Обеспечение комфортных условий проживания в современных квартирах и частных домах не может обойтись без электрической энергии, потребность в которой постоянно увеличивается. Однако с достаточной регулярностью увеличиваются и цены на этот энергоноситель. Соответственно возрастают и общие затраты на содержание жилья. Поэтому все более актуальной становится солнечная батарея своими руками для частного дома, наряду с другими альтернативными источниками электроэнергии. Данный способ дает возможность сделать объект энергонезависимым в условиях постоянного роста цен и отключений электричества.
Эффективность солнечных батарей
Проблема автономного электроснабжения приборов и оборудования в частных домах рассматривается уже в течение длительного времени. Одним из вариантов альтернативного питания стала солнечная энергия, которая в современных условиях нашла широкое применение на практике. Единственным фактором, вызывающим сомнения и споры, является эффективность солнечных батарей, которая не всегда оправдывает возлагаемые надежды.
Работа солнечных батарей напрямую зависит от количества солнечной энергии. Таким образом, батареи будут наиболее эффективны в регионах, где преобладают солнечные дни. Даже в самом идеальном варианте эффективность батарей составляет всего 40%, а в реальных условиях этот показатель гораздо ниже. Другое условие нормального функционирования заключается в наличии значительных площадей для монтажа автономных солнечных систем. Если для загородного дома это не является серьезной проблемой, то владельцам квартир приходится решать множество дополнительных технических задач.
Устройство и принцип работы
В основе работы солнечных батарей лежит способность фотоэлементов выполнять преобразование солнечной энергии в электрическую. Все вместе они собираются в виде многоячеистого поля, объединенного в общую систему. Действие солнечной энергии превращает каждую ячейку в источник электрического тока, собирающегося и накапливающегося в аккумуляторных батареях. Размеры общей площади такого поля напрямую влияют на мощность всего устройства. То есть с возрастанием числа фотоэлементов, соответственно увеличивается и количество вырабатываемой электроэнергии.
Это вовсе не означает, что необходимое количество электричества может вырабатываться только на очень больших площадях. Существует множество мелких бытовых приборов, использующих солнечную энергию калькуляторы, фонарики и другие устройства.
В современных загородных домах все более популярными становятся приборы освещения на солнечных батареях. С помощью этих простых и экономичных устройств освещаются садовые дорожки, террасы и другие необходимые места. В темное время суток используется электроэнергия, накопленная днем, когда светит солнце. Использование экономных ламп позволяет расходовать накопленную электроэнергию в течение длительного времени. Решение основных задач энергоснабжения осуществляется с помощью других, более мощных систем, позволяющих вырабатывать достаточное количество электричества.
Основные виды солнечных батарей
Перед тем как приступать к собственноручному изготовлению солнечных батарей, рекомендуется ознакомиться с их основными видами, чтобы выбрать для себя наиболее подходящий вариант.
Все преобразователи солнечной энергии разделяются на пленочные и кремневые, в соответствии с их устройством и конструктивными особенностями. Первый вариант представлен тонкопленочными батареями, где преобразователи выполнены в виде пленки, изготовленной по специальной технологии. Эти конструкции также известны как полимерные. Их можно устанавливать в любые доступные места, однако, они требуют много места и обладают низким коэффициентом полезного действия. Даже средняя облачность способна снизить эффективность пленочных устройств сразу на 20%.
Кремниевые батареи представлены тремя типами:
- Монокристаллические. Конструкция состоит из многочисленных ячеек с встроенными кремневыми преобразователями. Они соединяются в одно целое и заполняются силиконом. Отличаются простотой эксплуатации, легкостью, гибкостью, водонепроницаемостью. Но, чтобы обеспечить эффективную работу таких батарей, требуется действие прямых солнечных лучей. Несмотря на сравнительно высокий КПД до 22%, при наступлении облачности выработка электроэнергии может значительно снизиться или прекратиться полностью.
- Поликристаллические. По сравнению с монокристаллическими, у них больше преобразователей, размещаемых в ячейках. Их установка выполнена в разных направлениях, что существенно повышает эффективность работы даже при слабом свете. Эти батареи получили наибольшее распространение, особенно в городских условиях.
- Аморфные. Обладают низкой эффективностью всего 6%. Однако, они считаются очень перспективными, благодаря способности к поглощению светового потока во много раз больше, чем у первых двух типов.
Все рассмотренные виды солнечных батарей изготавливаются в заводских условиях, поэтому их цена остается пока еще очень высокой. В связи с этим можно попытаться изготовить солнечную батарею самостоятельно, с использованием недорогих материалов.
Выбор материалов и деталей для изготовления солнечной батареи
Поскольку высокая стоимость автономных источников солнечной энергии делает их недоступными для широкого использования, домашние мастера могут попробовать организовать изготовление солнечных батарей своими руками из подручных материалов. Следует помнить, что при изготовлении батареи невозможно обойтись лишь подручными материалами. Обязательно придется покупать заводские детали, пусть даже и не новые.
В состав преобразователя солнечной энергии входит несколько основных элементов. В первую очередь, это сама батарея определенного типа, которая уже была рассмотрена выше. Далее идет контроллер батареи, контролирующий уровень заряда аккумуляторов полученным электрическим током. Следующим элементом являются аккумуляторы, накапливающие электричество. В обязательном порядке потребуется инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. Таким образом, все домашние бытовые приборы, рассчитанные на 220 вольт, смогут нормально работать.
Каждый из этих элементов можно свободно приобрести на рынке электроники. Если же имеются определенные теоретические знания и практические навыки, то большую часть из них можно собрать самостоятельно по типовым схемам, в том числе и контроллер солнечной батареи. Для того чтобы рассчитать мощность преобразователя, необходимо знать, с какой целью он будет использоваться. Это может быть только освещение или отопление, а также полное обеспечение потребностей объекта. В связи с этим будут выбираться материалы и комплектующие детали.
При изготовлении солнечной батареи своими руками, нужно определиться не только с мощностью, но и с рабочим напряжением сети. Дело в том, что сети на солнечной энергии могут работать на постоянном или переменном токе. Последний вариант считается более предпочтительным, так как позволяет разносить электроэнергию потребителям на расстояние свыше 15 метров. При использовании поликристаллических батарей, с одного квадратного метра можно получить, в среднем, за один час примерно 120 Вт. То есть, для получения 300 кВт в месяц потребуются солнечные панели общей площадью 20 м2. Именно столько расходует обычная семья в составе 3-4 человек.
В частных домах и на дачах применяются солнечные панели, каждая из которых включает 36 элементов. Мощность одной панели составляет около 65 Вт. В небольшом частном доме или на даче вполне достаточно 15 панелей, способных вырабатывать электрическую мощность до 5 кВт в час. После выполнения предварительных расчетов можно приобретать преобразующие пластины. Допускается приобретение поврежденных элементов с небольшими дефектами, влияющими только на внешний вид батареи. В рабочем состоянии каждый элемент способен выдавать около 19 В.
Изготовление солнечных батарей
После того как все материалы и детали подготовлены, можно начинать сборку преобразователей. При спаивании элементов нужно предусмотреть зазор на расширение между ними в пределах 5 мм. Паять следует очень внимательно и осторожно. Например, при отсутствии проводков у пластинок, их нужно будет напаять вручную. Для работы понадобится паяльник на 60 ватт, к которому последовательно подключена обычная лампа накаливания на 100 Вт.
Все пластины спаиваются последовательно между собой. Пластины отличаются повышенной хрупкостью, поэтому их спаивание рекомендуется производить с использованием каркаса. Во время распайки в схему совместно с фотопластинками вставляются диоды, предохраняющие фотоэлементы от разряда при снижении уровня освещенности или наступлении полной темноты. С этой целью половинки панели объединяются в общей шине, которая в свою очередь выводится на клеммник, за счет чего и происходит создание средней точки. Те же самые диоды предохраняют аккумуляторные батареи от разряда в ночное время.
Одним из основных условий эффективной работы батарей является качественная пайка всех точек и узлов. Перед тем как устанавливать подложку, эти места обязательно тестируются. Для вывода тока рекомендуется использовать проводники с малым сечением, например, акустический кабель в силиконовой изоляции. Все провода закрепляются с помощью герметика. После этого выбирается материал для поверхности, к которой будут прикрепляться пластины. Наиболее подходящими характеристиками обладает стекло, гораздо лучше пропускающее световой поток, чем карбонат или оргстекло.
При изготовление солнечной батареи из подручных средств, необходимо позаботиться и о коробе. Обычно короб изготавливается из деревянного бруса или алюминиевого уголка, после чего в него на герметик укладывается стекло. Герметик должен заполнить все неровности, а затем полностью высохнуть. За счет этого пыль не попадет внутрь, и фотопластинки в процессе эксплуатации не будут загрязняться.
Далее на стекло устанавливается лист с припаянными фотоэлементами. Он может закрепляться разными способами, однако, наиболее оптимальными вариантами считаются прозрачная эпоксидная смола или герметик. Эпоксидной смолой равномерно покрывается вся поверхность стекла, затем на нее устанавливаются преобразователи. При использовании герметика крепление осуществляется точками в центре каждого элемента. По концу сборки должен получиться герметичный корпус, внутри которого размещается солнечная батарея. Готовое устройство будет выдавать примерно 18-19 вольт, что вполне достаточно для зарядки аккумуляторной батареи на 12 вольт.
Возможность домашнего отопления
После того как самодельная солнечная батарея собрана, каждый хозяин наверняка захочет проверить ее в действии. Наиболее важной проблемой считается отопление дома, поэтому в первую очередь проверяются возможности обогрева за счет солнечной энергии.
Для отопления используется гелиоколлекторы. С помощью вакуумного коллектора солнечный свет превращается в тепло. Тонкие стеклянные трубки заполняются жидкостью, которая нагревается от солнца и передает тепло воде, помещенной в бак-накопитель. В нашем случае этот способ не подходит, поскольку речь идет исключительно о преобразовании солнечной энергии в электрическую.
Все зависит от мощности используемого устройства. В любом случае на нагрев воды в бойлере будет уходить большая часть получаемой энергии. Если 100 литров воды нагреть до 70-80 градусов, понадобится примерно 4 часа времени. Потребление электроэнергии водяным котлом с ТЭНами на 2 кВт составит 8 кВт. При вырабатывании электроэнергии 5 кВт в час, никаких проблем не будет. Однако при площади батарей менее 10 м2 отопление частного дома с их помощью становится невозможным.