Слънчев генератор със собствени ръце: инструкция за изработване на алтернативен източник на енергия

Алтернативните източници на енергия, които позволяват да се осигури жилищното помещение с топлина и електричество в необходим обем, не са евтино „удоволствие“, изискващо значителни финансови разходи за придобиване, монтаж и инсталация.

Да се направи слънчев генератор със собствени ръце е значително по-евтино и напълно по силите на много домашни майстори. Нека разгледаме инструкцията, която достъпно описва всички нюанси на процеса на изработване.

Как работи генераторът на слънчева енергия?

Слънчевият генератор представлява комплекс от фотоелектрически полупроводникови елементи, които директно преобразуват енергията на слънцето в електрическа.

Квантите на излъчваната от светлинните лъчи енергия при попадане върху фотопластината избиват електрон от последната атомна орбита на работния елемент. Този ефект създава множество свободни електрони, които образуват непрекъснат поток на електрически ток.

Съвсем не е задължително, когато монтирате със собствени ръце слънчев генератор, веднага да сглобите голям, мащабен комплекс. Можете да започнете с малък агрегат, а при необходимост в бъдеще да увеличите обема.

Като действащ материал се използва силиций. Той се отличава с висока ефективност и осигурява коефициент на фотоелектрическо преобразуване в нормален режим на ниво 20%, а при благоприятни условия – до 25%.

Благодарение на изразената ефективност на силициевите фотоелементи, генераторите, направени на тяхна основа, гарантират висока отдача при сравнително малък обем. Мощността на агрегат с размери 1 метър на час дава 125 W, което се счита за доста впечатляващ резултат.

От едната страна на силициевата пластина се нанася тънко покритие от пасивни химични елементи – бор или фосфор. Именно на тази повърхност в резултат на интензивното въздействие на слънчевите лъчи се извършва активно освобождаване на електрони. Фосфорният филм надеждно ги задържа на едно място и не им позволява да се разпръснат.

На самата работна пластина се намират метални «пътечки». По тях се движат свободни електрони, като по този начин създават подредено движение, т.е. електрически ток.

Към минусите на пластините се отнасят само сложността и скъпоструването на процеса на пречистване на самия силиций, и за да се избегнат тези проблеми, активно се усвоява използването на алтернативи под формата на галий, кадмий, индий и различни медни съединения. Въпреки това засега реални конкуренти на силициевите елементи все още няма.

Най-простият начин да се изгради преобразувател на слънчевата енергия в електричество – да се купи готова слънчева батерия и да се инсталира на покрива на къщата или гаража:

Какво е необходимо за работа?

За изработването на генератора, състоящ се от комплект слънчеви батерии, са необходими следните инструменти и материали:

• модули за преобразуване на слънчевите лъчи в енергия;
• алуминиеви ъгълчета;
• дървени летви;
• листове от ПДЧ;
• прозрачен елемент (стъкло, плексиглас, оргстъкло, поликарбонат) за създаване на защита за силициевите пластини;
• самонарезни винтове и винтове с различни размери;
• плътен поролон с дебелина 1,5-2,5 мм;
• качествен уплътнител;
• диоди, клеми и проводници;
• шуруповерт или комплект отвертки;
• поялник;
• ножовка за дърво и метал (или ъглошлайф).

В какъв обем ще са необходими материалите, ще зависи пряко от планирания размер на генератора. Мащабната работа ще доведе до допълнителни разходи, но във всеки случай ще излезе по-евтино от закупения модул.

Защитната основа за силициевите пластини може да бъде от стъкло, оргстъкло, поликарбонат или плексиглас. Първите три материала създават минимална загуба на преобразувана енергия, а четвъртият пропуска лъчите значително по-лошо и значително намалява ефективността на целия комплекс.

За крайно тестване на сглобения агрегат се използва амперметър. Той позволява да се фиксира реалната ефективност на инсталацията и помага да се определи действителната изходна мощност.

Избор на тип фотопреобразувател

Мерките за създаване със собствени ръце на соларен генератор започват с избора на типа на фотоелектрическия силициев преобразувател.

Тези компоненти биват три вида:

• аморфни;
• монокристални;
• поликристални.

Всеки вариант има своите предимства и недостатъци, а изборът в полза на който и да е от тях се прави въз основа на размера на средствата, отделени за закупуване на всички компоненти на системата.

Особености на аморфните разновидности

Аморфните модули се състоят не от кристален силиций, а от негови производни (силан или силициев водород). Чрез вакуумно нанасяне, те се нанасят на тънък слой върху висококачествено метално фолио, стъкло или пластмаса.

Готовите изделия имат блед, размито-сив нюанс. Видими кристали силиций на повърхността не се наблюдават. Основното предимство на гъвкавите слънчеви батерии се счита достъпната цена, но ефективността им е много ниска и варира в диапазона 6-10%.

Аморфните фотоелементи, произведени на основа на силиций, притежават повишена гъвкавост, демонстрират високо ниво на оптично поглъщане (20 пъти по-голямо от това на моно- или поликристалните аналози) и работят значително по-ефективно в облачно време.

Специфика на поликристалните типове

Поликристалните слънчеви батерии се произвеждат при постепенно, много бавно охлаждане на силициевата стопилка. Получените изделия се отличават с наситен син цвят, имат повърхност с ясно изразен рисунък, наподобяващ мразовит шарка, и проявяват ефективност в района на 14-18%.

Наличието на области вътре в материала, отделени от общата структура чрез зърнести граници, пречи на по-високата КПД производителност.

Поликристалните фотоелементи работят в продължение на само 10 години, но през това време тяхната ефективност не намалява. Въпреки това, за монтаж на изделията в единен комплекс задължително се използва здрава, твърда основа, тъй като листовете са доста твърди и изискват здрава, надеждна опора.

Характеристика на монокристалните варианти

Монокристалните модули се характеризират с плътен тъмен цвят и се състоят от цели кристали силиций. Тяхната ефективност надвишава показателите на другите елементи и е 18–22% (при благоприятни условия – до 25%).

Друго предимство се смята впечатляващият срок на експлоатация – според производителите над 25 години. Въпреки това, при продължителна употреба КПД на монокристалите пада и след 10–12 години фотоотдаването вече е не повече от 13–17%.

Модулите от монокристали струват значително повече от другите видове оборудване. Произвеждат се чрез разрязване на изкуствено отгледани кристали силиций.

За изграждане на слънчев генератор у дома със собствени ръце предимно се вземат поли- и монокристални пластини с различни размери. Те се закупуват от популярни онлайн магазини, включително в eBay или АлиЕкспрес.

Поради факта, че фотоелементите се ценят доста високо, много доставчици предлагат на клиентите продукция от група B, т.е. годни за пълноценна експлоатация фрагменти с лек дефект. Тяхната стойност се различава от стандартната цена с 40–60%, благодарение на което сглобяването на генератора струва разумна цена, която не удря прекалено по джоба.

Как да направите рамка за пластините?

За изработване на рамката на бъдещия генератор се използват здрави дървени летви или алуминиеви ъгълчета. Дървеният вариант се счита за по-малко практичен, тъй като материалът изисква допълнителна обработка, за да се избегне последващо гниене и разслояване.

За да издържи дървената рамка на експлоатационния товар и да не изгние още след първия дъжд, тя трябва да се импрегнира със специален състав, предпазващ дървото от въздействието на влага.

Алуминият има много по-привлекателни физически характеристики и благодарение на своята лекота не оказва допълнително натоварване на покрива или друга носеща конструкция, където се планира да се монтира агрегатът.

Освен това, благодарение на антикорозионното покритие, металът не ръждясва, не гние, не попива влага и лесно понася въздействието на всякакви агресивни атмосферни проявления.

За изграждане на рамкова конструкция от алуминиеви ъгълчета първо се определя размерът на бъдещия панел. При стандартния вариант на един блок се използват 36 фотоелемента с размер 81 мм × 150 мм.

За коректност на последващата експлоатация между фрагментите се оставя малка междина (около 3–5 мм). Това пространство позволява да се отчете промяната на основните параметри на основата, изложена на въздействие на атмосферни явления. В резултат общият размер на заготовката е 83 мм × 690 мм при ширина на ъгълчето на рамката от 35 мм.

Силициевите пластини, поставени в рамка от алуминиев профил, изглеждат почти като изделия от фабрично производство. Здравата и солидна рамка осигурява на системата безупречна херметичност и придава на цялата конструкция високо ниво на твърдост.

След определяне на размерите от ъглите се изкрояват необходимите фрагменти и с помощта на крепежни елементи се сглобяват в рамкови конструкции. Върху вътрешната повърхност на конструкцията се нанася слой силиконов уплътнител, като се следи много внимателно да няма пропуски и празнини.

От това зависи цялостността, здравината и дълготрайността на монтираната конструкция. Отгоре се поставя защитен прозрачен материал (стъкло с антирефлексно покритие, плексиглас или поликарбонат със специални параметри) и се закрепва надеждно с помощта на метизи (по 1 от късата и по 2 от дългата част на рамката и 4 по ъглите на корпуса).

За работа се използват отвертка и винтове с подходящ диаметър. Накрая прозрачната повърхност внимателно се почиства от прах и дребни отпадъци.

Избор на прозрачен елемент

Основните критерии за избор на прозрачен елемент за създаване на генератора:

• способност за поглъщане на ИЧ-лъчение;
• ниво на пречупване на слънчевата светлина.

Колкото по-нисък е показателят на пречупване, толкова по-висока е ефективността, която демонстрират силициевите пластини. Най-нисък коефициент на светлоотражение имат плексигласът и акрилното стъкло. Поликарбонатът също има далеч не най-добрите показатели.

За създаване на рамкови конструкции за домашни хелиосистеми се препоръчва по възможност да се използва антирефлексно прозрачно стъкло или специален вид поликарбонат с антикондензатно покритие, осигуряващо необходимото ниво на термична защита.

Най-добрите характеристики по отношение на поглъщане на ИЧ-лъчение притежават здравото термопоглъщащо акрилно стъкло и стъкло с опция за ИЧ-поглъщане. При обикновеното стъкло тези показатели са значително по-ниски. От ефективността на ИЧ-поглъщането зависи дали ще се нагряват по време на експлоатация силициевите пластини или не.

Ако нагряването се окаже минимално, фотоелементите ще издържат дълго и ще осигурят стабилна отдача. Прегряването на пластините ще доведе до прекъсвания в работата и бърза повреда на отделни фрагменти от системата или на целия комплекс.

Инсталиране на силициевите фотоелементи

Непосредствено преди монтажа защитните стъкла, поставени в алуминиеви рамки, се почистват добре от прах и се обезмасляват с алкохолосъдържащ състав.

Закупените фотоелементи се разполагат равномерно върху маркировъчна подложка на разстояние 3-5 милиметра един от друг и се маркират ъглите на общата конструкция. След това се пристъпва към запояване на елементите – най-важния и трудоемък етап от работата по сглобяване на генератора.

Запояването на работните елементи на генератора се извършва по схема, в която «+» са пътеките от външната страна, а «-» – каналите, разположени от обратната страна на пластината.

За коректно свързване на контактите първо се нанася флюс (киселина за запояване) и спойка, а след това се извършва обработка в строга последователност отгоре надолу. Накрая всички редове се свързват помежду си.

Като следваща стъпка се прави залепване на фотоелементите. За това в центъра на всяка силициева пластина се изстисква малко уплътнител, образуваните вериги от елементи се обръщат с външната страна нагоре и се разполагат в строго съответствие с маркировката, нанесена по-рано.

Внимателно с ръце се притискат пластините, като се фиксират на нужното място. Действа се много предпазливо, като се старае да не се повреди и огъне материалът.

Контактите на фотоелементите, разположени по краищата, се извеждат на отделна шина (широк сребърен проводник) като «+» и «-». Допълнително комплектът се оборудва с блокиращ диод. Свързвайки се с контактите, той не позволява на акумулаторите да се разреждат през рамковата конструкция през нощното време на денонощието.

В долната част на рамката се пробиват с бормашина отвори, през които проводниците се извеждат навън. За да не провисват, в работата се използва силиконов уплътнител.

С стъпките на сглобяване на соларен панел от 60 елемента ще ви запознае следната фото-галерия:

Сглобените чрез запояване фотоелементи сега трябва да се закрепят върху основата. Може да се залепят към шперплата и да се покрият със стъкло. Но в примера залепването първо се извършва към стъклото:

За да не поглъща акумулаторът, предназначен за натрупване на заряд, енергията, произведена от фотоелементите, неговата слънчева батерия се свързва през диод Шотки:

Сглобяването на мини слънчевата централа, показана в примера, извършваме съгласно схемата, представена на снимката. При свързването използваме проводник с медна жила с напречно сечение от 1 mm²

Тази мини електроцентрала може да произвежда до 15 V. Трябва да се има предвид, че максималната производителност ще бъде отбелязана само в слънчеви безоблачни дни. В облачно време устройството ще генерира значително по-малко или изобщо няма да произвежда енергия. Затова акумулаторът към нея се подбира така, че запасът да стигне поне за едно денонощие.

Как да тествате монтирания агрегат?

Преди окончателно да запечатаме сглобения генератор, задължително го тестваме, за да открием потенциални неизправности, които биха могли да възникнат по време на запояване. Най-разумният вариант – да проверяваме всеки запоен ред поотделно. Така веднага ще стане ясно къде контактите са свързани лошо и се налага повторна обработка.

За провеждане на теста се използва домашен амперметър. Измерването се извършва в безоблачен слънчев ден по обед (период от 13 до 15 часа). Конструкцията се поставя на двора и се настройва под подходящ ъгъл на наклон.

Домашният амперметър помага да измерим действителната сила на тока. Въз основа на неговите показания можем да определим нивото на работоспособност на монтираната слънчева система и да открием нарушения в последователността на свързване на силициевите фотоелементи.

Към изведените контакти на слънчевата батерия се свързва амперметър и се извършва измерване на тока на късо съединение. Ако уредът показва резултати над 4,5 A, системата е напълно коректна и всички връзки са запоени точно и правилно.

По-ниските данни, появили се на дисплея на тестера, говорят за нарушения, които трябва да се проследят и отново да се запоят. Традиционно слънчевите генератори, конструирани на ръка от фотоелементи с лек дефект (група B), на теста показват стойности от 5 до 10 ампера.

Агрегатите от фабрично производство показват данни с 10-20% по-високи. Това се обяснява с факта, че в производството се използват силициеви пластини от група А, които нямат никакви дефекти в структурата.

Заключителен етап на работата

Ако тестът показа, че батерията е напълно работоспособна, тя се запечатва със специален силиконов уплътнител или с по-скъп и издръжлив епоксиден компаунд.

Работата предвижда два начина на извършване:

1. Пълно заливане – когато цялата повърхност се покрива с уплътнителен състав.
2. Частична обработка – когато уплътнителят се нанася само върху крайните елементи и празното пространство между елементите.

Първият вариант се счита за по-надежден и осигурява на системата пълноценна защита от въздействието на външни фактори. Фотоелементите се фиксират ясно на местата си и работят коректно с максимална отдача.

За залепване на фотоелементите вътре в корпуса е желателно да се използва студоустойчив уплътнител, способен да издържа на резки температурни промени и ниски минусови стойности.

Когато заливката е извършена, на уплътнителя се дава да „стегне“. След това се покрива с прозрачен елемент и се притиска плътно към плочите.

С цел осигуряване на допълнителна защита и амортизация някои майстори препоръчват между повърхността на силициевата плоча и задната част на рамката да се постави плътен дунапрен. Това ще направи конструкцията по-цялостна и ще предпази крехките фотоелементи от излишно натоварване.

След това на повърхността се поставя тежест, която въздейства върху слоевете и изтласква от тях въздушните мехурчета. Готовият генератор се тества още веднъж и се монтира окончателно на предварително подготвеното място.

Къде и как да поставите генератора?

Мястото за инсталиране на слънчевия генератор се избира много внимателно и без бързане. Плочите, които приемат светлината, задължително се разполагат под наклон, така че лъчите да не „падат“ перпендикулярно върху повърхността, а да се „стичат“ внимателно по нея.

В идеалния случай конструкцията се разполага така, че да остава възможност при необходимост да се коригира ъгълът на наклон, като по този начин се „улавя“ максимално количество слънце.

Напълно допустимо е да се постави хелиосистема от слънчеви батерии на земята, но най-често за разполагане се избира покривът на къщата или на помощното помещение, а именно онази негова част, която излиза към най-осветената, предимно южна страна на парцела.

Много е важно наблизо да няма високи сгради и мощни, разперени дървета. Намирайки се в непосредствена близост, те създават сянка и пречат на пълноценната работа на агрегата.

За да работят качествено слънчевите инсталации, те трябва да се поддържат в чистота и ред. Слой мръсотия, образувал се върху повърхността на улавящата панел, намалява ефективността с 10%, а залепналият сняг напълно изключва агрегата. Затова редовната поддръжка е задължителна процедура и спомага за поддържане на модулите в идеално експлоатационно състояние.

Средно-оптималният за инсталиране на слънчев генератор се счита ъгъл на наклон на покрива от 45⁰. При такова разположение фотоелементите поглъщат слънчевия поток много ефективно и осигуряват необходимия за коректното обезпечаване на живота в дома обем енергия.

За да получите реална отдача от панелите и да осигурите на средностатистическо семейство необходимото количество енергия, ще трябва да заемете под слънчев генератор 15-20 кв.м повърхност на покрива.

За европейската част на държавите от ОНД важат няколко различни показатели. Професионалистите препоръчват за основа да се вземе ъгълът на стационарния наклон от 50-60⁰, а в подвижните конструкции през зимния сезон да се разполагат батериите под ъгъл 70⁰ спрямо хоризонта.

През лятото пък сменяйте положението и накланяйте фотоелементите под ъгъл 30⁰.

След като инсталирате панелите на генератора върху трак-система, оборудвана с опция за автоматично проследяване на слънцето, можете да повишите ефективността на отдаване с 50%. Модулът самостоятелно ще открие интензивността на лъчите и ще се настройва за максимална осветеност от изгрев до залез.

Непосредствено преди монтажа покривът допълнително се укрепва и оборудва със специални здрави опори, тъй като далеч не всяка конструкция притежава способността да издържи пълното тегло на оборудването за преобразуване на слънчева енергия.

За да инсталирате надеждно и здраво слънчевия генератор на покрива, струва си да закупите специални крепежни елементи. Те се произвеждат отделно за всеки тип покривно покритие и винаги са налични в продажба. При монтажа между панелите и покрива трябва задължително да се остави празнина за пълен достъп на въздух и коректна вентилация на слънцеабсорбиращите елементи.

В някои случаи под покрива се поставят усилени греди, предпазващи покрива от срутване, потенциално възможно поради повишеното натоварване, което значително нараства през зимния сезон, когато върху покривната повърхност се натрупва сняг.

За пускане в работа на хелиосистемата ще са необходими акумулатори, инвертор и контролер за зареждане. За правилата за подбор на устройствата и включването им във веригата ще научите от препоръчаните от нас статии.

Изводи и полезно видео по темата

Особености и нюанси при запояване на фотоелементи за изработка със собствени ръце в домашни условия на ефективен слънчев генератор. Подсказки и съвети за майстори, любопитни идеи и лични разработки.

Как правилно да тествате фотоелемент и да измерите основните му параметри. Тази информация ще ви послужи при последващи изчисления на точното количество пластини, необходими за пълноценната работа на системата.

Пълно поетапно описание на процеса на сглобяване на слънчева батерия за генератор в домашни условия. Правила за работа, започвайки от закупуването на необходимите елементи и завършвайки с общ тест на изработеното устройство.

Познавайки устройството на слънчевите генератори, сглобяването им у дома няма да представлява голям труд. Разбира се, работата ще изисква внимание, точност и скрупульозност, но резултатът ще оправдае всички финансови и трудови разходи. Готовият агрегат ще осигури на сградата топлина и електроенергия в пълен обем, създавайки необходимото ниво на комфорт за обитателите.

Не си струва веднага да се захващате с голям проект. За начало има смисъл да опитате силите си в сглобяването на малък агрегат, а след това, като овладеете напълно всички нюанси на процеса, да пристъпите към изграждането на по-мощна и мащабна инсталация.

А кой начин за изграждане на мини-електроцентрала избрахте Вие за обустройството на вилния парцел? Пишете, моля, коментари, споделяйте полезни сведения и снимки по темата на статията в разположения по-долу блок. Задавайте въпроси по спорни или неясни моменти.