Сонячні батареї - джерело отримання енергії, яку можна направити на вироблення електрики або тепла для малоповерхового будинку. Ось тільки сонячні батареї мають високу вартість і недоступні більшості жителів нашої країни. Чи згодні?
Інша справа, коли зроблена сонячна батарея своїми руками - витрати значно зменшуються, а працює така конструкція нітрохи не гірше, ніж панель промислового виробництва. Тому, якщо ви серйозно замислюєтеся про придбання альтернативного джерела електроенергії, спробуйте зробити його своїми руками - це не дуже складно.
У статті мова піде про виготовлення сонячних батарей. Ми розповімо, які матеріали, і інструменти для цього будуть потрібні. А трохи нижче ви знайдете покрокову інструкцію з ілюстраціями, які наочно демонструють хід роботи.
Коротко про пристрій і роботу
Енергію сонця можна перетворити в теплову, коли енергоносієм є рідина-теплоносій або в електричну, яка збирається в акумуляторах. Батарея являє собою генератор, що працює на принципі фотоелектричного ефекту.
Перетворення енергії сонця в електроенергію відбувається після попадання сонячних променів на пластини-фотоелементи, які є основною частиною батареї.
При цьому світлові кванти "відпускають" свої електрони з крайніх орбіт. Ці вільні електрони дають електричний струм, який проходить через контролер і накопичується в акумуляторі, а звідти надходить енергоспоживачам.
Збірка представленої в прикладі батареї проводилася з 36 платівок розміром 80х150 мм. Продуктивність кожної пластинки по 2, 1 Вт, загальна потужність приладу 76 Вт 
З лицьового боку споруджується сонячної батареї розташовуються плюсові струмопровідні жили, що формуються шляхом пайки 
З тильного боку за допомогою пайки формуються мінусові струмопровідні лінії на шести контактах 
Пластини з'єднуються згідно послідовної схемою. На виході плюсовій лінії встановлюється діод Шотткі, що виключає розрядку акумулятора в похмурі погодні періоди
У ролі пластин-фотоелементів виступають елементи з кремнію. Кремнієва пластина з одного боку покрита тонким шаром фосфору або бору - пасивного хімічного елемента.
У цьому місці під дією сонячних променів вивільняється велика кількість електронів, які утримуються фосфорної плівкою і не розлітаються.
На поверхні пластини є металеві "доріжки", на яких вибудовуються вільні електрони, утворюючи впорядкований рух, тобто електричний струм.
Чим більше таких кремнієвих пластин-фотоелементів, тим більше електричного струму можна отримати. Детальніше про принцип роботи сонячної батареї читайте далі.
Верхній шар пластин-фотоелементів покритий шаром, який не допускає відображення сонячного світла від пластин, підвищуючи їх ККД
Матеріали для створення сонячної пластини
Приступаючи до спорудження сонячної батареї необхідно запастися наступними матеріалами:
- силікатні пластини-фотоелементи;
- листи ДСП, алюмінієві куточки і рейки;
- жорсткий поролон товщиною 1, 5-2, 5 см;
- прозорий елемент, що виконує роль підстави для кремнієвих пластин;
- шурупи, саморізи;
- силіконової герметик для зовнішніх робіт;
- електричні дроти, діоди, клеми.
Кількість необхідних матеріалів залежить від розміру вашої батареї, яка найчастіше обмежується кількістю доступних фотоелементів. З інструментів вам знадобитися: шуруповерт або набір викруток, ножівка по металу і дереву, паяльник. Для проведення випробувань готової батареї знадобитися тестер-амперметр.
Тепер розглянемо найважливіші матеріали більш докладно.
Кремнієві пластини або фотоелементи
Фотоелементи для батарей бувають трьох видів:
- полікристалічні;
- монокристаллические;
- аморфні.
Полікристалічні пластини характеризуються низьким ККД. Розмір корисної дії становить близько 10 - 12%, але зате цей показник не знижується з плином часу. Тривалість роботи полікристалів - 10 років.
Сонячну батарею збирають з модулів, які в свою чергу складають з фотоелектричних перетворювачів. Батареї з жорсткими кремнієвими фотоелементами являють собою якийсь сендвіч з послідовно розташованими шарами, закріпленими в алюмінієвому профілі
Монокристалічні фотоелементи можуть похвалитися більш високим ККД - 13-25% і довгими термінами роботи - понад 25 років. Однак з часом ККД монокристалів знижується.
Монокристалічні перетворювачі отримують шляхом пиляння штучно вирощених кристалів, що і пояснює найбільш високу фотопровідність і продуктивність.
Плівкові фотоперетворювачів отримують шляхом нанесення тонкого шару аморфного кремнію на полімерну гнучку поверхню
Гнучкі батареї з аморфним кремнієм - найсучасніші. Фотоелектричний перетворювач у них напилюв або наплавлені на полімерну основу. ККД в районі 5 - 6%, але плівкові системи вкрай зручні в укладанні.
Плівкові системи з аморфними фотоперетворювачах з'явилися порівняно недавно. Це гранично простий і максимально дешевий вид, але швидше за суперників втрачає споживчі якості.
Недоцільно використовувати фотоелементи різного розміру. В даному випадку максимальний струм, що виробляється батарей, буде обмежений струмом найбільш маленького за розміром елемента. Значить, більші пластини не будуть працювати на повну потужність.
При покупці фотоелементів поцікавтеся у продавця способом доставки, більшість продавців використовують метод воскування, щоб запобігти руйнуванню тендітних елементів
Найчастіше для саморобних батарей використовуються моно- і полікристалічні фотоелементи розміром 3х6 дюймів, які можна замовити в інтернет-магазинах типу Е-бай.
Вартість фотоелементів досить висока, але багато магазинів продають так звані елементи групи В. Вироби, віднесені до цієї групи мають шлюб, але придатні до використання, а їх вартість нижче, ніж у стандартних пластин на 40-60%.
Більшість інтернет-магазинів продають фотоелементи комплектами по 36 або 72 фотоелектричної перетворювальної пластини. Для з'єднання окремих модулів в батарею будуть потрібні шини, для підключення до системи потрібні будуть клеми.
Полікристалічні кремнієві пластини залучають доступною ціною. Недолік їх в не дуже високу ефективність і в жорсткості, що вимагає твердої основи для укладання 
Зі зворотного боку пластини є 6 контактів для припою токоведущей лінії. Із зовнішнього боку контак прокладений або суцільною смугою, або переривчастою лінією 
Монокристалічні кремнієві пластини майже в три рази потужніша полікристалічних і практично в чотири дорожче 
Монокристалічний варіант відрізняється гнучкістю, може укладатися на складні нерівні поверхні, що не відрізняються стабільністю
Каркас і прозорий елемент
Каркас для майбутньої панелі можна зробити з дерев'яних рейок або алюмінієвих куточків.
Другий варіант більш кращий за цілою низкою причин:
- Алюміній - легкий метал, що не дає серйозного навантаження на опорну конструкцію, на яку планується установка батареї.
- При проведенні антикорозійної обробки алюміній не схильний до дії іржі.
- Не вбирає вологу з навколишнього середовища, не гниє.
При виборі прозорого елемента необхідно звернути увагу на такі параметри, як показник заломлення сонячного світла і здатність поглинати ІЧ-випромінювання.
Від першого показника напряму залежатиме ККД фотоелементів: чим показник заломлення нижче, тим вище ККД кремнієвих пластин.
Мінімальний коефіцієнт світловідбивання у плексиглас або більш дешевого його варіанту - оргскла. Трохи нижче показник заломлення світла у полікарбонату.
Від величини другого показника залежить, чи будуть нагріватися самі кремнієві фотоелементи чи ні. Чим менше пластини піддаються нагріванню, тим довше вони прослужать. ІК-випромінювання найкраще поглинає спеціальне термопоглощающее оргскло і скло з ІК-поглинанням. Трохи гірше - звичайне скло.
Якщо є можливість, то оптимальним варіантом буде використання в якості прозорого елемента антиблікового прозорого скла.
За співвідношенням вартості до показників заломлення світла і поглинання ІЧ-випромінювання оргскло - найоптимальніший варіант для виготовлення геліобатареї
Проект системи і вибір місця
Проект геліосистеми включає в себе розрахунки необхідного розміру сонячної пластини. Як було сказано вище, розмір батареї, як правило, обмежений дорогими фотоелементами.
Геліобатарея повинна встановлюватися під певним кутом, який забезпечив би максимальне потрапляння на кремнієві пластини сонячних променів. Найкращий варіант - батареї, які можуть змінювати кут нахилу.
Місце встановлення сонячних пластин може бути найрізноманітнішим: на землі, на похилому або плоскому даху будинку, на дахах підсобних приміщень.
Єдина умова - батарея повинна бути розміщена на сонячній, чи не затіненій високою кроною дерев стороні ділянки або будинку. При цьому оптимальний кут нахилу необхідно обчислити за формулою або із застосуванням спеціалізованого калькулятора.
Кут нахилу буде залежати від місця розташування будинку, пори року і клімату. Бажано, щоб у батареї була можливість змінювати кут нахилу слідом за сезонними змінами висоти сонця, тому що максимально ефективно вони працюють при падінні сонячних променів строго перпендикулярно поверхні.
Для європейської частини країн СНД рекомендований кут стаціонарного нахилу 50 - 60 º. Якщо в конструкції передбачено пристрій для зміни кута нахилу, то в зимовий період краще розташовувати батареї під 70 º до горизонту, в літню пору під кутом 30 º
Розрахунки показують, що 1 квадратний метр геліосистеми дає можливість отримати 120 Вт. Тому шляхом розрахунків можна встановити, що для забезпечення середньостатистичної сім'ї електроенергією в кількості 300 кВт на місяць необхідна гелиосистема мінімум в 20 квадратних метрів.
Відразу встановити таку геліосистему буде проблематично. Але навіть монтаж 5-ти метрової батареї допоможе заощадити електроенергію і внести свій скромний внесок в екологію нашої планети. Радимо також ознайомитися з принципом розрахунку необхідної кількості сонячних батарей.
Сонячна батарея може використовуватися в якості резервного енергоджерела при частому відключенні централізованого енергопостачання. Для автоматичного перемикання необхідно передбачити систему безперебійного живлення.
Така система зручна тим, що при використанні традиційного джерела електроенергії одночасно проводиться зарядка акумулятора геліосистеми. Устаткування обслуговує геліобатареї розміщується всередині будинку, тому необхідно передбачити для нього спеціальне приміщення.
Розміщуючи батареї на похилому даху будинку, не забувайте про куті нахилу панелі, ідеальний варіант, коли у батареї є пристрій для сезонної зміни кута нахилу
Монтаж сонячної батареї по кроках
Вибравши місце для розміщення сонячної панелі та обладнання для обслуговування геліосистеми, а також маючи в наявності всі необхідні матеріали і інструменти, можна починати монтаж батареї.
При монтажі необхідно дотримуватися техніки безпеки, особливо здійснюючи установку готової панелі на дах будинку. Розглянемо покроковий алгоритм, як зробити сонячну батарею.
Крок # 1 - паяння контактів кремнієвих пластин
Монтаж саморобної сонячної батареї часто починається з пайки провідників фотоелементів. Безумовно, якщо у вас є можливість, то краще за все купити фотоелементи відразу з провідниками, тому що пайка - дуже непроста і копітка робота, що займає багато часу.
Пайка здійснюється наступним чином:
- Береться кремнієвий фотоелемент без провідників і металева смуга-провідник.
- Провідники нарізаються за допомогою картонної заготовки, їх довжина в 2 рази більше, ніж розмір кремнієвої пластини.
- Провідник акуратно викладається на пластину. На один елемент - два провідника.
- На місце, де буде проводитися спайка, необхідно нанести кислоту для роботи з паяльником.
- Провести пайку за допомогою паяльника, акуратно приєднавши провідник до пластини.
В процесі пайки не можна тиснути на силікатна елемент, тому що він дуже крихкий і може зруйнуватися! Якщо вам пощастило, і ви придбали фотоелементи з готовими контактами, то ви позбавите себе від довгої і складної роботи, переходячи відразу до виготовлення каркасу для майбутньої батареї.
Пайка контактів для бракованих фотоелементів групи В проводиться так само і в тому ж напрямку, що і для цілих пластин
Крок # 2 - виготовлення каркаса для сонячної батареї
Каркас - це місце, куди будуть встановлюватися фотоелементи. Для виготовлення каркаса беруться алюмінієві куточки і рейки, з яких складаються рамки. Рекомендований розмір куточка - 70-90 мм.
На внутрішню частину металевих куточків наноситься силіконовий герметик. Герметизацію куточків необхідно провести ретельно, від цього залежить довговічність всієї конструкції.
Після того, як алюмінієва рамка готова, приступаємо до виготовлення заднього корпусу. Задній корпус являє собою дерев'яний ящик з ДСП з невисокими бортиками.
Високі борти будуть створювати тінь на фотоелементах, тому їх висота не повинна перевищувати 2 см. Борти пригвинчуються за допомогою саморізів і шуруповерта.
Розміри корпусу розраховуються з урахуванням необхідності залишати зазори між фотоелектричними елементами. Складати він повинен 3 - 5 мм 
У бортах і бруску, що поділяє корпус на два сегменти для зручності укладання, висвердлені отвори для вентиляції системи 
Для того щоб підвищити точність кріплення пластин і точний розподіл зазорів використовується підкладка з ДВП 
Для того щоб захистити деталі корпуса приладу, що працює на вулиці, деталі корпуса покриті барвником водовідштовхувальним складом
На дні скриньки-корпусу з ДСП робляться вентиляційні отвори. Відстань між отворами приблизно 10 см. В алюмінієву раму встановлюється прозорий елемент (оргскло, антиблікове скло, плексиглас).
Прозорий елемент притискається і фіксується, його кріплення здійснюється за допомогою метизів: 4 по кутах, а також по 2 з довгих і по 1 з короткої сторони рами. Металовироби кріпляться шурупами.
Каркас для геліобатареї готовий і можна приступати до самої відповідальної частини - монтажу фотоелементів. Перед монтажем необхідно очистити оргскло від пилу і знежирити алкогольної рідиною.
Крок # 3 - монтаж кремнієвих пластин-фотоелементів
Монтаж і пайка кремнієвих пластин - сама трудомістка частина роботи по створенню сонячної панелі своїми руками. Спочатку розкладаємо фотоелементи на оргскло синіми пластинами вниз.
Якщо ви вперше збирайте батарею, то можна скористатися підкладкою для нанесення розмітки, щоб розташувати пластини рівно на невеликому (3-5 мм) відстані один від одного.
- Виробляємо пайку фотоелементів за такою електросхемі: "+" доріжки розташовані на лицьовій стороні пластини, "-" - на зворотній. Перед паянням акуратно завдає флюс і припій, щоб з'єднати контакти.
- Виробляємо пайку всіх фотоелементів послідовно рядами зверху вниз. Ряди потім повинні бути також з'єднані між собою.
- Приступаємо до приклеювання фотоелементів. Для цього наносимо невелику кількість герметика на центр кожної кремнієвої пластини.
- Перевертаємо отримані ланцюжка з фотоелементами лицьовою стороною (там, де сині пластини) вгору і розміщуємо пластини по розмітці, яку нанесли раніше. Обережно притискаємо кожну пластину, щоб зафіксувати її на своєму місці.
- Контакти крайніх фотоелементів виводимо на шину, відповідно "+" і "-". Для шини рекомендується використовувати більш широкий провідник зі срібла.
- Геліобатареї необхідно оснастити блокуючим діодом, який з'єднується з контактами і запобігає розрядку акумуляторів через конструкцію в нічний час.
- У дні каркаса свердлимо отвори для виведення проводів назовні.
Провід необхідно прикріпити до каркасу, щоб вони не бовталися, зробити це можна використовуючи силіконовий герметик.
Крок 1: Для того щоб видалити захисний шар воску з поверхні фотоелектричних пластинок, їх опускають в гарячу, але не киплячу воду 
Крок 2: Після отмоканія в гарячій воді для усунення воскового покриття кремнієві пластини висушуються на рушник 
Крок 3: Для полегшення процесу пайки і кріплення пластин контури їх викреслюються на підкладці 
Крок 4: Елементи з'єднуються послідовно. В пайку використовується малопотужний паяльник і прутковий припій з каніфоллю в серцевині 
Крок 5: Пайка проводиться до тих пір, поки всі елементи одиничної геліосистеми НЕ будуть з'єднані по 6 контактам 
Крок 6: Після з'єднання тильної сторони фотоелектричних пластинок їх перевертають і формують зовнішні струмопровідні лінії 
Крок 7: Струмовідна шина, до якої підключаються лінії батареї, виконана з мідного обплетення відслужило кабелю. шина посаджена на краплю клею 
Крок 8: Після складання кожну з двох частин майбутньої сонячної батареї необхідно протестувати на працездатність при природному освітленні
Крок # 4 - тестування батареї перед герметизацією
Тестування сонячної панелі необхідно проводити до її герметизації, щоб мати можливість усунути несправності, які часто виникають під час пайки. Найкраще проводити тестування після спайки кожного ряду елементів - так значно простіше виявити, де контакти з'єднані погано.
Для тестування вам знадобитися звичайний побутовий амперметр. Вимірювання необхідно проводити в сонячний день в 13-14 годин, сонце не повинно бути приховано хмарами.
Виносимо батарею на вулицю і встановлюємо відповідно до раніше розрахованим кутом нахилу. Амперметр підключаємо до контактів батареї і проводимо вимірювання струму короткого замикання.
Сенс тестування полягає в тому, що робоча сила електричного струму повинна бути на 0, 5-1, 0 А нижче, ніж струм короткого замикання. Покази приладу повинні бути вище 4, 5 А, що говорить про працездатність геліобатареї.
Якщо тестер видає менші свідчення, то десь напевно порушена послідовність з'єднання фотоелементів.
Зазвичай саморобна сонячна батарея, сконструйована з фотоелементів групи В видає свідчення 5-10 А, що на 10-20% нижче, ніж у сонячних панелей промислового виробництва.
Крок 9: Після перевірки працездатності частин батареї, запаяних на підкладці, їх розташовують в корпусі 
Крок 10: Підложки з пластинами всередині корпусу фіксуються на чотири шурупа. Провід, що з'єднує частини батареї, виводиться через вентиляційні отвори 
Крок 11: До кожної з половин споруджується батареї послідовно підключається діод Шотткі. Його мінус підключається до плюса системи 
Крок 12: Для виведення проводів з корпусу висвердлюється отвір. Провід скріплені вузлом, щоб не бовталися, і зафіксовані герметиком 
Крок 13: Після нанесення герметика необхідно зробити технологічну перерву, відпущений на полімеризацію складу 
Крок 14: До виведеному з сонячної батареї проводу приєднується двоконтактний роз'єм. Належна йому розетка кріпиться на акумуляторі приладу, який буде заряджати акумулятор 
Крок 15: Після складання обох частин приладу і виведення силової лінії назовні батарею закривають заздалегідь підготовленим екраном 
Крок 16: Перед герметизацією стиків геліопрібора ще раз проводиться перевірка працездатності, щоб вчасно усунути відійшли контакти, якщо вони будуть виявлені
Крок № 5 - герметизація покладених в корпус фотоелементів
Герметизацию можно производить, только убедившись, что батарея работает. Для герметизации лучше всего использовать эпоксидный компаунд, но учитывая, что расход материала будет большой, а стоимость его составляет примерно 40-45 долларов. Если дороговато, то вместо него можно применять всё тот же силиконовый герметик.
Используя силиконовой герметик, отдавайте предпочтения тому, на упаковке которого указано, что он подходит для использования при минусовых температурах
Существует два способа герметизации:
- полная заливка, когда панели заливаются герметиком;
- нанесение герметика на пространство между фотоэлементами и на крайние элементы.
В первом случае герметизация будет более надёжной. После заливки герметик должен схватиться. Затем сверху устанавливается оргстекло и плотно прижимается к пластинам, покрытым силиконом.
Для обеспечения амортизации и дополнительной защиты между задней поверхностью фотоэлементов и каркасом из ДСП многие мастера советуют устанавливать прокладку из жёсткого поролона шириной 1, 5-2, 5 см.
Делать это необязательно, но желательно, учитывая, что кремниевые пластины достаточно хрупкие и легко повреждаются.
После установки оргстекла на конструкцию ставят груз, под действием которого происходит выдавливание пузырьков воздуха. Солнечная батарея готова и после повторного тестирования её можно устанавливать в заранее выбранное место и подключать к гелиосистеме вашего дома.
Висновки і корисне відео по темі
Обзор фотоэлементов, заказанных в китайском интернет-магазине:
Видео-инструкция по изготовлению солнечной батареи:
Сделать солнечную батарею своими руками – не простая задача. КПД большинства таких батарей ниже, чем у панелей промышленного производства на 10-20%. Самое важное при конструировании солнечной батареи – правильно выбрать и установить фотоэлементы.
Не пытайтесь сразу создать огромную по площади панель. Попробуйте сначала соорудить маленький прибор, чтобы понять все нюансы этого процесса.
У вас есть практические навыки создания солнечных батарей? Поделитесь, пожалуйста, своим опытом с посетителями нашего сайта – пишите комментарии в расположенном ниже блоке. Там же можно задать вопросы по теме статьи.