Солнечная батарея: источник энергии в каждый дом

  1. Главная
  2. Статьи
  3. Солнечная батарея: источник энергии в каждый дом
Солнечная батарея: источник энергии в каждый дом
Плюсы и минусы использования солнечных батарей, как самостоятельно изготовить солнечную батарею
Солнечная батарея: источник энергии в каждый дом
Метинвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ru/articles/sonyacna-batareya/
2022-08-26 09:56:08
Солнечная батарея: источник энергии в каждый дом
21 Августа 2022

Использование солнечной энергии в качестве вспомогательного и основного ресурса быстро превратилось из непривычного в самое перспективное направление благодаря широким возможностям, которые не может обеспечить ни один из альтернативных видов энергоснабжения. Низкая стоимость, неограниченный объём, простое обслуживание и монтаж оборудования, отсутствие выбросов и многие другие положительные критерии подталкивают пользователей к детальному исследованию вопроса.

В этой статье расскажем, как самому сделать солнечную батарею.

Солнечная энергия в каждый дом — это возможно

В западных странах решение перевести электроснабжение на солнечную энергетику продиктовано не столько экономической выгодой, хотя она очевидна, сколько заботой об окружающем мире. В наших условиях пользователи в первую очередь думают о финансовой целесообразности системы, и это понятно. 

солнечная батареяЕсли опираться на существующие тарифы на электроэнергию без учёта их роста, то самодельные солнечные батареи, установленные для семьи из 4 человек, окупают свою стоимость через 4–5 лет. Фотоэлементы прослужат без замены не менее 20 лет, аккумуляторы нужно будет заменить в среднем через 6–7 лет.

Для своего дома это идеальное решение даже без учёта постоянно растущих счетов на электроэнергию.

Принцип работы

Устройство солнечной батареи получает энергию солнечных лучей и переводит её в электрическую. В основу положено явление фотоэлектрического эффекта. Процесс преобразования протекает в полупроводниковых кремниевых пластинах между условными слоями. 

Для того чтобы представить принцип работы, необходимо знать, из чего состоит солнечная батарея. В систему домашней электростанции входят:

  • инвертор
  • стабилизатор
  • контроллер
  • ккумулятор

Под действием светового потока часть электронов постоянно переходит с одного слоя на другой. Образующееся электричество накапливается в аккумуляторных батареях. Контроллер анализирует уровень заряда, подключая и отключая систему. В инверторе происходит превращение прямого тока в переменный, что позволяет использовать полученную энергию в бытовых целях. Стабилизатор служит для защиты системы от перепадов напряжения.

как устроена солнечная батареяТак как работает солнечная батарея от фотоэлементов, производители предлагают несколько альтернативных решений. Кремниевые пластины отличает высокая эффективность, но они и самые дорогие за счёт способов очистки основного материала. Элементы из меди, индия, кадмия, галлия дешевле, но их производительность ниже. КПД составляет 13–20%, и этого достаточно, чтобы обеспечивать чистой энергией не только бытовые потребности, но и производственные нужды.

Какие материалы понадобятся

Собственную электростанцию на крыше вполне можно собрать самостоятельно, поскольку система строится по модульному принципу.

Для изготовления солнечной батареи в домашних условиях потребуются следующие элементы:

  • Аккумуляторы, накапливающие собранную энергию.
  • Контроллеры, отслеживающие заряд батарей и препятствующие его превышению.
  • Инверторы, преобразующие ток и выдающие необходимую мощность.
  • Фотоэлементы.
  • Профили для сборки каркаса.
  • Листы ДСП в качестве основания.
  • Прозрачная защита (например, стекло), чтобы закрыть поверхность фотоэлементов.

Как изготовить каркас

Для того чтобы солнечная батарея в домашних условиях выдерживала эксплуатационные нагрузки, требуется создать надёжный каркас. Рекомендуется брать стальные или алюминиевые профили. 

  • Модули рассчитаны на высокие нагрузки.
  • Не подвержены влиянию атмосферных факторов.
  • Не создают нагрузку на кровлю за счёт перфорации по длине.
  • Просты в сборке.

Желательно, чтобы площадь готовой панели не превышала  1 м2 — мера обеспечивает прочность конструкции.

установка солнечной батареиОптимальным решением для изготовления каркаса небольших панелей бытового назначения являются профили, изготовленные из тонколистовой оцинкованной стали марок S220GD, S250GD, S280GD, DX51D и др., изготавливаемой в соответствии с требованиями европейского стандарта EN 10346 и его украинского аналога ДСТУ EN 10346. В то же время, при создании несущего основания более габаритных установок, в т.ч. промышленных солнечных электростанций, могут применяться:

  • оцинкованные рулоны и листы марок S320GD и S350GD по стандарту ДСТУ EN 10346;
  • круглые и профильные трубы из сталей S235JRH, S275J0H, S355J2H и пр. по ДСТУ EN 10219;
  • сортовые профили (уголок, швеллер и т.д.) в марках S235, S275, S355, S460 и т.д. по ДСТУ EN 10025.

С целью обеспечения долговечности элементов каркаса, изготовленных из черного непокрытого проката, на них после изготовления наносят защитные металлические и/ или лакокрасочные покрытия.

Фотоэлементы для батареи

Покрытие фотоэлементов выбирают по показателю поглощения теплового излучения и преломления солнечного света. Для того чтобы сделать солнечную батарею своими руками максимально надёжной, необходимо защитить элементы от нагревания. Лучше всего с этим справляются стекло с ИК–подавлением, оргстекло с термопоглощением и обычное стекло. 

Преломление влияет на КПД: чем показатель ниже, тем больше производительность панелей. Минимальное значение преломления у оргстекла и плексигласа. С учётом обоих критериев оптимально закрыть фотоэлементы прозрачным стеклом с антибликовым покрытием.

солнечная_батареяЭлементы преобразования солнечной энергии в электрическую делятся на три типа:

  • аморфные
  • монокристаллические
  • поликристаллические

Фотоэлементы для солнечных батарей, работающие на поликристаллах, наименее производительные. КПД составляет всего 10–12%, при этом у модулей этого типа есть существенный плюс — ресурс не снижается с течением времени. Срок службы составляет 10 лет.

У монокристаллов ресурс в 2,5 раза выше — 25 лет, а КПД держится на уровне 13–25%, при этом производительность элементов ежегодно снижается. 

Самый совершенный вариант с аморфным кремнием. В этом типе фотопреобразующий элемент напыляют или закрепляют наплавлением на гибкие полимерные поверхности. И хотя у систем невысокий КПД (всего 5–6%), зато их очень удобно монтировать. Ещё один плюс — низкая стоимость, однако потребительские качества теряются быстрее моно– и поликристаллических модулей. 

Чаще всего солнечная батарея своими руками в домашних условиях собирается из элементов класса B (с незначительными дефектами). Такие модули обходятся на 40–60% дешевле. Элементы изготавливают одного размера, поскольку генерируемый ток определяется по наименьшей панели. Размер 3x6 дюймов выдаёт порядка 3А, всего 36 таких частей обеспечат 60 Вт мощности.

Другая электроника

Так как сделать солнечную батарею из отечественных комплектующих довольно затратно, приходится покупать элементы через аукционы в Китае и США. В качестве накопителя энергии целесообразно использовать литий–ферро–фосфатные аккумуляторы. Привычные свинцово–кислотные не подходят, поскольку рассчитаны на другие режимы работы.

Для работы электростанции используют автономные, сетевые и многофункциональные инверторы. Первые не требуют подключения к электропитанию, вторые работают с общей сетью в синхронном режиме, корректируя входные параметры. В гибридных моделях объединены преимущества первого и второго типа, при этом КПД близок к 100%.

Среди контроллеров выбирают PMW–тип со ступенчатой зарядкой аккумулятора (может теряться до 40% заряда) или MPPT–вариант, регулирующий процесс преобразования для обеспечения максимального заряда АКБ.

Выбор проекта и расположения системы

Система может вырабатывать электричество в полном объёме для нужд дома только в регионах с продолжительным световым днём. В северных регионах электростанция с чистой энергией служит вспомогательным источником, дополняя услуги основного поставщика ресурса. 

Факторы, влияющие на объём выработки энергии:

  • Мощность установки;
  • Размер, угол наклона и количество панелей;
  • Чистота поверхности. Загрязнённые или частично засыпанные модули не участвуют в генерации тока;
  • Тип и ёмкость аккумуляторной батареи (для зимнего времени в регионах с коротким световым днём необходимы два элемента).

как работает солнечная батареяРабота солнечной панели зависит от температуры: чем больше прогрет воздух, тем ниже КПД. Одновременно с количеством солнечного света, падающего на панель, следует обеспечивать максимально умеренный тепловой режим.

Как собрать и установить солнечную батарею

Для того чтобы солнечная батарея своими руками вырабатывала энергию круглый год, следует рассчитать необходимое энергопотребление, выбрать место и смонтировать установку.

Выбор места установки

Для того чтобы установка солнечных батарей своими руками принесла максимальную отдачу, следует выбрать подходящий участок. Площадка под установку должна быть максимально освещённой. Кровля — одно из лучших мест, однако установку с наземным расположением проще обслуживать.

солнечня батарея зимойВ зависимости от сезона (положения Солнца над горизонтом) желательно менять угол поворота панелей. Моно– и поликристаллические элементы работают с максимальной эффективностью при перпендикулярном падении лучей на поверхность. Тем не менее, можно использовать установку с постоянным наклоном фотоэлементов, высчитывая среднюю производительность. Так как сделать солнечную батарею, постоянно работающую на максимуме, не получится, придётся уменьшить эксплуатационный параметр вдвое. Установка на 7 кВт с постоянным углом в идеальных условиях (3–4 месяца в году) выдаёт около 3 кВт в обычном режиме (8–9 месяцев).

Рекомендуемые углы наклона для средней полосы:

  • 50–60 градусов для монтажа в стационарном положении.
  • 30 градусов летом, 50–60 весной и осенью, 70 зимой в системах с переменным наклоном.

Расчёты

Прежде чем решить, как сделать солнечную панель, определяют требуемую мощность системы. В среднем 10 м2 системы генерируют 1 кВт, что позволяет работать осветительным приборам и компьютеру. Далее нужно добавлять мощность техники, которую вы планируете подключить к электростанции. Семье из 3–х человек достаточно 25–30 м2 в доме с постоянным проживанием.

Сборка каркаса

Рамку собирают из жёсткого основания (листы фанеры или ДСП), невысоких бортиков из стального или алюминиевого профиля и защитного стекла, накрывающего фотоэлементы.

Размер основы подбирают в зависимости от количества элементов. Для вентиляции высверливают сквозные отверстия на одинаковом расстоянии.

Монтаж солнечных элементов

Подготовленные солнечные модули одного размера (фотоэлементы с проводниками) выкладывают лицевой стороной вниз и производят пайку проводников. Элементы соединяют последовательно, припаивая друг к другу соседние части будущей панели.

солнечная батарея работаПосле соединения всех фотоэлементов, изнанка промазывается силиконовым герметиком, и собранный модуль переворачивают лицевой стороной вверх. Клей наносят строго по центру в одной точке. Если клеить по краю, фотоэлемент легко сломается в результате незначительной деформации.

Монтаж солнечной батареи

Солнечные панели устанавливают с учётом материалов, использованных для сборки системы. Монокристаллические фотоэлементы заметно ухудшают производительность, если поверхность находится в тени или загрязнена. Для монтажа следует выбирать максимально освещённое место.

Панели на поликристаллах менее зависимы от внешних факторов, поэтому могут ставиться на площадках с негустым временным затенением. В этом случае важно, чтобы выдерживался режим температур. Сильные дневные перепады ухудшают работу станции.

Преимущества самостоятельной сборки

  • Конфигурация проектируется в зависимости от места установки. 
  • Стоимость комплектующих и монтажа ощутимо ниже готовых систем.
  • Электростанцию на солнечной энергии, собранную своими руками, проще отремонтировать — все этапы сборки знакомы мастеру.

Недостатки

  • КПД системы зависит от использованных комплектующих. Фотоэлементы класса В (с незначительными дефектами) характеризуются меньшей производительностью, и это снижает эффективность готовой системы.
  • Установка занимает больше места, поскольку для того чтобы достигнуть необходимой мощности, требуется увеличить площадь панелей. 
  • Кустарная сборка не обеспечивает одинаковую генерацию тока со всех элементов. В зависимости от качества выполненной работы расчётная мощность может сильно отличаться от номинального показателя.
  • Отсутствие гарантии.  

Основные ошибки монтажа

Производительность солнечных батарей снижается в следующих случаях:

  • Установка выполнена без учёта зависимости материала фотоэлементов от внешних факторов.
  • Не обеспечена достаточная вентиляция.
  • Неверная ориентация по сторонам света (правильное положение строго в южном направлении).
  • Ошибочный выбор угла наклона (должен соответствовать географической широте).

Для того чтобы солнечная панель своими руками приносила ожидаемую отдачу, необходимо использовать в работе качественные комплектующие, подбирать модули в зависимости от особенностей места установки, аккуратно выполнять сборку и монтаж.

Всего пара ошибок, допущенных в процессе подготовки системы, способны свести на нет преимущества использования солнечной энергией. А неверный выбор материалов для несущего каркаса и недостаточная их защита от атмосферных воздействий могут привести к аварийному обрушению всей конструкции. В то же время, соблюдение всех правил и расчетов поможет организовать автономное энергоснабжение с гарантией доступности дешёвого ресурса в любую погоду.

Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.