Правила конструирования
Правила конструирования технических изделий выработаны давно и проверены при выполнении многих десятков тысяч различных конструкторских работ. Результатом конструирования является комплект рабочей документации, по которой можно изготовить задуманное изделие.
Всё начинается с разработки технического задания (ТЗ). В этом документе формулируется цель работы, технические характеристики изделия, краткое техническое описание (принцип действия), приводится экономический анализ.
Затем разрабатывается комплект рабочей документации: чертежи общего вида, чертежи всех деталей, перечень всех деталей – спецификация. Приводится описание технологии изготовления некоторых самодельных устройств.
Как работает солнечная батарея?
Работа солнечной батареи основывается на фотоэлектрическом эффекте. Первый функционирующий фотоэлемент был создан русским ученым Александром Столетовым, но открытие его еще середине XIX приписывают французскому физику Александру Беккерелю.
Фотоэлектрический эффект достигается путем замыкания полупроводников (фотоэлементов) в электрическую цепь. Один полупроводник должен иметь в составе лишние электроны (n-слой), во втором их должно не хватать (р-слой). Лучи солнца способны выбивать лишние электроны из n-слоя, после чего они автоматически направляются на свободные места в р-слое, и наоборот. Таким образом достигается постоянное движение электронов. Вытесненные из р-слоя электроны проходят через аккумулятор и возвращаются в n-слой.
Отдельные фотоэлементы могут обеспечить электроэнергией незначительные по мощности объекты, а для питания крупных объектов требуется объединить множество фотоэлементов в одну электрическую цепь.
Первым в истории фотоэлементом стал селен, но он обладал КПД менее одного процента, поэтому ему сразу же стали искать замену. Нашли ее в кремние и до сих пор этот элемент наиболее широко используется в солнечных панелях.
Виды панелей и их достоинства
Давайте разберемся, из чего делают солнечные батареи. Для изготовления самой первой ячейки использовали селен. Но полученные фотоэлементы имели очень высокую химическую активность и быстро старились. К тому же и КПД было смехотворное – всего 1 %. В поисках замены был опробован кристаллический кремний. Но этот элемент является диэлектриком. Поэтому для проводимости пришлось добавлять различные редкоземельные металлы.
Монокристаллический кремнийИсточник userapi.com
На сегодняшний момент существует три типа фотоэлементов из кремния:
- на монокристаллах;
- поликристаллические;
- аморфные.
Для каждого вида применяется своя технология изготовления. В первом случае слитки кремния проходят самую высокую степень очистки. И только после этого с них срезаются тончайшие слои. А на заключительном этапе получают темно-синие пластины, похожие на стекло и с ярко выраженной электродной сеткой на поверхности.
Монокристаллические фотоэлементы имеют самое высокое КПД – 19 %. А срок эксплуатации рассчитан на 50 лет. Любая ячейка из кремния со временем теряет производительность. И в этом случае лидируют аморфные. Но монокристаллы делают это очень медленно. Построенные из них 40 лет назад батареи еще работают и сохранили 80% своей первоначальной производительности.
Если к электропитанию дома выполнить подключение солнечных панелей с поликристаллическими фотоэлементами, то их замена потребуется через 25 лет. КПД такого устройства хоть и меньше монокристаллического, но еще достаточно неплохое – 15 %. Понижение параметров связано с тем, что в этом случае используется более дешевый кремний. А он не такой чистый. Поэтому изготовленные пластины получаются с более светлым узором, образующим границы между кристаллами.
Поликристаллический кремнийИсточник hab.specstali.ru
Но поликристаллические фотоэлементы имеют и свои плюсы. Во-первых, это сравнительно низкая цена, чем у монокристаллических. Во-вторых, они не так сильно зависимы от низкой облачности и ориентации на светило. А также легче переносят внешние загрязнения. Это делает поликристаллические солнечные батареи намного популярнее для пользователей.
Аморфный кремний не имеет кристаллической структуры. При изготовлении тончайший слой химического элемента наносится либо на стекло, либо полимер. Такие панели работают недолго. Аморфный слой быстро выгорает на солнце и полностью деградирует. Да и КПД составляет только 9 %. Причем со временем быстро падает. Но дешевый способ производства несколько оправдывает их применение в некоторых областях. Например, быстрое снижение КПД нивелирует высокая солнечная активность в пустынях.
Поскольку отрасль считается высоко перспективной, то ее изучение и разработка идет полным ходом. Продолжается поиск новых материалов, которые позволят удешевить производство и максимально повысить КПД. И на сегодняшний день уже получена новая технология по изготовлению пленочных фотоэлементов, которые обладают очень хорошей долговечностью. Да и производительность их выше, чем у сделанных из кремния.
Пленочные фотоэлементыИсточник raspberry.com.ua
Тонкопленочные фотоэлементы изготавливают из:
- теллурида кадмия;
- полимеров;
- индия и селенида меди.
Подключение таких солнечных батарей в частном секторе только планируется. А пока их выпуском занимается лишь несколько лидеров в этой отрасли. Гибкие фотоэлементы еще большая редкость. Поэтому использование их в самостоятельном моделировании возможно только в будущем.
Солнечные панели своими руками
А теперь о том, как сделать солнечную батарею. Первым, что придется приобрести, будет набор преобразующих пластин, количество которых зависит от мощности самодельной гелиоэлектростанции. Для одной батареи нужно будет 36 штук. Можно воспользоваться набором Solar Cells, а также приобрести поврежденные элементы или с дефектами – это скажется лишь на внешнем виде батареи. Если они рабочие, то на выходе получится почти 19 Вольт. Спаивать их нужно с учетом на расширение – оставляя зазор до пяти миллиметров между ними. Устройство солнечной батареи своими руками требует предельной внимательности при исполнении пайки фотопластинок. Если пластинки приобретались без проводников, то их необходимо напаивать вручную. Процесс сложный и ответственный. Если работа выполняется паяльником на 60 Вт, лучше всего последовательно с ним подключить простую стоваттную лампочку.
Качество пайки – основное требование к безупречной работе солнечных батарей. Перед установкой подложки необходимо все места пайки протестировать. Выводить ток рекомендуется с использованием проводов малого сечения. Например, акустическим кабелем с силиконовой изоляцией. Все проводники необходимо закрепить герметиком.
Затем стоит определиться с поверхностью, на которую эти пластины будут крепиться. Вернее, с материалом для ее изготовления. Самым подходящим по характеристикам и легкодоступным является стекло, которое имеет максимальную пропускную способность светового потока по сравнению с оргстеклом или карбонатом.
Следующим шагом станет изготовление короба. Для этого используется алюминиевый уголок или деревянный брус. В каркас на герметик сажается стекло – желательно тщательное заполнение всех неровностей. Следует заметить, что герметик должен высохнуть полностью – во избежание загрязнения фотопластинок. Затем на стекло крепится готовый лист из спаянных фотоэлементов. Способ крепления может быть различный, но солнечные батареи для дома, отзывы о которых распространены, закреплялись в основном с помощью прозрачной эпоксидной смолы или герметика. Если эпоксидку наносят равномерно на всю поверхность стекла, после чего на нее помещают преобразователи, то герметиком крепят в основном на каплю посредине каждого элемента.
Для подложки используется различный материал, который также крепится на герметик. Это могут быть и древесно-стружечные плиты небольшой толщины или лист ДВП. Хотя можно, опять же, залить и эпоксидной смолой. Корпус батареи должен быть герметичным. Сделанная таким способом солнечная батарея своими руками, схема сборки которой оговаривалась выше, даст 18–19 Вольт, обеспечив зарядку 12-вольтового аккумулятора.
Как собрать солнечную батарею своими руками
Сборка корпуса солнечной батареи
Сборка солнечных батарей, а именно, корпуса может выполняться в разных вариантах. В первом случае ее можно сделать из фанерных листов и деревянных реек, поэтому такой монтаж не представляет особой сложности. Конструкции выпиливаются по размерам, а затем соединяются между собой саморезами. Все стыки и швы предварительно промазываются герметиком. Все деревянные части покрываются краской или специальными защитными составами. Дальнейшие работы проводятся только после полного высыхания конструкции.
Немного сложнее изготовить солнечную батарею из алюминиевого уголка. В этом случае сборка каркаса происходит в следующем порядке:
- Сборка из уголка прямоугольного каркаса.
- В каждом углу конструкции сверлятся отверстия под крепления.
- Внутренняя часть профиля по всему периметру покрывается силиконовым герметиком.
- Внутрь каркаса на обработанные места укладывается текстолит или оргстекло, вырезанные по размеру. Их нужно как можно плотнее прижать к уголкам.
- Внутри корпуса лист прозрачного материала фиксируется крепежными уголками, установленными по углам.
- Дальнейшие работы проводятся после полного высыхания герметика. Предварительно, все внутренние поверхности протираются от пыли и загрязнений.
Пайка проводов и соединение фотоэлементов
Все элементы для солнечных батарей отличаются повышенной хрупкостью и требуют аккуратного обращения. Перед началом пайки они протираются, чтобы поверхность была идеально чистой. Элементы с припаянными проводниками все равно следует проверить и устранить обнаруженные недостатки.
На каждой фотопластинке имеются контакты с различной полярностью. Вначале проводники припаиваются к ним, а уже потом соединяются между собой.
При использовании шин вместо проводов, необходимо учитывать следующие особенности:
- Шины размечаются и разрезаются на требуемое количество полосок.
- Контакты пластин протираются спиртом, после чего на них наносится тонкий слой флюса, с одной стороны.
- Шина прикладывается по всей длине контакта, после чего по ней нужно провести разогретым паяльником.
- Пластина переворачивается, и такая же операция повторяется на другой стороне.
Паяльник во время монтажа нельзя сильно прижимать к пластине, иначе она может лопнуть. На лицевой стороне после пайки не должно оставаться неровностей. Если они остались, нужно еще раз пройти паяльником по шву.
Чтобы не ошибиться с размещением пластин, перед тем как их собирать, на поверхность листа рекомендуется нанести разметку с учетом всех размеров и зазоров. После этого фотоэлементы укладываются на свои места. Затем контакты панелей соединяются между собой с обязательным соблюдением полярности.
Нанесение герметизирующего слоя
Перед тем как самому герметизировать конструкцию, нужно выполнить тестирование и проверить солнечные батареи на работоспособность. Она выносится на солнце, после чего на выводах шин замеряется напряжение. Если оно в пределах нормы, можно приступать к нанесению герметика.
Один из наиболее подходящих вариантов предполагает следующие действия:
- Силиконовый герметик наносится на самодельные солнечные батареи капельками по краям корпуса и между пластинами. После этого края фотоэлементов аккуратно прижимаются к прозрачному основанию и должны прилегать к нему как можно плотнее.
- На каждый край пластинок укладывается небольшой груз, после чего герметик полностью высыхает, а фотоэлементы надежно фиксируются.
- В самом конце аккуратно промазываются края рамки и все стыки между пластинами. На данном этапе герметиком покрывается все, кроме самих пластинок, он не должен попасть на их оборотную сторону.
Окончательная сборка солнечной панели
После всех операций остается лишь полностью собрать солнечную батарею в домашних условиях.
В этом случае порядок действий будет следующий:
- В боковой части корпуса устанавливается соединительный разъем, к которому подключаются диоды Шоттки.
- С лицевой стороны вся сборка пластинок солнечной батареи закрывается прозрачным защитным экраном и герметизируется, чтобы исключить попадание влаги внутрь конструкции.
- Для обработки лицевой стороны рекомендуется использовать специальный лак, например, PLASTIK-71.
- После сборки выполняется окончательная проверка, после чего солнечная батарея из подручных средств сделанная своими руками может устанавливаться на свое место.
Как сделать солнечную батарею своими руками
Повер банк с солнечной батареей
Обзор солнечных батарей для туристов
Установка солнечных батарей
Солнечные батареи: альтернативная энергия
Производство солнечных батарей
Сборка конструкции
Солнечная панель своими руками собирается в несколько этапов. Лучше всего делать работу по порядку, чтобы ничего не упустить и добиться хорошего результата.
Изготовление каркаса
Алюминиевый каркас – идеальное решение.
Основа под будущие фотоэлементы должна быть прочной и долговечной, ее можно делать из разных материалов. Можно использовать влагостойкую фанеру или плиты ОСП, работа в этом случае проводится так:
Вырезаются куски подходящего размера, по периметру делается обрамление из деревянного бруска, важно точно подогнать все части друг к другу, чтобы не было щелей, а стыки и соединения промазать атмосферостойким герметиком. Затем поверхность покрывается защитным составом или краской и оставляется до полного высыхания
Лучше нанести покрытие в несколько слоев.
Используйте алюминиевый каркас, так как он намного прочнее и долговечнее, чем деревянный. В этом случае подбираются уголки и соединяются, чтобы получилась прочная рама. В нее ставится оргстекло или другой прозрачный материал, все стыки надо обработать герметиком, чтобы не было щелей. Продолжать работу можно после того, как состав полностью высохнет, излишки можно срезать строительным ножом.
Кстати! Размеры каркаса подбираются под параметры приобретенных фотоэлементов. Пока их нет, рамы лучше не делать.
Пайка проводов и соединение фотоэлементов
На всех модулях есть контакты, имеющие разную полярность, перед началом работы они протираются спиртом, после чего к ним припаиваются проводники. Только потом их можно объединить между собой, чтобы собрать систему. Если проводники уже припаяны, обязательно проверяются все соединения, нередко там есть брак, который надо исправить перед монтажом. Если используются специальные шины, то инструкция по проведению работы такая:
- Шины нужно нарезать на полоски подходящего размера, если они идут в одном листе. Контакты на пластинах обязательно протираются спиртом для обезжиривания, после чего на них аккуратно наносится небольшой слой флюса.
Шину следует приложить к контакту по всей длине, после чего разогретым паяльником нужно провести по поверхности без нажима, чтобы не испортить панель. После остывания элемент переворачивается и работа повторяется на контакте со второй стороны в том же порядке.
- Чтобы правильно разместить соединения и подобрать подходящую длину, предварительно разложите модули на подготовленном основании и разметьте их положение.
- Подготовить солнечный элемент своими руками не так сложно. После того, как контакты прикреплены, модули ставятся на место и соединяются между собой. Главное – следить за соблюдением полярности.
Если на соединении шины с контактом есть неровности, надо провести по поверхности паяльником еще раз.
Нанесение герметика
В домашних условиях проще всего использовать строительные атмосферостойкие составы, которые продают во всех магазинах. Работа проводится так:
Вначале надо нанести капли состава по краям фотоэлементов через небольшое расстояние. После этого они размещаются на прозрачном основании по меткам, нанесенным ранее
Важно ровно выставить модули и прижать их как можно плотнее к поверхности.
Для фиксации в подходящем положении на места нанесения герметика ставятся любые грузы. Их можно снять после высыхания состава.
Далее необходимо покрыть герметиком все края, а также стыки между элементами, чтобы полностью герметизировать их
При этом важно не попадать на рабочие части.
Сборка панели
Когда герметик высох, можно проводить окончательную сборку. Тут могут быть свои особенности в зависимости от системы, но чаще всего процесс выглядит так:
- В первую очередь в боковой части корпуса крепится разъем для подключения, к которому надо присоединить диоды Шоттки.
- На наружную сторону вырезается экран из прозрачного материала, который лучше всего закрепить на герметике, чтобы обеспечить герметичность конструкции и исключить попадание влаги внутрь.
- Готовый элемент проверяется на работоспособность. Если все нормально, можно ставить на каркас крепления, чтобы установить батарею в подготовленном месте.
Солнечная батарея: что это такое
Человечество загорелось идеей трансформации солнечного излучения в электрическую энергию с 30-х годов прошлого века. Именно тогда учёные из Академии наук СССР заявили о создании полупроводниковых медно-таллиевых кристаллов, в которых под действием световых лучей начинал протекать электрический ток. Сегодня это явление известно как фотоэлектрический эффект и широко используется как в гелиоэлектрических установках, так и в разнообразных датчиках.
Первые солнечные батареи известны ещё с 50-х годов прошлого века
Сила тока одного фотоэлемента измеряется в микроамперах, поэтому для получения сколь-нибудь значимой электрической мощности их объединяют в блоки. Множество таких модулей и составляют основу солнечной батареи (СБ), которую можно использовать для подключения различных электронных устройств. Если же говорить о законченном устройстве, которое можно установить под открытым небом, то корректнее говорить о солнечной панели (СП) с конструкцией, защищающей сборку фотоэлектрических модулей от внешних факторов.
Надо сказать, что КПД первых электрических гелиосистем не достигал и 10% — сказывались как недостатки полупроводниковой технологии, так и неустранимые потери, связанные с отражением, рассеиванием или поглощением светового потока. Десятилетия упорного труда учёных дали свой результат, и сегодня КПД самых современных солнечных батарей достигает 26%. Что же касается перспективных разработок, то здесь он ещё выше — до 46%! Конечно, внимательный читатель может возразить, что другие генераторы энергии работают с энергоэффективностью 95–98%. Тем не менее не следует забывать, что речь идёт о совершенно бесплатной энергии, величина которой в солнечный день превышает 100 Вт на один кв. м земной поверхности в секунду.
Современные солнечные панели генерируют электроэнергию в промышленных масштабах
Полученная с помощью солнечных панелей электроэнергия может использоваться аналогично той, что получают на обычных электростанциях — для питания различных электронных устройств, освещения, отопления и т. д. Единственное отличие, которое состоит в том, что на выходе фотоэлектронного модуля присутствует постоянный, а не переменный ток, на самом деле является преимуществом. Всё дело в том, что любая гелиосистема работает только в течение светового дня, причём её мощность очень сильно зависит от высоты солнца над горизонтом. Поскольку ночью СБ работать не может, электроэнергию приходится накапливать в аккумуляторах, а они-то все как раз и являются источниками постоянного тока.
Классификация и особенности современных фотоэлементов
Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:
- монокристаллические;
- поликристаллические;
- из аморфного Si.
Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.
Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы — эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами
В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин — они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических — не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.
Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок — следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов
Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью — их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях — высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.
Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели
Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:
- на основе теллурида кадмия;
- из тонких полимеров;
- с использованием индия и селенида меди.
О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.
