Изготовление солнечного генератора своими руками: руководство по созданию альтернативного источника энергии

Источники альтернативной энергии для отопления и электроснабжения дома стоят дорого и требуют больших расходов на покупку, монтаж и установку.

Изготовить солнечный генератор самостоятельно обойдётся дешевле, чем покупка готовой модели, и под силу многим любителям домашнего мастерства. Предлагаем ознакомиться с инструкцией, подробно объясняющей все этапы производства.

Как работает генератор солнечной энергии?

Солнечный генератор — это система из фотоэлектрических полупроводников, которые сразу же преобразуют… энергию солнца в электрическую.

При падении света на фотопластинку кванты энергии выбивают электроны с конечной орбиты рабочего материала. Это явление генерирует множество свободных электронов, формирующих постоянный ток.

При сборке солнечного генератора собственными руками нет необходимости сразу возводить крупный комплекс. Можно начать с небольшого устройства и по мере необходимости увеличить его мощность впоследствии.

В качестве активного материала применяют кремний, отличающийся высокой эффективностью и обеспечивающий коэффициент фотоэлектрического преобразования в обычном режиме на уровне 20%, а при благоприятных условиях — до 25%.

Кремниевые фотоэлементы обладают высокой эффективностью, поэтому генераторы на их основе обеспечивают значительную отдачу при компактных размерах. Агрегат объемом одного кубического метра в час вырабатывает 125 ватт – показатель, признанный весьма впечатляющим.

На одну сторону пластины кремния наносят тонкий слой из пассивных химических элементов: бора или фосфора. Электроны активно выделяются на этой поверхности под воздействием солнечных лучей. Фосфорная пленка удерживает их в одном месте, не давая им разлететься.

На рабочей поверхности размещены металлические проводники. По ним движутся свободные электроны, организуя упорядоченный поток, который именуется электрическим током.

К недостаткам пластин относятся трудность и дороговизна очистки кремния. Для устранения этих проблем активно изучают применение альтернатив: галлия, кадмия, индия и медных соединений. Впрочем, пока что у кремниевых элементов нет реальных конкурентов.

Самый лёгкий способ создать устройство, преобразующее солнечную энергию в электричество, — приобрести готовые солнечные панели и разместить их на крыше дома или гаража.

Перед приобретением панелей рассчитываем потребление электроэнергии за сутки. Для оснащения гаража обычно требуется один блок.
Сборку солнечного прибора осуществляем, следуя инструкции и распаковывая компоненты солнечной батареи.
Чтобы получать электричество от солнечных батарей, схема должна содержать инвертор и контроллер. При накоплении заряда необходим аккумулятор.
Чтобы солнечная панель максимально эффективно использовала солнечную энергию, её следует установить под определённым углом. Угол рассчитывается исходя из географических координат места расположения и особенностей самого объекта.
Перемещаем собранную на земле солнечную панель на крышу, заботясь об целостности устройства и системы подключения.
Монтируем солнечную панель на крыше гаража либо дома в месте с наибольшим количеством солнечных лучей в течение суток.
Мини-электростанция снабжает энергией энергозависимые приборы, подключенные к электросети или аккумуляторам.
При необходимости, особенно при организации электрического отопления гаража зимой, количество панелей возрастает.

Что нужно для работы?

Для изготовления генератора, состоящего из комплекта солнечных батарей, требуются такие инструменты и материалы, как:

  • Солнечные батареи.
  • алюминиевые уголки;
  • деревянные рейки;
  • листы ДСП;
  • Прозрачный материал (стекло, акрил, оргстекло, поликарбонат) для предохранения кремниевых пластин.
  • саморезы и шурупы разных размеров;
  • плотный поролон толщиной 1,5-2,5 мм;
  • качественный герметик;
  • диоды, клеммы и провода;
  • шуруповерт либо набор отверток;
  • паяльник;
  • Лобзик по древесине и металлу или угловая шлифовальная машина.

Объем необходимых материалов определится размером планируемого генератора. Большая работа потребует больше затрат, однако все равно будет стоить меньше готового модуля.

Защитную основу для кремниевых пластин можно изготовить из стекла, оргстекла, поликарбоната или плексигласа. Три первых материала обеспечивают минимальную потерю преобразуемой энергии, а последний пропускает лучи хуже и снижает эффективность всего комплекса.

Для финального испытания собранного устройства применяют амперметр. С его помощью можно замерить фактический коэффициент полезного действия установки и вычислить реальную производительность.

Выбор типа фотопреобразователя

Начало самостоятельного изготовления солнечного генератора заключается в подборе фотоэлектрического кремниевого преобразователя.

Эти составляющие бывают трех видов:

  • аморфные;
  • монокристаллические;
  • поликристаллические.

Каждый вариант обладает своими плюсами и минусами, выбор же совершается с учетом имеющегося бюджета на все составляющие системы.

Особенности аморфных разновидностей

Аморфные модули изготовлены не из кристаллического кремния, а из его производных (силан или кремниеводород). Тончайший слой таких материалов наносится методом вакуумного нанесения на высококачественную металлическую фольгу, стекло или пластик.

Продукция имеет тускло-серебристый окрас с размытыми краями. На её поверхности не видно кристаллов кремния. Главное преимущество гибких солнечных батарейЦена доступна, но эффективность работы небольшая и варьируется от 6 до 10%.

Аморфные солнечные элементы на базе кремния характеризуются высокой гибкостью, превосходящим оптическим поглощением (в 20 раз больше, чем у моно- или поликристаллических аналогов) и повышенной эффективностью при облачной погоде.

Специфика поликристаллических типов

Поликристаллические солнечные батареиИзделия получают при медленном охлаждении кремниевого расплава. По цвету они насыщенно-синие, с поверхностью, повторяющей рисунок замерзающей воды, и эффективно работают в диапазоне 14-18%.

Сниженная эффективность работы обусловлена наличием внутри материала областей, изолированных от основной структуры зернистыми границами.

Поликристаллические фотоэлементы функционируют в течение десяти лет, сохраняя при этом свою эффективность. Установка элементов в единый комплекс требует прочной опоры из-за жесткости листов.

Характеристика монократиллических вариантов

Монокристаллические модули отличаются насыщенной тёмной окраской и состоят из целых кристаллов кремния. Эффективность их превосходит эффективность других элементов, составляя 18-22% (при оптимальных условиях – до 25%).

В качестве преимущества отмечается большой срок эксплуатации — по данным производителям, свыше 25 лет. При этом эффективность монокристаллических панелей снижается при длительной работе и через 10-12 лет фотоотдача уже составляет не более 13-17%.

Модули из монокристаллов — гораздо более дорогостоящее оборудование по сравнению с другими видами техники. Изготавливают его путем разрезания искусственно выращенных кремниевых кристаллов.

Для изготовления домашнего солнечного генератора чаще всего применяют поли- и монокристаллические панели разной величины.

Высокая цена фотоэлементов приводит к тому, что поставщики предлагают покупателям продукцию группы B – работоспособные фрагменты с незначительными дефектами. Стоимость таких элементов отличается от стандартной на 40-60%, что позволяет собрать генератор по разумной цене.

Как сделать каркас для пластин?

При создании каркаса генератора применяют прочные деревянные рейки либо алюминиевые уголки. Деревянный вариант менее практичен, поскольку материал нуждается в дополнительной обработке, чтобы избежать гниения и расслоения.

Для того чтобы деревянная основа выдерживала нагрузки и не разрушалась из-за влаги, ее следует обработать защитным средством.

Алюминий превосходит по физическим показателям и из-за низкой плотности не создаёт чрезмерной нагрузки на крышу или другие несущие конструкции, где будет устанавливаться оборудование.

Благодаря антикоррозийному покрытию металл устойчив к коррозии, не подвержен гниению, не впитывает влагу и выдерживает любые агрессивные погодные условия.

Чтобы собрать каркасную конструкцию из алюминиевых уголков, сначала вычисляют размеры будущей панели. В стандартном исполнении на один блок устанавливают 36 фотоэлементов размером 81 мм на 150 мм.

Для надлежащей эксплуатации между деталями оставляют небольшой зазор (около 3-5 мм). Зазор учитывает изменение параметров основы, подвергшейся воздействию погодных условий. Общий размер заготовки составляет 83 мм х 690 мм при ширине уголка каркаса в 35 мм.

Пластины из кремния, закрепленные в алюминиевом профиле, напоминают заводские детали. Мощный и прочный каркас гарантирует системе полную герметичность и высокую степень жесткости конструкции.

Определив размеры, из уголков вырезают нужные части и соединяют их крепежами в каркасные рамки. На внутреннюю часть конструкции наносят слой силиконового герметика, тщательно следя за отсутствием пробелов и пустот.

Целостность, прочность и долговечность монтируемой конструкции зависят от этого. Сверху укладывают защитный прозрачный материал (стекло с антибликовым покрытием, оргстекло либо поликарбонат со специальными параметрами) и надежно крепят его метизами (по одному с короткой части рамы, по два с длинной части и четыре по углам корпуса).

Для работы требуется шуруповерт и шурупы соответствующего размера. По завершении прозрачную поверхность чистят от пыли и мелких частиц.

Выбор прозрачного элемента

Основные критерии отбора прозрачного материала для изготовления генератора.

  • способность к поглощению ИК-излучения;
  • уровень преломления солнечного света.

Чем меньше показатель преломления, тем выше КПД показывают кремниевые пластины. Самыми низкими коэффициентами светоотражения обладают плексиглас и оргстекло. У поликарбоната показатели также не самые высокие.

При возведении каркасов для бытовых солнечных систем целесообразно применять максимально возможно антибликовое стекло или поликарбонат с противоконденсатным покрытием, гарантирующим требуемый уровень теплоизоляции.

Прочное термопоглощающее оргстекло и стекло с функцией ИК-поглощения наиболее эффективно поглощают ИК-излучение. У обычного стекла эти показатели значительно ниже. От эффективности поглощения ИК-излучения зависит, будут ли нагреваться кремниевые пластины во время эксплуатации.

При минимальном нагревании фотоэлементы прослужат долго и дадут стабильную отдачу. Перегрев пластин вызовет сбои работы и быстрое выведение из строя отдельных частей системы или всей её конструкции.

Установка кремниевых фотоэлементов

Прежде чем устанавливать, защитные стекла, помещённые в алюминиевые рамки, тщательно протирают сухой тканью и обрабатывают спиртовым раствором.

Фотоэлементы устанавливают на разметочной подложке, соблюдая расстояние 3-5 миллиметров между каждым элементом. После этого маркируют углы всей конструкции. Следующий этап – пропайка элементов, что является самым важным и трудоемким этапом сборки генератора.

Прокладка элементов генератора выполняется по схеме, где плюсовые контакты располагаются на наружной стороне, а минусовые — на внутренней поверхности пластины.

Чтобы правильно соединить контакты, сначала наносят флюс (кислоту для пайки) и припой, затем обрабатывают по строго определенной последовательности сверху вниз. В завершении связывают все ряды между собой.

Далее проводят проклейку фотоэлементов. Для этого в центр каждой кремниевой пластины выдавливают небольшое количество герметика, полученные цепочки элементов переворачивают внешней стороной вверх и размещают точно по разметке, нанесенной заранее.

Руками плавно прижимают пластины, удерживая их в заданном положении. Работа выполняется бережно, чтобы избежать деформации или повреждения материала.

Контакты фотоэлементов, находящихся по краям, подсоединяются к отдельной шине — широкому серебряному проводнику, как «+» и «-«. Кроме того, комплекс снабжен блокирующим диодом. При соединении с контактами он предотвращает разрядку аккумуляторов через каркасную конструкцию в ночное время.

В нижней части каркаса сверлят отверстия дрелью для вывода проводов наружу. Для предотвращения провисания используйте силиконовый герметик.

Фото-галерея покажет, как собрать солнечную панель из 60 элементов.

При создании солнечной батареи приобретают шестьдесят солнечных элементов с напряжением 0,5 В и током 4 А каждый. Размеры элементов составляют 80 на 150 мм.
Установка элементов будущей солнечной батареи потребует каркаса. Раму изготовят из алюминиевого профиля, основой станет фанера размером 980 на 900 сантиметров. Светопроводящая часть будет выполнена из стекла того же размера.
Под углом 45 градусов с помощью стусла алюминиевый профиль отпиливают. Металлические уголки и саморезы соединяют его в заранее просверленных отверстиях.
Чтобы вода не попадала внутрь панели при работе, заделываем все стыки и места крепления крепежа силиконом.
Перед соединением места пайки смачиваем раствором канифоли в спирте. Получаем паяльник мощностью 40 ватт.
После разогрева паяльника до нужной температуры, на места соединения наносится тонкий слой припоя.
В нашем примере кабель из витой пары выступает в качестве проводника. Его обрабатывают канифолью и паяют.
К металлическим полосам фотоэлементов припаивается проволока.

Собранные по схеме фотоэлементы необходимо зафиксировать на основании. К примеру, можно приклеить их к стеклу, а затем к фанере.

К стеклу приклеиваются собранные по порядку фотоэлементы, размещая их светящимися сторонами к светопроводимой области будущего изделия.
Прикрепив фотоэлементы, соединяем их проводами и припаиваем с обратной стороны.
Из отверстий, сделанных в торце корпуса, выводятся провода для подключения положительной и отрицательной линий.
С обратной стороны собранной солнечной батареи закрываем лист фанеры, сверху накрываем полиэтиленом и фиксируем скотчем.

Чтобы аккумулятор, созданный для накопления энергии, не потреблял производимую фотоэлементами электроэнергию, его солнечную батарею подключают через диод Штоки.

Сборку мини гелиостанции, показанной на рисунке, осуществляем по схеме. При подключении применяем кабель с медной жилой сечением не менее 1 м².

Мини электростанция может вырабатывать до 15 В. Максимальная производительность достигается в солнечные дни без облаков. В пасмурную погоду прибор будет генерировать меньше энергии или вовсе ее не вырабатывать. Поэтому аккумулятор подбирают с запасом на сутки как минимум.

Как протестировать смонтированный агрегат?

Перед герметизацией собранного генератора его тестируют для выявления возможных неисправностей, возникших во время пайки. Проверка каждого ряда пайки по отдельности позволит точно определить места с плохим соединением контактов, нуждающиеся в повторной обработке.

Тест проводят с помощью обычного амперметра. Измерения производятся в ясный солнечный день, днем с двенадцати до четырёх часов. Устройство размещают во дворе и регулируют угол наклона.

Бытовой амперметр позволяет измерить ток в системе. Показания амперметра показывают, как хорошо работает гелиосистема и выявляют ошибки в соединении солнечных панелей.

К контактам солнечной батареи подключают амперметр для измерения тока короткого замыкания. Значение показаний прибора должно быть выше 4,5 А, чтобы подтвердить исправность системы и качество пайки соединений.

Показать лежащие перед нами результаты измерения на дисплее тестера, свидетельствующие о наличии нарушений, которые необходимо выявить и переделать. В традиционной практике сборки солнечных панелей, выполненных из фотоэлементов с незначительным дефектом (группа B), показатели теста составляют от 5 до 10 Ампер.

Изделия заводского изготовления демонстрируют показатели на 10-20% лучше. Такое отличие обусловлено применением в производстве кремниевых пластин категории А без дефектов в структуре.

Завершающий этап работы

При полной работоспособности батарея герметизируется силиконовым герметиком или эпоксидным компаундом.

Работа предусматривает два способа проведения:

  1. Герметиком покрывается вся поверхность.
  2. Частичное нанесение герметика — это когда герметик применяется только по краям элементов и в полостях между ними.

Первый вариант надежнее и защищает систему от внешних воздействий. Фотоэлементы закреплены надёжно и функционируют эффективно.

Для крепления светочувствительных элементов внутри корпуса лучше применять морозоустойчивый герметик, который сохраняет свои свойства при сильных колебаниях температуры и отрицательных значениях.

После затвердевания смеси герметика его покрывают прозрачным материалом и крепко фиксируют к пластинам.

Для большей защищенности и смягчения ударов часть мастеров советует устанавливать между кремниевой плитой и задней частью каркаса плотную поролоновую прокладку.

Затем на поверхность устанавливают груз, оказывающий давление на слои и выталкивающий из них воздушные пузырьки.
Протестированный генератор монтируют в назначенное место.

Где и как разместить генератор?

Выбор места установки солнечного генератора выполняют с особой тщательностью и без спешки. Пластины, предназначенные для приема света, обязательно устанавливают под углом, чтобы лучи не падали на поверхность перпендикулярно, а скользили по ней как бы аккуратно стекая.

Лучше всего устанавливать конструкцию так, чтобы при необходимости можно было менять угол наклона и тем самым получать как можно больше солнечного света.

Вполне допустимо поставить гелиосистему из солнечных батарейПостройки возводят на земле, но чаще предпочитают кровлю домов или хозяйственных построек, конкретно ту секцию, которая обращена в южную часть участка.

Важно избегать расположения агрегата рядом с высокими зданиями и густыми деревьями, так как проximity к ним создает тень и нарушает его работу.

Для эффективной работы солнечных установок требуется их своевременная очистка и уход.
Грязь на поверхности приемных панелей снижает производительность на 10%, а наледь полностью выводит агрегат из строя. Регулярное обслуживание необходимо для поддержания модулей в оптимальном рабочем состоянии.

Угол наклона крыши в 45⁰ считается средне-оптимальным для установки солнечного генератора. При таком расположении фотоэлементы поглощают солнечный поток эффективно и обеспечивают необходимым объемом энергии для жизнедеятельности дома.

Для получения необходимой для средней семьи энергии от солнечных панелей площадь крыши под установку должна составлять 15-20 квадратных метров.

В странах СНГ для европейской части действуют иные показатели. Специалисты советуют использовать угол стационарного наклона от 50 до 60 градусов, а в подвижных конструкциях зимой располагать батареи под углом 70 градусов к горизонту.

Летом меняйте положение и наклоняйте фотоэлементы под углом тридцати градусов.

Установка панелей генератора на трек-систему с опцией автоматического слежения за солнцем позволяет увеличить эффективность отдачи на 50%. Модуль сам определит интенсивность солнечных лучей и будет регулироваться под максимальную освещенность с рассвета до заката.

Перед установкой крыша усиливается и снабжается надежными опорами, поскольку не все конструкции могут выдерживать массу оборудования для получения солнечной энергии.

Для надежной установки солнечного генератора на крыше приобретайте специальные крепления. Их выпускают отдельно под каждый тип кровельного покрытия, и их всегда можно купить. При монтаже между панелями и крышей оставьте зазор для доступа воздуха и вентиляции солнцепоглощающих элементов.

В некоторых случаях для защиты крыши от обрушения, которое может произойти при большой нагрузке, особенно зимой из-за снега, под кровлей устанавливают усиленные стропила.

Для запуска в работу гелиосистеме потребуются аккумуляторы, инвертор и контроллер зарядаРекомендации по выбору устройств и подключению к сети содержатся в статьях, предложенных нами.

Выводы и полезное видео по теме

Рассмотрим особенности пайки фотоэлементов при самостоятельном изготовлении дома эффективного солнечного генератора. Проекты, рекомендации для умельцев и оригинальные решения.

Как проверить работу фотоэлемента и измерить его характеристики?

Поэтапный инструктаж по сборке солнечных батарей для домашнего генератора, включая покупку необходимых компонентов и итоговое тестирование устройства.

Об устройстве солнечных генераторов известно многим, поэтому собрать их дома несложно. Работа потребует внимания, аккуратности и скрупулезности, но результат оправдает все затраты. Готовый агрегат обеспечит здание теплом и электроэнергией, создав комфортные условия для проживающих.

Вначале лучше попытаться собрать небольшой агрегат, чтобы освоить все тонкости работы. После этого можно будет приступить к строительству более крупного проекта.

Каким способом построения мини-электростанции вы решили воспользоваться для обустройства дачи? Поделитесь комментариями, сведениями и фотографиями, связанными с темой статьи, в расположенном ниже блоке. Спрашивайте по спорным или неясным моментам.