солнечная батарея

Солнечная энергетика у вас на даче, в саду, на балконе или крыше дома - одна из альтернатив проводному электричеству или другим видам электроэнергии.

Одним из приемуществ солнечных батарей является то, что они не требуют постоянных затрат. Но, вам необходимо будет раскошелиться на покупку самой солнечной батареи, а цены на готовые солнечные модули на сегодняшний день всё ещё очень высоки.
 

Один из вариантов снижения стоимости - самостоятельное изготовление солнечной батареи своими руками в домашних условиях, что позволяет значительно сэкономить на конечной стоимости (в разы). Рассмотрим в качестве примера сборку батареи своими руками на ячейках фирмы Evergreen. Согласно спецификации эти модули имеют такие параметры:

• Мощность: 1.75 W
• Ток: 3.5 Imax
• Напряжение: 0.5 V
• Толщина модуля 190 μm = 0.19 мм
• Размеры: 80 мм на 150 мм
• Вес ячейки: 6 грамм

Наша задача - получить напряжение 12В для зарядки обыкновенного автомобильного аккумулятора, для этого мы соберём 3 панели по 36 ячеек каждая, с номинальным напряжением панели 12 В. В качестве инвертора (для преобразования сонечной энергии от батареи в привычную всем 220В) можно использовать как и специализированные устройства, так и переделки компьютерных ИБП. Правда, в последнем случае надо помнить, что необходим еще контроллер - устройство, не дающее вскипятить электролит в вашем аккумуляторе в случае перезаряда, то есть устройство, позволяющее постоянно держать солнечную батарею подключенной ни о чем не беспокоясь. Надежность работы таких самодельных инверторов - конечно ниже, чем специализированных устройств, поэтому, решать вам, что выбрать.

Рассмотрим необходимые покупки и бюджет сборки солнечной батареи своими руками.

• Вышеупомянутые ячейки Evergreen Solar (ссылка на Ebay), с мелкими повреждениями краев (chipped) - за 100 штук стоят 169 долларов плюс 40$ за доставку в Россию из США. Как правило, подавец отправляет в комплекте еще 10 ячеек в качестве дополнительного бонуса, что очень уместно, так как нам надо по нашей задумке 108 штук.
• Специальный плоский провод для пайки (Solar Cells/Panels Tabbing Wire, ссылка на Ebay) - 100 футов за 11$ плюс 6$ доставка в Россию из США.
• Понадобится три листа обычного оргстекла, размером 1100х1300х2 мм по 960 рублей лист
• В качестве накопителя будем использовать необслуживаемый аккумулятор ( гарантийны срок службы 8 лет) Leoch DJW12-18 -  4 штуки по цене 5000-6000 рублей за штуку. 
• Источник бесперебойного питания возьмём простенький, Ippon Comfo Pro 400 - в среднем цена около тысячи рублей. Собственный аккумулятор устройства (малой емкости) в деле не используется.
• Контроллер заряда на 10А - за 27 + 6$ от тайваньского производителя (ссылка на Ebay). Выбор пал на этот контроллер благодаря малому собственному потреблению энергии и возможностью конфигурить его через компьютер.
• Три диода Шоттки 5А по 20 рублей штука

Так же нам понадобятся такие элементы конструкции, как профиль алюминиевый, рейка сосновая, краска, винты, гайки, разьемы, провода и другие элементы, которые обычно можно найти где-нибудь под руками.

Электрическая схема соединения солнечных модулей изготавливаемой батареи.

Все три массы собранных модулей соединены вместе напрямую, а плюсы модулей подключаются через 3 диода Шоттки, назначение которых - исключить обратный ток через параллельно включаемые солнечные модули. Дальше плюс и минус солнечной батареи идут на вход нашего контроллера, к которому, затем, подключена и аккумуляторная батарея.
Стоит отметить, что попытка подключать нагрузку напрямую, на соответствующий выход контроллера не оказалась успешной - контроллер ограничивает ток на выходе значением 10 ампер и периодически отключает ИБП в самый неподходящий момент :). По этому, нам пришлось подключить ИБП к батарее напрямую - минус непосредственно ко входу аккумулятора, а плюс - через два параллельно включенных тумблера, соединённых меж собой планкой для одновременного переключения. В данной схеме ток идет параллельно через 4 пары контактов с номиналом по 5А.
ИБП служит в качестве инвертора для солнечной батареи, его мощность 240 Ватт. Он включается в режим "холодный старт" при подсоединении аккумулятора, а выключается автоматически через 5 мин. после снятия нагрузки (это называется "Green Power"). Индикация заряда аккумуляторной батареи есть на контроллере - меняется цвет светодиода. ИБП ограничивает разряд батареи не менее 9 В под нагрузкой.

Следующий этап - пайка солнечной батареи своими руками.

Первый опыт пайки заставит понервничать даже искушенного радиолюбителя. Очень вероятно, что нормального соединения сначала получить не удастся и, более того, при повторении попыток пропаять одно и то же место - серебряное напыление контактов может разрушиться. Чтобы процесс пайки прошел более гладко используйте маяльник малой мощности (25-30Вт), а вместо привычной кислоты используйте раствор канифоли в спирте. Обязательно зачищайте контактные площадки - они не повреждаются при зачистке и это сильно влияет на результат, а так же наносите припой на соединитель, невзирая на уверения продавца, что на нем уже есть слой припоя и результат вас порадует.

Рассмотрим конструкцию солнечной панели.

Каждая солнечная панель состоит из двух половин, складывающихся  в виде "книжки", выполненной на дверных петлях. Обе половины сделаны из оргстекла, выбор на которое пал из следующих соображений:

• Малый коэффициент преломления дает меньшие потери энергии за счет отражения света, в отличие от других стекол.
• Меньшая прозрачность для инфракрасного излучения снижает ненужный нагрев ячеек, который приводит к уменьшению КПД солнечной батареи.
• Легкость и ударостойкость, важные при загородном или мобильном использовании
• Простота механической и ручной обработки, что немаловажно для домашнего умельца.

Нарезка оргстекла для батареи.
Режьте одновременно блок из четырех слоев оргстекла - так лучше и для скорости и для конечного качества. Разметку нужно на каждом листе - ее можно будет видеть при резке.
Если пилите вручную, то почаще меняйте полотна, они тупятся довольно быстро. Опилки оргстекла собираем - растворив их в дихлорэтане, получим хороший клей для оргстекла.

Склейка и подготовка коробки солнечной батареи.

Полученный блок из четырех листов (на один модуль) сверлим по периметру диаметром 5.5 мм, разметив лишь верхний лист. После приклеивания окантовки шириной 15 мм (один слой на тыльный лист и два слоя на лицевой) стягиваем листы вместе струбцинами и сверлим окантовки диаметром 3.2 мм по центрам отверстий 5.5 мм. Лицевые и тыльные листы соединяем винтами М3. Головки и гайки должны получиться заподлицо с поверхностью листа. Затем готовим отверстия под петли, ручки сверху, болты крепления на раме.
 

Склейка. Клей для оргстекла разводим до густоты канцелярского, для его изготовления своими руками берём порошок стружки из оргстекла и растворяем его в дихлорэтане в течении 1-1.5 часа.
Склеивание производим однократным сильным прижатием, выдавливая воздух, хорошо видимый между слоями оргстекла.

Ячейки и провода солнечной батареи.
Ячейки между собой соединяем последовательно, по 18 шт. на каждой половине панели, и обе эти полу-панели также соединяем последовательно. Лицевая сторона с двумя длинными дорожками - это масса (минус), тыльная сторона с шестью посеребренными квадратиками - плюс. Заранее распаянные плоским проводом ячейки укладываем лицом на стол, обеспечивая зазор между ними размером в 10 мм с помощью обычных разделителей для укладки кафельной плитки. Пропаяв ячейки, ряды ячеек соединим шинами, затем укладываем провода для выводов наружу и в смежный полу-модуль. В качестве провода подойдет акустический кабель в силиконовой изоляции. Для соединения внутренних полостей панелей с атмосферой провода с зазором вставлены в 10 сантиметровые отрезки силиконовой трубки( например, от капельницы, которую можно купить в аптеке). Трубки при сборке вклеиваются силиконовым герметиком в окантовку вашей батареи.

Сборка солнечной панели.
На каждую ячейку панели наносим по две "капли" силиконового герметика, осуществляя нанесение по линиям плоских проводов - по ним будут передаваться усилия от термического расширения.
 

Затем прижимаем тыльный лист к ячейкам солнечной панели. Благодаря его прозрачности легко видеть результат сделанного своими руками. Важно отметить, что получившиеся пятна контакта после отвердения герметика сохраняют достаточную эластичность, что важно для снижения термонапряжений в солнечной батарее. 

Для большей жесткости всей нашей конструкции солнечной батареи на тыльный лист в зазоры между рядами ячеек надо установить четыре кубика из оргстекла, размером 5х5х6 мм, назначение которых - исключение возможности "продавить" лицевой лист до касания ячеек каким-либо случайным нажатием.
Наносим герметик на боковины и стягиваем винтами тыльную и лицевую панели, ставим петли и ручки.

Рама.
Рассмотрим изготовление рамы своими руками для балконного исполнения.
Изготовление рамы - весьма нетривиальный вопрос. Так как бытовой алюминиевый профиль имеет способность к скручиванию, то наиболее надежной будет такое исполнение, когда в основе рамы 4 направляющих, в пазы которых вставляются сонечные панели. Каждая из направляющих состоит из деревянного прямоугольного бруска 30х12 мм. На передней (узкой) стороне шурупами крепится плоский алюминиевый профиль (в строительных магазинах он фигурирует как "окантовка порога"), на длинных сторонах - штапик оконный образцового качества, образующий с алюминиевой полосой паз глубиной 10мм и шириной 12мм для панелей. На каждую направляющую ставятся три поперечных опоры (из 16 мм фанеры), в месте контакта с балконом крепится амортизатор-резинка. Средняя из поперечных опор воспринимает вес панели, она имеет углубления - гнезда для несущих болтов, ввернутых в верхнюю полупанель каждого модуля солнечной батареи.
Все, кроме лицевого алюминия, необходиомо покрасить, хорошо подойдет нитрокраска. 

Страшилки "от производителя" :)

Страшилка первая и главная - эффективность солнечной батареи, собранной своими руками.

Основной дистрибьютор компании Evergreen Solar информирует потребителей, что: "2% несортированных ячеек могут иметь пониженную мощность, и если вы соединяете ячейки последовательно, мощность панели равна мощности самой слабой ячейки, помноженной на число ячеек. Точно так же, как объем пропускаемой воды определяется самой тонкой трубой в трубопроводе.

Вы можете построить большую панель, из 144 ячеек, но, наверное, лучше сделать две панели из 72 ячеек. Почему? Потому что в больших группах, которые вы хотите создать, нужно множество диодов для сегменирования последовательных серий ячеек чтобы свести к минимуму потери энергии в случае выхода из строя одной ячейки, например - если на ячейку случайно падает лист с дерева и она выгорает. Для более крупных панелей настоятельно рекомендуется применять диоды. "

Так же, во многих местах этой переписки производитель рекомендует покупателям самостоятельно подбирать ячейки солнечных модулей по близкие по мощности для соединения их в панель. Однако, это задача кажется неисполнимой, но рассуждения об узком месте и обводных диодах все же производят неприятное впечатление. Правда, так как от поставщика мы получили всего 110 ячеек для трех панелей из 36 ячеек - то и подбирать тут особо нечего...

Итак, перейдем к испытаниям. Вытаскиваем солнечные панели на травку, ориентируем на солнце и мерим ток в режиме короткого замыкания. Это довольно показательный режим, поскольку максимальная мощность достигается при токе 90% от тока короткого замыкания.
В нашем случае получили 2,88А на открытой панели (без лицевого стекла), 2.55 А на закрытой. Другие две панели (закрытые) дают 2.58 и 2.52 А. Ячейки сильно греются, так что долго в режиме короткого замыкания лучше не держать. Учитывая широту 54 градуса и шесть часов вечера вполне удовлетворяемся этим результатом, отметив для себя, что даже слабое облачко снижает ток раз в 5-10 - что тоже не очень хорошо.

Страшилки про ИБП.

Оказалось, что наш самодельный "инвертор" отключается ровно через 5 мин, если работает под малой нагрузкой, например только ноутбук. А вот при подключении ещё и внешнего дисплея - уже получше, но отключается теперь уже через 10 минут :). Как выясняется на сайте производителя - время выключения заложено программно по умолчанию и его можно изменять в широких пределах, подключив ИБП к компьютеру. Тут нужно ещё отметить, что софт для работы с данным ИБП не позволяет полностью отключить функцию Green Power, а техническая поддержка производителя советует покупателям выпаивать резисторы, если они хотят избавиться от этого чуда инженерной мысли. 

Следует так же отметить, что в жару, при попадании прямых солнечных лучей на солнечную батарею светодиоды беспорядочно мигают и батарея не заряжается - от перегрева. В таком случае можно укрывать модули от солнца. В холодную же погоду, при почти заряженной батарее и при ярком солнце прямо против солнечных модулей, устройство может временно прервать зарядку - срабатывает уже ограничение по напряжению от солнечной батареи на аккумуляторе - не более 17 В.

Но, в целом, страшилки так и остались страшилками и солнечная батарея, сделанная своими руками оказалась вполне работоспособна и эффективна.