Как своими руками изготовить солнечную батарею?

Сейчас многие дачники, а также люди, проживающие в частном секторе, интересуются установкой солнечных батарей. Это реально позволяет сэкономить на электроэнергии. По крайней мере, в летний сезон пока мы часто бываем на даче, не помешает дополнительное электричество. Летом солнечное излучение интенсивное и батареи при правильном расположении могут вырабатывать немало. А для тех, у кого на участке не подведено электричество, солнечная батарея может стать единственным источником тока. Беда в том, что солнечные батареи стоят довольно дорого (одна панель 18 вольт, 40-50 ватт обойдётся в 300─500$). Но можно сэкономить, если сделать их самостоятельно. В этой статье речь пойдёт о том, как сделать солнечную батарею своими руками. Ниже будет описан процесс изготовления, в котором объединён опыт из различных материалов и роликов на youtube.

Для начала стоит определиться с тем, что понадобиться в работе, и сколько это стоит.

• Фотоэлементы. На Алиэкспресс можно найти фотоэлементы из монокристаллического кремния мощностью 4,7 ватта и напряжением 0,5 вольта. Десять штук обойдутся в 1200─1500 р. Для панели 18 вольт нужно 36 штук. То есть, берём 40 примерно за 5─6 тысяч рублей;
• Фанера или пластик. Используется в качестве подложки, на которую будут крепиться фотоэлементы. Стоимость (300─400 р.);
• Алюминиевый или стальной профиль для рамки (400─500 р.);
• Стекло (500 р.);
• Диод Шоттки (30─50 р.);
• Крепёж, герметик, провода, флюс, шина и другое по мелочи (500 р.).

Теперь непосредственно о самом процессе.

Для начала следует отсортировать элементы по вырабатываемому ими напряжению. Номинал, который указывают производители на своих фотоэлементах, составляет 0,5 вольта. Но это в идеальных условиях на солнце. При проверке в обычных условиях значения будут 0,2─0,35 вольта. Ваша задача ─ сформировать из элементов группы, мало отличающиеся по напряжению. Например, группа 0,32─0,35 вольта, 0,28─0,31 и так далее.

Это нужно сделать, поскольку один элемент в группе, имеющий значительно меньшее напряжения, будет выступать в роли сопротивления. Он будет тормозить процесс выработки электричества.

Естественно, что сортировка имеет смысл, когда у вас много фотоэлементов, которые пойдут на разные панели по 36 штук для выработки конечного напряжения 18 вольт. Если у вас количество только на одну панель, то сортировать их бессмысленно, поскольку устанавливать их всё равно нужно все.

Подготовка и пайка шин к фотоэлементам

Перед тем, как сделать солнечную батарею, проводится пайка медных шин к фотоэлементам. Они припаиваются на специальные дорожки, которые проходят сквозь элементы. Лучше всего использовать шину шириной 1,8 миллиметра и толщиной 0,16. Флюс используется обычный – канифоль со спиртом. Для удобства лучше использовать флюс в виде карандаша. Шину и флюс можно найти в магазинах, торгующих радиоэлектронными компонентами. Всё это обойдётся в 100─150 рублей.

Предварительно нужно нарезать отрезки шин длиной, необходимой для соединения двух элементов. Здесь не забудьте учесть расстояние между соседними элементами. То есть, надо прикинуть, как они будут располагаться на панели.

На дорожку фотоэлемента наносится небольшое количество флюса. Сверху накладывается шина и по ней проводится паяльником. Сильно нажимать не следует. Нужно сделать ровный шов без заусенцев, чтобы в дальнейшем они не мешали при сборке солнечной батареи. Шины нужно припаять ко всем фотоэлементам (36 штук) для солнечной батареи. Не забывайте после пайки протирать шов спиртом. Там остаётся много флюса, который там совершенно ни к чему. Для этого можно использовать косметические ватные палочки.

После этого выполняется пайка для объединения фотоэлементов в последовательную цепочку. Для этого шины припаиваются к контактным площадкам с обратной стороны элемента. Места пайки также протираются для удаления остатков флюса.

Оптимальный вариант для панели из 36 элементов спаять их в 4 ряда по 9 элементов. В результате сама солнечная батарея будет иметь оптимальную площадь.

Соединение элементов в батарею

Получившиеся 4 ряда соединённых элементов нужно объединить в готовую солнечную батарею. Для этого их нужно выложить на стекле и соединить толстыми медными шинами. Для этого лучше использовать шины толщиной 5 миллиметров. В разрыв плюсового вывода ставится диод Шоттки. Это нужно для того, чтобы впоследствии без проблем подключить несколько солнечных панелей в параллельную сборку. И не беспокоиться, что ток будет перетекать обратно. Защиту от этого обеспечит диод Шоттки. Элементы следует располагать так, как они будут находиться в готовой солнечной батарее. То есть, за стеклом рабочей стороной к свету. Делаем это по следующей схеме.

Что касается подложки, то лучше, конечно, использовать стекло. Также подходят плексиглас, оргстекло. Разнообразные пластики выигрывают в весе, прочности и удобстве. Однако их легко может «повести» при постоянной работе на солнце. Солнечная батарея существенно разогревается, что и приводит к короблению пластика. А это неизбежно приведёт к порче фотоэлементов.

В идеале нужен такой материал, который поглощает инфракрасный спектр солнечного излучения и имеет минимальный коэффициент преломления. Лучше всего на эту роль подходит минеральное стекло, но оно достаточно дорогое.

К стеклу фотоэлементы лучше всего крепить с помощью самоклеящейся плёнки. Выбирать следует ту, которая предназначена для работы в атмосферных условиях. Этот вариант наиболее дешёвый и простой в исполнении. Встречаются примеры, когда панели солнечной батареи закрепляют между стёклами, а все швы промазываются герметиком. Это тоже рабочий вариант, но хлопот получается значительно больше. Некоторые специалисты, вообще, рекомендуют проводить герметизацию с помощью эпоксидного компаунда.

Решил для новичков отдельно написать статью о вариантах подключения Солнечных батарей. Многие не знают как правильно соединить солнечные батареи в цепь, какой использовать провод, где ставить диоды, ну а дольше можно развернуть если напишите под темой.

И так начнем с варианта подключения 12 вольтовых СБ:

Провода от солнечных батарей лучше использовать 2 кв /мм до 100 Ватт, 2.5 Кв /мм до 150 Ватт, 3 кв/мм 200 Ватт и т.д.

На шесть солнечных батарей по 4 А *6 =24 А, сечение провода должно быть минимум 6 кв/мм, лучшим вариантом 12 кв/мм.

Плюсы такой системы: мах ток, более дешевое исполнение не желе на другое напряжение, Широкая применяемость такого подключения, Множество приборов рассчитано на питание именно 12 Вольт.

Минус: Дорогие инверторы с чистым синусом.

Подключение 12 вольтовых солнечных батарей чтобы получить на выходе напряжение для зарядки 24 вольтовых АКБ:

На выходе соединив 2 последовательно мы получаем повышенное напряжение ток же будет равен самой слабой из двух СБ.

Провода от солнечных батарей лучше использовать 2 кв /мм до 150 Ватт, 2.5 Кв /мм до 250 Ватт, 3 кв/мм 350 Ватт И т.д.

Провода к которым подключаем Солнечные батареи выбираем из расчета длины провода От всех СБ до контроллера.

На три пары солнечных батарей по 4 А *3 =12 А, сечение провода должно быть минимум 4 кв/мм, лучшим вариантом 8 кв/мм.

Плюсы: Дешевые инверторы, дешевле обходятся провода для сопряжения СБ и контроллера. Если вы имеете четное количество СБ, и одинаковых АКБ, то вы можете без труда переделать вашу 12 вольтовую систему на 24 вольта.

Минус: нельзя подключать разные панели в паре чтобы не было просадки по току! Панели рассчитанные именно на это напряжение, слишком громоздкие, для нормальной зарядки двух АКБ подключенных последовательно на 180 -200 А. Сложности в правильном подключении.

Рассмотрим подключение 48 вольтовых СБ:

На выходе соединив 4 последовательно мы получаем повышенное напряжение ток же будет равен самой слабой СБ.

Провода от солнечных батарей лучше использовать 3 кв /мм до 400 Ватт

Провода к которым подключаем Солнечные батареи выбираем из расчета длины провода От всех СБ до контроллера.

На четыре солнечных батарей по 4А *1 =4А, сечение провода должно быть минимум 3 кв/мм, лучшим вариантом 6 кв/мм.

Плюсы: ну не знаю я какие + у этих систем!, кроме как толщина проводов.

Минусы: Дорогой контроллер заряда, дорогие СБ, дорогие АКБ. Сложности в монтаже если собирать систему одному, требуется повышенный контроль напряжений, доп. установка систем защиты.

В настоящее время на российском рынке альтернативной энергетики чаще встречаются два типа солнечных батарей: монокристаллические и поликристаллические. Монокристаллические батареи отличаются большей эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую, чем поликристаллические батареи. При этом их стоимость также выше, чем стоимость поликристаллических батарей. Это обусловлено более сложным и дорогостоящим процессом производства.

Еще один немаловажный вопрос, который встает при выборе солнечных батарей - это производитель. Конечно, больше всего солнечных батарей производится в Китае. Есть также батареи европейского и российского производства. Китайские батареи, по большей части значительно дешевле своих европейских и российских аналогов, но при этом среди них чаще встречаются некачественные экземпляры. Несмотря на это, мы остановили свой выбор на солнечных батареях китайской компании Suoyang . Они зарекомендовали себя, как качественный продукт за достаточно приемлемую цену, в чем наши инженеры смогли убедиться лично, побывав на производстве Suoyang к Китае.

Если вы определились с типом солнечных батарей и их производителем, то теперь надо правильно рассчитать необходимую для ваших нужд мощность солнечных модулей. все подробно описано. Зная требуемую мощность солнечных батарей, легко определить необходимое их количество.

Как установить?

Начнем с выбора места. Солнечные батареи можно установить практически в любом месте на крыше загородного дома, на участке рядом с домом и даже на балконе многоквартирного дома. Главное, чтобы были соблюдены основные условия для получения максимальной выработки электроэнергии. Это угол наклона относительно горизонта и ориентация.

Светопоглощающая поверхность солнечных батарей должна быть направлена на юг. Идеальные условия соблюдаются, если солнечные лучи падают на поверхность солнечной батареи под углом 90 о как можно дольше. Подберите оптимальный угол наклона для вашего региона, с учетом времени года, в котором прогнозируется максимальное потребление электроэнергии. Для каждого региона оптимальный угол наклона определяется отдельно. Например, для московского региона оптимальный угол наклона в летний период 15 o -20 о, а в зимний период 60 o -70 o . Для максимально эффективного использования солнечных батарей рекомендуется минимум два раза в год менять угол наклона.

При последовательном подключении, во избежание снижения эффективности, все панели в цепочке должны располагаться на одной плоскости, под одним углом.

Если вы решили установить солнечные батареи не на крыше, а на участке около вашего дома, не забудьте приподнять их от поверхности земли минимум на 50 см (на случай, если зимой выпадет много снега).

Солнечные батареи и тень

Даже небольшая тень негативно сказывается на выработке электричества солнечными батареями. Поэтому массив солнечных батарей рекомендуется размещать в местах не подверженных затененью. На протяжении года, тень меняет свое положение, учтите это при установке. Старайтесь не закрывать солнечные панели дополнительным стеклом, это снижает КПД панели приблизительно на 30%, даже при видимой прозрачности стекла.

Рис. 1. Световое отражение

Вентиляция солнечных батарей

Не устанавливайте нижнюю сторону солнечных батарей вплотную, между панелью и установочной плоскостью должно быть расстояние для циркуляции воздуха. При должной вентиляции нижней поверхности солнечных батарей обеспечивается рассеивание излишнего тепла, которое негативно сказывается на эффективности панелей.

В целях выполнения надежного крепления, солнечные батареи должны быть закреплены, по крайней мере, в четырех точках. Алюминиевая рама крепления рассчитана на крепление по длинной стороне, не следует использовать для крепления короткую сторону.

Рис. 2. Крепление солнечных батарей

Существует несколько способов и крепления солнечных батарей, основные из них: при помощи и при помощи болтового соединения через отверстия на нижней части рамки. Для крепления используйте только специально предусмотренные отверстия в раме панели. Гарантия на солнечные батареи прекращается в случае сверления дополнительных; отверстий, а также внесения изменений в конструкцию. Для крепления солнечных батарей используйте прочный крепеж из коррозионностойких материалов.

Подключение солнечных батарей

Встроенные соединительные провода устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Сечение провода составляет 4 мм 2 . Для герметичного подключения на концах проводов предусмотрены .

Рис. 3. Разъемы стандарта МС4

Всегда перед подключением солнечных батарей в систему проверяйте правильность электромонтажа. Проверьте полярность и измерьте напряжение холостого хода массива солнечных батарей, если оно отличается от паспортного значения - есть неправильное соединение.

При подключении солнечных батарей не превышайте технические требования других устройств по максимальному напряжению и допустимому току. Придерживайтесь технических требований производителей инвертора и контроллера заряда.

Не вскрывайте распаячную коробку солнечной батареи. Панели имеют все необходимые провода и соединительные разъемы для подключения к системе.

Для подключения рекомендуется использовать только одножильные медные провода с сечением в зависимости от тока и длины провода, но не менее 4 мм 2 . Изоляция провода должна быть устойчива к ультрафиолетовому излучению. Если используется провод не устойчивый к ультрафиолетовому излучению, то обязательно прокладывайте его в гофре, предназначенной для наружной прокладки. Старайтесь, чтобы провода не попадали под прямые солнечные лучи. Для подключения солнечных батарей используйте только специальные коннекторы стандарта MC4. Соединение провода и коннектора осуществляется с помощью специального обжимного инструмента или пайки.

Как собрать небольшую солнечную электростанцию

Для того чтобы собрать небольшую солнечную электростанцию, вам понадобятся:

1. Солнечная батарея;
2. Контроллер заряда;
3. Аккумулятор (желательно герметичный, если вы планируете установить его в помещении);
4. Инвертор для преобразования электрического напряжения 12В в 220В;
5. Предохранители для защиты от короткого замыкания (желательно);
6. Комплект коннекторов МС4 для подключения солнечной батареи к контроллеру.

Ниже представлена схема небольшой солнечной электростанции.

Принципиальные схемы солнечных батарей и вариантов их присоединения к управляющим и преобразующим устройствам не является большой сложностью. Практическая сложность общей схемы, с конкретными значениями характеристик всех элементов, заключается в правильном расчете нагрузки, настройке контроллера зарядки и контроллера отбора энергии от других источников.

На примере рисунка рассмотрим некоторые нюансы, связанные с разнонаправленностью панелей, что приводит к различной освещенности панелей. Кроме этого, рассмотрим типы контроллеров зарядки АБК.

Размещение нескольких панелей в одной плоскости не вызывает особых проблем в схемотехнике и практическом подключении. Панели, размещенные в разных плоскостях, пусть близких, работают по-другому. Более освещенная панель (более близкая к точке максимальной мощности) генерирует электричество, часть которого идет на нагрев другой панели, т.к. ток течет по пути наименьшего сопротивления.

И есть два способа избежать этих потерь:

• Установить на каждую панель свой контроллер. Имеет смысл, если это мощные панели (более 1 кВт) или панели разнесены на большое расстояние.
• Установить отсекающие (запирающие) диоды. Некоторые производители комплектуют диодами свои панели и предусматривают их место в распределительной коробке. Кстати, внутри панели (схема панели) предусматривается наличие диодов между модулями (пластинами), что позволяет получать максимальную мощность и не "греть" пластину с более низкими показателями.

Другая мелочь, на которую мало обращают внимание - это падение напряжения в проводах низковольтной части системы и потери в соединениях. Например, при длине кабеля 1 м сечением 4 кв. мм при прохождении тока в 80 А с напряжением 12 В падение напряжения составит 0,383 В (3,19 %) или 30,6 Вт. В "скрутках" падение составляет 0,1-0,3 В.

Красным цветом указано несоответствие передаваемой мощности сечению провода, при котором происходит сильный пожароопасный нагрев.

Контроллер зарядки АКБ

Контроллер зарядки батареи предназначен для перераспределения генерируемой электроэнергии. Приоритетом является поддержание АБК в заряженном состоянии, а при полной зарядке - направление энергии на инвертор.

Различают два способа организации контроля зарядки:

• PWM (ШИМ) контроллер - устройство, генерирующее собственные измерительные импульсы с частотой (около 1 Гц) для контроля состояния батареи в широком диапазоне характеристик (широко-импульсный). Схема с простой релейной логикой, т.е. выше напряжения на АКБ (кислотные АКБ - 16,2 В) - выключил зарядку, ниже - снова включил.
• MPPT-контроллер с процессором постоянно отслеживает положение точки максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи по току и напряжению. Другое плечо контроллера отслеживает состояние АКБ. Процессор сопоставляет данные и определяет значения тока и напряжения, направляемые на АКБ в зависимости от уровня зарядки.

Оба типа контроллеров обеспечивают комфортный режим работы батареи и не имеют решающих преимуществ друг перед другом. Преимуществом МРРТ можно назвать наглядность процесса его работы и возможность накопления информации.

Схема солнечной батареи с дополнительными источниками тока

Надежность электроснабжения с применением солнечной батареи значительно повышается, когда она работает в комплексе с другими источниками или, как дополнительный источник к системе централизованного энергоснабжения. В любом случае общая схема усложняется появлением дополнительных устройств контроля и управления.

Солнечная батарея и ветрогенератор

Схемы, в которых соседствуют различные источники энергии, должны строиться на общей характеристике - одинаковое напряжение источников, т.к. иначе потребуются разные контроллеры зарядки и, возможно, инверторы (если разброс по мощности источников большой), а схема блока АКБ позволяет подстраиваться под напряжение источников.

Подключение источника с генератором переменного тока с параметрами сети несколько изменяет схему подключения. На рисунке представлен самый общий вариант без блока подзарядки АКБ (контроллер и трансформатор с выпрямителем, которые отбирают энергию от внешнего источника переменного тока).

Схема подключения усложняется в случае, если автономная система подключена к централизованной сети. В России не отрегулированы ситуации, когда частный потребитель может отдавать излишки энергии в сеть. Кроме этого, переключение не бывает "гладким", т.е. происходит перепад напряжения длительностью 0,3-1 секунды в зависимости от сложности переключателя.

Сложность схемы подключения возрастает с подключением других источников. Вот некоторые вопросы, которые приходится рассматривать при сложной комплектации:

• Согласование характеристик источников, устройств управления и преобразования энергии,
• Надежность системы, в сочетании с проблемами утилизации избыточной энергии.

В целом ряде ситуаций могут оказать помощь наши специалисты. Для этого можно использовать сервисы сайта: онлайн-консультант и форму обратной связи.

Подключение солнечных батарей нередко вызывает определенные вопросы, особенно когда требуется соединить несколько модулей. Кажется, что это очень сложный процесс, требующий специфических знаний. А на самом деле схема подключения очень проста, ее легко реализовать и собрать фотобатарею нужной мощности.

Существует три варианта включения батарей в общую цепь. Это последовательное, параллельное и смешанное (последовательно-параллельное) соединения.

В этом случае одноименные клеммы двух модулей соединяются между собой («плюс» с «плюсом», «минус» - с «минусом»). Далее от клемм одного из фотомодулей выводятся провода, которые и подключаются или к контроллеру заряда, или непосредственно к аккумулятору. Таким образом, можно объединять любое количество солнечных батарей, главное – соединять друг с другом только одноименные клеммы.

Эта схема подразумевает соединение «плюса» первого модуля с «минусом» второго, и вывод внешних проводов от «минуса» первого фотомодуля и «плюса» второго. Здесь также не имеет значения, сколько солнечных панелей будет объединено в одну батарею. Главное – не нарушить принцип. «Плюс» первого на «минус» второго, «плюс» второго на «минус» третьего, «плюс» третьего на «минус» четвертого и т.д. Провода от незадействованных клемм («минус» первого модуля и «плюс» последнего) выводятся на контроллер или аккумулятор.

Нередко используется и смешанная схема подключения. В этом случае для начала нужно собрать две группы параллельно соединенных модулей (объединив одноименные клеммы), а затем соединить их между собой последовательно так, как будто это единичные модули, а не группы. Количество групп (равно как и число батарей в них) может быть любым.

Зачем нужны разные соединения

Разные способы коммутации необходимы для получения нужных выходных параметров. К примеру, если требуется обеспечить мощность в 160 Вт и напряжение 12 В, а мощность одной солнечной батареи только 80 Вт при требуемых 12 В, то это означает, что нужно параллельно соединить 2 батареи. В итоге напряжение системы не изменится (12 В), а суммарная выходная мощность станет 160 Вт. Если же необходимо получить выходное напряжение не 12 В, а, скажем, 24 В, то в этом случае применяется последовательное соединение двух модулей. Смешанная схема позволяет регулировать оба параметра одновременно. Таким образом, используя разные типы коммутации можно собрать солнечную электростанцию с оптимально подходящими для работы характеристиками.

Подключение к энергосистеме дома

Что же касается интеграции собранного гелибатареи в энергосистему частного дома, то здесь есть несколько вариантов. Так, самой востребованной является схема с использованием контроллера заряда, батарейного инвертора и аккумуляторных батарей. Напряжение от гелиополя сначала направляется на заряд АКБ и лишь после этого передается на нагрузку.

Нагрузку, как правило, подразделяют на 2 категории: резервируемую (холодильники, газовые котлы, аварийное освещение и т.д.) и не резервируемую (обычное освещение, компьютер и пр.). Потребляемая мощность резервируемых приборов может быть любой, но длительность их автономной работы определяется емкостью АКБ.

Благодаря наличию особого батарейного инвертора становится возможной передача электричества на нагрузки в том случае, если напряжение на АКБ превышает заданное значение. При этом потребители могут запитываться от гелиоэнергии даже при наличии напряжения в центральной электросети. Таким образом, существенно уменьшается внешнее энергопотребление дома.

При отключении центральной сети инвертор запитает резервируемую нагрузку от АКБ. Если гелиополе в это время производит энергию, то инвертор использует и ее. Излишки солнечной энергии, не расходуемые на нагрузку, пойдут на зарядку АКБ. Данная схема отлично подходит для обеспечения автономного энергоснабжения, она работает и при отсутствии центрального напряжения питания. Но при этом не резервируемая нагрузка будет запитываться только от солнца (по остаточной технологии), приоритетными являются резервируемые потребители.

Если же планируется использовать гелиополе лишь для снижения энергопотребления из внешней сети, то можно воспользоваться более простой и дешевой схемой. Она гораздо выгоднее при редких и кратковременных отключениях электричества. Днем гелиополе снабжает энергией потребителей, если этого недостаточно, то электричество забирается из внешней сети. Но при отключении централизованного питания инвертор выключится и солнечная энергия не будет использоваться. Резервируемая нагрузка будет питаться от АКБ.