Saulės generatorius savo rankomis: alternatyvaus energijos šaltinio gaminimo instrukcija

Alternatyvūs energijos šaltiniai, leidžiantys aprūpinti gyvenamąją patalpą šiluma ir elektra reikiamu kiekiu – nepigus „malonumas“, reikalaujantis didelių finansinių išlaidų įsigijimui, montavimui ir įrengimui.

Tačiau pasigaminti saulės generatorių savo rankomis yra gerokai pigiau ir visiškai įgyvendinama daugeliui namų meistrų. Apžvelkime instrukciją, prieinamai aprašančią visus gaminimo proceso niuansus.

Kaip veikia saulės energijos generatorius?

Saulės generatorius – tai fotoelektrinių puslaidininkinių elementų kompleksas, tiesiogiai paverčiantis saulės energiją į elektros energiją.

Šviesos spindulių generuojami kvantai, patekę ant fotoelemento plokštelės, išmuša elektroną iš galutinės darbinio elemento atomo orbitos. Šis efektas sukuria daug laisvųjų elektronų, kurie sudaro nenutrūkstamą elektros srovės srautą.

Visai nebūtina, montuojant saulės generatorių savo rankomis, iš karto surinkti didelį, plataus masto kompleksą. Galima pradėti nuo mažo įrenginio, o prireikus ateityje išplėsti apimtis.

Kaip veiklioji medžiaga naudojamas silicis. Jis pasižymi dideliu efektyvumu ir užtikrina fotoelektrinio konversijos koeficientą, įprastu režimu siekiantį 20 %, o palankiomis sąlygomis – iki 25 %.

Dėl išreikšto silicio fotoelementų efektyvumo jų pagrindu pagaminti generatoriai užtikrina didelę grąžą esant palyginti nedideliam tūriui. Agregato, kurio dydis 1 metras, galia per valandą siekia 125 W, o tai laikoma labai įspūdingu rezultatu.

Ant vienos silicio plokštelės pusės uždedama plona danga iš pasyviųjų cheminių elementų – boro arba fosforo. Būtent ant šio paviršiaus, veikiant intensyviai saulės spinduliuotei, vyksta aktyvus elektronų išlaisvinimas. Fosforo plėvelė patikimai išlaiko juos vienoje vietoje ir neleidžia išsisklaidyti.

Ant pačios darbinės plokštės yra metaliniai „takeliai“. Ant jų statomi laisvieji elektronai, taip sukuriant tvarkingą judėjimą, t. y., elektros srovę.

Prie plokštelių trūkumų priskiriamas tik paties silicio valymo proceso sudėtingumas ir brangumas, ir, siekiant išvengti šių problemų, aktyviai plėtojamas alternatyvų naudojimas: galis, kadmis, indis ir įvairūs vario junginiai. Tačiau kol kas silicio elementai dar neturi realių konkurentų.

Paprasčiausias būdas įrengti saulės energijos keitiklį į elektrą – nusipirkti paruoštą saulės bateriją ir sumontuoti ją ant namo arba garažo stogo:

Ko reikia darbui?

Generatoriaus, sudaryto iš saulės baterijų rinkinio, gamybai reikalingi tokie įrankiai ir medžiagos:

• moduliai, skirti saulės spinduliams paversti energija;
• aliuminio kampeliai;
• medinės lentjuostės;
• medžio drožlių plokštės;
• skaidrus elementas (stiklas, pleksiglasas, organinis stiklas, polikarbonatas), skirtas silicio plokštelių apsaugai sukurti;
• savisriegiai ir įvairių dydžių varžtai;
• tankus porolonas, 1,5-2,5 mm storio;
• kokybiškas sandariklis;
• diodai, gnybtai ir laidai;
• sukimo aparatas arba atsuktuvų rinkinys;
• lituoklis;
• pjūklas medžiui ir metalui (arba kampinis šlifuoklis).

Kiek medžiagų reikės, tiesiogiai priklausys nuo planuojamo generatoriaus dydžio. Didelės apimties darbas pareikalaus papildomų išlaidų, bet bet kuriuo atveju bus pigiau nei pirktas modulis.

Apsauginį silicio plokščių pagrindą galima pagaminti iš stiklo, organinio stiklo, polikarbonato arba pleksiglaso. Pirmosios trys medžiagos sukelia minimalų konvertuojamos energijos nuostolį, o ketvirtoji praleidžia spindulius žymiai prasčiau ir pastebimai sumažina viso komplekso efektyvumą.

Galutiniam surinkto agregato testavimui naudojamas ampermetras. Jis leidžia užfiksuoti realų įrenginio naudingumo koeficientą ir padeda nustatyti faktinę grąžą.

Fotoelemento tipo pasirinkimas

Veiksmai, skirti savo rankomis sukurti saulės generatorių, pradedami nuo fotoelektrinio silicio keitiklio tipo pasirinkimo.

Šie komponentai būna trijų rūšių:

• amorfiniai;
• monokristaliniai;
• polikristaliniai.

Kiekvienas variantas turi savo privalumų ir trūkumų, o pasirinkimas bet kurio iš jų daromas atsižvelgiant į lėšų, skirtų visų sistemos komponentų įsigijimui, dydį.

Amorfinių rūšių ypatumai

Amorfiniai moduliai sudaryti ne iš kristalinio silicio, o iš jo darinių (silano arba silicio vandenilio). Vakuuminio purškimo būdu jie plonu sluoksniu padengiami ant aukštos kokybės metalo folijos, stiklo arba plastiko.

Pagaminti gaminiai yra blankaus, išsiliejusio pilko atspalvio. Matomų silicio kristalų paviršiuje nepastebima. Pagrindiniu lanksčių saulės baterijų privalumu laikoma prieinama kaina, tačiau jų naudingumo koeficientas yra labai mažas ir svyruoja 6–10 % intervale.

Amorfiniai fotoelementai, pagaminti silicio pagrindu, pasižymi didesniu lankstumu, demonstruoja aukštą optinės absorbcijos lygį (20 kartų didesnį nei mono- ar polikristalinių analogų) ir žymiai efektyviau veikia debesuotu oru.

Polikristalinių tipų specifika

Polikristalinės saulės baterijos gaminamos palaipsniui labai lėtai aušinant silicio lydalą. Gauti gaminiai pasižymi sodria mėlyna spalva, turi paviršių su aiškiai išreikštu raštu, primenančiu šerkšno raštą, ir demonstruoja apie 14–18 % efektyvumą.

Didesnį naudingumo koeficiento našumą trukdo medžiagoje esančios sritys, nuo bendros struktūros atskirtos granuliuotomis ribomis.

Polikristaliniai fotoelementai veikia visus 10 metų, tačiau per tą laiką jų efektyvumas nemažėja. Tačiau norint sumontuoti gaminius į vieningą kompleksą, būtina naudoti tvirtą, kietą pagrindą, nes lakštai yra gana standūs ir reikalauja tvirtos, patikimos atramos.

Monokristalinių variantų charakteristika

Monokristaliniai moduliai pasižymi tankia tamsia spalva ir yra sudaryti iš vientisų silicio kristalų. Jų efektyvumas viršija kitų elementų rodiklius ir siekia 18-22% (palankiomis sąlygomis – iki 25%).

Dar vienu privalumu laikomas įspūdingas tarnavimo laikas – gamintojų teigimu, daugiau nei 25 metai. Tačiau ilgai naudojant monokristalų naudingumo koeficientas mažėja, o praėjus 10-12 metų fotoatidavimas jau sudaro ne daugiau kaip 13-17%.

Moduliai iš monokristalų kainuoja žymiai brangiau nei kitų tipų įranga. Jie gaminami pjaustant dirbtinai išaugintus silicio kristalus.

Norint pasigaminti saulės generatorių namuose savo rankomis, dažniausiai naudojamos poli- ir monokristalinės įvairių dydžių plokštės. Jos įsigyjamos populiariose internetinėse parduotuvėse, įskaitant „eBay“ ar „AliExpress“.

Kadangi fotoelementai vertinami gana aukštai, daugelis tiekėjų siūlo pirkėjams B grupės produktus, t. y. tinkamus visaverčiam naudojimui fragmentus su nedideliu defektu. Jų kaina nuo standartinės skiriasi 40-60%, todėl generatoriaus surinkimas kainuoja protingą, per daug kišenės nerenkančią sumą.

Kaip pagaminti karkasą plokštėms?

Būsimo generatoriaus rėmui pagaminti naudojamos tvirtos medinės lentjuostės arba aliumininiai kampuočiai. Medinis variantas laikomas mažiau praktišku, nes medžiagą reikia papildomai apdoroti, kad išvengtų vėlesnio puvimo ir sluoksniavimosi.

Kad medinis rėmas atlaikytų eksploatacinę apkrovą ir nesupūtų jau po pirmo lietaus, jį būtina impregnuoti specialiu mišiniu, apsaugančiu medieną nuo drėgmės poveikio.

Aliuminis turi daug patrauklesnes fizines savybes ir dėl savo lengvumo neapkrauna stogo ar kitos atraminės konstrukcijos, ant kurios planuojama montuoti agregatą.

Be to, dėl antikorozinės dangos metalas nerūdija, nepūva, nesiurbia drėgmės ir lengvai atlaiko bet kokių agresyvių atmosferos reiškinių poveikį.

Kuriant karkasinę konstrukciją iš aliumininių kampuočių, pirmiausia nustatomas būsimos plokštės dydis. Standartiniame variante vienam blokui naudojami 36 fotoelementai, kurių dydis 81 mm x 150 mm.

Siekiant užtikrinti tolesnį tinkamą eksploatavimą, tarp fragmentų paliekamas nedidelis tarpas (apie 3-5 mm). Ši erdvė leidžia atsižvelgti į pagrindo, veikiamo atmosferos poveikio, bazinių parametrų pokyčius. Dėl to bendras ruošinio dydis yra 83 mm x 690 mm, o rėmo kampo plotis - 35 mm.

Silicio plokštelės, įdėtos į aliuminio profilio rėmelį, atrodo beveik kaip gamykliniai gaminiai. Tvirtas ir patvarus rėmas užtikrina nepriekaištingą sistemos sandarumą ir suteikia visai konstrukcijai aukštą standumo lygį.

Nustačius matmenis, iš kampuočių išpjaunami reikalingi fragmentai ir tvirtinimo elementais surenkami į rėmines sistemas. Ant vidinio konstrukcijos paviršiaus užtepamas silikoninio sandariklio sluoksnis, atidžiai stebint, kad nebūtų praleidimų ar tuštumų.

Nuo to priklauso montuojamos konstrukcijos vientisumas, tvirtumas ir ilgaamžiškumas. Ant viršaus klojama apsauginė skaidri medžiaga (stiklas su antirefleksine danga, organinis stiklas arba specialių parametrų polikarbonatas) ir tvirtinama tvirtinimo detalėmis (po 1 trumpojoje ir po 2 ilgojoje rėmo dalyje bei 4 korpuso kampuose).

Darbui naudojamas atsuktuvas ir tinkamo skersmens varžtai. Galiausiai skaidrus paviršius atsargiai nuvalomas nuo dulkių ir smulkių šiukšlių.

Skaidraus elemento pasirinkimas

Pagrindiniai skaidraus elemento pasirinkimo kriterijai generatoriui sukurti:

• gebėjimas sugerti IR spinduliuotę;
• saulės šviesos lūžio lygis.

Kuo mažesnis lūžio rodiklis, tuo didesnį efektyvumą parodys silicio plokštelės. Mažiausiu šviesos atspindžio koeficientu pasižymi pleksiglasas ir organinis stiklas. Polikarbonatas taip pat turi toli gražu ne geriausius rodiklius.

Kuriant rėmines konstrukcijas buitinėms saulės sistemoms, rekomenduojama, jei įmanoma, naudoti antirefleksinį skaidrų stiklą arba specialų polikarbonato tipą su antikondensacine danga, užtikrinančia reikiamą šiluminės apsaugos lygį.

Geriausiomis savybėmis IR spinduliuotės sugerties požiūriu pasižymi tvirtas termoabsorbuojantis organinis stiklas ir stiklas su IR sugerties galimybe. Paprasto stiklo šie rodikliai yra daug žemesni. Nuo IR sugerties efektyvumo priklauso, ar silicio plokštelės eksploatacijos metu kaista, ar ne.

Jei įkaitimas yra minimalus, fotoelementai tarnaus ilgai ir užtikrins stabilų našumą. Plokštelių perkaitimas sukels darbo trikdžius ir greitą atskirų sistemos fragmentų arba viso komplekso gedimą.

Silicio fotoelementų montavimas

Prieš pat montavimą apsauginiai stiklai, įdėti į aliuminio rėmus, kruopščiai nuvalomi nuo dulkių ir nuriebinami alkoholio turinčia priemone.

Įsigyti fotoelementai tolygiai išdėstomi ant žymėjimo pagrindo 3–5 milimetrų atstumu vienas nuo kito, o bendros konstrukcijos kampai pažymimi. Tada pradedama lituoti elementus – svarbiausią ir daugiausiai darbo reikalaujančią generatoriaus surinkimo dalį.

Generatoriaus veikiančių elementų litavimas atliekamas pagal schemą, kurioje „+“ yra takeliai išorinėje pusėje, o „-“ – kanalai, esantys galinėje plokštelės pusėje.

Kad kontaktai būtų tinkamai sujungti, pirmiausia užtepamas fliusas (litavimo rūgštis) ir lydmetalis, o vėliau atliekamas apdorojimas griežta seka iš viršaus į apačią. Pabaigoje visos eilės sujungiamos tarpusavyje.

Kitas žingsnis – fotoelementų klijavimas. Tam į kiekvienos silicio plokštelės centrą išspaudžiama šiek tiek sandariklio, suformuotos elementų grandinėlės apverčiamos išorine puse į viršų ir išdėstomos griežtai pagal anksčiau padarytą žymėjimą.

Atsargiai rankomis prispaudžiamos plokštelės, fiksuojant jas reikiamoje vietoje. Elgiamasi labai atsargiai, stengiantis nepažeisti ir nesulenkti medžiagos.

Kraštuose esančių fotoelementų kontaktai išvedami į atskirą magistralę (platų sidabrinį laidininką) kaip „+“ ir „-“. Papildomai komplektas aprūpinamas blokavimo diodu. Prisijungęs prie kontaktų, jis neleidžia akumuliatoriams išsikrauti per karkasinę konstrukciją naktį.

Karkaso apačioje gręžiamos skylės, pro kurias laidai išvedami į lauką. Kad jie nenusmuktų, darbe naudojamas silikoninis sandariklis.

Su saulės baterijos, sudarytos iš 60 elementų, surinkimo etapais supažindins ši nuotraukų galerija:

Sulituotus fotoelementus dabar reikia pritvirtinti prie pagrindo. Galima priklijuoti prie faneros ir uždengti stiklu. Tačiau pavyzdyje klijavimas pirmiausia atliekamas prie stiklo:

Kad akumuliatorius, skirtas įkrovai kaupti, neabsorbuotų fotoelementų pagamintos energijos, jo saulės bateriją prijunkite per Štokio diodą:

Pavyzdyje pateiktos mini saulės jėgainės surinkimą atliekame pagal nuotraukoje pavaizduotą schemą. Prijungimui naudojame varinės gyslos laidą, kurio skerspjūvis ne mažesnis nei 1 mm².

Ši mini elektrinė gali pagaminti iki 15 V. Reikia atsižvelgti į tai, kad maksimalus našumas bus pasiektas tik saulėtomis be debesų dienomis. Debesuotu oru prietaisas gamins žymiai mažiau arba iš viso negamins energijos. Todėl akumuliatorius jai parenkamas taip, kad jo atsargų pakaktų bent vienai parai.

Kaip išbandyti sumontuotą agregatą?

Prieš galutinai užsandarinant surinktą generatorių, jį būtina išbandyti, kad būtų nustatyti galimi litavimo proceso defektai. Protingiausias variantas – patikrinti kiekvieną sulituotą eilę atskirai. Taip iš karto paaiškės, kur kontaktai sujungti prastai ir reikalingas pakartotinis apdorojimas.

Bandymui atlikti naudojamas buitinis ampermetras. Matavimas atliekamas be debesų saulėtą dieną per pietus (nuo 13 iki 15 val.). Konstrukcija išdėstoma kieme ir nustatoma tinkamu pasvirimo kampu.

Buitinis ampermetras padeda išmatuoti tikrąją srovės stiprį. Pagal jo rodmenis galima nustatyti sumontuotos saulės sistemos darbingumo lygį ir atskleisti silicio fotoelementų nuoseklaus jungimo pažeidimus.

Prie išvestų saulės baterijos kontaktų prijungiamas ampermetras ir atliekamas trumpojo jungimo srovės matavimas. Jei prietaisas rodo rezultatus aukštesnius nei 4,5 A, sistema yra visiškai teisinga ir visi jungtys yra tvirtai ir teisingai lituotos.

Žemesni duomenys, atsiradę testerio ekrane, rodo pažeidimus, kuriuos reikia išsiaiškinti ir iš naujo lituoti. Tradiciškai saulės generatoriai, pagaminti savo rankomis iš fotoelementų su nedideliu defektu (B grupė), bandymo metu rodo skaičius nuo 5 iki 10 Amperų.

Gamyklinės gamybos agregatai rodo 10-20% aukštesnius duomenis. Tai paaiškinama tuo, kad gamyboje naudojamos A grupės silicio plokštelės, neturinčios jokių struktūros defektų.

Baigiamasis darbo etapas

Jei bandymas parodė, kad baterija yra visiškai darbinga, ji yra sandarinama specialiu silikoniniu sandarikliu arba brangesniu ir patvaresniu epoksidiniu mišiniu.

Darbas numato du būdus atlikti:

1. Visiškas užpylimas – kai visas paviršius padengiamas sandarinimo mišiniu.
2. Dalinai apdirbama – kai sandariklis tepamas tik ant kraštinių elementų ir tuščios erdvės tarp elementų.

Pirmasis variantas laikomas patikimesniu ir užtikrina sistemai visapusišką apsaugą nuo išorinių veiksnių. Fotoelementai tvirtai fiksuojami savo vietose ir tinkamai veikia maksimaliu našumu.

Fotoelementų klijavimui viduje korpuso patartina naudoti šalčiui atsparų sandariklį, galintį atlaikyti staigius temperatūros pokyčius ir žemas minusines vertes.

Kai užpylimas atliktas, sandarikliui leidžiama sukietėti. Tada uždaroma permatomu elementu ir tvirtai prispaudžiama prie plokštelių.

Siekiant papildomos apsaugos ir amortizacijos, kai kurie meistrai rekomenduoja tarp silicio plokštės paviršiaus ir rėmo galinės dalies įdėti tankų poroloną. Tai padarys konstrukciją vientisesnę ir apsaugos trapius fotoelementus nuo per didelės apkrovos.

Tada ant paviršiaus uždedamas krovinys, kuris veikia sluoksnius ir iš jų išspaudžia oro burbuliukus. Pagamintas generatorius vėl išbandomas ir galutinai sumontuojamas iš anksto paruoštoje vietoje.

Kur ir kaip pastatyti generatorių?

Saulės generatoriaus įrengimo vieta parenkama labai atidžiai ir neskubant. Šviesą priimančios plokštelės būtinai įrengiamos pasvirusios, kad spinduliai ne „kristų“ ant paviršiaus statmenai, o tarsi švelniai „tekėtų“ juo.

Idealiu atveju konstrukcija išdėstoma taip, kad prireikus būtų galima koreguoti pasvirimo kampą, tokiu būdu „pagaujant“ maksimalų saulės kiekį.

Visiškai leistina įrengti saulės sistemą iš saulės baterijų ant žemės, tačiau dažniausiai ją montuoti pasirenkama ant namo ar pagalbinio pastato stogo, būtent toje jo dalyje, kuri nukreipta į labiausiai apšviestą, daugiausia pietinę sklypo pusę.

Labai svarbu, kad šalia nebūtų aukštų pastatų ir galingų, plačiai išsikerojusių medžių. Būdami arti, jie sudaro šešėlį ir trukdo visaverčiam įrenginio darbui.

Kad saulės įrenginiai kokybiškai veiktų, juos būtina palaikyti švarius ir tvarkingus. Ant sugeriančios plokštės paviršiaus susidaręs purvo sluoksnis sumažina efektyvumą 10%, o prilipęs sniegas visiškai išjungia įrenginį. Todėl reguliari priežiūra yra privaloma procedūra ir padeda išlaikyti modulius idealioje eksploatacinėje būklėje.

Vidutiniškai optimaliu saulės generatoriaus įrengimo stogo nuolydžio kampu laikomas 45⁰. Esant tokiam išdėstymui, fotoelementai labai efektyviai sugeria saulės srautą ir išduoda reikiamą energijos kiekį, būtiną tinkamam namo aprūpinimui.

Norint gauti realią plokščių grąžą ir aprūpinti vidutinę šeimą reikiamu energijos kiekiu, teks saulės generatoriui skirti 15-20 kv.m stogo paviršiaus.

Europinei NVS šalių daliai galioja kiek kitokie rodikliai. Profesionalai rekomenduoja remtis stacionaraus nuolydžio kampu 50-60⁰, o judančiose konstrukcijose žiemos sezono metu baterijas išdėstyti 70⁰ kampu horizonto atžvilgiu.

Vasarą gi reikia keisti padėtį ir palenkti fotoelementus 30⁰ kampu.

Sumontavus generatoriaus plokštes ant sekimo sistemos su automatine saulės sekimo funkcija, galima padidinti grąžos efektyvumą 50%. Modulis savarankiškai nustatys spindulių intensyvumą ir prisitaikys prie maksimalaus apšvietimo nuo aušros iki sutemų.

Prieš pat montavimą stogas papildomai sutvirtinamas ir aprūpinamas specialiais tvirtais atraminiais elementais, nes toli gražu ne kiekviena konstrukcija gali atlaikyti visą saulės energijos keitimo įrangos svorį.

Kad saulės generatorių ant stogo sumontuotumėte patikimai ir tvirtai, verta įsigyti specialias tvirtinimo detales. Jos gaminamos atskirai kiekvienam stogo dangos tipui ir visada yra parduodamos. Montuojant tarp plokščių ir stogo būtina palikti tarpą pilnavertei oro cirkuliacijai ir tinkamam saulę sugeriančių elementų vėdinimui.

Kai kuriais atvejais po stogu įrengiamos sustiprintos gegnės, apsaugančios stogą nuo galimo griūties dėl padidėjusios apkrovos, kuri žiemos sezonu smarkiai išauga, kai ant stogo paviršiaus susikaupia sniegas.

Kad saulės sistema pradėtų veikti, jums reikės akumuliatorių, keitiklio ir įkrovimo valdiklio. Apie įrenginių parinkimo ir jų įtraukimo į grandinę taisykles sužinosite iš mūsų rekomenduojamų straipsnių.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Fotoelementų litavimo ypatumai ir niuansai gaminant savo rankomis efektyvų saulės generatorių namų sąlygomis. Patarimai meistrams, įdomios idėjos ir asmeninės patirtys.

Kaip tinkamai ištestuoti fotoelementą ir išmatuoti jo pagrindinius parametrus. Ši informacija pravers vėlesniuose skaičiavimuose, norint nustatyti tikslų plokščių kiekį, reikalingą pilnavertei sistemos veiklai.

Išsamus žingsnis po žingsnio saulės baterijos surinkimo generatoriui namuose aprašymas. Darbo taisyklės nuo reikalingų elementų įsigijimo iki pagaminto prietaiso bendrojo testo.

Žinant saulės generatorių sandarą, juos surinkti namuose nebus didelio vargo. Žinoma, darbas pareikalaus dėmesio, kruopštumo ir skrupulingumo, tačiau rezultatas pateisins visas finansines ir darbo sąnaudas. Paruoštas agregatas pilnai aprūpins pastatą šiluma ir elektros energija, suteikdamas gyventojams reikiamą komforto lygį.

Iš karto nereikėtų kėsintis į didelį projektą. Pradžioje verta išbandyti jėgas surenkant nedidelį agregatą, o vėliau, visiškai įvaldžius visus proceso niuansus, imtis galingesnės ir didesnės instaliacijos statybos.

O kokį mini elektrinės statybos būdą pasirinkote Jūs savo sodo sklypo įrengimui? Rašykite komentarus, dalinkitės naudinga informacija ir nuotraukomis straipsnio tema žemiau esančiame bloke. Užduokite klausimus dėl ginčytinų ar neaiškių momentų.