Как сделать солнечную батарею своими руками? Фото, видео, схемы
Энергетический потенциал солнечного света огромен – оценить его влияние можно лишь потому, что существует буйная жизнь на планете, приведшая к появлению разумного человека, активно потребляющего и перерабатывающего энергию. На протяжении миллиардов лет часть энергии солнца аккумулировалась в отложениях отмерших организмов (полезных ископаемых), которые находятся в относительно легкодоступной для добычи и переработки форме.
Но загрязнение окружающей среды и ограниченный запас недр земли заставляют человечество по новому взглянуть на возможности прямого использования энергии солнечного света.
Для обеспечения текущих нужд человечества в энергии было бы достаточно заполнить солнечными электростанциями относительно небольшую площадь в пустыне Сахара. Поскольку электроэнергия является наиболее удобным для использования и переработки видом энергии, прямое преобразование света Солнца в электричество, используя солнечные батареи из фотоэлементов.
Красными квадратами отображена площадь, необходимая для размещения солнечных электростанций, чтобы обеспечить энергетические потребности Земли, Европы и Германии соответственно
Принцип действия фотоэлементов
Фотоэлементом называют прибор, преобразующий энергию фотонов света в электроэнергию. В настоящее время активно разрабатываются перспективные технологии создания полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, базирующиеся на внутреннем фотоэффекте . При внутреннем фотоэффекте происходит перераспределение электронов по их энергетическим состоянием в полупроводниках под воздействием излучения.
Иллюстрация и описание внутреннего фотоэффекта
Преобразование энергии света в электроэнергию происходит в неоднородных полупроводниковых структурах. Неоднородность структур создается при помощи легирования, соединения, и изменения химического состава полупроводников. Таким образом, возникает градиент изменения ширины запрещенной зоны полупроводника под воздействием излучения, что приводит к возникновению электродвижущей силы.
Описание применения фотоэффекта
Эффективность фотоэлемента зависит следующих факторов:
- фотопроводимости полупроводников;
- рассеяния и отражения проецируемого света;
- прохождения части излучения сквозь фотоэлектрический преобразователь без преобразования;
- рекомбинации образовавшихся фотоэлектронных пар;
- внутреннего сопротивления фотоэлемента;
- других физических и химических характеристик.
Основные законы фотоэффекта
Радиолюбители знают, что если распилить диод или транзистор и осветить полупроводниковый переход, то можно получить небольшой потенциал на выводах элемента. Данный эффект часто применяется при создании самодельных светочувствительных сенсоров или демонстрационных пособий, но для масштабного преобразования света в энергию данный способ невыгоден.
Очевидно, что сделать солнечную батарею в домашних условиях «с нуля» не представляется возможным ввиду технологической сложности процесса, поэтому для рядового потребителя имеет смысл собственноручное создание генерирующих панелей из готовых фотоэлементов
Готовые фотоэлементы для солнечных батарей в защитной транспортной упаковке
Эффективность фотоэлементов
Эффективная ширина запрещенной зоны полупроводникового перехода зависит от длины волны (спектра свечения). Поэтому в лабораторных и промышленных фотоэлементах стали применяться каскадные технологии, позволяющие разделять свет на спектры и раздельно облучать фотоэлектронные преобразователи, рассчитанные на узкий диапазон световых волн.
Данные технологии подразумевают использование знаний в различных отраслях науки с применением сложных исследований в лабораториях. Для изготовления фотоэлементов применяются кремневые пластины с примесями различных химических элементов и соединений. Прибыльные перспективы преобразования энергии Солнца в электроэнергию позволили развиться целой отрасли промышленности, по мощности сопоставимой с производством радиоэлектроники.
Производители фотоэлементов занимаются улучшением оптических и электрических свойств фотоэлементов путем просветления, создания антибликовых покрытий, применением многокаскадной структуры.
На данный момент средняя эффективность промышленного преобразования света в электроэнергию (коэффициент полезного действия) примерно 14%, а у лучших образцов примерно 25%. В лабораторных условиях достигнута эффективность около 45%.
Формирование генерирующей батареи
Принцип работы солнечных батарей состоит в соединении фотоэлементов в одну структуру, генерирующую электроэнергию, которая аккумулируется в аккумуляторах, с последующей переработкой в электричество промышленного напряжения и частоты.
Фотоэлементы, как и другие элементы питания, при последовательном подключении дают большее напряжение, а при параллельном соединении увеличивается выходной ток и уменьшается суммарное внутреннее сопротивление батареи.
Данный принцип формирования солнечной батареи является масштабируемым, то есть применимым как для соединений отдельных фотоэлементов, так и к подключению уже собранных сборок в одну панель.
Поскольку размеры полупроводниковых переходов измеряются микронами, производители объединяют фотоэлектронные преобразователи в готовых фотоэлементах, имеющих выходные характеристики (напряжения, сила тока, мощность) и пригодные для дальнейшего объединения в батарее.
Перед тем, как сделать солнечную батарею своими руками, нужно знать ожидаемую выходную мощность, которая рассчитывается из тока зарядки аккумуляторов, которые подключены к инверторам для генерации сетевого напряжения. Таким образом, зная максимальный ток зарядки имеющихся аккумуляторов можно рассчитать количество и площадь требуемых фотоэлементов для солнечной батареи, учитывая их коэффициент полезного действия.
Комплектующие для солнечной батареи
Как видно из рисунка ниже, мировыми лидерами в производстве фотоэлементов для солнечных батарей различной мощности являются Китай и Германия. Поэтому, в большинстве случаев крупные производители солнечных электростанций и отдельные пользователи делают заказы через Интернет, приобретая китайские фотоэлементы для сборки генерирующих панелей.
Динамика роста производства фотоэлементов для преобразования энергии Солнца в электричество
Поскольку пластина фотоэлемента является очень хрупкой, необходима прочная конструкция, которая будет защищать светочувствительный элемент от изгибов и влияния внешней среды. Данная конструкция должна обеспечивать:
- надежное электрическое соединение фотоэлементов;
- прочность и неизменность геометрических параметров сборки;
- защиту от механических повреждений;
- защиту влияния влаги, осадков, пыли и грязи;
- малое отражение света (антибликовое покрытие);
- хорошую прозрачность защитного стекла.
Новейшие технологии позволяют делать солнечные батареи гибкими, что существенно уменьшает проблемы при их монтаже
Производители предлагают фотоэлементы различных размеров и типов, у которых имеются свои нюансы сборки, монтажа и подключения. Также часто прилагается пленка антибликового покрытия, которое мастеру придется нанести самому на собранную солнечную батарею. Поэтому нужно тщательно изучить всю доступную документацию на покупаемые фотоэлементы перед тем, как собирать солнечные батареи. На видео ниже показан обзор наиболее популярных фотоэлементов.
Получение электроэнергии из солнечной батареи
Нужно помнить, выходной ток и напряжение солнечной батареи зависит от плотности светового потока и угла падения солнечных лучей. Поэтому в пасмурную погоду, а также утром и вечером, выходная мощность батареи будет в несколько раз ниже, чем в солнечный полдень.
Поскольку нельзя изменять погодные условия, то можно увеличить суммарное количество лучей, направленных на солнечную батарею при помощи светоотражателей , сделанных из фольги.
При помощи самодельных светоотражателей из фольги можно существенно увеличить эффективность солнечных батарей
Как правило, солнечные панели устанавливают перпендикулярно гипотетической линии от Солнца, находящегося на небосводе в полдень. Другими словами, перпендикуляр, установленный на площадь солнечной панели не должен отбрасывать тень. Данный угол установки будет меняться согласно смене времен года – в день летнего солнцестояния Солнце поднимается над горизонтом в самой высшей точке.
В большинстве случаев солнечные батареи устанавливают стационарно и без регулировки, иногда даже на разные стороны крыши дома, получая эффективную генерацию электроэнергии только в определенные часы суток.
Чтобы максимально увеличить эффективность солнечной батареи, нужно установить устройство, которое будет отслеживать движение Солнца по небосводу, направляя панель перпендикулярно падающим лучам.
Солнечная батарея установлена на поворотном устройстве, отслеживающем движение Солнца в течении светового дня
Аккумуляторы для солнечных батарей должны иметь контроллер зарядки для соблюдения правильных параметров заряжающего тока. Наблюдая ток зарядки в самый благоприятный период, засекая необходимое время, можно планировать увеличение площади солнечных батарей или установку дополнительных аккумуляторов.
При самом простом подключении солнечных батарей к аккумулятору рекомендуется между ними последовательно подключить диод, для предотвращения разряда обратным током.
