Уже не одно десятилетие человечество ищет альтернативные источники энергии, способные хотя бы частично заменить существующие. И самыми перспективными из всех на сегодняшний день представляются два: ветро‑ и солнечная энергетика.
Правда, ни тот ни другой не могут предоставить непрерывного производства. Это связано с непостоянством розы ветров и суточно‑погодно‑сезонными колебаниями интенсивности солнечного потока.
Сегодняшняя энергетика предлагает три основных метода получения электрической энергии, но все они тем или иным образом вредны для окружающей среды:
- Топливная электроэнергетика — самая экологически грязная, сопровождается значительными выбросами в атмосферу углекислого газа, сажи и бесполезной теплоты, вызывая сокращение озонового слоя. Добыча топливных ресурсов для нее также наносит значительный вред природе.
- Гидроэнергетика связана с очень значительными ландшафтными изменениями, затоплением полезных земель, причиняет ущерб рыбным ресурсам.
- Атомная энергетика — самая экологически чистая из трёх, но требует очень значительных расходов на поддержание безопасности. Любая авария может быть связана с нанесением непоправимого долголетнего вреда природе. К тому же требует специальных мер по утилизации отходов использованного топлива.
Строго говоря, получить электроэнергию от солнечного излучения можно несколькими способами, но большинство из них используют промежуточное её преобразование в механическую, вращающую вал генератора и только затем в электрическую.
Такие электростанции существуют, они используют в работе двигатели внешнего сгорания Стирлинга, имеют неплохой КПД, но у них есть и существенный недостаток: чтобы собрать как можно больше энергии солнечного излучения, требуется изготовление огромных параболических зеркал с системами слежения за положением солнца.
Надо сказать, что существуют решения, позволяющие улучшить ситуацию, но все они достаточно дорогостоящие.
Есть методы, дающие возможность прямого преобразования энергии света в электрический ток. И хотя явление фотоэффекта в полупроводнике селене было открыто уже в 1876 году, но только в 1953 году, с изобретением кремниевого фотоэлемента, появилась реальная возможность создания солнечных батарей для получения электроэнергии.
В это время уже появляется теория, позволившая объяснить свойства полупроводников, и создать практическую технологию их промышленного производства. К сегодняшнему дню это вылилось в настоящую полупроводниковую революцию.
Работа солнечной батареи основана на явлении фотоэффекта полупроводникового p-n перехода, по сути представляющего собой обычный кремниевый диод. На его выводах при освещении возникает фото‑эдс величиной 0,5~0,55 В.
При использовании электрических генераторов и батарей необходимо учитывать различия, которые существуют между . Подключая трехфазный электродвигатель в соответствующую сеть, можно в три раза увеличить его выходную мощность.
Следуя определенным рекомендациям, с минимальными затратами по ресурсам и времени можно изготовить силовую часть высокочастотного импульсного преобразователя для бытовых нужд. Изучить структурные и принципиальные схемы таких блоков питания можно .
Конструктивно каждый элемент солнечной батареи выполнен в виде кремниевой пластины площадью в несколько см 2 , на которой сформировано множество соединённых в единую цепь таких фотодиодов. Каждая такая пластина является отдельным модулем, дающим при солнечном освещении определённое напряжение и ток.
Соединяя такие модули в батарею и комбинируя параллельно‑последовательное их подключение, можно получить широкий диапазон значений выходной мощности.
Основные недостатки солнечных батарей:
- Большая неравномерность и нерегулярность энергоотдачи в зависимости от погоды, и сезонной высоты солнца.
- Ограничение мощности всей батареи, если затенена хотя бы одна её часть.
- Зависимость от направления на солнце в различное время суток. Для максимально эффективного использования батареи нужно обеспечивать её постоянную направленность на солнце.
- В связи с вышесказанным, необходимость аккумулирования энергии. Наибольшее потребление энергии приходится на то время, когда выработка её минимальна.
- Большая площадь, требующаяся для конструкции достаточной мощности.
- Хрупкость конструкции батареи, необходимость постоянной очистки её поверхности от загрязнений, снега и т. п.
- Модули солнечной батареи работают наиболее эффективно при 25°C. Во время работы же они нагреваются солнцем до значительно более высокой температуры, сильно снижающей их эффективность. Чтобы поддерживать КПД на оптимальном уровне, необходимо обеспечивать охлаждение батареи.
Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.
Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.
Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:
- Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
- Минимальные расходы на эксплуатацию.
- Долговечность 30~50 лет.
- Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
- Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
- Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
- Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.
В приэкваториальных районах Земли средний поток солнечной энергии составляет в среднем 1,9 кВт/м 2 . В средней полосе России он находится в пределах 0,7~1,0 кВт/м 2 . КПД классического кремниевого фотоэлемента не превышает 13%.
Как показывают опытные данные, если прямоугольную пластину направить своей плоскостью на юг, в точку солнечного максимума, то за 12‑часовой солнечный день она получит не более 42% суммарного светового потока из‑за изменения угла его падения.
Это означает, что при среднем солнечном потоке 1 кВт/м 2 , 13% КПД батареи и её суммарной эффективности 42% удастся получить за 12 часов не более 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, или 0,6 кВтч за день с 1 м 2 . Это при условии полного солнечного дня, в облачную погоду — значительно меньше, а в зимние месяцы эту величину нужно разделить ещё на 3.
Учитывая потери на преобразование напряжения, схему автоматики, обеспечивающую оптимальный зарядный ток аккумуляторов и предохраняющую их от перезаряда, и прочие элементы можно принять за основу цифру 0,5 кВтч/м 2 . Этой энергией можно в течение 12 часов поддерживать ток заряда аккумулятора 3 А при напряжении 13,8 В.
То есть для заряда полностью разряженной автомобильной батареи ёмкостью 60 Ач потребуется солнечная панель в 2 м 2 , а для 50 Ач — примерно 1,5 м 2 .Для того чтобы получить такую мощность можно приобрести готовые панели, выпускающиеся в диапазоне электрических мощностей 10~300 Вт. Например, одна 100 Вт панель за 12‑ти часовой световой день с учётом коэффициента 42% как раз обеспечит 0,5 кВтч.
Такая панель китайского производства из монокристаллического кремния с очень неплохими характеристиками стоит сейчас на рынке около 6400 р. Менее эффективная на открытом солнце, но имеющая лучшую отдачу в пасмурную погоду поликристаллическая — 5000 р.
При наличии определённых навыков в монтаже и пайке радиоэлектронной аппаратуры можно попробовать собрать подобную солнечную батарею и самому. При этом не стоит рассчитывать на очень большой выигрыш в цене, кроме того, готовые панели имеют заводское качество как самих элементов, так и их сборки.
Но продажа таких панелей организована далеко не везде, а их транспортировка требует очень жёстких условий и обойдётся достаточно дорого. Кроме того, при самостоятельном изготовлении появляется возможность, начав с малого, постепенно добавлять модули и наращивать выходную мощность.
Подбор материалов для создания панели
В китайских интернет‑магазинах, а также на аукционе eBay предлагается широчайший выбор элементов для самостоятельного изготовления солнечных батарей с любыми параметрами.
Ещё в недалёком прошлом самодельщики приобретали пластины, отбракованные при производстве, имеющие сколы или другие дефекты, но существенно более дешёвые. Они вполне работоспособны, но имеют немного пониженную отдачу по мощности. Учитывая постоянное снижение цен, сейчас это уже вряд ли целесообразно. Ведь теряя в среднем 10% мощности, мы теряем и в эффективной площади панели. Да и внешний вид батареи, состоящей из пластин с отколотыми кусочками выглядит довольно кустарно.
Можно приобрести такие модули и в российских онлайн‑магазинах, например, molotok.ru предлагает поликристаллические элементы с рабочими параметрами при световом потоке 1,0 кВт/м 2:
- Напряжение: холостого хода — 0,55 В, рабочее — 0,5 В.
- Ток: КЗ — 1,5 А, рабочий — 1,2 А.
- Рабочая мощность — 0,62 Вт.
- Габариты — 52х77 мм.
- Цена 29 р.
Изготовление солнечной батареи для дома своими руками
Для изготовления солнечной панели нам понадобится подходящая рама, которую можно сделать самостоятельно или подобрать готовую. Из материалов для нее лучше всего использовать дюралюминий, он не подвержен коррозии, не боится сырости, долговечен. При соответствующей обработке и покраске для защиты от атмосферных осадков подойдёт и стальная, и даже деревянная.
Совет: Не стоит делать панель очень больших размеров: она будет неудобна в монтаже элементов, установке и обслуживании. К тому же маленькие панели имеют низкую парусность, их можно удобнее разместить под требуемыми углами.Рассчитываем комплектующие
Определимся с размерами нашей рамы. Для зарядки 12-ти вольтового кислотного аккумулятора требуется рабочее напряжение не ниже 13,8 В. Примем за основу 15 В. Для этого нам придётся соединить последовательно 15 В / 0,5 В = 30 элементов.
Совет: Выход солнечной панели следует подключать к аккумулятору через защитный диод во избежание его саморазряда в темное время суток через солнечные элементы. Так что на выходе нашей панели будет: 15 В – 0,7 В = 14,3 В.Чтобы получить зарядный ток 3,6 А, нам необходимо соединить в параллель три таких цепочки, или 30 x 3 = 90 элементов. Это будет нам стоить 90 x 29 р. = 2610 р.
Совет: Элементы солнечной панели соединяются параллельно‑последовательно. Необходимо соблюдать равенство количества элементов в каждой последовательной цепочке.Таким током мы можем обеспечить стандартный режим заряда для полностью разряженного аккумулятора ёмкостью 3,6 x 10 = 36 Ач.
Реально эта цифра будет меньше из‑за неравномерности солнечного освещения в течение дня. Таким образом, для заряда стандартной автомобильной батареи 60 Ач, нам нужно будет соединить параллельно две таких панели.
Эта панель может нам обеспечить электрическую мощность 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.
Или в течение 12‑часового солнечного дня с учётом поправочного коэффициента 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтч.
Разместим наши элементы в 6 рядов по 15 штук. Для установки всех элементов нам потребуется поверхность:
- Длина — 15 x 52 = 780 мм.
- Ширина — 77 x 6 = 462 мм.
Для свободного размещения всех пластин примем габариты нашей рамы: 900×500 мм.
Совет: Если есть готовые рамы с другими габаритами, можно пересчитать количество элементов в соответствии с приведёнными выше намётками, подобрать элементы других типоразмеров, попробовать разместить их, комбинируя длину и ширину рядов.Также нам потребуются:
- Паяльник электрический 40 Вт.
- Припой, канифоль.
- Монтажный провод.
- Силиконовый герметик.
- Двусторонний скотч.
Этапы изготовления
Для монтажа панели необходимо подготовить ровное рабочее место достаточной площади с удобным подходом со всех сторон. Сами пластины элементов лучше разместить отдельно в стороне, где они будут защищены от случайных ударов и падений. Брать их следует аккуратно, по одной.
Устройства защитного выключения повышают безопасность домашней электросети, снижая вероятность поражения электричеством и возникновения пожаров. Детальное ознакомление с характерными особенностями разных видов выключателей дифференциального тока подскажет, для квартиры и дома.
При эксплуатации электросчетчика возникают ситуации, когда его надо заменить и заново подключить — об этом можно прочитать .
Обычно для изготовления панели используют способ приклеивания предварительно распаянных в единую цепь пластин элементов на плоскую основу‑подложку. Мы предлагаем другой вариант:
- Вставляем в раму, хорошо закрепляем и герметизируем по краям стекло или кусок плексигласа.
- Раскладываем на нем в соответствующем порядке, приклеивая их двусторонним скотчем, пластины элементов: рабочей стороной к стеклу, выводами для пайки — к задней стороне рамы.
- Положив раму на стол стеклом вниз, мы сможем удобно распаивать выводы элементов. Выполняем электрический монтаж в соответствии с выбранной принципиальной схемой включения.
- Склеиваем окончательно пластины с задней стороны скотчем.
- Подкладываем какую‑либо демпфирующую прокладку: листовую резину, картон, ДВП и т. п.
- Вставляем в раму заднюю стенку и герметизируем её.
При желании вместо задней стенки можно залить раму сзади каким‑нибудь компаундом, например, эпоксидкой. Правда, это уже исключит возможность разборки и ремонта панели.
Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.
Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.
Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м 2 = 20 м 2 .
Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.
Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.
Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.
Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.Делаем выводы
При условии аккумулирования и рационального использования энергии, уже сегодня нетрадиционные виды электроэнергетики начинают создавать солидную прибавку в общем объёме её выработки. Можно даже утверждать, что они постепенно становятся традиционными.
Учитывая значительно снизившийся в последнее время уровень энергопотребления современной бытовой техники, применение энергосберегающих осветительных приборов и значительно увеличившийся КПД солнечных батарей новых технологий, можно сказать, что уже сейчас они способны обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом в южных странах с большим количество солнечных дней в году.
В России же они вполне могут применяться, как резервные или дополнительные источники энергии в комбинированных системах электроснабжения, а если эффективность их удастся повысить хотя бы до 70%, то вполне реально будет и их использование в качестве основных поставщиков электроэнергии.
Видео о том, как изготовить прибор для сбора солнечной энергии самому
Человечество стремится перейти на альтернативные источники электрического снабжения, которые помогут сохранить чистоту окружающей среды и сократить затраты на выработку энергии. Производство является современным индустриальным методом. включает в себя приемники солнечного света, аккумуляторы, контролирующие устройства, инверторы и другие приборы, предназначенные для определенных функций.
Солнечная батарея является главным элементом, с которого начинается накопление и лучей. В современном мире для потребителя при выборе панели существует много подводных камней, так как промышленность предлагает большое число изделий, объединенных под одним названием.
Кремниевые солнечные батареи
Эти изделия популярны у современных потребителей. В основу их изготовления положен кремний. Запасы его в недрах широко распространены, добыча сравнительно недорогая. Кремниевые элементы выгодно отличаются уровнем производительности от других батарей солнечного света.
Виды элементов
Производство из кремния ведется следующих типов:
- монокристаллический;
- поликристаллический;
- аморфный.
Различаются вышеназванные формы устройств тем, как компонуются кремниевые атомы в кристалле. Основным отличием элементов становится различный показатель преобразования световой энергии, который у двух первых видов находится приблизительно на одном уровне и превышает значения у приборов из аморфного кремния.
Промышленность сегодняшнего дня предлагает несколько моделей солнечных уловителей света. Отличие их состоит в том, какое применяется оборудование для производства солнечных батарей. Играет роль технология изготовления и разновидность начального материала.
Монокристаллический тип
Эти элементы состоят из силиконовых ячеек, скрепленных между собой. По способу ученого Чохральского производится абсолютно чистый кремний, из которого изготавливают монокристаллы. Следующим процессом является разрезание застывшего и затвердевшего полуфабриката на пластины толщиной от 250 до 300 мкм. Тонкие слои насыщают металлической сеткой электродов. Несмотря на дороговизну производства, такие элементы применяют достаточно широко из-за высокого показателя преобразования (17-22%).
Изготовление поликристаллических элементов
Солнечных батарей из поликристаллов состоит в том, что расплавленная кремниевая масса постепенно охлаждается. Производство не требует дорогого оборудования, следовательно, затраты на получение кремния снижены. Поликристаллические солнечные накопители имеют меньший коэффициент эффективности (11-18%), в отличие от монокристаллических. Это объясняется тем, что в процессе остывания масса кремния насыщается мельчайшими зернистыми пузырьками, что приводит к дополнительному преломлению лучей.
Элементы из аморфного кремния
Изделия относят к особому типу, так как их принадлежность к кремниевому виду исходит от наименования используемого материала, а производство солнечных батарей выполняется по технологии пленочных приборов. Кристалл в процессе изготовления уступает место кремниевому водороду или силону, тонкий слой которых покрывает подложку. Батареи имеют самое низкое значение эффективности, всего до 6%. Элементы, несмотря на существенный недостаток, имеют ряд неоспоримых преимуществ, дающих им право стоять в ряду с вышеназванными типами:
- значение поглощения оптики выше в два десятка раз, чем у монокристаллических и поликристаллических накопителей;
- имеет минимальную толщину слоя, всего 1 мкм;
- пасмурная погода не влияет на работу по преобразованию света, в отличие от других видов;
- из-за высокого показателя прочности на изгиб без проблем применяется в трудных местах.
Три вышеописанных вида солнечных преобразователей дополняются гибридными изделиями из материалов с двойственными свойствами. Такие характеристики достигаются, если в аморфный кремний включаются микроэлементы или наночастицы. Полученный материал схож с поликристаллическим кремнием, но выгодно отличается от него новыми техническими показателями.
Сырье для производства солнечных батарей пленочного типа из CdTe
Выбор материала диктуется потребностью в уменьшении стоимости изготовления и повышении технических характеристик в работе. Наиболее часто применяется светопоглощающий теллурид кадмия. В 70-е годы прошлого столетия CdTe считался основным претендентом на космическое использование, в современной промышленности он нашел широкое применение в энергетике солнечного света.
Этот материал относят к категории кумулятивных ядов, поэтому не стихают прения по вопросу его вредности. Исследования ученых установили тот факт, что уровень вредного вещества, поступающего в атмосферу, является допустимым и не наносит вреда экологии. Уровень КПД составляет всего 11%, но стоимость преобразуемой электроэнергии от таких элементов ниже на 20-30%, чем от приборов кремниевого вида.
Накопители лучей из селена, меди и индия
Полупроводниками в приборе служат медь, селен и индий, иногда допускается замещение последнего на галлий. Это объясняется высокой востребованностью индия для производства мониторов плоского типа. Поэтому выбран этот вариант замещения, так как материалы имеют похожие свойства. Но для показателя КПД замена играет существенную роль, производство солнечной батареи без галлия повышает эффективность работы устройства на 14%.
Солнечные уловители на полимерной основе
Эти элементы относят к молодым технологиям, так как они недавно появились на рынке. Полупроводники из органики поглощают свет для преобразования его в электрическую энергию. Для производства применяют фуллерены углеродной группы, полифенилен, меди фталоцианин и др. В результате получают тонкие (100 нм) и гибкие пленки, которые в работе выдают коэффициент эффективности 5-7%. Величина небольшая, но производство гибких солнечных батарей имеет несколько положительных моментов:
- для изготовления не затрачиваются большие средства;
- возможность установки гибких батарей в местах изгибов, где эластичность имеет первоочередное значение;
- сравнительная легкость и доступность установки;
- гибкие батареи не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.
Химическое травление в процессе производства
Самой дорогой в солнечной батарее является мультикристаллическая или монокристаллическая пластина из кремния. Для максимально рационального режут псевдоквадратные фигуры, эта же форма позволяет плотно уложить пластины в будущем модуле. После процесса резки на поверхности остаются микроскопические слои нарушенной поверхности, которые убираются при помощи травления и текстурирования, чтобы улучшить прием падающих лучей.
Обработанная подобным способом поверхность представляет собой хаотично расположенные микропирамиды, отражаясь от грани которых, свет попадает на боковые поверхности других выступов. Процедура рыхления текстуры понижает отражающую способность материала приблизительно на 25%. В процессе травления применяют серию кислотных и щелочных обработок, но недопустимо сильно уменьшать толщину слоя, так как пластина не выдерживает следующие обработки.
Полупроводники в солнечных батареях
Технология производства солнечных батарей предполагает, что основным понятием твердой электроники является p-n-переход. Если в одной пластине совместить электронную проводимость n-типа и дырочную проводимость p-типа, то в месте соприкосновения их возникает p-n-переход. Основным физическим свойством указанного определения становится возможность служить барьером и пропускать электричество в одном направлении. Именно такой эффект позволяет наладить полноценную работу солнечных элементов.
В результате проведения фосфорной диффузии на торцах пластины складывается слой n-типа, который базируется у поверхности элемента на глубине всего 0,5 мкм. Производство солнечной батареи предусматривает неглубокое проникновение носителей противоположных знаков, которые возникают под действием света. Их путь в зону влияния p-n-перехода должен быть коротким, иначе они могут при встрече погасить один другого, при этом не сгенерировав никакого количества электричества.
Использование плазмохимического травления
В конструкции солнечной батареи предусмотрены лицевая поверхность с установленной решеткой для съемки тока и тыльная сторона, представляющая собой сплошной контакт. Во время явления диффузии возникает электрическое замыкание между двумя плоскостями и передается на торец.
Чтобы удалить замыкание, применяется оборудование для солнечных батарей, позволяющее сделать это с помощью плазмохимического, химического травления или механическим, лазерным путем. Часто используется метод плазмохимического воздействия. Травление выполняется одновременно для стопки сложенных вместе пластин кремния. Исход процесса зависит от длительности обработки, состава средства, размера квадратов материала, направления струй ионного потока и других факторов.
Нанесение антиотражающего покрытия
При помощи нанесения текстуры на поверхности элемента снижается отражение до 11%. Это обозначает, что десятая часть лучей попросту отражается от поверхности и не принимает участия в образовании электричества. С целью уменьшения таких потерь на лицевую сторону элемента наносят покрытие с глубоким проникновением световых импульсов, не отражающее их обратно. Ученые, принимая во внимание законы оптики, определяют состав и толщину слоя, поэтому производство и установка солнечных батарей с таким покрытием уменьшают отражение до 2%.
Контактная металлизация с лицевой стороны
Поверхность элемента предназначена для поглощения наибольшего количества излучения, именно этим требованием определяются размерные и технические характеристики наносимой металлической сетки. Выбирая дизайн лицевой стороны, инженеры решают две противоположные проблемы. Снижение оптических потерь происходит при более тонких линиях и расположении их на большом расстоянии одна от другой. Производство солнечной батареи с увеличенными размерами сетки приводит к тому, что часть зарядов не успевает достичь контакта и теряется.
Поэтому учеными стандартизировано значение расстояния и толщины линии для каждого металла. Слишком тонкие полоски открывают пространство на поверхности элемента для поглощения лучей, но не проводят сильный ток. Современные методы нанесения металлизации состоят в трафаретном печатании. В качестве материала наиболее оправдывает себя серебросодержащая паста. За счет ее применения КПД элемента поднимается на 15-17%.
Металлизация на тыльной стороне прибора
Нанесение металла на тыльную сторону устройства происходит по двум схемам, каждая из которых выполняет собственную работу. Сплошным тонким слоем по всей поверхности, кроме отдельных отверстий, напыляют алюминий, а отверстия заполняют серебросодержащей пастой, играющей контактную роль. Сплошной алюминиевый слой служит своеобразным зеркальным устройством с тыльной стороны для свободных зарядов, которые могут потеряться в оборванных кристаллических связях решетки. С таким покрытием на 2% больше по мощности работают солнечные батареи. Отзывы потребителей говорят, что такие элементы более долговечны и не так сильно зависят от пасмурной погоды.
Изготовление солнечных батарей своими руками
Источники питания от солнца не каждый может заказать и установить у себя дома, так как их стоимость на сегодняшний день достаточно велика. Поэтому многие мастера и умельцы осваивают производство солнечных батарей дома.
Приобрести комплекты фотоэлементов для самостоятельной сборки можно в интернете на различных сайтах. Стоимость их зависит от количества применяемых пластин и мощности. Например, небольшой мощности комплекты, от 63 до 76 Вт с 36 пластинами, стоят 2350-2560 руб. соответственно. Здесь же приобретают рабочие элементы, отбракованные с производственных линий по каким-либо причинам.
При выборе типа фотоэлектрического преобразователя принимают во внимание тот факт, что поликристаллические элементы более устойчивы к пасмурной погоде и работают при ней эффективнее монокристаллических, но имеют меньший срок службы. Монокристаллические обладают более высоким КПД в солнечную погоду, и прослужат они гораздо дольше.
Чтобы организовать производство солнечных батарей в домашних условиях, нужно подсчитать общую нагрузку всех приборов, которые будут питаться от будущего преобразователя, и определиться с мощностью устройства. Отсюда вытекает количество фотоэлементов, при этом учитывают угол наклона панели. Некоторые мастера предусматривают возможность изменения положения накопительной плоскости в зависимости от высоты солнцестояния, а зимой - от толщины выпавшего снега.
Для изготовления корпуса применяют различные материалы. Чаще всего ставят алюминиевые или нержавеющие уголки, используют фанеру, ДСП и др. Прозрачная часть выполняется из органического или обыкновенного стекла. В продаже есть фотоэлементы с уже припаянными проводниками, такие покупать предпочтительнее, так как упрощается задача сборки. Пластины не складывают одну на другую - нижние могут дать микротрещины. Припой и флюс наносятся предварительно. Паять элементы удобнее, расположив их сразу на рабочей стороне. В конце крайние пластины приваривают к шинам (более широким проводникам), после этого выводят "минус" и "плюс".
После проделанной работы тестируют панель и герметизируют. Зарубежные мастера для этого используют компаунды, но для наших умельцев они стоят довольно дорого. Самодельные преобразователи герметизируют силиконом, а тыльную сторону покрывают лаком на основе акрила.
В заключение следует сказать, что отзывы мастеров, которые сделали всегда положительные. Однажды затратив средства на изготовление и установку преобразователя, семья очень быстро их окупает и начинает экономить, используя бесплатную энергию.
В условиях постоянного повышения цен на энергоресурсы, все больше внимания уделяется альтернативным источникам электроэнергии. Таким путем снижается зависимость от централизованных поставок, улучшается экологическая обстановка. Одним из направлений является производство солнечных батарей, которое к настоящему времени в целом обеспечивает растущие потребности населения.
Широким спросом пользуется продукция не только зарубежных изготовителей, но и российского производства. Технологические процессы уже достаточно отработаны, они постоянно развиваются и совершенствуются, способствуя повышению эффективности и качества изделий.
Что такое солнечная батарея
Первые эксперименты в области солнечной энергетики начались в середине прошлого века. Ведущие индустриальные страны попытались использовать термальные станции для получения электрической энергии. Данная технология предполагала нагревание воды концентрированными солнечными лучами, после чего она превращалась в пар. Затем этот пар под давлением подавался на турбины генератора, заставлял их вращаться, в результате чего начинала вырабатываться электроэнергия.
В этих установках солнечная энергия неоднократно трансформировалась, поэтому их эффективность была на очень низком уровне. Постепенно, с развитием производства полупроводников, появились устройства, напрямую преобразующие солнечные лучи в электрический ток. Это стало возможно, благодаря фотоэлектрическому эффекту, открытому еще в 19-м веке. Но вплотную приблизиться к созданию настоящей солнечной батареи удалось только благодаря полупроводникам. Постепенно началось их массовое производство, в том числе и в РФ.
Наиболее эффективным полупроводником оказался кремний, применяющийся в большинстве современных солнечных панелей. Под действием солнечных лучей верхняя пластина нагревается и атомы кремния начинают испускать электроны, занимающие места дырок в нижней пластине. Поскольку электроны стремятся занять свое исходное положение, они начинают двигаться снизу в сторону верхней пластины. Но, на свое место они сразу не попадают, а по соединительным проводникам поступают в аккумулятор и отдают часть энергии на его зарядку. После этого они занимают свое место и весь процесс начинается вновь. Он прекращается с наступлением темноты и значительно снижается в пасмурную погоду.
Наибольший эффект получается от фотоэлементов, созданных на основе монокристаллического кремния, в том числе и российского производства. В таких кристаллах минимальное количество граней, что обеспечивает прямолинейное движение электронов.
Как устроена солнечная панель
В конструкцию панели входит определенное количество элементов, являющихся фотоэлектрическими преобразователями. С их помощью солнечная энергия превращается непосредственно в электрическую. Основным материалом для изготовления служит , выращенный искусственным путем. Они производятся по разным технологиям и отличаются коэффициентом полезного действия.
Эффективность фотоэлементов определяется их полезной мощностью, которая зависит от напряжения и выходного тока. На состояние этих параметров оказывает влияние интенсивность солнечного излучения, попадающего на поверхность панели. Значение выходного тока зависит еще и от размеров фотоэлементов: чем ярче свет, тем сильнее генерация тока. При пасмурной погоде происходит резкое снижение зарядного тока и отдаваемой мощности.
Соединение фотоэлементов между собой осуществляется с помощью . В первом случае это способствует увеличению выходного напряжения, а во втором - выходного тока. Обычно используется комбинированный способ, позволяющий улучшить оба показателя и сделать их наиболее оптимальными. Данное соединение обеспечивает надежную работу всей панели, даже, если какой-то из элементов вышел из строя.
При попадании одного из фотоэлементов в тень, он на этот период сам становится потребителем тока из-за разрядки аккумулятора. В подобной ситуации возможен его перегрев и выход из строя. Чтобы этого не произошло, выполняется шунтирование диодами по 4 штуки на каждый элемент. При частичном попадании панели в тень, ток начинает проходить через диоды, что и спасает затененные места от перегревания.
Весь набор фотоэлементов размещается в общем корпусе, соединяющем и скрепляющем всю конструкцию. Каркас изготавливается из алюминиевого профиля, а для защиты используется специальное закаленное стекло, покрытое отражающей пленкой. Шунтирующие диоды размещаются в распределительной коробке.
Солнечная батарея не может отдавать выработанный ток непосредственно потребителю. Для этой цели используется специальное оборудование - , соединительные провода и другие детали.
Разновидности кремниевых установок
Прежде чем рассматривать изготовление солнечных батарей, необходимо изучить материалы, используемые в фотоэлектрическом слое элементов. Это связано с тем, что каждый материал требует собственной технологии производства и в конечном итоге влияет на характеристики и стоимость конкретного изделия.
В большинстве солнечных панелей применяются кремниевые кристаллы. Разрабатываются батареи с другими материалами, однако, несмотря на их высокий , они не нашли широкого применения из-за своей высокой стоимости. В настоящее время производители солнечных батарей не изготовляют таких устройств, поскольку это неэффективно и нецелесообразно.
Элементы на основе кремния обладают повышенной чувствительностью к нагреву. Для замеров электрической генерации используется базовая температура в 25 градусов. С каждым повышением ее на 1 градус происходит снижение эффективности панелей до 0,5%. Основой кремния служат размолотые кристаллы кварцевого песка, превращенного в порошок.
В зависимости от способа производства, все панели разделяются на следующие виды.
Монокристаллические
Отличаются темно-синим цветом, равномерно распределенным по всей поверхности. Изготавливаются из наиболее чистого кремния, что позволяет получить лучший КПД, хотя и за высокую цену. Такая повышенная стоимость получается за счет сложности технологических процессов, ориентирующих кристаллы в одном направлении. В этом случае для максимального КПД требуется строго перпендикулярное падение лучей солнца на поверхность фотоэлементов.
В связи с этим, монокристаллическим панелям необходимо дополнительное оборудование, обеспечивающее их вращение и приведение в нужное положение в течение дня. Среди них широким спросом пользуются российские солнечные панели.
Поликристаллические
Обладают неравномерным синим окрасом различной интенсивности по причине хаотичной ориентации кристаллов. В фотоэлементах используется кремний, не такой чистый как в монокристаллическом варианте, однако, из-за различной направленности кристаллов обеспечиваются хорошие показатели КПД даже в пасмурную погоду.
Более низкие требования и неоднородная структура кремния существенно удешевляет его производство, что влияет и на конечную стоимость таких панелей. Им не требуется постоянная ориентация относительно солнца, поэтому они чаще всего устанавливаются на крышах частных домов и промышленных объектов.
Панели с аморфным кремнием
Технология изготовления совсем другая по сравнению с предыдущими вариантами. В данном случае применяется не чистый кремний, а гидрид кремния, разогреваемый до состояния пара и осаждаемый на специальную подложку. У таких панелей сравнительно низкий КПД - всего 8-9%, но и цена у них небольшая.
Сегодня показатель КПД удалось поднять до 12%, но таких изделий на рынке еще очень мало, и они дорогие. На эффективность аморфных панелей не оказывает влияния даже значительное повышение температуры.
Изготовление фотоэлементов
На всех специализированных предприятиях производство солнечных батарей начинается с изготовления фотоэлементов. Для каждого типа кристаллов существует собственная технология производства.
Монокристаллический кремний получается в результате термической обработки исходного сырья. На выходе получается слиток материала в виде прямоугольного бруска с однородной кристаллической решеткой и высокой степенью чистоты. Углы бруска обрезаются, а сам он разрезается на тонкие пластинки. В результате получаются квадраты с закругленными углами, которые используются в качестве фотоэлементов.
Производство поликристаллических элементов более простое, поскольку не требуется выращивание кристаллов с однородной структурой. Здесь также используется термическая обработка сырья. После разрезания брусков получаются тонкие пластинки с видимой разнородной структурой и хаотичным расположением частичек. Свет, попадая на них, отражается на соседние частички, в результате чего, общая отражающая способность снижается примерно на 25%.
Для улучшения поглощающих свойств поверхность пластинок последовательно обрабатывается щелочами и кислотами. Данную технологию применяет практически каждый завод по производству солнечных батарей.
Аморфные панели изготавливаются методом напыления гидрида кремния на жесткую или гибкую поверхность. С целью придания определенных свойств, в распыленный материал добавляются различные наночастицы и микроэлементы.
Готовые пластины покрываются специальным материалом, снижающим отражающие свойства. В противном случае, примерно 10% излучения отразится назад и выпадет из процесса генерации электрического тока. За счет покрытия, свет проникает максимально глубоко и не отражается обратно.
Производство солнечных панелей
Для сбора заряда на лицевую сторону пластины наносится металлизированная сетка с оптимальной толщиной линий и их расположением относительно друг друга. Как правило, используется специальная паста, содержащая серебро. Высокая проводимость серебра позволяет увеличить КПД фотоэлементов на 15%. Далее, из полученных фотоэлементов собираются солнечные батареи в общую конструкцию.
Все производство готовых изделий можно условно разделить на несколько этапов:
- В первую очередь выполняется тестирование, замеряют электрические характеристики. Для этот используют ксеноновые лампы, способные производить мощные вспышки. По итогам испытаний элементы сортируются и переходят на следующий этап.
- Из готовых элементов выполняется формирование секций, укладываемых на стеклянную подложку. Для укладки используются специальные вакуумные захваты, чтобы исключить любое воздействие на пластины. Один блок состоит из 4-6 секций, а каждая секция включает в себя 9-10 фотоэлектрических пластин. Соединение блоков между собой осуществляется методом пайки, поэтому каждый собранный таким образом компонент, служит дольше.
- Далее выполняется ламинирование соединенных блоков этиленвинилацетатной пленкой, после чего на поверхность наносится защитное покрытие. Все операции производятся на оборудовании с ЧПУ, а параметры ламинирования контролируются в течение всего процесса.
- На последнем этапе готовая конструкция помещается в рамку из алюминиевого профиля. Все соединения выполняются клеем-герметиком. По окончании сборки готовые солнечные панели вновь тестируются на соответствие выдаваемых параметров нормативным показателям. Такие меры позволяют снизить процент брака и увеличить срок службы солнечных батарей.
Производители солнечных батарей
Солнечные батареи уже давно перешли из стадии экспериментов в широкое промышленное производство. Хорошую и качественную продукцию выпускают отечественные заводы. Вниманию потребителей предлагаются следующие российские производители солнечных панелей.
Зеленоградская компания ЗАО «Телеком-СТВ» (Москва и Подмосковье)
Их продукция примерно на 30% дешевле зарубежных аналогов. Панель, мощностью 100 Вт, стоит примерно 6000 рублей, при заявленном КПД 20%. Предприятие специализируется на выпуске монокристаллических панелей.
Рязанский завод металлокерамических приборов (ЗМКП)
Один из популярных в России завод. Основной упор также делается на монокристаллы. Налажен выпуск дополнительного оборудования - инверторов, контроллеров и других компонентов. Производятся панели небольшой мощности для зарядки мобильных устройств.
Краснодарский завод «Сатурн»
В технологиях применяются металлические, струнные, сетчатые и другие типы каркасов. Продукция компании «Сатурн» отличается высокими эксплуатационными характеристиками не только в обычных условиях, но и в космосе. Предприятие «Сатурн» выполняет полный цикл работ по проектированию, изготовлению и испытанию солнечных панелей, считается одним из лучших предприятий.
НПП «Квант»
Специализируются на выпуске солнечных панелей с двухсторонней чувствительностью. Кроме традиционных материалов, используют арсенид галлия. Самой популярной моделью является Квант КСМ-180П, мощностью 185 Вт, с напряжением 36 В. Срок эксплуатации, заявленный изготовителем, составляет 40 лет, ориентировочная стоимость - 20000 рублей.
"Зеленая" энергетика последние годы развивается достаточно стремительно. В Китае в прошлом году (в 5 раз больше площади Манхеттена). Так же хорошо растет солнечная энергетика и в России.
Но рассчитывая, что наше будущее будет состоять сплошь из солнечных электростанций нужно не забывать следующее...
Производство солнечных панелей является энергоемким процессом. В настоящее время большая часть энергии, используемой для создания солнечных панелей, связана с переработкой ископаемого сырья, поэтому даже производство этих экологически полезных продуктов может способствовать загрязнению и глобальному потеплению.Приблизительно 600 кВтч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 м2. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВтч на квадратный метр электроэнергии в год.
Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.
Исходным материалом для изготовления солнечных батарей служит трихлорсилан, ядовитый и взрывоопасный продукт. При его перегонке и восстановлении при помощи водорода, получают чистый кремний. Побочным продуктом, на этом этапе производства, является соляная кислота. Далее, кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей. Для производства солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать.
При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды. Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей - большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.
Недостатки использования солнечной энергии:
1.- Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие;
2. - В пасмурные дни и ночью солнечная энергия недоступна;
3. - Необходимость использования больших площадей под солнечные источники энергии;
4. - Содержание токсичных веществ в фотоэлементах;
5. - Низкий КПД солнечных батарей, среднее значение эффективности не превышает 20%;
6. - Высокая стоимость солнечных фотоэлементов;
7. - Поверхность солнечных панелей и зеркал (для термовоздушных ЭС) нужно очищать от попадающих загрязнений;
8. - При нагреве солнечных элементов, значительно падает эффективность их работы;
9. - Сложная утилизация солнечных панелей.
Идея по использованию энергии солнца внедряется очень активно, особенно в солнечных странах. Потому является перспективным предпринимательством. Но любой бизнес должен начинаться с правильно подобранного оборудования для производства солнечных батарей. Предлагаем вам ознакомиться с техническим оснащением бизнеса.
Несмотря на дороговизну, оборудование дома солнечными батареями является более дешевым вариантом электроснабжения, чем проведение линий электропередач.
Для чего используется энергия солнца?
В наше время солнечные батареи широко используются в разных направлениях:
- портативная электроника – зарядка аккумуляторов разной электротехники;
- электромобили;
- авиация – использование энергии солнца самолетами;
- энергообеспечение зданий – отопление, нагрев воды, освещение и др., очень популярно в тропических и субтропических странах;
- используются в космосе.
Наиболее перспективный бизнес – обеспечение энергией домов и других зданий. Но так или иначе, вам нужно купить оборудование для производства солнечных батарей.
Оборудование для установки солнечных батарей
Аккумуляторы
– накопители энергии солнца. Без них работа солнечных батарей невозможна. Они накапливают энергию днем, а по вечерам и ночам ее можно использовать.
Инверторы – электронной устройство, которые переводят постоянное низкое напряжение заряженных аккумуляторов в высокое переменное промышленной частоты.
Блок бесперебойного питания используют для устройств, на которые негативно влияет резкое исчезновение напряжения.
Контроллер заряда батареи – устройство, что отвечает за своевременное подключение батареи с потребителями – если батарея заряжена не достаточно, контроллер не позволяет сделать соединение.
Техническое оснащение для изготовления
Оборудование для проверки высоким напряжением
Каждый модуль проходит тестирование на пригодность. Проверяет электробезопасность, цепи на обрыв, проводит испытания высоким напряжением, сопротивляемость изоляции. Конструкция аппарата сделана из алюминиевых рам, сенсорных шторок. Её размеры вмещают модули разных размеров (3W – 400W).
Характеристики:
- габариты, мм: 2 500 х 1 500 х 900;
- максимальный размер тестируемого модуля, мм: 1 400 х 2 100;
- параметры теста: напряжение, время разгона, утечка тока;
- ПО: цифровой микропроцессор с 50-ю программами;
Стол для перемещения с позиционирующими прокладками
Применяется к SPV модулям при разных действиях. Стол оснащают алюминиевыми направляющими. Столешница оборудована специальными шариками, по которым перемещают батарею. Пневматические прокладки в свою очередь удерживают объект в одном положении.
Характеристики:
- габариты, мм: 2 000 х 1 300 х 900;
- максимальный размер тестируемого модуля, мм: 2 000 х 1 200;
- неметаллические шарики;
- полиуретановые прокладки;
- анодированный алюминиевый каркас;
- подъем ручным рычагом;
- применение: обрезка краев, подключение соединительной коробки, укладка, соединение.
Обрамляющая машина
Склеивает края ленты, наносит мыльную воду, обрамляет и обжимает солнечные модули. Включает вращающейся стол с вакуумными присосками. Машиной может управлять один работник. Оборудование очень разносторонне в использовании, вмещает модули разных размеров (100W – 300W). Дополнительно прессует, обжимает и оклеивает углы.
Характеристики оборудования:
- габариты, мм: 3 000 х 1 900 х 970;
Машина, очищающая стекло
Это горизонтальная щеточная система с ПЛК. Имеет очень прочную структуру.
Рабочая зона составляет 2 м на 1 м. Толщина стекла: 2 мм – 4 мм. Совершает 7 ступеней очистки, не оставляет разводов.
Процесс очистки:
- стекло очищается нейлоновой щеткой;
- ополаскивание деионизированной водой;
- перемещение в камеру выгрузки;
- повторное ополаскивание деионизированной водой;
- отжатие воды с подложек;
- сушка холодным воздухом;
- сушка горячим воздухом.
Параметры оборудования:
- габариты, мм: 4 700 х 2 000 х 1 300;
- производительность: 30 панелей (2 м х 1 м.) за 1 час;
- размер стекла, мм: 300х300 – 2 000х1 000;
- многоступенчатая очистка по стандартам РV;
- материал: полипропилен.
Оборудование для резки ячеек
Разрезание проводят волоконным лазером. С его помощью можно получить любые размеры. За одну порезку получается 4 ячейки. Установка очень компактная, имеет удобную конструкцию.
Характеристики:
- размер аппарата, мм: 2 000 х 1 500;
- размер стола, мм: 400 х 400 х(4 ячейки 156 мм х 156 мм);
- дисплей: Pentium 4, ПО для лазерной резки
- лазер: волокнистый;
- воздушное охлаждение;
- держатель: вакуумная присоска;
- минимальный размер рамы, мм: 994 х 666 х 50;
- гидравлический процесс обрамления.
Зеркальный инспекционный стол
Это важное оборудование для солнечных батарей. Оно используется для визуального контроля солнечных модулей. С помощью зеркала проводится осмотр, можно обнаружить различные дефекты: смещение ячеек, повреждение и др. Этот этап проводится до ламинации.
Характеристики:
- максимальный размер модуля, мм: 2 000 х 1 000;
- материал столешницы: стекло или акрил;
- ручной осмотр с помощью зеркала;
- наличие освещения.
Ламинаторы солнечных PV модулей
Ламинация защищает устройство от влияния окружающей среды. В качестве покрытия используют специальные органические вещества. Чтобы не было попадания молекул воздуха внутрь устройства, при ламинации используют вакуум.
Оборудование состоит с ламинирующей камеры (высоколегированный алюминиевый сплав). Камера делится на верхнюю и нижнюю. Между ними находится кремниевая прокладка. Весь процесс нагревания камеры контролирует заданная программа. Оборудование имеет предохранители для защиты системы и работника.
Характеристики:
- работая температура: 150°C;
- может работать с 3-фазным питанием;
- автоматический и ручной режим.
Видео: возможности современного производства
Производство солнечных батарей на примере ЗАО “Телеком-СТВ”