерировать электронно-дырочную пару.
При этом электроны, генерируемые в р слое рядом с р-n-переходом, под действием электрического поля барьера будут переходить в n-область. Аналогично «дырки», возникающие под действием света n-области, будут выноситься в зону с р-проводимостью. В результате в n-слое возникнет избыток электронов, и, соответственно, эта область будет заряжена отрицательно. Соответственно, в p-слое появится избыток “дырок” и положительный заряд. На контактах пластины возникнет разность потенциалов. Отрицательное напряжение будет действовать на контакте, соединенном с полупроводником n-типа, а положительное – на другом выводе.
Из чего состоит
Для изготовления солнечных батарей используют такие материалы:
- кремний (Si);
- германий (Ge);
- арсенид галлия (GaAs);
- селен (Se);
- теллурид кадмия (CdTe).
Самое большое распространение получили солнечные элементы, изготовленные на основе кремния. Они отличаются хорошим КПД и сравнительно невысокой стоимостью.
Солнечные источники питания бывают трех видов: монокристаллические, поликристаллические и аморфные.
- Монокристаллические элементы сделаны из одного цельного кристалла кремния. Эти элементы изготавливают, разрезая искусственно выращенные кристаллы кремния. Их КПД находится в пределах от 13 до 25%. Они могут работать в течение 25 лет, однако, их коэффициент полезного действия со временем уменьшается. Такие элементы теряют свою эффективность при слабом освещении.
- Поликристаллические фотоэлементы изготавливают, расплавляя, а потом охлаждая кристалл кремния. КПД таких приборов находится в пределах от 9 до 18%. Срок их службы 10 лет, но при этом коэффициент полезного действия не уменьшается с течением времени. Эти модули могут работать даже в плохую погоду.
- Солнечные элементы на основе аморфного кремния изготавливают путем напыления полупроводника на основание из полимера. Такие элементы способны гнуться, поэтому их легко монтировать. Однако КПД у них небольшой – от 5 до 10%, а срок службы не более 2-х лет. Неплохо работают при слабом освещении.
Более подробно читайте в статье: из чего состоит и как работает солнечная батарея.
Шаг 5: Выбор инвертора
Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.
Виды волн переменного тока на выходе инвертора:
- Прямоугольная волна – меандр;
- Модифицированная синусоида;
- Чистая синусоида.
Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.
Мы рекомендуем выбирать инверторы с чистой синусоидой.
Параметры инвертора:
- Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
- Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
- Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
- Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.
Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах
Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора).
Начинаем собирать солнечную панель
Сейчас можно найти массу предложений о том, как и из чего можно собрать солнечные панели. Способов много, и выбрать можно по своему предпочтению. В данном материале рассматриваются базовые принципы, которые необходимо использовать, изготавливая солнечные батареи своими руками.
Переменный ток
Также можно встретить описание сетей на солнечной энергии, использующих панели из 36 элементов. Каждая из панелей имеет мощность около 65 Ватт. Солнечная батарея для дачи или небольшого частного дома может состоять из 15 таких панелей, которые способны вырабатывать до 5 кВт в час общей электрической мощности, имея собственную мощность в 1 кВт.
Идеи из подручных материалов
Можно сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Рассмотрим самые популярные варианты.
Солнечная батарея из фольги
Многие удивятся, узнав, что фольгу можно применять для изготовления солнечной батареи своими руками. На самом деле, в этом нет ничего удивительного, ведь фольга увеличивает отражающие способности материалов. Например, для уменьшения перегрева панелей, их кладут на фольгу.
Как сделать солнечную батарею из фольги?
Нам понадобится:
- 2 «крокодильчика»;
- медная фольга;
- мультиметр;
- соль;
- пустая пластиковая бутылка без горлышка;
- электрическая печь;
- дрель.
Очистив медный лист и вымыв руки, отрезаем кусок фольги, кладем его на раскаленную электроплиту, нагреваем полчаса, наблюдая почернение, затем убираем фольгу с плиты, даем остыть и видим, как от листа отслаиваются куски. После нагревания оксидная пленка пропадает, поэтому черный оксид можно аккуратно удалить водой.
Затем вырезается второй кусок фольги такого же размера, как и первый, две части сгибаются, опускаются в бутылку так, чтобы у них не было возможности соприкоснуться.
Далее «крокодильчики» прицепляются к панели, провод от ненагретой фольги — к плюсу, от нагретой — к минусу, соль растворяют в воде и выливают раствор в бутылку. Батарея готова.
Также фольгу можно применять для подогрева. Для этого ее необходимо натянуть на раму, к которой затем нужно подсоединить шланги, подведенные, например, к лейке с водой.
Вот мы и узнали, как самому сделать солнечную батарею для дома из фольги.
Солнечная батарея из транзисторов
У многих дома завалялись старые транзисторы, но не все знают, что они вполне подойдут для изготовления солнечной батареи для дачи своими руками. Фотоэлементом в таком случае является полупроводниковая пластина, находящаяся внутри транзистора. Как же изготовить солнечную батарею из транзисторов своими руками? Сначала необходимо вскрыть транзистор, для чего достаточно срезать крышку, так мы сможем разглядеть пластину: она небольших размеров, чем и объясняется низкий КПД солнечных батарей из транзисторов.
Далее нужно проверить транзистор. Для этого используем мультиметр: подключаем прибор к транзистору с хорошо освещенным p-n переходом и замеряем ток, мультиметр должен зафиксировать ток от нескольких долей миллиампера до 1 или чуть больше; далее переключаем прибор в режим измерения напряжения, мультиметр должен выдать десятые доли вольта.
Прошедшие проверку транзисторы размещаем внутри корпуса, например, листового пластика и спаиваем. Можно изготовить такую солнечную батарею своими руками в домашних условиях и использовать ее для зарядки аккумуляторов и радиоприемников маленькой мощности.
Солнечная батарея из диодов
Также подходят для сборки батарей старые диоды. Сделать солнечную батарею своими руками из диодов совсем несложно. Нужно вскрыть диод, оголив кристалл, являющийся фотоэлементом, затем нагревать диод 20 секунд на газовой плите, и, когда припой расплавится, извлечь кристалл. Остается припаять вытащенные кристаллы к корпусу.
Мощность таких батарей невелика, но для электропитания небольших светодиодов ее достаточно.
Солнечная батарея из пивных банок
Такой вариант изготовления солнечной батареи своими руками из подручных средств большинству покажется очень странным, но сделать солнечную батарею своими руками из пивных банок просто и дешево.
Корпус сделаем из фанеры, на которую поместим поликарбонат или оргстекло, на задней поверхности фанеры зафиксируем пенопласт или стекловату для изоляции. Фотоэлементами нам послужат алюминиевые банки
Важно выбрать именно банки из алюминия, так как алюминий менее подвержен коррозии, чем, например, железо и обладает лучшим теплообменом
Далее в нижней части банок проделываются отверстия, крышка срезается, и ненужные элементы загибаются для обеспечения лучшей циркуляции воздуха. Затем необходимо очистить банки от жира и грязи с помощью специальных средств, не содержащих кислоты. Далее необходимо герметично скрепить банки между собой: силиконовым гелем, выдерживающим высокие температуры, или паяльником. Обязательно нужно очень хорошо просушить склеенные банки в неподвижном положении.
Прикрепив банки к корпусу, окрашиваем их в черный цвет и закрываем конструкцию оргстеклом или поликарбонатом. Такая батарея способна нагревать воду или воздух с последующей подачей в помещение.
Мы рассмотрели варианты того, как сделать солнечную панель своими руками. Надеемся, что теперь у вас не возникнет вопроса, как сделать солнечную батарею.
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.
Такая промышленная бытовая установка генерирует 150 ватт мощности при напряжении сети 12 вольт. Правда, заявленная мощность гарантируется при полностью открытом солнечном небосводе
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
Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления
Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.
Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.
Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.
В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.
Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:
- снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
- экологичность данного вида энергии.
Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.
Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.
Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.
Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.
Основные разновидности солнечных коллекторов
Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.
КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.
Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:
- водяные (жидкостные);
- воздушные.
По уровню предельных температур коллекторы бывают:
- низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
- среднетемпературными до 80°C;
- высокотемпературными – более 80°C.
Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.
Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:
- плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
- вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
- трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
- термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.
Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.
Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.
Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.
Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.
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.
