Пропоную Вашій увазі детальний покроковий посібник з самостійної збірці саморобної сонячної батареї . Дана стаття - вільний переклад статті Майкла Девіса про будівництво недорогий сонячної батареї.
Пару років тому я купив віддалений ділянку в Арізоні. Я астроном, і мені потрібно було видалене від великих міст місце для астрономічних спостережень. Я знайшов таке місце. Проблема в тому, що через віддаленість на ділянці немає ніякого електропостачання. Ну, насправді для мене це не проблема. Немає електрики - немає нічний засвічення неба. Проте, добре б мати хоч якесь електропостачання, тому що життя в ХХI столітті сильно від нього залежить.
Я побудував вітрогенератор для електрозабезпечення цієї ділянки. Він працює добре, коли вітер дме. На жаль, мені потрібно більше енергії. І ця енергія повинна бути більш стабільна. А то таке відчуття, що у мене на ділянці вітер дме завжди, але тільки не тоді коли мені потрібна енергія. В Арізоні більше 300 сонячних днів в році, тому сонячна батарея здається очевидним доповненням до вітрогенератору. На жаль, сонячні батареї недешеві, тому я вирішив зробити все сам. Використовував найзвичайніші інструменти і недорогі і поширені матеріали, щоб зробити батарею конкуруючу з комерційними зразками по потужності, але не залишає їм жодного шансу за ціною.
Отже, що ж таке сонячна батарея (СБ)? По суті, це контейнер, що містить масив сонячних елементів. Сонячні елементи , Це ті штуки, які насправді роблять всю роботу по перетворенню сонячної енергії в електрику. На жаль, для отримання потужності, достатньої для практичного застосування, сонячних елементів треба досить багато. Також, сонячні елементи ДУЖЕ тендітні. Тому їх і об'єднують в СБ України. Батарея містить достатню кількість елементів для отримання високої потужності і захищає елементи від пошкодження. Звучить не дуже складно. Я впевнений, що зможу зробити це сам.
Я почав свій проект, як зазвичай, з пошуку в мережі інформації по саморобним СБ і був шокований як же її мало. Той факт, що мало хто зробив свої власні сонячні батареї, змушував мене думати, що це повинно бути дуже складно. Задумка була відкладена в довгий ящик, але я ніколи не переставав думати про неї.
Через якийсь час, я прийшов до наступних висновків:
- головна перешкода в будівництві СБ це придбання сонячних елементів за розумну ціну
- нові сонячні елементи дуже дорогі і їх складно знайти в нормальній кількості за будь-які гроші
- дефектні і пошкоджені сонячні елементи є в наявності на eBay і інших місцях набагато дешевше
- сонячні елементи «другого сорту» можливо, можуть бути використані для виготовлення сонячної батареї
Коли до мене дійшло, що я можу використовувати дефектні елементи, щоб зробити свою СБ, я взявся за роботу. Почав з покупки елементів на eBay.
Купив кілька блоків монокристалічних сонячних елементів розміром 3х6 дюйми. Щоб зробити СБ, необхідно з'єднати послідовно 36 таких елементів. Кожен елемент генерує близько 0,5 В. 36 елементів, з'єднаних послідовно дадуть нам близько 18В, які будуть достатні для зарядки батарей на 12В. (Так, таке висока напруга дійсно необхідно для ефективної зарядки 12В акумуляторів). Сонячні елементи цього типу тонкі як папір, тендітні й ламкі як скло. Їх дуже легко пошкодити. Продавець цих елементів занурив набори з 18 шт. в віск для стабілізації і доставки без пошкоджень. Віск - це головний біль при його видаленні. Якщо у вас є можливість, шукайте елементи, не покриті воском. Але пам'ятайте, що вони можуть отримати більше пошкоджень при транспортуванні. Зауважте, що мої елементи вже мають припаяні провідники. Шукайте елементи з вже припаяними провідниками. Навіть з такими елементами вам потрібно бути готовим багато попрацювати паяльником. Якщо ж ви купите елементи без провідників, приготуйтеся працювати паяльником рази в 2-3 більше. Коротше, краще переплатити за вже припаяні дроти.
Також я купив пару наборів елементів без заливки воском в іншого продавця. Ці елементи прийшли упаковані в пластикову коробку. Вони бовталися в коробці і трохи обкололи з боків і кутах. Незначні відколи не мають особливого значення. Вони не зможуть знизити потужність елемента настільки, щоб про це треба було турбуватися. Куплених мною елементів повинно вистачити на складання двох СБ України. Я знаю, що можливо зламаю парочку при складанні, тому купив трохи більше.
Сонячні елементи продаються найширшого спектра форм і розмірів. Ви можете використовувати більш великі чи дрібні, ніж мої 3х6 дюймів. Просто пам'ятайте:
- Елементи одного типу виробляють однакову напругу незалежно від їх розміру. Тому для отримання заданої напруги завжди потрібно однакову кількість елементів.
- Великі за розміром елементи можуть генерувати більший струм, а менші за розміром, відповідно - менший струм.
- Загальна потужність вашої батареї визначається як її напруга помножене на генерований струм.
Використання великих за розміром елементів дозволить отримати велику потужність при тій же напрузі, але батарея вийде більший і важчий. Використання менших елементів дозволить зменшити і полегшити батарею, але не зможе забезпечити таку ж потужність. Також варто відзначити, що використання в одній батареї елементів різних розмірів - погана ідея. Причина в тому, що максимальний струм, що генерується вашої батареєю, буде обмежений струмом самого маленького елемента, а більші елементи не будуть працювати в повну силу.
Сонячні елементи, на яких я зупинив вибір, мають розмір 3х6 дюйми і здатні генерувати струм приблизно 3 ампера. Я планую з'єднати послідовно 36 таких елементів, щоб отримати напруга трохи більше 18 вольт. У результаті повинна вийти батарея, здатна видавати потужність близько 60 ват на яскравому сонці. Звучить не сильно вражаюче, але все ж це краще ніж нічого. При чому, це 60Вт кожен день, коли світить сонце. Ця енергія буде йти на зарядку акумулятора, який буде використовуватися для живлення світильників і невеликий апаратури всього кілька годин після настання темряви. Просто коли я йду спати, мої енергетичні потреби зводяться до нуля. Коротше, 60 Вт це цілком достатньо, особливо з огляду на, що у мене є вітрогенератор, який теж виробляє енергію, коли дме вітер.
Після того як ви купите свої сонячні елементи сховайте їх в безпечне місце, де вони не розіб'ються, не потраплять дітям для ігор і не будуть з'їдені вашої собакою до тих пір, поки ви не будете готові встановити їх в вашу СБ України. Елементи дуже тендітні. Грубе поводження перетворить ваші дорогі сонячні елементи в маленькі синенькі блискучі і ні для чого не придатні осколочкі.
Отже, сонячна батарея це просто неглибокий ящик. Я почав з побудови такого ящика. Я зробив його неглибоким, щоб борту не затінювали сонячні елементи, коли сонце світить під кутом. Зроблений він з фанери товщиною 3/8 дюйма з бортиками з рейок товщиною 3/4 дюйма. Борти приклеєні і пригвинчені на місце. Батарея буде містити 36 елементів розміром 3х6 дюймів. Я вирішив розділити їх на дві групи по 18 шт. просто для того, щоб їх було простіше паяти в майбутньому. Звідси і центральна планка посередині ящика.
Ось невеликий нарис, який показує розміри моєї СБ України. Всі розміри в дюймах (вибачте мене, шанувальники метричної системи). Бортики товщиною 3/4 дюйма йдуть навколо всього листа фанери. Такий же бортик йде по центру і ділить батарею на дві частини. Загалом, я вирішив зробити так. Але в принципі, розміри і загальний дизайн не критичні. Можете вільно все варіювати в своєму ескізі. Розміри ж тут я приводу для тих людей, які постійно ниють, щоб я включив їх в свої ескізи. Я завжди заохочую народ експериментувати і винаходити щось своє, ніж сліпо слідувати інструкціям, написаним мною (або кимось ще). Можливо, у вас вийде краще.
Вид однієї з половин моєї майбутньої батареї. У цій половині буде розміщена перша група з 18 елементів. Зверніть увагу на невеликі отвори в бортах. Це буде нижня частина батареї (на фото верх знаходиться внизу). Це вентиляційні отвори, призначені для вирівнювання тиску повітря всередині і зовні СБ і службовці для видалення вологи. Ці отвори повинні бути тільки внизу батареї, інакше дощ і роса потраплять всередину. Такі ж вентиляційні отвори повинні бути зроблені в центральній розділювальній планці.
Далі я вирізав два відповідних за розміром шматка ДВП. Вони будуть служити підкладками, на яких будуть збиратися сонячні елементи. Вони повинні вільно поміщатися між бортиками. Не обов'язково використовувати саме перфоровані листи ДВП, просто у мене виявилися такі під рукою. Чи піде будь-тонкий, жорсткий і не проводить струм матеріал.
Щоб захистити батарею від погодних неприємностей, лицьову сторону закриваємо оргстеклом. Ці два шматка оргскла були вирізані, щоб закривати всю батарею повністю. У мене не було одного досить великого шматка. Скло теж можна використовувати, але скло б'ється. Град, камені і летить сміття можуть розбити скло, а від оргскла просто отскочат. Як бачите, починає вимальовуватися картинка, як сонячна батарея буде виглядати в підсумку.
Упс! На фото два листа оргскла з'єднані на центральній перегородці. Я свердлив отвори навколо кромки, щоб посадити оргскло на шурупи. Будьте обережні, свердлячи отвори біля кромки оргскла. Будете сильно тиснути - зламається, що у мене і сталося. У підсумку, я просто приклеїв відламати шматок і просвердлив недалеко новий отвір.
Після цього, я пофарбував всі дерев'яні частини сонячної батареї декількома шарами фарби, щоб захистити їх від вологи і впливу навколишнього середовища. Ящик я пофарбував всередині і зовні. При виборі типу фарби і її кольору був використаний науковий підхід. Я збовтав всю фарбу з залишків, наявних у мене в гаражі, і вибрав ту банку, в якій фарби вистачить, щоб зробити всю роботу.
Підкладки теж були пофарбовані в кілька шарів з обох сторін. Переконайтеся, що ви добре все фарбувати, інакше дерево може пожолобитися від вологи. А це може пошкодити сонячні елементи, які будуть приклеєні до підкладки.
Тепер, коли у мене є основа для СБ, саме час підготувати сонячні елементи. Як я говорив раніше, видалення воску з сонячних елементів - це справжній головний біль. Після декількох проб і помилок я все-таки знайшов непоганий спосіб. Але я як і раніше рекомендую купувати елементи у того, хто не заливає їх воском.
Перший крок, це «купання» в гарячій воді, щоб розтопити віск і відокремити елементи один від одного. Не дайте воді закипіти, інакше пухирці пара будуть сильно бити елементи один про інший. Кипляча вода також може бути занадто гарячою, в елементах можуть бути порушені електричні контакти. Я також рекомендую занурювати елементи в холодну воду, а потім повільно їх нагрівати, щоб виключити нерівномірний нагрів. Пластикові щипці і лопатка допоможуть відокремити елементи, коли віск розтане. Постарайтеся сильно не тягти за металеві провідники - можуть порватися. Я виявив це, коли пробував розділити свої елементи. Добре, що я купив їх з запасом.
Тут показана фінальна версія «установки» яку я використовував. Моя подруга запитала, що це я готую. Уявіть її здивування, коли я відповів: «Сонячні елементи». Перша «гаряча ванна» для розтоплення воску знаходиться на задньому плані праворуч. На передньому плані ліворуч - гаряча мильна вода, а праворуч - чиста гаряча вода. Температури у всіх каструлях нижче температури кипіння води. Спочатку в далекій каструлі розтоплюємо віск, переносимо елементи по одному в мильну воду, щоб видалити залишки воску, після чого промиваємо в чистій воді. Викладаємо елементи для просушки на рушник. Ви можете змінювати мильну воду і воду для промивання частіше. Тільки не зливайте використану воду в каналізацію, тому що віск затвердіє і засмітить стік. Цей процес видалив практично весь віск з сонячних елементів. Тільки на деяких залишилися тонкі плівки, але це не завадить пайку і на функціонуванні деталей. Промивання розчинником, можливо, видалить залишки воску, але це може бути небезпечно і смердюче.
Кілька розділених і очищених сонячних елементів сушаться на рушник. Після поділу і видалення захисного воску через свою крихкості вони стали дивно складними в обігу і зберіганні. Я рекомендую залишити їх у воску до тих пір, поки ви не будете готові встановити їх в вашу СБ України. Це дозволить вам не розбити їх до того, як ви зможете їх використовувати. Тому побудуйте спочатку основу для батареї. У мене ж настав уже час встановити їх.
Я почав з відтворення сітки на кожній основі, для спрощення процесу установки кожного елемента. Потім я виклав елементи по цій сітці зворотним боком догори, так їх можна спаяти разом. Всі 18 елементів для кожної половини батареї повинні бути з'єднані послідовно, після чого обидві половини також повинні бути з'єднані послідовно для отримання необхідного напруги.
Споювати елементи між собою спочатку складно, але я швидко призвичаївся. Починайте тільки з двох елементів. Додайте з'єднувальні провідники одного з них так, щоб вони перетинали точки пайки на зворотному боці іншого. Також потрібно переконатися, що відстань між елементами відповідає розмітці.
Я використовував малопотужний паяльник і прутковий припій з серцевиною з каніфолі. Також перед пайкою я змащував флюсом точки пайки на елементах за допомогою спеціального олівця. Не тисніть на паяльник! Елементи тонкі і крихкі, натиснете сильно - зламаєте. Я був неаккуратен пару раз - довелося викинути кілька елементів.
Повторювати пайку довелося до тих пір, поки не вийшов ланцюжок з 6-ти елементів. Сполучні шини від зламаних елементів я припаяв до зворотному боці останнього елемента ланцюжка. Таких ланцюжків я зробив три, повторивши процедуру ще двічі. Всього 18 елементів для першої половини батареї.
Три ланцюжка елементів повинні бути з'єднані послідовно. Тому середню ланцюжок повертаємо на 180 градусів по відношенню до двох інших. Орієнтація ланцюжків вийшла правильною (елементи все ще лежать зворотною стороною вгору на підкладці). Наступний крок - приклеювання елементів на місце.
Приклеювання елементів зажадає деякої вправності. Наносимо невелику краплю силіконового герметика в центрі кожного з шести елементів одного ланцюжка. Після цього перевертаємо ланцюжок лицьовою стороною вгору і розміщуємо елементи по розмітці, яку нанесли раніше. Легенько притисніть елементи, натискаючи по центру, щоб приклеїти їх до основи. Складнощі виникають в основному при перевертанні гнучкою ланцюжка елементів. Друга пара рук тут не зашкодить.
Чи не наносите дуже багато клею і нічого не наклеюйте елементи ніде крім центру. Елементи і підкладка, на якій вони змонтовані, будуть розширюватися, стискатися, гнутися і деформуватися при зміні температури і вологості. Якщо ви приклеїте елемент по всій площі, він з часом зламається. Приклеювання тільки в центрі дає елементам можливість вільно деформуватися окремо від основи. Елементи і основа можуть деформуватися по-різному і елементи не зламаються.
Ось повністю зібрана половина батареї. Я використовував мідну оплетку від кабелю для з'єднання першої і другої ланцюжка елементів.
Можна використовувати спеціальні шини або навіть звичайні дроти. Просто у мене під рукою була мідна оплетка від кабелю. Таке ж з'єднання робимо із зворотного боку між другою і третьою ланцюжком елементів. Краплею герметика я прикріпив провід до основи, щоб він не «гуляв» і не гнувся.
Тест першої половини сонячної батареї на сонці. При слабкому сонце в імлі ця половина генерує 9,31В. Ура! Працює! Тепер мені потрібно зробити ще одну таку ж половину батареї.
Після того як обидві основи з елементами будуть готові, я зможу встановити їх на місце в підготовлену коробку і з'єднати.
Кожна з половин поміщається на своє місце. Я використовував 4 невеликих шурупа для кріплення основи з елементами всередині батареї.
Провід для з'єднання половин батареї я пропустив через одне з вентиляційних отворів в центральному бортику. Тут теж пара крапель герметика допоможе закріпити провід на одному місці і запобігти його базікання всередині батареї.
Кожна сонячна батарея в системі повинна бути забезпечена блокуючим діодом, сполученим послідовно з батареєю. Діод потрібен для запобігання розряду акумуляторів через батарею вночі і в похмуру погоду. Я використовував діод Шотткі на 3,3А. Діоди Шотткі мають набагато більш низьке падіння напруги, ніж звичайні діоди. Відповідно, будуть менше втрати потужності на діоді. Я купив набір з 25 діодів марки 31DQ03 на eBay за все за пару баксів. У мене залишиться ще багато діодів для моїх майбутніх СБ України.
Спочатку я планував приєднати діод зовні батареї. Але після того як подивився технічні характеристики діодів, вирішив помістити їх всередині батареї. У цих діодів падіння напруги зменшується з ростом температури. Усередині моєї батареї буде висока температура, діод буде працювати більш ефективно. Використовуємо ще трохи силіконового герметика щоб закріпити діод.
Я просвердлив отвір в днищі батареї ближче до верху, щоб вивести дроти назовні. Провід зав'язані на вузол, щоб запобігти їх витягування з батареї, і закріплені всі тим же герметиком.
Важливо дати герметику висохнути до того, як ми будемо кріпити оргскло на місце. Раджу, спираючись на попередній досвід. Випари з силікону можуть утворити плівку на внутрішній поверхні оргскла і елементів, якщо ви не дасте силікону висохнути на відкритому повітрі.
І ще трохи герметика для герметизації вихідного отвору.
На вихідний провід я прикрутив двоконтактний роз'єм. Розетка цього роз'єму буде приєднана до контролеру заряду акумуляторів, який я використовую для свого вітрогенератора. Таким чином, сонячна батарея зможе працювати з ним паралельно.
Ось як виглядає закінчена СБ з прикрученим екраном з оргскла. Оргскло поки ще не герметизоване. Я спочатку не справляв герметизацію стиків. Провів спочатку невелике тестування. За результатами тестів мені потрібен був доступ до нутрощів батареї, там виявилася проблема. У мене на одному з елементів відійшов контакт. Може бути, це сталося через перепад температур або через неакуратне поводження з батареєю. Хто знає? Я розібрав батарею і замінив цей пошкоджений елемент. З тих пір проблем не було. У майбутньому, можливо, я герметизують стики під оргстеклом за допомогою герметика або закрию їх алюмінієвою рамкою.
Ось результати тестування напруги закінченою батареї на яскравому зимовому сонце. Вольтметр показує 18,88В без навантаження. Це в точності як я і розраховував.
А ось тест по току в тих же умовах (яскраве зимове сонце). Амперметр показує 3,05А - струм короткого замикання. Це як раз недалеко від розрахункового струму елементів. Сонячна батарея прекрасно працює!
Сонячна батарея в роботі. Я переміщаю її пару раз в день для збереження орієнтації на сонці, але це не така вже й велика складність. Можливо, коли-небудь я побудую автоматичну систему стеження за сонцем.
Отже, скільки ж все це коштувало? Я зберіг всі чеки від всіх своїх покупок для цього проекту. Ну і звичайно багато вже було у мене в майстерні. Всякі шматки дерева, дроти та інші корисні речі (хтось скаже, сміття) валяються також у мене навколо майстерні. Коротше, багато чого вже було під рукою. Тому ваші підрахунки можуть відрізнятися.
КомплектуючіПоходженняВартість
Сонячні елементи eBay $ 74.00 * Дерево Будівельний магазин $ 20.26 Оргскло Зі смітника $ 0.00 Шурупи З запасів $ 0.00 Силіконовий герметик Будівельний магазин $ 3.95 Провід З запасів $ 0.00 Діод eBay $ 0.20 ± двоконтактний роз'єм Newark Electronics $ 6.08 Фарба З запасів $ 0.00 Загалом $ 104.85
Не так вже й погано! Це лише мала частина вартості серійної СБ такої ж потужності. І це дуже просто! У мене вже є план побудувати ще кілька сонячних батарей, щоб збільшити потужність.
* Насправді я купив 4 набори по 18 елементів. У підрахунку вказана вартість тільки двох наборів, які пішли на побудову сонячної батареї.
± Ця ціна відображає вартість одного з 25 куплених за 5 баксів діодів.
Отже, скільки ж все це коштувало?
