С каждым днем выбросы углекислоты и токсичных веществ в атмосферу увеличивается, токсичные вещества вырабатываются при сгорании ископаемого топлива, в следствии чего постепенно уничтожают нашу планету. Поэтому внедрение «зеленой энергии», у которой вовсе отсутствует негативное влияние на окружающую среду, уже закрепила себя как базой основ новых электротехнологий. Одной из основ таких технологий получения экологически чистой электроэнергии это технология которая преобразует солнечный свет в электроэнергию. Далее пойдет речь о солнечных батареях, а так же их возможности в собственном доме.
В нынешнее время электроустановки в виде солнечных батарей изготовленных в промышленных условиях, используются для полного и частичного энерго-обеспечения и тепло-обеспечения дома, и стоят в районе 15-20 тысяч долларов при гарантии работы 25 лет.
Гелиосистемы разделяют на тепло обеспечения и энергообеспечения. В случае тепло обеспечения используются технологии солнечного коллектора. В случае энергообеспечения происходит фотоэлектрический эффект, с помощью которого происходит генерация электричества в солнечных батареях. Далее я опишу технологию ручной сборки солнечной батареи.
Технология ручной сборки солнечной батареи вовсе не сложна и даже очень проста и доступна всем. Почти каждый человек может собрать солнечные батареи с относительно высоким КПД при довольно низких затратах. Это экологично, выгодно, доступно и в последнее время модно.
Выбор солнечных элементов для солнечной панели
Приступив к созданию солнечной электростанции, нужно учитывать, что при ручной сборке солнечных батарей нет нужды сразу собирать полнофункциональную солнечную электростанцию, её в будущем можно будет наращивать. Если первый эксперимент ручной сборки оказался положительным, то после имеет смысл увеличить функциональность солнечной электростанции.
Прежде всего нужно знать что такое солнечная батарея, солнечная батарея — это прежде всего генератор, который работает на основе фотоэлектрического эффекта и преобразует солнечную тепловую энергию в электрическую энергию. Кванты света, которые вырабатывает солнце, попадают на кремниевую пластину и выбивает электрон с последней атомной орбиты кремния. Данный эффект создает большое количество свободных электронов, которые образуют поток электрического тока.
Перед тем как приступить к сборке солнечной батареи нужно сделать выбор в типе фотоэлектрического преобразователя. Фотоэлектрические преобразователи: монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Для ручной сборки солнечной батареи чаще всего выбирают легко доступные в продаже поликристаллические и монокристаллические солнечные модули.
Солнечные панели из поликристаллического кремния имеют достаточно низкий КПД от 7 до 9%, но этот недостаток компенсируется тем, что поликристаллические панели практически не понижают КПД при облачной и пасмурной погоде, гарантийная работоспособности поликристаллических элементов составляет примерно 10 лет. Солнечные панели на основе элементов монокристаллического кремния имеют более высокий КПД около 13% и сроки работоспособности приблизительно 25 лет, но монокристаллические элементы сильно понижают мощность при отсутствии прямого попадания солнечного света. Величина КПД кристаллов кремния может существенно изменятся от разных производителей. На практике работы солнечных электростанций в полевых условиях можно сказать о сроке службы монокристаллических панелей более 30 лет, а для поликристаллических модулей — более чем 20 лет. Причем за весь период эксплуатации потеря мощности у кремниевых монокристаллических и поликристаллических модулей составляет не более 10 процентов, а у тонкопленочных аморфных модулей только за первые два года мощность может снизится на 10-40%.
Набор Solar Cells можно приобрести на аукционе Еbay для сборки солнечной батареи из 36 и 72 солнечных элементов. Эти наборы так же доступны в продаже в Украине и в России. Зачастую, для ручной сборки солнечных батарей используются солнечные модули В-типа, это те модули, которые отбраковали на промышленном производстве. Они не теряют своих эксплуатационных показателей, но зато намного дешевле.
Разработка проекта гелиевой энергосистемы
Проектирование задуманной солнечной электростанции зависит от способа её монтажа и установки. К примеру солнечные батареи должны устанавливаться под определенным наклоном, чтобы обеспечить прямое попадание солнечных лучей под перпендикулярным углом. КПД солнечной панели так же зависит от интенсивности световой энергии, а также зависит от угла попадания солнечных лучей.
Смотреть сверху вниз: Монокристаллические солнечные панели (по 80 ватт) на даче установлены практически вертикально (зима). Монокристаллические солнечные панели на даче имеют меньший угол (весна)ю Механическая система управления углом наклона солнечной батареи.
Промышленные солнечные панели очень часто снабжены специальными датчиками, которые обеспечивают движение солнечных панелей по направлению движения солнечных лучей, что очень увеличивает стоимость солнечных панелей. Но так же тут может быть применено ручное механическое управление углом наклона солнечных панелей. В зимнее время солнечные панели должны быть практически вертикальными, чтобы исключить залегание снега на солнечных панелях.
Схема расчета угла наклона солнечной панели в зависимости от времени года
Солнечные батареи следует устанавливать с солнечной стороны вашего дома, чтобы за световой день пребывание солнечных лучей на солнечных батареях было максимально. В зависимости от географического расположения вашего дома и времени года вычисляется оптимальный угол наклона для вашего месторасположения.
Выбор оптимального статического угла наклона для кровельной солнечной системы монокристаллического типа
При сооружении солнечных панелей можно выбирать самые разные материалы по массе и другим характеристикам. Но при выборе материалов следует учитывать максимально допустимые температуры нагрева материалов, т.к. при работе солнечных модулей на полную мощность температура не должна превышать 250 градусов по Цельсию. При пиковой температуре солнечные модули теряют свою функцию производства электрического тока.
Готовые гелиосистемы зачастую не предполагают охлаждения солнечных модулей. Ручное изготовление может включать в себя охлаждение гелиосистемы и управление углом наклона солнечных панелей для регулировки температуры модуля, а так же выбор прозрачного материала, который будет поглощать ИК-излучение.
Как показали расчеты, в ясный солнечный день из 1 метра солнечных панелей можно получить 120 Вт мощности, но этого не хватит чтоб запустить даже компьютер. Солнечные панели размером в 10 метров производит уже более 1кВт электроэнергии, что позволит снабдить электроэнергией светильники, телевизоры и ваш компьютер. Для обычной семьи 3-4 человека необходимо около 300 кВт в месяц, поэтому солнечные панели должны быть размеров 20м, при условии что солнечные панели будут установлены с солнечной стороны вашего дома.
Для уменьшения месячного электро-потребления советую использовать для освещения вместо обычных лампочек, светодиодные лампочки.
Изготовление каркаса солнечной батареи
Для изготовления корпуса солнечной панели в основном используют алюминиевые уголки. В интернет магазинах можно приобрести уже готовые корпуса для солнечных батарей. А так же для изготовления корпуса солнечной панели выбирают по желанию прозрачное покрытие.
Комплект рамы со стеклом для солнечной батареи, примерная стоимость от 33 долларов
При выборе прозрачного материала можно опираются на следующие характеристики материалов:
Если в качестве критерия выбора рассматривать показатель преломления солнечного света, то самый минимальный коэффициент у плексиглас, более дешевый вариант это обычное стекло, менее подходящий это поликарбонат. Но в продаже сейчас имеется поликарбонат с антиконденсатным покрытием, что обеспечивает качественный уровень теплозащиты.
Важно про изготовлении солнечных панелей выбирать прозрачные материалы которые не пропускают ИК-спектр, что снизит нагревание кремниевых элементов.
Схема поглощения УФ и ИК излучения различными стеклами. а) обычное стекло, б) стекло с ИК-поглощением, в) дуплекс с термопоглощающим и обычным стеклом
.
Защитное силикатное стекло с оксидом железа обеспечивает максимальное поглощение ИК-спектра. ИК-спектр хорошо поглощает любое минеральное стекло, а так же минеральное стекло более устойчиво к повреждениям, но в тоже время является очень дорогим и недоступным.
Так же зачастую для солнечных панелей применяют специальные антибликовые сверх прозрачные стекла, которые пропускают до 98% спектра.
Солнечная панель в корпусе из оргстекла
Монтаж корпуса солнечной батареи
В данном случае будет показано изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных модулей размером 81х150мм. Отсюда вычисляем размеры будущей солнечной панели. Важно при расчете между модулями оставлять небольшое расстояние, которое может меняются при воздействии атмосферных воздействий, т.е. оставляйте между модулями примерно 3-5мм. В итоге получим размер заготовки 835х690мм при ширине уголка 35мм.
Самодельная солнечная батарея изготовленная вручную, сделанная с использованием алюминиевого профиля, очень похожа на солнечную панель фабричного изготовления. При этом обеспечивается высокая степень герметичности и прочности конструкции.
Для изготовления берем алюминиевый уголок, и выполняем заготовки рамки 835х690 мм. Чтобы можно было провести крепление метисов, в раме следует сделать отверстия.
На внутреннюю часть уголка дважды наносим силиконовый герметик.
Важно чтобы не было незаполненных мест. От качества нанесения герметика зависит герметичность и долговечность батареи.
Далее в раму кладется прозрачный лист из выбранного материала: поликарбоната, оргстекла, плексигласа, антибликового стекла. Важно силикону дать высохнуть на открытом воздухе, иначе испарения создадут пленку на элементах.
Стекло требуется тщательно прижать и зафиксировать.
Для надежного крепления защитного стекла используем метисы. Нужно закрепить 4 угла рамки и по периметру разместить два метиса с длинной стороны рамки и по одному метису с короткой стороны.
Метисы фиксируются при помощи шурупов.
Каркас солнечной батареи готов. Важно перед креплением солнечных элементов, нужно очистить стекло от пыли.
Подбор и пайка солнечных элементов
В данное время в интернет магазинах представлен огромный ассортимент изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.
Набор Solar Cells включает комплект из 36 поликристаллических кремниевых элементов, проводники для элементов и шины, диоды Шотке и карандаш с кислотой для паяния
Из-за того что солнечная батарея, сделанная своими руками, ориентировочно в 4 раза дешевле заводской готовой, собственное изготовление — это огромная экономия средств. В интернет магазинах можно приобрести солнечные модули, элементы с дефектами, при этом они не теряют своей функциональности, но придется пожертвовать внешним видом солнечной батареи.
Поврежденные фотоэлементы не теряют своей функциональности
Если вы впервые занимаетесь изготовлением солнечных батарей, то лучше приобретать наборы для изготовления солнечных панелей, в продаже имеются солнечные элементы с припаянными проводниками. Так как пайка контактов — это достаточно сложный процесс, сложность заключается в хрупкости солнечных элементов.
Если вы купили кремниевые элементы без проводников, то в первую очередь необходимо провести пайку контактов.
Так выглядит поликристаллический кремниевый элемент без проводников.
Проводники надрезаются с помощью картонной заготовки.
Необходимо аккуратно положить проводник на фотоэлемент.
На место припаивания нанести кислоту для паяния и припой. Проводник для удобства фиксируется с одной стороны тяжелым предметом.
В таком положении необходимо аккуратно припаять проводник к фотоэлементу. Во время пайки нельзя нажимать на кристалл, потому что он очень хрупкий.
Пайка элементов для солнечных панелей — это весьма кропотливая работа. Если с первого раза не удастся получить нормального соединения, то нужно повторить работу. По нормативам серебряное напыление на проводнике должно выдерживать 3 цикла пайки при допустимых тепловых режимах, на практике сталкиваешься с тем, что напыление разрушается. Разрушение серебряного напыления происходит из-за использования паяльников с нерегулируемой мощностью (65Вт), этого нужно избегать, можно уменьшить мощность паяльника таким образом — для этого нужно последовательно с паяльником включить патрон с лампочкой в 100 Вт. Помните, что номинальная мощность паяльника нерегулируемого слишком большая для пайки кремниевых контактов.
Если вам продавцы проводников будут говорить, что припой на соединителе имеется, но вы его лучше нанесите дополнительно. Во время пайки будьте аккуратны, при минимальном усилии солнечные элементы лопаются, а так же не нужно складывать солнечные элементы пачкой, от массы нижние элементы могут треснуть.
Сборка и пайка солнечной батареи
При первой ручной сборке солнечной батареи лучше воспользоваться разметочной подложкой, которая поможет расположить элементы ровно на некотором расстоянии друг от друга (5 мм).
Разметочная подложка для элементов солнечной батареи
Основа выполняется из листа фанеры с маркированием уголков. После пайки на каждый элемент с обратной стороны крепится кусок монтажной ленты, достаточно прижать заднюю панель к скотчу, и все элементы переносятся.
Монтажная лента, использованная для крепления, с обратной стороны солнечного элемента
При данном типе крепления сами элементы дополнительно не герметизируют, они могут свободно расширяться под действием температуры и это не приведет к повреждению солнечной батареи и разрыву контактов и элементов. Герметизации поддаются только соединительные части конструкции. Такой вид крепления больше подходит для опытных образцов, но вряд ли может гарантировать долгосрочную эксплуатацию в полевых условиях.
Последовательный план сборки батареи выглядит так:
Выкладываем элементы на стеклянную поверхность. Между элементами должно быть расстояние, что предполагает свободное изменение размеров без ущерба конструкции. Элементы нужно прижать грузами.
Пайку производим по приведенной ниже электросхеме. «Плюсовые» токонесущие дорожки размещены на лицевой стороне элементов, «минусовые» — на обратной стороне.
Перед пайкой нужно нанести флюс и припой, после аккуратно припаять серебряные контакты.
По такому принципу соединяются все солнечные элементы.
Контакты крайних элементов выводятся на шину, соответственно, на «плюс» и «минус». Для шины используется более широкий серебряный проводник, который имеется в наборе Solar Cells.
Рекомендуем также вывести «среднюю» точку, с ее помощью ставятся два дополнительных шунтирующих диода.
Клемма устанавливается также с внешней стороны рамы.
Так выглядит схема подключения элементов без выведенной средней точки.
Так выглядит клеммная планка с выведенной «средней» точкой. «Средняя» точка позволяет на каждую половину батареи поставить шунтирующий диод, который не даст батарее разряжаться при снижении освещения или затемнении одной половины.
На фото показан шунтирующий диод на «плюсовом» выходе, он противостоит разрядке аккумуляторов через батарею в ночное время и разрядке других батарей во время частичного затемнения.
Чаще в качестве шунтирующих диодов используют диоды Шотке. Они дают меньшую потерю на общей мощности электрической цепи.
В качестве токовыводящих проводов может быть использован акустический кабель в силиконовой изоляции. Для изоляции можно применить трубки из-под капельницы.
Все провода должны быть прочно зафиксированы силиконом.
Элементы могут быть соединены последовательно (см. фото), а не посредством общей шины, тогда 2-й и 4-й ряд необходимо повернуть на 1800 относительно 1-го ряда.
Основные проблемы сборки солнечной панели связаны с качеством пайки контактов, поэтому специалисты предлагают перед герметизацией панели ее протестировать.
Тестирование панели перед герметизацией, напряжение сети 14 вольт, пиковая мощность 65 Вт
Тестирование можно делать после пайки каждой группы элементов. Если вы обратите внимание на фотографии в мастер-классе, то часть стола под солнечными элементами вырезана. Это сделано намеренно, чтобы определить работоспособность электрической сети после пайки контактов.
Герметизация солнечной панели
Герметизация солнечных панелей при самостоятельном изготовлении — это самый спорный вопрос среди специалистов. С одной стороны, герметизация панелей необходима для повышения долговечности, она всегда применяется при промышленном изготовлении. Для герметизации зарубежные специалисты рекомендуют использовать эпоксидный компаунд «Sylgard 184», который дает прозрачную полимеризованную высоко эластичную поверхность. Стоимость «Sylgard 184» составляет около 40 долларов.
Герметик с высокой степенью эластичности «Sylgard 184»
Но с другой стороны, если вы не хотите тратить дополнительные деньги, то вполне можно задействовать силиконовый герметик. Однако в этом случае не стоит полностью заливать элементы, чтобы избежать их возможного повреждения в процессе эксплуатации. В таком случае элементы к задней панели можно прикрепить при помощи силикона и герметизировать только края конструкции.
Перед началом герметизации необходимо подготовить смесь «Sylgard 184».
Сначала заливаются места стыков элементов. Смесь должна схватиться, чтобы закрепить элементы на стекле.
После фиксации элементов делается сплошной полимеризирующий слой эластичного герметика, распределить его можно с помощью кисточки.
Так выглядит поверхность после нанесения герметика. Герметизирующий слой должен просохнуть. После полного высыхания можно закрыть солнечную батарею задней панелью.
Так выглядит лицевая сторона самодельной солнечной панели после герметизации.
Схема электроснабжения дома
Систему электроснабжения дома с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, т.е. системами, генерирующими энергию с использованием фотоэлектрического эффекта. Для собственных жилых домов рассмотрены три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.
Каждая из вышеперечисленных систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах применяют фотоэлектрические системы с резервными аккумуляторными батареями и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.
Более экономной альтернативой гибридной батарейно-сетевой системе электроснабжения будет безаккумуляторная солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.
Схемы трех типов фотоэлектрических систем
Рассмотрим типичную установку батарейно-сетевой фотоэлектрической системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии.
Гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система с переменным током
Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических системах: на базе постоянного и переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10–15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.
Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:
-суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
-аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
-инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24–48 В;
-контроллер солнечного разряда 40–50 А при напряжении в 24 В;
-источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.
Из этого следует, что для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов, пример сборки которых описан выше. Каждая солнечная панель дает суммарную мощность в 65 Вт. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет пиковую мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования.
Информация с сайта:
Альтернативные источники электроэнергии набирают популярность с каждым годом. Постоянные повышения тарифов на электроэнергию способствуют этой тенденции. Одна из причин, заставляющая людей искать нетрадиционные источники питания - это полное отсутствие возможности подключения к сетям общего пользования.
Наиболее востребованными на рынке альтернативных источников питания являются . Эти источники используют эффект получения электрического тока при воздействии солнечной энергии на полупроводниковые структуры, изготовленные из чистого кремния.
Первые солнечные фотопластины были слишком дорогими, их использование для получения электроэнергии не было рентабельным. Технологии производства кремниевых солнечных батарей постоянно совершенствуются и сейчас можно приобрести по доступной цене.
Энергия света бесплатна, и если мини-электростанции на кремниевых элементах будут достаточно дешевы, то такие альтернативные источники питания станут рентабельными и получат очень широкое распространение.
Подходящие подручные материалы
Схема солнечной батареи на диодах Многие горячие головы задают себе вопрос: а можно ли из подручных материалов. Конечно же, можно! У многих со времен СССР сохранилось большое количество старых транзисторов. Это наиболее подходящий материал для создания мини-электростанции собственными руками.
Также можно изготовить солнечную батарею из кремниевых диодов. Еще одним материалом для изготовления солнечных батарей является медная фольга. При применении фольги для получения разницы потенциалов используется фотоэлектрохимическая реакция.
Этапы изготовления транзисторной модели
Подбор деталей
Наиболее подходящими, для изготовления солнечных батарей, являются мощные кремниевые транзисторы с буквенной маркировкой КТ или П.
Внутри они имеют большую полупроводниковую пластину, способную генерировать электрический ток под воздействием солнечных лучей.
Совет специалистов: подбирайте транзисторы одного наименования, так как у них одинаковые технические характеристики и ваша солнечная батарея будет стабильнее в работе.
Транзисторы должны быть в рабочем состоянии, в противном случае толку от них не будет. На фото представлен образец такого полупроводникового прибора, но можно взять транзистор и другой формы, главное, он должен быть кремниевым.Следующий этап – это механическая подготовка ваших транзисторов. Необходимо, механическим путем, удалить верхнюю часть корпуса. Проще всего произвести эту операцию с помощью небольшой ножовки по металлу.
Подготовка
Зажмите транзистор в тисках и аккуратно сделайте пропил по контуру корпуса. Вы видите кремниевую пластину, которая будет выполнять роль фотоэлемента. Транзисторы имеют три вывода – базу, коллектор и эмиттер.
В зависимости от структуры транзистора (p-n-p или n-p-n), будет определена полярность нашей батареи. Для транзистора КТ819 база будет плюсом, эмиттер и коллектор минусом.
Наибольшая разница потенциалов, при подаче света на пластину, создается между базой и коллектором. Поэтому в нашей солнечной батарее будем использовать коллекторный переход транзистора.
Проверка
После спиливания корпуса транзисторов их необходимо проверить на работоспособность. Для этого нам необходим цифровой мультиметр и источник света.
Базу транзистора подключаем к плюсовому проводу мультиметра, а коллектор к минусовому. Измерительный прибор включаем в режим контроля напряжения с диапазоном 1В.
Направляем источник света на кремниевую пластину и контролируем уровень напряжения. Оно должно быть в пределах от 0.3В до 0.7В. В большинстве случаев один транзистор создает разницу потенциалов 0.35В и силу тока 0.25 мкА.
Для подзарядки сотового телефона нам необходимо создать солнечную панель примерно из 1000-ти транзисторов, которая будет выдавать ток в 200-ти мА.
Сборка
Собирать солнечную батарею из транзисторов можно на любой плоской пластине из материала, не проводящего электричество.
Все зависит от вашей фантазии.
При параллельном соединении транзисторов увеличивается сила тока, а при последовательном повышается напряжение источника.
Кроме транзисторов, диодов и медной фольги для изготовления солнечных батарей можно использовать алюминиевые банки, например, пивные, но это будут батареи нагревающие воду, а не вырабатывающие электроэнергию.
Смотрите видео, в котором специалист подробно объясняет, как сделать солнечную батарею из транзисторов своими руками:
В современном мире основными ресурсами энергии как право являются природные ресурсы. Для получении электрической энергии используются нефть, уголь, торф, газ, или радиоактивные вещества такие как плутоний и уран. Но все мы прекрасно понимаем, что наступит день и они закончатся, поэтому ученые в последнее время очень озабочены этим фактом. Единственный ресурс который не кончится - это вода, но гидроэлектростанции (ГЭС) не могут покрыть все расходы потребителей, ведь в нашем веке с развитием новейших технологий потребление электрической энергии резко возросло. А значит, наше будущее зависит от альтернативной энергетики. На данный момент уже применяются такие источники энергии, как ветростанции и солнечные модули. О ветростанциях мы поговорим в следующий раз, а речь сегодня пойдет о самодельной солнечной панели небольшой мощности, но которой хватит к примеру для зарядки мобильного телефона или питания светодиодной панели на пару ватт.
Данный модуль у меня работает уже пол года без всяких проблем, мощность небольшая, но для светодиодного освещения он в самый раз. Известно, что солнечные модули делают на полупроводниковых элементах, например кремний или германий, их КПД до недавнего времени был 11%, но уже сегодня ученым удалось поднять КПД таких модулей до 25%! И так начнем.
Прошу не судить за то, что для конструирования такой модули мне пришлось разобрать ровно 60 отечественных диодов типа КД2010 и ему подобных. Статья разумеется для новичков, которые интересуются альтернативными видами энергии, радио мастер в жизни не будет мучить себя изготовлением такой модули. Полупроводниковый кристалл диода при ярком солнце дает напряжение порядка 0.7 вольт, сила тока увы…. микроамперы. Для себя создал специальную технологию, которая позволяет очень аккуратно вынимать кристалл диода, металлический корпус диода нам не нужен. Итак ниже смотрим на сам процесс.
Берем сам диод, сверху у него есть стеклянная изоляция, его мы будем ломать нанеся слабенькие удары молотком пока стекло не треснет. Затем при помощи молотка нужно нанести удары по шву диода со всех сторон, в конце концов швы отойдут друг от друга и мы увидим кристалл, который припаян к металлическому корпусу диода. Теперь кристалл нужно отпаять от корпуса, для этого идем на кухню, включаем газовую плиту. Держим диод при помощи плоскогубцев на огне порядка 20 секунд, за это время плавится олово, и кристалл уже можно вынуть, удобно использовать пинцет. И так со всеми диодами, согласитесь процесс не сложный, но отнимает много времени. После того, когда все кристаллы готовы приступаем к сборке солнечной батареи.
Для сборки я использовал стандартную макетную плату, но вам не советую пользоваться ею, даже не представляйте как сложно паять на плате столько кристаллов! Изначально я хотел получить напряжение 6 вольт, но затем передумал и сделал модуль на 2 – 4 вольт. Почему так? спросите вы. Просто если использовать диоды для получения напряжения 6 вольт, нужно параллельно подключить порядка 10 диодов, но в таком случае получаем ничтожную силу тока, который даже не хватит для питания светодиода. А для получения 2 – 4 вольт достаточно собрать блоки которые состоят из 4 – 5 кристаллов подключенных последовательно, затем эти блоки нужно подключить параллельно для повышения силы тока. Таким образом подключая 5 блоков параллельно, ток достаточно большой для питания белого светодиода. И вторая причина по которой я выбрал именно это напряжение для батарейки – последнее время очень часто стали использоваться высококачественные DC-DC преобразователи, область их применения очень широка, например часто их используют для зарядки мобильного телефона всего от одной пальчиковой батарейки. Входное напряжение от 0.8 до 3 вольт, выходное – 5 – 5.5 вольт, выходной ток устройства до 400 мА, отличные параметры для зарядки мобильного телефона и питания небольшой светодиодной панельки которая у меня уже имелась. Итак общий принцип работы – солнечная модуль днем заряжает никель – кадмиевую батарейку емкостью 3300 мА, напряжение батарейки 1.2 вольт, затем ее можно использовать для зарядки мобильного телефона или питания светодиодов, но заранее нужно ставить токоограничивающий резистор на 10 Ом.
Потом друзья подарили целый чемодан диодов! Модуль был изготовлен в корпусе от старого советского стабилизатора напряжения, но по прежнему напряжение модуля 2.3 – 2.6 вольт. Теперь уже модуль заряжает щелочные аккумуляторы, мощность модуля 7 Ватт! Ниже представлен способ подключения кристаллов полупроводника. Прежде, чем паять кристаллы, нужно мультиметром проверить их полярность просветив кристалл на солнце. Для подключения был использован провод МГТФ.
Хочу также представить вашему вниманию схемы двух преобразователей, которые могут использоваться для зарядки мобильных устройств. Первая схема преобразователя выполнена на транзисторах. Она обеспечивает на выходе напряжение 6 В при токе 300 мА. Дроссель намотан на ферритовом кольце от старого блока питания, возможно использовать кольца от энергосберегающих ламп, содержит 35 витков проводом 0.5 мм. Транзистор КТ815 можно заменить на более мощный типа КТ819. КТ315 можно заменить на импортные аналоги типа С9014, 9018.
Вторая схема преобразователя выполнена на основе высококачественного низковольтного DC – DC преобразователя ZHDZ5 это аналог R1210N452D, транзистор 007G полный аналог MMBR5031LT1, у данного преобразователя очень высокий кпд, и он продолжает работоспособность даже тогда, когда напряжение батарейки ниже 0.9 – 0.8 вольт. Такая же схема используется в походных зарядных устройствах для мобильника, которые могут зарядить ваш мобильный телефон всего от одной пальчиковой батарейки. Дроссель состоит из 20 витков провода 0.3 мм.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вариант №1. | |||||||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ315Б | 1 | В блокнот | |||
| VT2 | Биполярный транзистор | КТ815А | 1 | В блокнот | |||
| VD1 | Стабилитрон | TDZ9V1J | 1 | В блокнот | |||
| VD2 | Диод | КД212А | 1 | В блокнот | |||
| VD3 | Диод | КД522А | 1 | В блокнот | |||
| С1 | 47 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| С2 | Конденсатор | 2200 пФ | 1 | В блокнот | |||
| С3 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 24 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 220 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R3, R4 | Резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | |||
| L1 | Катушка индуктивности | 1-5 мкГн | 1 | В блокнот | |||
| Вариант №2. | |||||||
| DC-DC преобразователь | ZHDZ5 | 1 | В блокнот | ||||
| Транзистор | 007G | 1 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||||
| Диод Шоттки | |||||||
В хозяйстве радиоконструктора всегда найдутся старые диоды и транзисторы от ставших ненужными радиоприемников и телевизоров. В умелых руках это - богатство, которому можно найти дельное применение. Например, сделать солнечную батарею своими руками для питания в походных условиях транзисторного радиоприемника. Как известно, при освещении светом полупроводник становится источником электрического тока - фотоэлементом. Этим свойством мы и воспользуемся.
Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента зависят от материала полупроводника, величины его поверхности и освещенности. Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нужно добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, его нужно вскрыть.
Как это сделать, расскажем чуть позже, а пока загляните в таблицу, где приведены параметры самодельных фотоэлементов. Все значения получены при освещении лампой мощностью 60 Вт на расстоянии 170 мм, что примерно соответствует интенсивности солнечного света в погожий осенний день.
Как видно из таблицы, энергия, вырабатываемая одним фотоэлементом, очень мала, поэтому их объединяют в батареи. Чтобы увеличить ток, отдаваемый во внешнюю цепь, одинаковые фотоэлементы соединяют последовательно. Но наилучших результатов можно добиться при смешанном соединении, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных групп, каждая из которых составляется из одинаковых параллельно соединенных элементов (рис. 3).
Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пластине из гетинакса, органического стекла или текстолита, например, так, как показано на рисунке 4. Между собой элементы соединяются тонкими лужеными медными проводами.
Выводы, подходящие к кристаллу, лучше не паять, так как при этом от высокой температуры можно повредить полупроводниковый кристалл. Пластину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с прозрачной верхней крышкой. Оба вывода подпаяйте к разъему - к нему будете подключать шнур от радиоприемника.
Солнечная фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре параллельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того, чтобы питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.
Теперь о том, как превратить диоды и транзисторы в фотоэлементы. Приготовьте тиски, бокорезы, плоскогубцы, острый нож, небольшой молоток, паяльник, оловянно- свинцовый припой ПОС-60, канифоль, пинцет, тестер или микроамперметр на 50-300 мкА и батарейку на 4,5 В. Диоды Д7, Д226, Д237 и другие в похожих корпусах следует разбирать так. Сначала отрежьте бокорезами выводы по линиям А и Б (рис.1). Смятую при этом трубочку В аккуратно расправьте, чтобы освободить вывод Г. Затем диод зажмите в тисках за фланец.
Приложите к сварному шву острый нож и, несильно ударив по тыльной стороне ножа, удалите крышку. Следите за тем, чтобы лезвие ножа не проходило глубоко вовнутрь - иначе можно повредить кристалл. Вывод Д очистите от краски - фотоэлемент готов. У диодов КД202 (а также Д214, Д215, Д242-Д247) плоскогубцами откусите фланец А (рис.2) и отрежьте вывод Б. Как и в предыдущем случае, расправьте смятую трубку В, освободите гибкий вывод Г.
В настоящее время в продаже появилось огромное количество солнечных батарей и модулей. К наиболее распространенным можно отнести модули, выполненные на основе поликристаллического и монокристаллического кремния, представляющие собой пластины кремния, смонтированные на плате из фольгированного стеклотекстолита, на оборотной стороне которых сформированы контактные площадки с маркировкой полярности. Для защиты от атмосферных осадков и воздействий они покрыты специальным защитным слоем из прозрачного пластика, который, в свою очередь, обладает очень высокой степенью оптической прозрачности. Панели из монокристаллического кремния имеют неплохой коэффициент полезного действия (КПД) 11-13%, срок их службы составляет до 25 лет. Однако, они значительно снижают мощность при затемнении и облачности, батарея, выполненная из поликристаллического кремния, имеет меньший КПД, около 7-9%, и долговечность примерно 10 лет, однако, в отличие от батарей из монокристаллического кремния, незначительно снижают мощность при затемнении и облачности.
Для изготовления самодельной солнечной батареи воспользуемся внутренним фотоэффектом p-n перехода полупроводникового прибора (диода, транзистора). Его работа основывается на зависимости прямого тока от степени освещенности p-n перехода. Оказывается, что чем лучше освещенность кристалла полупроводника, тем интенсивнее электроны и дырки проникают через p-n переход. А такая зависимость дает возможность преобразовывать световое излучение в электрический ток. При этом сам полупроводник становится источником электрического тока. Сила тока и электрическая движущая сила (ЭДС) у такого полупроводника зависит от нескольких факторов, а именно: материала, из которого выполнен полупроводник (кремний, германий и др.); площади поверхности p-n перехода; ну и конечно, степени освещенности. Однако, сила тока у одного фототодиода ничтожно мала, и он не способен обеспечить питание малогабаритной аппаратуры, поэтому нужно собирать модули из десятков таких полупроводниковых приборов, тогда будет желаемый эффект. Большим достоинством такого источника является то, что элементы, входящие в состав батареи, не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для выдачи определенной величины силы тока при некотором электрическом напряжении.
В качестве фотоэлемента можно использовать диоды, транзисторы, и другие полупроводники, у которых удастся открыть p-n переход, и он будет достаточной площади. Остановимся на диодах. В своей конструкции я применил кремниевые диоды КД202, внешний вид, чертеж и габаритные размеры:
Данный тип диода имеет плоскостное конструктивное исполнение. В таком типе диода на пластину из полупроводника напаяна небольшая капелька вещества, которая может быть или донором или акцептором. В месте спаивания этой капельки собственно и образуется p-n переход. Я надеюсь, что такие же диоды еще остались в наличии и отыщутся в старых запасах радиолюбителей, которые читают данную статью. При отсутствии указанного типа диода, возможно использование Д226, Д237.
Для того, чтобы превратить диод в источник фототока, необходимо аккуратно добраться до кристалла полупроводника, чтобы на p-n переход мог интенсивно попадать солнечный свет. Для этой цели проделаем следующее…
Взяв диод в руки, для выполнения правил техники безопасности перед будущими действиями с ним, его необходимо закрепить в слесарных тисках за фланец. После этого плоскогубцами или ножницами по металлу, а в крайнем случае зубилом, необходимо отрезать вывод диода. Помятый при выполнении данной процедуры остаток вывода в виде трубочки желательно аккуратно расправить, что впоследствии даст возможность без проблем освободить медный провод, который припаян к p-n переходу, и является собственно положительным контактом.
На следующем этапе следует снять с диода фланец. Для этого, как показано, необходимо приложить к сварному шву на диоде, который обозначен на рисунке, острый предмет (нож, отвертка и др.), и при этом потихоньку несильно ударяя по тыльной стороне такого предмета и поэтапно проворачивая диод в тисках, необходимо удалить защитный фланец. При выполнении данной процедуры нужно быть предельно внимательным и следить за тем, чтобы кончик острого предмета не проходил очень глубоко вовнутрь по сварному шву между диодом и пока еще не снятым фланцем. Это условие выполнять следует обязательно, во избежание повреждения кристалла. Теперь, когда сварочное соединение раскрыто, можно удалить фланец. Если все действия проделаны правильно, то результат выполненной работы должен выглядеть так:
Данные действия описаны для одного диода, для всех же остальных, которые будут составлять элементную базу батареи, действия аналогичные. Хотелось бы отметить, что приловчившись снимать фланец и тем самым открывать кристалл полупроводника по данной методике, на один диод будет уходить в среднем около минуты, поэтому все очень просто, нужно просто немножко потренироваться и подобрать для себя удобную оснастку.
Принципиальная схема солнечной батареи:
Как видно из рисунка, батарея состоит из пяти модулей М1-М5 по 11 диодов в каждом. Для максимального увеличения выходного тока, который отдается во внешнюю цепь, используемые диоды одинаковой серии необходимо соединять смешанно, то есть батарея собирается на основе групп, которые соединены в свою очередь последовательно, и составляются из одинаковых соединенных параллельно элементов. При такой схеме включения генерируемые диодами напряжения более равномерно распределяются по всей площади солнечной батареи. Благодаря этому, незначительное частичное затемнение части диодов не принесет большого снижения напряжения и силы тока в самодельной солнечной батарее. Конечно, количество модулей может быть другим, здесь работает принцип «чем больше — тем лучше», только очень важно, чтобы они были соединены именно таким образом, как указано на схеме. Описываемая самодельная солнечная батарея на основе 55 полупроводниковых диодов КД202, состоящая из пяти модулей по 11 параллельно соединенных диодов в каждом, на солнце генерирует напряжение до 5 В при силе токе примерно в 2,5 мА. Для питания малогабаритного радиоприемника, эпектронных часов и другой маломощной аппаратуры вполне достаточно будет. Также следует помнить, что напряжение на холостом ходу (без нагрузки), возникающее в полупроводнике, может немного изменяться при переходе от одного элемента к другому, даже если они одной серии, и может достигать значения до 0,5 В. Эта величина практически не зависит от размеров p-n перехода. А вот сила тока в полупроводниках, которые и составляют солнечную батарею, зависит от интенсивности освещения кристалла, а также размера активной рабочей площади в применяемом полупроводнике.
Теперь хотелось бы рассказать о монтаже элементов, составляющих солнечную батарею. Заранее подготовленные диоды необходимо установить на плате из стеклотекстолита.
Пример установки, на котором показано расположение в качестве примера четырех диодов:
Я уверен, вам не составит трудностей расположить такое количество диодов, которые они захотят применить в своих конструкциях солнечной батарей. Я же при помощи данного рисунка показал основной принцип правильного монтажа. Между собой положительные выводы, отходящие от кристаллов диодов необходимо соединить проводом из меди. При монтаже этих проводов от пайки лучше отказаться, так как высокой температурой можно повредить p-n переход. Описываемые диоды данной серии изначально включают в себя токосъемные болтовые контакты (в нашем случае они служат выводами отрицательной полярности) с резьбой М5. Поэтому для их соединения между собой, после установки в посадочные отверстия следует накрутить на них гайки М5. Между гайкой и платой провести оголенный медный провод или даже обкрутить хотя бы раз, а затем затянуть гайкой.
После монтажа всех элементов монтажную плату можно установить в корпус с защитной прозрачной крышкой, например, из оргстекла. Также в корпусе необходимо проделать небольшое отверстие для вывода шнура питания наружу, а выключатель никакой не потребуется.
Транзисторы также могут служить фотоэлектрическими преобразователями. Для этой цели достаточно удалить их непрозрачную оболочку. Неисправные транзисторы также можно благополучно использовать в качестве источников напряжения, но при одном условии, что у них не было короткого замыкания между коллектором и базой или эмиттером и базой. Чем более мощный транзистор, гем лучший из него получится фотоэлемент. Если же читатели захотят изготовить солнечную батарею на основе транзисторов, то можно порекомендовать следующие типы: П201, П202, П203, П416, П422, КТ620А, КТ3108А, зарубежный TG50 (отдает ток до 0,5 мА при напряжении около 1.5 В). При использовании зарубежного транзистора TG70 можно получить в ток пределах 3 мА при напряжении 1,5 В, те же самые показатели относятся и к отечественным транзисторам П201…203.
После выбора транзистора в металлическом корпусе, например, П416, у него необходимо аккуратно спилить верхнюю часть шляпки по линии 1-2, или же удалить весь корпус, выполняя те же действия, что и с диодом при снятии у него фланца. Также желательно проверить сначала все транзисторы, которые будут использованы в качестве элементов солнечной батареи. Воспользуемся для этой цели мультимегром, установив в нем режим миллиамперметра в диапазоне до 20 мА. Затем поднесем щупы к выводам выбранного транзистора, а именно между коллектором или эмиттером и базой. При этом плюсовой щуп, исходящий от мультиметра подключаем к коллектору или эмиттеру, а отрицательный щуп подводим к базе транзистора. При хорошем освещении прибор покажет ток примерно 0,15-0,3 мА. После этого необходимо перевести наш измерительный прибор в режим измерения напряжения, и выбрать диапазон до 2 В. И так же измерить, но уже напряжение между коллектором (или эмиттером) и базой. В данном случае мультиметр должен показать значение около 0.3 В.
Примерная часть схемы солнечной батареи с применением транзисторов следующая:
Вместо эмиттера можно также использовать и коллектор, кому как больше нравится. Естественно, что транзисторов может быть сколько угодно, а значит и модулей тоже.
Следует помнить о необходимости соблюдения температурного режима солнечной батареи, го есть оберегать ее от перегрева на солнце. При нагреве кристалла полупроводника на каждый последующий градус Цельсия, начиная от 25, он начинает терять в своём напряжении около 0,002 В, то есть примерно 0,4 % на градус. В погожий солнечный день кристалл и собственно р-п переход может нагреваться до температуры 40-80 °С, при этом температурном воздействии происходит потеря в среднем 0,06…0,09В на каждом элементе, входящем в состав солнечной батареи. Это одна из важнейших причин снижения КПД полупроводников самодельной солнечной батарем.
Самое эффективное время для работы солнечного модуля в период весны и лета — примерно с 9 до 18 часов, осенью и зимой, конечно, этот период сокращается. В другое светлое время суток ток солнечной батареи уменьшается. Падает ток, генерируемый солнечной батареей, и в пасмурную погоду или в тени. Некоторая ориентировка солнечной батареи относительно положения Солнца помогает увеличить генерируемый ток. Напряжение у такой самодельной солнечной батареи будет равняться сумме напряжений на всех составляющих ее полупроводниках. Ток, отдаваемый этой батареей, будет ограничен током наихудшего полупроводника.
Андрей Студенев
