Кремниевые фотоэлементы для солнечной батареи. Фотоэлементы для солнечных батарей

Солнечная батарея – это несколько фотоэлементов, собранных в одном корпусе, снабжающих электричеством потребителя. Сами фотоэлементы с каждым днем становятся все доступнее, во многом благодаря тому, что их в хорошем качестве стал выпускать Китай.

Выбор фотоэлементов для солнечной батареи

Поликристалл или монокристалл. Однозначного ответа нет, поликристаллические модули дешевле, но у них ниже энергоэффективность. Большинство промышленных производителей отдают предпочтение поликристаллическим фотоэлементам. В России ни те ни другие не производятся, следовательно делаем покупки на com или aliexpress.com.
Размерность. Есть размеры 6х6(156 х 156 мм), 5х5 (127 127 мм), 6х2 (156 х 52 мм) дюйма. Следует брать последние. Дело в том, что все фотоэлементы очень тонкие и хрупкие, легко ломаются при монтаже, поэтому выгоднее сломать маленький фотоэлемент. Также, чем меньше размер одного элемента, тем легче заполнить площадь батареи.
Припаянные контакты. Каждая пластина будет соединяться последовательно с другими, следовательно работать с паяльником придется много. Значительно облегчают эту работу припаянные контакты к панелям. Подключить такие контакты к общей шине будет гораздо проще. Если таких контактов нет, вам придется паять их самостоятельно.

Инструменты и материалы

Материалы:

Алюминиевый уголок 25х25;
Болты 5х10 мм – 8 шт;
Гайки 5 мм – 8 шт;
Стекло 5-6 мм;
Клей – герметик Sylgard 184;
Клей-герметик Ceresit CS 15;
Поликристаллические фотоэлементы;
Флюс фломастер (смесь канифоли и спирта);
Серебряная лента для подключения к фотоэлементам;
Лента для шины;
Припой (нужен тонкий, т.к. чрезмерный нагрев выведет из строя фотоэлемент);
Пенополиуретан (поролон), толщиной 3 см;
Плотная полиэтиленовая пленка 10 мкм.

Инструмент:

Напильник;
Ножовка по металлу с полотном 18;
Дрель, сверла на 5 и 6 мм;
Ключи рожковые;
Паяльник;

Пошаговая фотоинструкция

Максимально подробно рассказано, как своими руками собрать солнечную батарею из фотоэлементов на алюминиевом каркасе.

Сточить напильником углы на одной грани с каждой стороны алюминиевого угла под 45 градусов.

Обрезать уголки ножовкой по металлу под 45 градусов. Для удобства можно воспользоваться стуслом:

С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:

Обрезанный алюминиевый уголок

Делаем скобы для соединения уголков:

Прикладываем уголки срезанными углами друг к другу
Перпендикулярно ставим уголок и на нем намечаем линию отреза Должно получиться 4 соединительных уголка

На сторонах каждой полученной скобы находим центр и сверлим отверстие, диаметром 6 мм:

Находим центр каждой стороны скобы
Отверстие в скобе

Делаем разметку через отверстие в каждой скобе на уголке. Чтобы потом не перепутать, помечаем каждый угол и каждую скобу цифрой:

Разметка отверстий «по месту»
Ставим цифры, чтобы потом не перепутать

Сверлим отверстия в уголке сверлом 5 мм, должно получиться так:

Отверстия в уголке

Собираем рамку с помощью болтов и гаек:

Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:

Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри

Обезжирить поверхность стекла изнутри и разложить фотоэлементы лицевой стороной вниз таким образом, чтобы контактные шины были параллельны:

Соедините между собой фотоэлементы скотчем, так они не распадутся при дальнейших операциях.

Соединить между собой элементы по схеме:

Схема соединения фотоэлементов в батарее

Собираем уплотняющую конструкцию:

Из листа пенополиуретана вырезаем прямоугольник, меньше внутренней части рамки на 1 см с каждой стороны;
Запаиваем получившийся прямоугольник в полиэтиленовую пленку с помощью скотча или паяльника

Конструкция укладывается внутрь рамки:

Поролон укладывается внутрь рамки

Рамка вместе с поролоном переворачивается и снимается. Остаются только уложенные и скрепленные между собой скотчем фотоэлементы:

Снять алюминиевую рамку
Фотоэлементы на поролоне

На всю поверхность фотоэлементов кистью наносится герметик Sylgard 184 и накрывается сверху рамкой со стеклом:

Герметик на фотоэлементах
Накрыть фотоэлементы рамкой со стеклом

Ставим груз на стекло на несколько часов, за это время должны удалиться пузыри воздуха:

Пузыри уходят за 2-3 часа

Через 12 часов снимаем груз и отрываем поролон. Батарея готова к подключению!

Ошибки при сборке солнечной батареи своими руками

Несколько характерных ошибок, совершаемых при самостоятельной сборке панелей, о которых хотелось бы предупредить.

Сборка на каркасе из дерева или ДСП. Солнечная батарея, собранная своими руками, окупается только если служит несколько лет, поэтому ненадежная конструкция из бруса для нее точно не подходит, т.к. разбухнет и потеряет форму через год – два. Конструкция получается громоздкой и тяжелой, плохо поддается транспортировке и переносу.
Небрежное хранение Sylgard 184. Если вы не расходуете всю банку этого клея, после использования его нужно переместить в меньшую тару, чтобы остатки не имели контакта с воздухом внутри нее. В противном случае, спустя полгода хранения весь клей может затвердеть.
Использование оргстекла. Батарея всегда находится на солнце (в этом её суть), поэтому сильно греется. Оргстекло очень плохо отводит тепло от фотоэлементов. Это снижает их эффективность. Каждый градус выше 25 °С снижает эффективность на 0,45%. Но это не главный минус оргстекла! При температуре больше 50 °С оно деформируется во всех плоскостях, разрывая контакты внутри схемы, разгерметизируя батарею и приводя ее в негодность.
Недостаточное внимание изолированию соединений. При сборке солнечных батарей для своего дома своими руками лучше использовать специальные коннекторы (MC4), соединяющие несколько панелей в единую сеть. Дело в том, что в дальнейшем, возможно, их придется демонтировать для ремонта, поворота в другую сторону, замены элементов и т.д. Скручивать контакты «намертво» или использовать для этой цели соединительные клеммы, которые предназначены для внутренних работ – не наилучший вариант.

Наверное, нет такого человека, который не хотел бы стать более независимым. Возможность полностью распоряжаться собственным временем, путешествовать, не зная границ и расстояний, не задумываться о жилищных и финансовых проблемах - вот что даёт ощущение настоящей свободы. Сегодня мы расскажем о том, как, используя солнечное излучение, снять с себя бремя энергетической зависимости. Как вы догадались, речь пойдёт о солнечных батареях. А если быть точнее, то о том, можно ли своими руками построить настоящую солнечную электростанцию.

История создания и перспективы использования

Идею превращения энергии Солнца в электричество человечество вынашивало давно. Первыми появились гелиотермальные установки, в которых перегретый сконцентрированными солнечными лучами пар вращал турбины генератора. Прямое преобразование стало возможным лишь в середине XIX века, после того, как француз Александр Эдмон Баккарель открыл фотоэлектрический эффект. Попытки создать на основании этого явления действующую солнечную ячейку увенчались успехом лишь полвека спустя, в лаборатории выдающегося русского учёного Александра Столетова. Полностью описать механизм фотоэлектрического эффекта удалось ещё позже - человечество обязано этим Альберту Энштейну. К слову, именно за эту работу он получил Нобелевскую премию.

Баккарель, Столетов и Энштейн - вот те учёные, которые заложили фундамент современной солнечной энергетики

О создании первого солнечного фотоэлемента на основе кристаллического кремния возвестили мир сотрудники компании Bell Laboratories в далёком апреле 1954 года. Эта дата, по сути, и является отправной точкой технологии, которая в скором времени сможет стать полноценной заменой углеводородному топливу.

Поскольку ток одной фотоэлектрической ячейки составляет миллиамперы, то для получения электроэнергии достаточной мощности их приходится соединять в модульные конструкции. Защищённые от внешнего воздействия массивы солнечных фотоэлементов и являются солнечной батареей (из-за плоской формы устройство нередко называют солнечной панелью).

Преобразование солнечного излучения в электричество имеет огромные перспективы, ведь на каждый квадратный метр земной поверхности приходится в среднем 4.2 кВт/час энергии в день, а это экономия практически одного барреля нефти в год. Изначально используемая лишь для космической отрасли технология уже в 80-х годах прошлого века стала настолько обыденной, что фотоэлементы стали использовать в бытовых целях - в качестве источника питания калькуляторов, фотоаппаратов, светильников и т. д. Параллельно создавались и «серьёзные» гелиоэлектрические установки. Закреплённые на крышах домов, они позволяли полностью отказаться от проводного электричества. Сегодня можно наблюдать рождение электростанций, представляющих собой многокилометровые поля из кремниевых панелей. Вырабатываемая ими мощность позволяет питать целые города, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что будущее - за солнечной энергетикой.

Современные солнечные электростанции представляют собой многокилометровые поля фотоэлементов, способные снабжать электричеством десятки тысяч домов

Солнечная батарея: как это работает

После того как Энштейн описал фотоэлектрический эффект, миру открылась вся простота такого, казалось бы, сложного физического явления. В его основе лежит вещество, отдельные атомы которого находятся в неустойчивом состоянии. При «бомбардировке» фотонами света из их орбит выбиваются электроны - вот они-то и являются источниками тока.

Практически полвека фотоэффект не имел практического применения по одной простой причине - отсутствовала технология получения материалов с неустойчивой атомной структурой. Перспективы дальнейших исследований появились лишь с открытием полупроводников. Атомы этих материалов имеют либо избыток электронов (n-проводимость), или же испытывают в них нехватку (p-проводимость). При использовании двухслойной структуры со слоем n-типа (катод) и p-типа (анод), «обстрел» фотонами света выбивает электроны из атомов n-слоя. Покидая свои места, они устремляются на свободные орбиты атомов p-слоя и далее через подключённую нагрузку возвращаются на исходные позиции. Наверное, каждый из вас знает, что движение электронов в замкнутом контуре представляет собой электрический ток. Вот только заставить электроны перемещаться удаётся не благодаря магнитному полю, как в электрических генераторах, а за счёт потока частиц солнечного излучения.

Солнечная панель работает благодаря фотоэлектрическому эффекту, который был открыт ещё в начале XIX века

Поскольку мощность одного фотоэлектрического модуля недостаточна для питания электронных устройств, то для получения требуемого напряжения используется последовательное подключение множества ячеек. Что же касается силы тока, то её наращивают параллельным соединением определённого количества таких сборок.

Генерация электричества в полупроводниках напрямую зависит от количества солнечной энергии, поэтому фотоэлементы не только устанавливают под открытым небом, но и стараются сориентировать их поверхность перпендикулярно падающим лучам. А чтобы защитить ячейки от механических повреждений и атмосферного воздействия, их монтируют на жёстком основании и сверху защищают стеклом.

Классификация и особенности современных фотоэлементов

Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:

монокристаллические;
поликристаллические;
из аморфного Si.

Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.

Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы - эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами

В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин - они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических - не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок - следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов

Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью - их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях - высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.

Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели

Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:

на основе теллурида кадмия;
из тонких полимеров;
с использованием индия и селенида меди.

О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.

Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти

Изготовленные кустарным способом солнечные панели всегда будут находиться на шаг позади своих заводских собратьев, и на то есть несколько причин. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая ячейки с нестабильными или сниженными параметрами. Во-вторых, при изготовлении гелиоэлектрических батарей используется специальное стекло с повышенным светопропусканием и сниженной отражающей способностью - найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступать к серийному выпуску, все параметры промышленных образцов обкатывают с использованием математических моделей. В итоге минимизируется влияние нагрева ячеек на КПД батареи, улучшается система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединяющих шин, исследуются пути снижения скорости деградации фотоэлементов и т. д. Решать подобные задачи, не имея оборудованной лаборатории и соответствующей квалификации, невозможно.

Низкая стоимость самодельных солнечных батарей позволяет построить установку, позволяющую полностью отказаться от услуг энергокомпаний

Тем не менее сделанные своими руками солнечные батареи показывают неплохие результаты производительности и не так уж и сильно отстают от промышленных аналогов. Что же касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при одинаковых затратах самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.

Учитывая всё вышесказанное, вырисовывается картина того, какие фотоэлементы подходят под наши условия. Плёночные отпадают по причине отсутствия в продаже, а аморфные - из-за короткого срока службы и низкого КПД. Остаются ячейки из кристаллического кремния. Надо сказать, что в первом самодельном устройстве лучше использовать более дешёвые «поликристаллы». И только обкатав технологию и «набив руку», следует переходить на монокристаллические ячейки.

Для обкатки технологий подойдут дешёвые некондиционные фотоэлементы - как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках

Что касается вопроса, где взять недорогие солнечные элементы, то их можно найти на зарубежных торговых площадках типа Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. Там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов различных размеров и производительности, так и готовыми наборами для сборки солнечных панелей любой мощности.

Продавцы нередко предлагают фотоэлементы так называемого класса «B», которые представляют собой повреждённые солнечные батареи моно- или поликристаллического типа. Небольшие сколы, трещины или отсутствие уголков практически не сказывается на производительности ячеек, зато позволяет приобрести их по гораздо меньшей стоимости. Именно по этой причине их выгоднее всего использовать в самодельных гелиоэнергетических устройствах.

Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим

Редко у какого домашнего мастера не найдётся заветной коробочки со старыми радиодеталями. А ведь диоды и транзисторы от старых приёмников и телевизоров являются всё теми же полупроводниками с p-n-переходами, которые при освещении солнечным светом вырабатывают ток. Воспользовавшись этими их свойствами и соединив несколько полупроводниковых приборов, можно сделать самую настоящую солнечную батарею.

Для изготовления маломощной солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов

Внимательный читатель сразу же спросит, в чём подвох. Зачем платить за фабричные моно- или поликристаллические ячейки, если можно использовать то, что лежит буквально под ногами. Как всегда, дьявол скрывается в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют получить на ярком солнце напряжение не более 0.2 В при силе тока, измеряемой микроамперами. Для того чтобы достичь параметров, которые выдаёт плоский кремниевый фотоэлемент, понадобится несколько десятков, а то и сотен полупроводников. Сделанная из старых радиодеталей батарея сгодится разве что для зарядки кемпингового светодиодного фонаря или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более масштабных проектов, без покупных солнечных ячеек не обойтись.

На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать

Задумываясь о строительстве собственной солнечной электростанции, каждый мечтает о том, чтобы полностью отказаться от проводного электричества. Для того чтобы проанализировать реальность этой затеи, сделаем небольшие расчёты.

Узнать суточное потребление электроэнергии несложно. Для этого достаточно заглянуть в присланный энергосбывающей организацией счёт и разделить количество указанных там киловатт на число дней в месяце. К примеру, если вам предлагают оплатить 330 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.

График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости

В расчётах следует обязательно учитывать тот факт, что солнечная панель будет вырабатывать электричество только в светлое время суток, причём до 70% генерации осуществляется в период с 9 до 16 часов. Кроме того, эффективность работы устройства напрямую зависит от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.

Небольшая облачность или дымка снизят эффективность токоотдачи гелиоустановки в 2–3 раза, тогда как затянутое сплошными облаками небо спровоцирует падение производительности в 15–20 раз. В идеальных условиях для генерации 11 кВт×час энергии было бы достаточно солнечной батареи мощностью 11/7 = 1.6 кВт. Учитывая влияние природных факторов, этот параметр следует увеличить примерно на 40–50%.

Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6×0.7) =2.7 кВт.

Использование сборок из высокотоковых литиевых аккумуляторов является одним из наиболее изящных, но отнюдь не самым дешёвым способом хранения солнечной электроэнергии

Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.

Как видите, даже для того, чтобы обеспечить электричеством бытовые потребности средней семьи, понадобится серьёзная гелиоэлектрическая установка. Что касается использования самодельных солнечных батарей для отопления, то на данном этапе такая затея не выйдет даже на границы самоокупаемости, не говоря уж о том, чтобы можно было что-то сэкономить.

Расчёт размера батареи

Размер батареи зависит от требуемой мощности и габаритов источников тока. При выборе последних вы обязательно обратите внимание на предлагаемое разнообразие фотоэлементов. Для использования в самодельных устройствах удобнее всего выбирать солнечные ячейки среднего размера. Например, рассчитанные на выходное напряжение 0.5 В и силу тока до 3 А поликристаллические панели размером 3×6 дюймов.

При изготовлении солнечной батареи они будут последовательно соединяться в блоки по 30 шт, что позволит получить требуемое для зарядки автомобильной батареи напряжение 13–14 В (учитывая потери). Максимальная мощность одного такого блока составляет 15 В × 3 А = 45 Вт. Исходя из этого значения, будет нетрудно подсчитать, сколько элементов понадобится для постройки солнечной панели заданной мощности и определить её размеры. Например, для постройки 180-ваттного солнечного электрического коллектора понадобится 120 фотоэлементов общей площадью 2160 кв. дюймов (1.4 кв.м).

Постройка самодельной солнечной батареи

Прежде чем приступать к изготовлению солнечной панели, следует решить задачи по её размещению, рассчитать габариты и подготовить необходимые материалы и инструмент.

Правильный выбор места установки - это важно

Поскольку солнечная панель будет изготавливаться своими руками, соотношение её сторон может быть любым. Это очень удобно, поскольку самодельное устройство можно более удачно вписать в экстерьер кровли или дизайн загородного участка. По этой же причине выбирать место для монтажа батареи следует ещё до начала проектировочных мероприятий, не забывая учитывать несколько факторов:

открытость места для солнечных лучей в течение светового дня;
отсутствие затеняющих построек и высоких деревьев;
минимальное расстояние до помещения, в котором установлены аккумулирующие мощности и преобразователи.

Конечно, установленная на крыше батарея выглядит более органично, однако размещение устройства на земле имеет больше преимуществ. В этом случае исключается возможность повреждения кровельных материалов при установке поддерживающего каркаса, снижается трудоёмкость монтажа устройства и появляется возможность своевременного изменения «угла атаки солнечных лучей». И что самое главное - при нижнем размещении будет намного проще поддерживать чистоту поверхности солнечной панели. А это является залогом того, что установка будет работать в полную силу.

Монтаж солнечной панели на крыше вызвана скорее нехваткой места, чем необходимостью или удобством эксплуатации

Что понадобится в процессе работы

Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:

фотоэлементами;
многожильным медным проводом или специальными шинами для соединения солнечных ячеек;
припоем;
диодами Шоттки, рассчитанными на токоотдачу одного фотоэлемента;
качественным антибликовым стеклом или плексигласом;
рейками и фанерой для изготовления каркаса;
силиконовым герметиком;
метизами;
краской и защитным составом для обработки деревянных поверхностей.

В работе понадобится самый простой инструмент, который всегда есть под рукой у домовитого хозяина - паяльник, стеклорез, пила, отвёртка, малярная кисть и др.

Инструкция по изготовлению

Для изготовления первой солнечной батареи лучше всего использовать фотоэлементы с уже припаянными выводами - в этом случае уменьшается риск повреждения ячеек при сборке. Тем не менее, если вы имеете навыки обращения с паяльником, то сможете немного сэкономить, купив солнечные элементы с нераспаянными контактами. Для постройки панели, которую мы рассматривали в приведённых выше примерах, понадобится 120 пластин. Используя соотношение сторон примерно 1:1, потребуется укладка 15 рядов фотоэлементов по 8 штук в каждом. При этом мы сможем каждые два «столбика» соединить последовательно, а четыре таких блока подключить параллельно. Таким образом можно избежать путаницы в проводах и получить ровный, красивый монтаж.

Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции

Корпус

Сборку солнечной панели всегда следует начинать с изготовления корпуса. Для этого нам понадобятся алюминиевые уголки или деревянные рейки высотой не более 25 мм - в этом случае они не будут бросать тень на крайние ряды фотоэлементов. Исходя из размеров наших кремниевых ячеек размером 3х6 дюймов (7.62х15.24 см), размер рамы должен составлять не менее 125х 125 см. Если вы решите использовать другое соотношение сторон (например, 1:2), то каркас можно дополнительно усилить поперечиной из рейки такого же сечения.

Обратную сторону корпуса следует зашить панелью из фанеры или OSB, а в нижнем торце рамы просверлить вентиляционные отверстия. Соединение внутренней полости панели с атмосферой понадобится для выравнивания влажности - в противном случае не избежать запотевания стёкол.

Для изготовления корпуса солнечной панели подойдут самые простые материалы - деревянные рейки и фанера

По внешнему размеру каркаса вырезают панель из плексигласа или высококачественного стекла высокой степени прозрачности. В крайнем случае можно использовать оконное стекло толщиной до 4 мм. Для его крепления подготавливают уголковые кронштейны, в которых выполняют сверления для крепления к раме. При использовании оргстекла можно проделать отверстия непосредственно в прозрачной панели - это упростит сборку.

Чтобы защитить деревянный корпус солнечной батареи от влаги и грибка, его пропитывают антибактериальным составом и окрашивают масляной краской.

Для удобства сборки электрической части, из ДВП или другого диэлектрического материала вырезают подложку по внутреннему размеру рамы. В дальнейшем на ней будет выполняться монтаж фотоэлементов.

Пайка пластин

Перед тем как начать пайку, следует «прикинуть» укладку фотоэлементов. В нашем случае понадобится 4 массива ячеек по 30 пластин в каждом, причём располагаться в корпусе они будут пятнадцатью рядами. С такой длинной цепочкой будет неудобно работать, к тому же возрастает риск повреждения хрупких стеклянных пластин. Рационально будет соединять по 5 деталей, а окончательную сборку выполнять после того, как фотоэлементы будут смонтированы на подложке.

Для удобства, фотоэлементы можно смонтировать на непроводящей подложкке из текстолита, оргстекла или ДВП

После соединения каждой цепочки, следует проверить её работоспособность. Для этого каждую сборку помещают под настольную лампу. Записывая значения силы тока и напряжения, можно не только контролировать работоспособность модулей, но и сравнивать их параметры.

Для пайки используем маломощный паяльник (максимум 40 Вт) и хороший, легкоплавкий припой. Его в небольшом количестве наносим на выводные части пластин, после чего, соблюдая полярность подключения, соединяем детали друг с другом.

При пайке фотоэлементов следует проявлять максимальную аккуратность, поскольку эти детали отличаются повышенной хрупкостью

Собрав отдельные цепочки, разворачиваем их тыльной частью к подложке и при помощи силиконового герметика приклеиваем к поверхности. Каждый 15-вольтовый блок фотоэлементов снабжаем диодом Шоттки. Этот прибор позволяет току протекать только в одном направлении, поэтому не позволит аккумуляторам разряжаться при низком напряжении солнечной панели.

Окончательное соединение отдельных цепочек фотоэлементов выполняют согласно представленной выше электрической схеме. В этих целях можно использовать специальную шину или многожильный медный провод.

Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами

Сборка панели

Подложки с расположенными на них фотоэлементами укладывают в корпус и крепят саморезами. Если рама усиливалась поперечиной, то в ней выполняют несколько сверлений под монтажные провода. Кабель, который выводят наружу, надёжно фиксируют на раме и припаивают к выводам сборки. Чтобы не путаться с полярностью, лучше всего использовать двухцветные провода, подключая красный вывод к «плюсу» батареи, а синий - к её «минусу». По верхнему контуру рамы наносят сплошной слой силиконового герметика, поверх которого укладывают стекло. После окончательной фиксации сборку солнечной батареи считают законченной.

После того, как на герметик будет установлено защитное стекло, панель можно транспортировать к месту установки

Установка и подключение солнечной батареи к потребителям

В силу ряда причин самодельная солнечная панель является достаточно хрупким устройством, поэтому требует обустройства надёжного поддерживающего каркаса. Идеальным вариантом будет конструкция, которая позволит ориентировать источник бесплатной электроэнергии в обеих плоскостях, однако сложность такой системы чаще всего является весомым доводом в пользу простой наклонной системы. Она представляет собой подвижную раму, которую можно выставить под любым углом к светилу. Один из вариантов каркаса, сбитого из деревянного бруса, представлен ниже. Вы же можете использовать для его изготовления металлические уголки, трубы, шины и т. д. – всё, что есть под руками.

Чертёж каркаса солнечной батареи

Чтобы подключить солнечную батарею к аккумуляторам, понадобится контроллер заряда. Этот прибор будет следить за степенью заряда и разряда батарей, контролировать токоотдачу и выполнять переключение на сетевое питание при значительной просадке напряжения. Прибор необходимой мощности и требуемого функционала можно купить в тех же торговых точках, где продаются фотоэлементы. Что касается питания бытовых потребителей, то для этого потребуется трансформировать низковольтное напряжение в 220 В. С этим успешно справляется другое устройство - инвертор. Надо сказать, что отечественная промышленность выпускает надёжные приборы с хорошими ТТХ, поэтому преобразователь можно купить на месте - бонусом в этом случае будет «настоящая» гарантия.

Одной солнечной батареи для полноценного электроснабжения дома будет недостаточно - понадобятся еще и аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор

В продаже можно найти инверторы одной и той же мощности, отличающиеся по цене в разы. Подобный разброс объясняется «чистотой» выходного напряжения, что является необходимым условием питания отдельных электрических устройств. Преобразователи с так называемой чистой синусоидой имеют усложнённую конструкцию, и как следствие, более высокую стоимость.

Видео: изготовление солнечной панели своими руками

Постройка домашней солнечной электростанции является нетривиальной задачей и требует как финансовых и временных затрат, так и минимальных знаний основ электротехники. Приступая к сборке солнечной панели, следует соблюдать максимальное внимание и аккуратность - только в этом случае можно рассчитывать на удачное решение вопроса. Напоследок хотелось бы напомнить о том, что загрязнение стекла является одним из факторов падения производительности. Не забывайте своевременно чистить поверхность солнечной панели, иначе она не сможет работать на полную мощность.

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Галерея изображений

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечные элементы с каждым днем все активнее используются в промышленных и индивидуальных энергосистемах. Об их преимуществах и экономических выгодах известно всем. Это и независимость от центрального энергоснабжения, и снижение коммунальных расходов, и экологичность, и простота использования. А вот какими бывают солнечные модули, как их изготавливают, и, главное, как им удается превращать энергию солнца в электричество, - об этом большинство людей знают гораздо меньше.

Принцип действия и фотоэффект

Итак, самое главное – принцип работы солнечных элементов. Со стороны все выглядит по меньшей мере загадочно и непонятно: на небольшую пластину просто светит солнце, а индикатор напряжения показывает наличие тока! На самом деле в основе работы таких элементов лежит явление, открыто и изученное достаточно давно. Это явление – фотоэффект. Суть его и заключается в том, что некоторые виды материалов (их называют полупроводниками) способны вырабатывать постоянный ток под воздействием обычных солнечных лучей.

Происходит это таким образом. Электроны определенных веществ (к примеру, кремния, из которого и производят фотоэлементы) способны поглощать энергию солнечного потока. За счет этого они получают дополнительный импульс и покидают свои орбиты. Таким образом образуется направленный поток электронов, то есть – постоянный фототок.

Но не все так просто. Получить этот эффект можно только, объединив полупроводники двух типов, с p- и n-проводимостью. Первый тип отличается недостатком электронов, второй – их избытком. В результате получаются двухслойные солнечные элементы, состоящие из помещенных один на другой разнопроводимых полупроводников.

Работают фотоэлементы следующим образом. На n-проводник (его располагают вверху структуры) падают солнечные лучи и выбивают электроны с их атомарных орбит. За счет дополнительного энергоимпульса они переходят в p-проводник (ширину зоны перехода подбирают небольшой, чтобы электроны смогли ее преодолеть) и формируют направленный поток. По сути, такой двухслойный элемент для солнечных батарей представляет собой нечто вроде электродной батареи, причем в роли катода выступает n-вещество, а в роли анода – p-вещество. Для снятия фототока к полупроводниковым пластинам припаивают тонкие проводники и нагрузку.

В качестве p-/n-полупроводников применяют главным образом кремний с разными добавками. Объясняется это тем, что кремний очень легко добывать и обрабатывать в промышленных масштабах, это не требует особых затрат. Поэтому несмотря на кажущуюся невысокую эффективность таких солнечных батарей (порядка 20%) для массового производства применяют именно это вещество. Фотоэлементы на основе других соединений отличаются большим КПД (свыше 40%) но их массовое изготовление пока нерентабельно.

На основе кремния выпускаются элементы солнечных батарей трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и на тонких пленках. У каждой из этих разновидностей батарей свои рабочие показатели, особенности и сферы использования.

Фотоэлементы из поликремния

Ячейки из поликристаллов кремния имеют квадратную форму и неоднородную поверхность темного (иногда – почти черного) оттенка. Это объясняется тем, что при выращивании поликристаллов получают заготовки в форме призмы с квадратным сечением. Неоднородность поверхности и структуры определяется тем, что состоят такие заготовки из множества разнородных кристалликов. Кроме того, в поликремнии обязательно присутствует некоторая доля примесей.

КПД таких ячеек несколько ниже, чем у монокристаллических. Если производительность монопанелей превышает 20%, то для полимодификаций она составляет примерно 17-18%. Однако при этом стоимость их несколько ниже, поэтому купить элемент солнечной батареи из поликремния можно дешевле. Связано это с тем, что выращивание поликристаллов требует меньших производственных затрат, более того, иногда их получают путем переработки старых фотопанелей или кремниевых отходов.

За счет неравномерной структуры такие ячейки неравномерно поглощают солнечный свет. С одной стороны, это приводит к значительным потерям отраженной энергии, но с другой снижает их зависимость от движения Солнца по небосводу.

Фотоэлементы из монокремния

Солнечные элементы, изготовленные из монокристаллического кремния, очень легко узнать. Их отличают насыщенный, равномерный синий цвет и однородная поверхность. Такие ячейки производят из монокристаллов высокочистого кремния (порядка 99,99%), поэтому они обладают строгой кристаллографической структурой и более высокими эксплуатационными показателями. Кроме того, ячейки из монокремния имеют так называемую «песвдоквадратную» форму (как правило - со срезанными углами, иногда – форму многоугольника). Объясняется это тем, что для монокристаллов кремния характерна призматическая форма, сечением которой и является многоугольник. А готовые фотоячейки получают при помощи поперечной нарезки монокристалла.

Свойства фотоэлементов из монокремния

Из всех существующих сегодня элементов солнечной батареи моноячейки обладают наибольшей производительностью. Связано это с тем, что их однородная структура равномерно поглощает солнечный свет и также равномерно преобразует его в фототок. Отражающие потери лучей при этом минимальны, поэтому энергоэффективность такого элемента зависит только от свойств кристалла (количества и качества примесей, соблюдения технологии выращивания и т.д.).

Особенности солнечных батарей на монокристаллах:

Равномерность выходных параметров при различных погодных условиях. Современные монопанели практически не теряют своей эффективности при высокой облачности, как это было ранее.
Возможность использования в мороз. Моноячейки сохраняют свой КПД и при минусовых температурах, поэтому все солнечные батареи всесезонного использования комплектуют именно такими элементами.
Способность выдержать небольшой изгиб. За счет равномерной структуры моноячейки обладают незначительной гибкостью. Это свойство иногда используется при монтаже гелиопанелей.

Цена солнечных элементов из монокремния лишь незначительно выше поликристаллических аналогов.

Солнечные ячейки из аморфного кремния также называют «гибкими панелями». Это название полностью отражает все их особенности, и прежде всего – гибкую тонкопленочную структуру. Производят такие ячейки путем вакуумного напыления полупроводников на тонкопленочную подложку. Обычно используют аморфный кремний, но нередко применяют и теллурид кадмия или селенид меди-индия. Кроме того, ведутся разработки и по использованию органических материалов.

КПД гибких элементов определяется веществом полупроводника. Для кремниевых изделий он несколько ниже (порядка 10%), для батарей на более современных материалах (селенидах или теллуридах) он достигает 15-20%.

Особенности тонкопленочных элементов:

Возможность монтажа на любых криволинейных формах;
Высокая энергогенерация при рассеянном освещении (за счет этого их общая производительность в определенных условиях мало уступает кристаллическим аналогам);
Минимальная толщина (порядка 1мкм);
Малая себестоимость производства и невысокая итоговая стоимость;
Высокая энергоэффективность в мощных системах (более 10 кВт).

Тонкопленочные солнечные батареи широко используют в регионах с преобладанием пасмурных погодных условий и в очень жарких странах, а также в космической промышленности. Единственный недостаток этих батарей – их размеры, при одинаковой мощности на выходе гибкие панели почти в два раза больше кристаллических.

Фотоэлементы из транзисторов

Еще одна разновидность элементов для солнечных батарей – фотоэлементы из старых транзисторов. Такие солнечные ячейки проще всего сделать своими руками, достаточно взять полупроводниковые транзисторы и аккуратно снять с них крышечки, чтобы открыть p-n-переход. Энерговыработка транзисторного элемента минимальна, но их вполне можно объединять в блоки, увеличивая тем самым выходные параметры. Конечно, домашнюю электростанцию из таких модулей собрать не получится, а вот использовать их для подзарядки, например, светильников, часов или небольших аккумуляторов вполне возможно.

Основой любой установки в фотовольтаике всегда является фотоэлектрический модуль. Фотоэлектрический модуль - это комбинация электрически соединенных между собой фотоэлементов. Термин фотовольтаик состоит из двух слов «фото» (от греч. свет) и «вольт» (Алессандро Вольта - 1745-1827, итальянский физик) - единица измерения напряжения в электротехнике. Анализируя термин фотовольтаик, можно сказать - это .

Фотоэлектрический элемент (фотоэлемент) используется для получения электроэнергии за счет преобразования солнечного излучения. Фотоэлемент можно рассмотреть как диод, состоящий из полупроводников n-типа и p-типа с образованной зоной, обеднённой носителями, поэтому неосвещенный фотоэлемент подобен диоду и может быть описан как диод.

Для полупроводников, имеющих ширину запрещенной зоны между 1 и 3 эВ, максимальное теоретическое КПД может быть достигнуто 30%. Ширина запрещенной зоны и есть минимальная энергия фотона, которая способна поднять электрон из валентной зоны в зону проводимости. Наиболее распространенными из выпускаемых промышленностью солнечных элементов являются .

Монокристаллины и поликристалинны кремния. Кремний на сегодняшний день является одним из самых распространенных элементов для производство фотоэлектрических модулей. Однако из-за маленькой абсорбции солнечного излучения, солнечные элементы из кристалла кремния изготавливаются обычно шириной 300 мкм. КПД фотоэлемента из монокристалла кремния достигает 17%.

Если взять фотоэлемент из поликристалла кремния, то для него КПД лежит на 5% ниже, чем из монокристалла кремния. Граница зерен поликристалла является центром для рекомбинации носителей зарядов. Размер кристалла поликристаллина кремния может колебаться от нескольких мм до одного см.

Арсенид галия (GaAs). Солнечные элементы из арсенида галлия в лабораторных условиях уже показали КПД, равный 25%. Арсенид Галлия, разработанный для оптоэлектроники, сложно производить в больших количествах и для солнечных элементов является достаточно дорогим. Солнечные элементы из арсенида галлия применяются , а так же для космонавтики.

Тонкопленочные фотоэлементы технологии. Основным недостатком кремневых элементов является их высокая стоимость. Имеются тонкопленочные элементы, которые изготовляются из аморфного кремния (а-Si), телурида кадмия (CdTe) или купрум-индиум диселинида (CuInSe 2). Преимущество тонкопленочных фотоэлементов – экономия сырья и материалов и более дешевое производство по сравнению с кремнивыми фотоэлементами. Поэтому можно сказать, что тонкопленочные изделия имеют перспективы для применения в фотоэлементах.

Недостатком является, что некоторые материалы являются достаточно токсичными, поэтому безопасность продукции, а так же “recycling” играют важную роль. Кроме того, теллурид является исчерпаемым ресурсом, по сравнению с кремнием. КПД тонкопленочных фотоэлементов достигает 11 % (CuInSe2).

В начале 60-х годов фотоэлементы приблизительно стоили 1000$/Вт пиковой мощности и изготавливались главным образом в космосе. В 70-х годах начался серийный выпуск фотоэлементов, и их цена снизилась до 100$/Вт. Дальнейший прогресс и снижение стоимости фотоэлементов сделали возможным использование фотоэлементов для бытовых нужд. Особенно для части населения, живущего далеко от линий электропередачи и стандартного электрообеспечения, фотоэлектрические модули стали хорошей альтернативой.

На фото - первая солнечная батарея на основе кремния. Ее создали, ученые и инженеры американской компании Bell Laboratories в 1956-м году. Солнечная батарея представляет собой комбинацию электрически соединенных между собой фотоэлектрических модулей. Комбинация выбирается в зависимости от необходимых электрических параметров как ток и напряжение. Одна ячейка такой солнечной батареи, производившая менее 1 ватт электроэнергии, стоила 250 долларов. Вырабатываемая электроэнергия была в 100 раз дороже, чем из обычной сети.

Почти 20 лет солнечные батареи использовались только для космоса. В 1977 году стоимость электроэнергии удалось снизить до 76 долларов за 1 ваттную ячейку. Постепенно КПД повышалось: 15% в середине 90-х годов прошлого века и 20% к 2000 году. Современные наиболее актуальные данные по этой теме -

Производство фотоэлементов из кремния можно условно разделить на три основные стадии:

производство кремния высокой степени чистоты;

изготовление тонких кремниевых шайб;

сборка фотоэлемента.

Основным сырьем для производства кремния высокой степени чистоты является кварцевый песок (SiO 2). С помощью электролиза расплава получают металлургический кремний , который имеет степень чистоты до 98%. Процесс восстановления кремния происходит при взаимодействии песка с углеродом при высокой температуре 1800 °С:

Такая степень чистоты недостаточна для производства фотоэлемента, поэтому он подлежит дальнейшей обработке. Дальнейшее очищение кремния для полупроводниковой индустрии осуществляется практически по всему миру с помощью технологии, разработанной фирмой Siemens.

"Siemens процесс" представляет собой очищение кремния путем взаимодействия металлургического кремния с соляной кислотой, в результате чего получают трихлорсилан (SiHCl 3):

При температуре 30 °С трихлорсилан (SiHCl 3) находится в жидкой фазе, поэтому он легко отделяется от водорода. Далее, неоднократная дистилляция трихлорсилана повышает его чистоту до 10 -10 %.

Последующим процессом - пиролизом из очищенного трихлорсилана получают поликристаллический кремний высокой степени чистоты. Полученный поликристаллический кремний не совсем удовлетворяет условиям для использования в полупроводниковой индустрии, однако, для солнечной фотоэлектрической индустрии качество материала предостаточно.

Поликристаллический кремний является сырьем для производства монокристаллического кремния. Для производства монокристаллического кремния применяются два способа – метод Чохральского и метод зонного плавления.

Метод Чохральского является энергоемким, а также материалоемким. Сравнительно небольшое количество поликристаллического кремния закладывается в тигель и в вакууме расплавляется. Небольшая затравка монокремния опускается на поверхность расплава и затем, закручиваясь, поднимается, вытягивая за собой слиток цилиндрической формы, за счет силы поверхностного натяжения.

В настоящее время диаметры вытягиваемых слитков доходят до 300 мм. Длина слитков диаметром 100-150 мм достигает 75-100 см. Кристаллическая структура вытянутого слитка повторяет монокристаллическую структуру затравки. Увеличение диаметра и длины слитка, а также усовершенствование в технологии его распилки позволят уменьшить количество отходов, тем самым, удешевить стоимость получаемых фотоэлементов.

Ленточная технология. Технологический процесс, разработанный Mobil Solar Energy Corporation, основан на вытягивании из расплава кремниевых лент и формировании на них фотоэлементов. В расплав кремния погружается частично матрица и благодаря каппилярнному эффекту, поликристаллический кремний поднимается, образуя ленту. Расплав кристаллизуется и вынимается из матрицы. Для увеличения производительности конструируется оборудование, на котором возможно получать до девяти лент одновременно. В результате получается девятиугольная призма.

Преимущество лент в том, что они малоотходны из-за того, что исключается процесс резки слитка. К тому же можно легко получать фотоэлементы прямоугольной формы, в то время как круглая форма монокристаллических пластин не способствует хорошей компоновки фотоэлемента в фотоэлектрическом модуле.

Полученные поликристаллические или монокристаллические кремниевые стержни далее должны быть распилены на тонкие шайбы, толщиной 0,2 – 0,4 мм. При распиливании стержня монокристаллического кремния на потери уходят порядка 50% материала. Далее круглые шайбы, не всегда, но зачастую, обрезают для получения квадратной формы.