Примечание: Сначала подключите черный или отрицательный провод от батареи к отрицательному клемме контроллера, а затем соедините положительный провод. После успешного соединения батареи с контроллером, вы увидите, как загорается светодиод, который указывает на уровень заряда.
Солнечная электростанция своими руками
Цена на солнечные панели постоянно снижается, что делает их покупку или самостоятельную сборку более доступными для рядовых потребителей. Мы решили создать это руководство, чтобы помочь пользователям понять необходимые компоненты и научиться собирать солнечную электростанцию для домашнего использования собственными руками.
Чтобы спроектировать автономную солнечную систему, необходимо знать основы электротехники и иметь некоторые навыки в математике. Для сборки самой простой солнечной электростанции потребуется четыре основных компонента:
- Солнечная батарея (PV панель);
- Контроллер заряда;
- Инвертор;
- Аккумулятор.
Кроме перечисленных компонентов, вам понадобятся медные кабели, коннекторы, устройства защиты и различные мелкие элементы. Далее мы пошагово разберем, как выбрать необходимые компоненты в зависимости от ваших потребностей.
Шаг 1: Расчет нагрузки
Перед выбором компонентов системы необходимо рассчитать технику и устройства, которые будет подключать к вашей солнечной электростанции, а также время их работы. Для этого выполните следующие действия:
- Определите, какая именно техника (освещение, вентилятор, телевизор, насос и так далее) будет подключена и сколько времени (в часах) она будет функционировать;
- Изучите спецификации ваших приборов, чтобы узнать их мощность;
- Рассчитайте общее потребление электроэнергии в ватт-часах (Вт*ч) по формуле: потребляемая энергия = номинальная мощность (Вт) * время работы (ч).
Например, если вы хотите включить устройство мощностью 10 ватт на 5 часов от солнечной панели, то расчет будет выглядеть следующим образом: 10Вт х 5ч = 50Вт*ч. Этот процесс необходимо повторить для каждого устройства и сложить результаты.
Пример расчетов: > настольная лампа = 10Вт х 5ч = 50 Вт*ч + вентилятор = 50Вт х 2ч = 100Вт*ч + телевизор = 50Вт х 2ч = 100 Вт*ч, в итоге: 50 + 100 + 100 = 250 Вт*ч.
После завершения расчетов нагрузки можно приступить к выбору компонентов, соответствующих вашим требованиям.
Коротко об устройстве и работе
Энергию солнечного света можно преобразовать в тепловую или электрическую энергию. В первом случае в качестве носителя используется жидкость-теплоноситель, во втором — электрическая энергия, которая затем хранится в аккумуляторах. Солнечные панели работают по принципу фотоэлектрического эффекта и представляют собой генераторы.
Когда солнечные лучи попадают на фотоэлементы, которые являются основной частью батареи, фотонные частицы выбрасывают электроны из своих крайних орбит. Эти освобожденные электроны создают электрический ток, который проходит через контроллер и накапливается в аккумуляторе, а затем используется для питания устройств.
В данной конструкции солнечной батареи использовались 36 пластин размером 80х150 мм, каждая из которых имела мощность 2,1 Вт. В итоге общая мощность установки составила 76 Вт.
На передней стороне формируемой солнечной батареи расположены провода положительной полярности, которые создаются методом пайки.
С обратной стороны формируются минусовые токоведущие линии путем пайки на шести контактах. Пластины соединяются в последовательной схеме, а на выходе устанавливается диод Шоттки, который предотвращает разряд аккумулятора в условиях облачной погоды.
Функцию фотоэлементов выполняют элементы из кремния. Кремниевая пластина с одной стороны покрыта тонким слоем фосфора или бора — пассивного химического элемента.
Под действием солнечных лучей здесь высвобождается множество электронов, которые удерживаются фосфорным слоем, предотвращая их рассеивание.
На поверхности пластины расположены металлические дорожки, по которым двигаются свободные электроны, создавая электрический ток.
Чем больше таких кремниевых пластин-фотоэлементов, тем больше электричества можно выработать. Более детально о принципе работы солнечной батареи будет рассказано далее.
Верхний слой пластин-фотоэлементов покрыт специальным материалом, который предотвращает отражение солнечного света, тем самым повышая их КПД.
Материалы для создания солнечной пластины
Приступая к созданию солнечной батареи, вам понадобятся следующие материалы:
- Силикатные пластины-фотоэлементы;
- Листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
- Жесткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
- Прозрачный элемент, который будет служить основанием для кремниевых пластин;
- Шурупы и саморезы;
- Силиконовый герметик для наружных работ;
- Электрические провода, диоды, клеммы.
Количество необходимых материалов будет зависеть от желаемого размера вашей солнечной батареи, который чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Для работы вам понадобятся такие инструменты, как шуруповерт или набор отверток, ножовка по металлу и дереву, а также паяльник. Для тестирования готовой батареи вам потребуется тестер-амперметр.
Теперь рассмотрим более подробно ключевые материалы.
Кремниевые пластины или фотоэлементы
Существует три основных типа фотоэлементов, используемых для создания солнечных батарей:
- Поликристаллические;
- Монокристаллические;
- Аморфные.
Поликристаллические пластины имеют низкий КПД, который составляет около 10-12%, но в отличие от других типов, этот показатель не снижается со временем, а срок их службы составляет 10 лет.
Солнечная батарея состоит из модулей, которые, в свою очередь, образуются из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с жесткими кремниевыми фотоэлементами представляют собой структуру с несколькими слоями, фиксированными в алюминиевом профиле.
Монокристаллические фотоэлементы обладают более высоким КПД — от 13% до 25% и длительным сроком эксплуатации — более 25 лет, но со временем они также теряют часть своей эффективности.
Монокристаллические преобразователи создаются путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что объясняет их высокую фотопроводимость и производительность.
Аморфные пленочные фотопреобразователи создаются путем напыления тонкого слоя аморфного кремния на гибкую полимерную поверхность.
Гибкие солнечные батареи с аморфным кремнием — это самые современные устройства. Фотоэлектрические преобразователи в таких панелях напыляются или наплавляются на полимерную основу. Однако их КПД колеблется в районе 5-6%, что делает их более низкоэффективными, чем другие типы.
Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями в сравнении с другими вариантами относительно новые и представляют собой максимально экономичный вариант, но, к сожалению, они быстрее теряют потребительские качества.
Не рекомендуется использовать фотоэлементы различных размеров, так как в таком случае максимальный ток, производимый батареей, будет ограничен током самого маленького элемента. Соответственно, более крупные пластины не смогут функционировать на полной мощности.
При покупке фотоэлементов обязательно уточните у продавца метод доставки, так как большинство продавцов используют специальный метод упаковки, чтобы предотвратить повреждение хрупких элементов.
Для домашних солнечных батарей чаще всего используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3 на 6 дюймов, которые можно заказать в интернет-магазинах, таких как E-bay.
Описание компонентов устройства
▍ Диоксид титана
Одним из ключевых компонентов солнечной батареи является диоксид титана. Несмотря на его сложное химическое название, не стоит пугаться — это одно из самых распространенных белых красителей, которое входит в состав множества лакокрасочных материалов, белил, грунтовок и прочих изделий, ценящихся за свою белизну и укрывистость, а также устойчивость к ультрафиолетовым лучам. Однако, несмотря на свою полезность, этот компонент не является самым дешевым, и высокое содержание диоксида титана в краске значительно увеличивает ее цену.
Кроме того, значительная доля диоксида титана идет на производство пластмасс и резины в качестве наполнителей, а также используется в производстве бумаги, в фармацевтике и пищевой промышленности (например, в зубных пастах).
Автор данной статьи, когда вынашивал концепцию своего самодельного ксерокса, проводил эксперименты по созданию фотобарабана с использованием белой краски на основе диоксида титана, купленной в детском магазине.
Следует упомянуть, что согласно информации некоторых исследований, диоксид титана попадает в группу веществ, потенциально канцерогенных для человека, согласно классификации Международного агентства по изучению рака (насколько эта информация является достоверной, это под вопросом).
При создании солнечной батареи, диоксид титана наносится следующим образом: на стеклянную пластину с токопроводящим слоем наклеиваются четыре квадратных отрезка скотча, образуя квадрат открытого стекла посередине.
Изменяя количество слоев наложенного скотча, можно регулировать толщину покрытия из титана. После этого диоксид титана в пастообразном состоянии наносится на пластину и распределяется по ней с помощью стеклянной палочки. В результате образуется пленка из диоксида титана толщиной примерно 10-14 мкм, а скотч выполняет роль ограничителя, чтобы контролировать толщину слоя (стеклянная палочка упирается в него).
После удаления скотча и высыхания данного слоя, пластина с нанесенным диоксидом титана обжигается на воздухе, что приводит к образованию пористой структуры диоксида титана, суммарная площадь пор которой в 2000 раз превышает плоскую поверхность самой пластины. Это делается для создания максимальной площади контакта.
▍ Красители — сенсибилизаторы
Как уже упоминалось, красители являются важным элементом в процессе и могут быть как натуральными, так и синтетическими.
▍ Натуральные красители
Естественные красители привлекательны для применения в фотоячейках, так как они широко доступны и недороги, благодаря возможности их получения из природных источников. Например, сок красного сицилийского апельсина, экстракт кожуры баклажана и другие плоды могут использоваться в качестве эффектных красителей:
Картинка: Т. Н. Патрушева – Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей
— фототок короткого замыкания;
— фотонапряжение холостого хода;
— мощность;
— коэффициент заполнения;
Практический пример — малиновый фотоэлемент
В следующем примере рассматривается интересный вариант создания фотоэлемента, который будет удобно повторить, так как он сопровождается пошаговым руководством и видео:
Для его реализации по описанной технологии сначала на стекло с токопроводящим слоем наклеивается скотч, затем наносится тонкий слой диоксида титана, предварительно приготовленный в виде пасты, по консистенции похожей на латексную краску. Для этого диоксид титана смешивают с сильно разведённой уксусной кислотой (0,1 мл концентрированной кислоты на 50 мл воды) и несколькими каплями средства для мытья посуды.
После нанесения пасты на стекло, скотч удаляется, стекло высушивается и обжигается, в результате чего формируется спечённое пористое покрытие из диоксида титана.
Затем готовую пластину погружают в малиновый сок, полученный из замороженной малины. В процессе погружения диоксид титана образует комплекс с малиной, меняя свой цвет, после этого пластина промывается спиртом для удаления остатков малины и влаги (спирт хорошо поглощает воду).
Следующим этапом готовится вторая пластина, которая обрабатывается токопроводящим слоем с оксидом олова над пламенем свечи до получения хорошего копчения (это делается для увеличения площади контакта).
Готовые пластины соединяются канцелярским зажимом, а в щель между ними с помощью пипетки капают несколько капель раствора трийодида, который благодаря капиллярному эффекту полностью проникает в пространство между пластинами.
Теперь остается лишь подключить провода к токопроводящим слоям обеих пластин и осветить конструкцию источником света. Фотоэлемент готов!
Также имеется полезное видео подобного эксперимента, которое можно найти здесь:
Таким образом, мы видим, что существуют более доступные альтернативы кремниевым солнечным панелям, с помощью которых может поэкспериментировать каждый желающий. Однако стоит отметить, что если вы используете устройства на основе природных органических красителей, то необходима дополнительная защита краев пластин для предотвращения испарения электролита; кроме того, стоит рассмотреть возможность использования синтетических красителей, так как натуральные могут быстро терять свои свойства.
Для написания этой статьи использовались различные источники, включая книгу Т. Н. Патрушевой — Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей.
Изготовление солнечной батареи из диодов своими руками
В качестве основы для создания солнечной батареи будет использована картонная подложка. На картон наклеиваются две полоски фольгированного скотча — они послужат отражателями.
Сверху каждой полоски наклеиваем по две полоски клеящей ленты — именно они послужат подставкой для диодов.
Далее снимаем второй защитный слой с наклеенных лент.
Берем две упаковки диодов по 40 штук каждая. Разрезаем их на 4 группы по 20 штук, после чего приклеиваем диоды, располагая группы в шахматном порядке для удобства подключения их последовательно.
Сначала спаиваем все диоды в каждой группе параллельно, а затем соединяем все группы последовательно — от плюсового вывода одной группы к минусовому выводу другой.
Теперь солнечная батарея готова. Для проверки работы подключаем мультиметр к выходу.
При хорошем солнечном освещении солнечная батарея вырабатывает чуть более 300 мВ.
Стоит закрыть руку над сенсором, как напряжение сразу же падает, что является подтверждением работы солнечной батареи.
Шаг 4: Батарея
Самодельная солнечная батарея состоит из четырех литий-железо-фосфатных (LiFePO4) элементов 26650, которые соединены последовательно. Я использовал модули емкостью 3,3 Ач. Аккумулятор подключен к монитору батареи на 8А, который защищает его от перезарядки, недозарядки и короткого замыкания.
Есть и другие готовые аккумуляторы, которые также могут быть использованы. Для тех, кто не имеет опыта в создании аккумуляторов, я рекомендую приобрести один из готовых аккумуляторов с встроенной схемой контроля.
Важно отметить, что работа с аккумуляторами может быть опасной, так как литиевые батареи имеют высокую мощность и могут взорваться в случае короткого замыкания.
Готовый аккумуляторный блок включает контрольную цепь, которая защитит его в случае возникновения короткого замыкания.
Шаг 5: Собираем всё воедино
Контроллер заряда построен с использованием макетной платы с проволочной обмоткой. Весь девайс помещен в коробку, которую я имел под рукой.
На верхнюю крышку я прикрепил измеритель напряжения, купленный на Amazon. Он позволяет контролировать напряжение батареи во время зарядки и разрядки.
Перед первым использованием, необходимо провести первоначальную настройку, снизив выходное напряжение до расчетного значения. Сделать это проще всего, используя лабораторный источник питания, чтобы полностью зарядить аккумулятор до 14,4 В, а затем оставить его на 5 минут — напряжение должно в этом случае упасть примерно до 14 В.
Подключите источник питания (солнечный или лабораторный) и отрегулируйте потенциометр, пока аккумулятор снова не зарядится до 14,4 В.
Транзистор P-MOS немного нагревается во время работы, поэтому для предотвращения перегрева в жаркую погоду я добавил небольшой радиатор.
Этот процесс описан с пошаговыми фото и видео-инструкциями, чтобы проще было повторить.
