Jak zrobić panel słoneczny własnymi rękami: instrukcja samodzielnego montażu

Baterie słoneczne są źródłem energii, którą można wykorzystać do produkcji prądu lub ciepła dla niskiego domu. Jednak baterie słoneczne mają wysoki koszt i są niedostępne dla większości mieszkańców naszego kraju. Zgadza się Pan/Pani?

Zupełnie inaczej jest, gdy baterię słoneczną wykonuje się samodzielnie – koszty znacznie spadają, a taka konstrukcja działa nie gorzej niż panel produkcji przemysłowej. Dlatego jeśli Państwo poważnie rozważają zakup alternatywnego źródła energii elektrycznej, warto spróbować zrobić je samodzielnie – nie jest to zbyt trudne.

W artykule będzie mowa o wykonaniu baterii słonecznych. Opowiemy, jakie materiały i narzędzia będą do tego potrzebne. Nieco niżej znajdą Państwo instrukcję krok po kroku z ilustracjami, które obrazowo przedstawiają przebieg pracy.

Krótko o budowie i działaniu

Energię słoneczną można przekształcić w energię cieplną, gdy nośnikiem energii jest ciecz, lub w energię elektryczną gromadzoną w akumulatorach. Bateria jest generatorem działającym na zasadzie efektu fotoelektrycznego.

Przekształcenie energii słonecznej w energię elektryczną następuje po padnięciu promieni słonecznych na płytki-fotoogniwa, które są główną częścią baterii.

Przy tym kwanty światła “uwalniają” swoje elektrony z ostatnich orbit. Te swobodne elektrony dają prąd elektryczny, który przechodzi przez kontroler i gromadzi się w akumulatorze, a stamtąd trafia do odbiorników energii.

W roli płytek fotowoltaicznych występują elementy krzemowe. Płytka krzemowa jest z jednej strony pokryta niezwykle cienką warstwą fosforu lub boru – pasywnego pierwiastka chemicznego.

W tym miejscu pod wpływem promieni słonecznych uwalnia się duża liczba elektronów, które są utrzymywane przez warstwę fosforu i nie rozpraszają się.

Na powierzchni płytki znajdują się metalowe “ścieżki”, na których gromadzą się wolne elektrony, tworząc uporządkowany ruch, tj. prąd elektryczny.

Im więcej takich płytek krzemowych-fotowoltaicznych, tym więcej prądu elektrycznego można uzyskać. Więcej o zasadzie działania panelu słonecznego przeczytasz dalej.

Górna warstwa płytek fotowoltaicznych pokryta jest warstwą, która zapobiega odbijaniu światła słonecznego od płytek, zwiększając ich sprawność.

Materiały do wykonania płyty słonecznej

Przystępując do budowy panelu słonecznego należy zaopatrzyć się w następujące materiały:

• płytki fotowoltaiczne krzemowe;
• arkusze płyty wiórowej, kątowniki aluminiowe i listwy;
• twarda pianka poliuretanowa o grubości 1,5-2,5 cm;
• przezroczysty element pełniący rolę podstawy dla płytek krzemowych;
• wkręty, wkręty samogwintujące;
• silikonowy uszczelniacz do zastosowań zewnętrznych;
• przewody elektryczne, diody, zaciski.

Ilość wymaganych materiałów zależy od rozmiaru Państwa panelu, który najczęściej jest ograniczony liczbą dostępnych ogniw fotowoltaicznych. Z narzędzi będą Państwo potrzebować: wkrętarki lub zestawu śrubokrętów, piły do metalu i drewna, lutownicy. Do przeprowadzenia testów gotowego panelu potrzebny będzie tester-amperomierz.

Teraz przyjrzyjmy się najważniejszym materiałom bardziej szczegółowo.

Płytki krzemowe lub fotoogniwa

Ogniwa fotowoltaiczne do paneli występują w trzech rodzajach:

• polikrystaliczne;
• monokrystaliczne;
• amorficzne.

Płytki polikrystaliczne charakteryzują się niską sprawnością. Sprawność wynosi około 10 – 12%, ale wskaźnik ten nie spada z czasem. Czas działania polikryształów wynosi 10 lat.

Panel słoneczny składa się z modułów, które z kolei składają się z przetworników fotowoltaicznych. Panele ze sztywnymi krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi stanowią pewnego rodzaju kanapkę z warstwami ułożonymi sekwencyjnie, zamocowanymi w profilu aluminiowym.

Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne mogą pochwalić się wyższą sprawnością – 13-25% i długim okresem pracy – ponad 25 lat. Jednak z czasem sprawność monokryształów maleje.

Przetworniki monokrystaliczne uzyskuje się poprzez piłowanie sztucznie hodowanych kryształów, co wyjaśnia ich najwyższą fotoprzewodność i wydajność.

Cienkowarstwowe fotoprzetworniki uzyskuje się poprzez nałożenie cienkiej warstwy krzemu amorficznego na elastyczną powierzchnię polimerową.

Elastyczne panele z krzemem amorficznym – najnowocześniejsze. Przetwornik fotowoltaiczny jest w nich napylany lub napawany na podłoże polimerowe. Sprawność w zakresie 5 – 6%, ale systemy cienkowarstwowe są niezwykle wygodne w montażu.

Systemy cienkowarstwowe z amorficznymi fotoprzetwornikami pojawiły się stosunkowo niedawno. Są one niezwykle proste i maksymalnie tanie, ale szybciej niż konkurencja tracą właściwości użytkowe.

Nie zaleca się stosowania ogniw fotowoltaicznych o różnych rozmiarach. W takim przypadku maksymalny prąd wytwarzany przez panel będzie ograniczony prądem najmniejszego ogniwa. Oznacza to, że większe płytki nie będą pracować z pełną mocą.

Przy zakupie ogniw fotowoltaicznych należy zapytać sprzedawcę o sposób dostawy; większość sprzedawców stosuje metodę woskowania, aby zapobiec uszkodzeniu kruchych elementów.

Najczęściej do domowych paneli wykorzystuje się monokrystaliczne i polikrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne o rozmiarze 3x6 cali, które można zamówić w sklepach internetowych takich jak eBay.

Koszt ogniw fotowoltaicznych jest dość wysoki, ale wiele sklepów sprzedaje tak zwane elementy grupy B. Produkty zaklasyfikowane do tej grupy mają wady, ale nadają się do użytku, a ich cena jest o 40-60% niższa niż standardowych płytek.

Większość sklepów internetowych sprzedaje ogniwa fotowoltaiczne w zestawach po 36 lub 72 płytki przetworników fotoelektrycznych. Do połączenia poszczególnych modułów w panel potrzebne będą szyny, a do podłączenia do systemu – zaciski.

Rama i element przezroczysty

Ramę przyszłego panelu można wykonać z drewnianych listew lub aluminiowych kątowników.

Drugi wariant jest bardziej preferowany z całego szeregu powodów:

• Aluminium to lekki metal, nie powodujący poważnego obciążenia konstrukcji nośnej, na której planuje się montaż baterii.
• Po zastosowaniu obróbki antykorozyjnej aluminium nie jest podatne na działanie rdzy.
• Nie wchłania wilgoci z otoczenia, nie gnije.

Przy wyborze elementu przezroczystego należy zwrócić uwagę na takie parametry, jak współczynnik załamania światła słonecznego i zdolność do pochłaniania promieniowania IR.

Od pierwszego wskaźnika bezpośrednio będzie zależeć sprawność ogniw fotowoltaicznych: im niższy współczynnik załamania, tym wyższa sprawność płytek krzemowych.

Najniższy współczynnik odbicia światła ma pleksiglas lub jego tańsza wersja – szkło organiczne. Nieco niższy współczynnik załamania światła ma poliwęglan.

Od wielkości drugiego wskaźnika zależy, czy krzemowe ogniwa fotowoltaiczne będą się nagrzewać, czy nie. Im mniej płytki są narażone na nagrzewanie, tym dłużej będą służyć. Promieniowanie IR najlepiej pochłania specjalne termoabsorpcyjne szkło organiczne i szkło z absorpcją IR. Nieco gorzej – zwykłe szkło.

Jeśli istnieje taka możliwość, optymalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie jako elementu przezroczystego antyrefleksyjnego szkła przezroczystego.

Pod względem stosunku kosztów do wskaźników załamania światła i pochłaniania promieniowania IR, szkło organiczne jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem do produkcji baterii słonecznej.

Projekt systemu i wybór miejsca

Projekt systemu słonecznego obejmuje obliczenia wymaganego rozmiaru płyty słonecznej. Jak wspomniano powyżej, rozmiar baterii jest zazwyczaj ograniczony kosztownymi ogniwami fotowoltaicznymi.

Bateria słoneczna powinna być montowana pod określonym kątem, który zapewni maksymalne padanie promieni słonecznych na płytki krzemowe. Najlepszym rozwiązaniem są baterie, które mogą zmieniać kąt nachylenia.

Miejsce montażu paneli słonecznych może być bardzo różnorodne: na ziemi, na dachu skośnym lub płaskim domu, na dachach pomieszczeń gospodarczych.

Jedynym warunkiem jest to, że panel musi być umieszczony po słonecznej, niezacienionej wysoką koroną drzew stronie działki lub domu. Przy tym optymalny kąt nachylenia należy obliczyć za pomocą wzoru lub przy użyciu specjalistycznego kalkulatora.

Kąt nachylenia będzie zależał od lokalizacji domu, pory roku i klimatu. Wskazane jest, aby bateria miała możliwość zmiany kąta nachylenia w zależności od sezonowych zmian wysokości słońca, ponieważ działają one najefektywniej, gdy promienie słoneczne padają ściśle prostopadle do powierzchni.

Dla europejskiej części krajów WNP zalecany kąt nachylenia stałego to 50 – 60°. Jeśli konstrukcja przewiduje urządzenie do zmiany kąta nachylenia, to w okresie zimowym lepiej ustawić panele pod kątem 70° do poziomu, a latem pod kątem 30°.

Obliczenia pokazują, że 1 metr kwadratowy systemu solarnego pozwala uzyskać 120 W. Dlatego na podstawie obliczeń można stwierdzić, że do zapewnienia przeciętnej rodzinie energii elektrycznej w ilości 300 kWh miesięcznie potrzebny jest system solarny o powierzchni co najmniej 20 metrów kwadratowych.

Natychmiastowy montaż takiego systemu solarnego byłby problematyczny. Jednak nawet zainstalowanie 5-metrowego panelu pomoże zaoszczędzić energię elektryczną i wnieść skromny wkład w ekologię naszej planety. Zalecamy również zapoznanie się z zasadą obliczania wymaganej liczby paneli słonecznych.

Panel słoneczny może być używany jako rezerwowe źródło energii przy częstych przerwach w centralnym zasilaniu. Do automatycznego przełączania należy przewidzieć system zasilania awaryjnego.

Taki system jest wygodny, ponieważ podczas korzystania z tradycyjnego źródła energii elektrycznej jednocześnie ładowany jest akumulator systemu solarnego. Urządzenia obsługujące panel słoneczny są umieszczane wewnątrz domu, dlatego należy przewidzieć dla nich specjalne pomieszczenie.

Umieszczając panele na skośnym dachu domu, nie zapominajcie o kącie nachylenia panelu; idealna sytuacja jest wtedy, gdy panel posiada urządzenie do sezonowej zmiany kąta nachylenia.

Montaż baterii słonecznej krok po kroku

Po wybraniu miejsca na panel słoneczny i urządzenia do obsługi systemu solarnego, oraz mając wszystkie wymagane materiały i narzędzia, można rozpocząć montaż panelu.

Podczas montażu należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa, szczególnie przy instalacji gotowego panelu na dachu domu. Rozważmy algorytm krok po kroku, jak wykonać panel słoneczny.

Krok 1 – lutowanie styków płytek krzemowych

Montaż domowego panelu słonecznego często zaczyna się od lutowania przewodów ogniw fotowoltaicznych. Oczywiście, jeśli jest taka możliwość, najlepiej kupić ogniwa od razu z przewodami, ponieważ lutowanie – to bardzo trudna i żmudna praca, zajmująca dużo czasu.

Lutowanie przeprowadza się w następujący sposób:

1. Bierze się krzemowe ogniwo fotowoltaiczne bez przewodów oraz metalową taśmę-przewodnik.
2. Przewody przycina się za pomocą kartonowego szablonu, ich długość jest 2 razy większa niż rozmiar krzemowej płytki.
3. Przewodnik ostrożnie układa się na płytce. Na jeden element – dwa przewodniki.
4. W miejsce, gdzie będzie wykonywane lutowanie, należy nałożyć kwas do pracy z lutownicą.
5. Wykonać lutowanie za pomocą lutownicy, ostrożnie łącząc przewodnik z płytką.

Podczas lutowania nie wolno naciskać na element krzemowy, ponieważ jest bardzo kruchy i może ulec zniszczeniu! Jeśli ma Pan/Pani szczęście i nabył/a Pan/Pani ogniwa fotowoltaiczne z gotowymi stykami, oszczędzi sobie Pan/Pani długiej i żmudnej pracy, przechodząc od razu do wykonania ramy dla przyszłej baterii słonecznej.

Lutowanie styków dla wadliwych ogniw fotowoltaicznych grupy B wykonuje się tak samo i w tym samym kierunku, co dla całych płytek.

Krok 2 – wykonanie ramy dla baterii słonecznej

Rama – to miejsce, w którym będą montowane ogniwa fotowoltaiczne. Do wykonania ramy używa się aluminiowych kątowników i listew, z których składa się ramki. Zalecany rozmiar kątownika to 70-90 mm.

Na wewnętrzną część metalowych kątowników nakłada się silikonowy uszczelniacz. Uszczelnienie kątowników należy wykonać dokładnie, od tego zależy trwałość całej konstrukcji.

Po przygotowaniu aluminiowej ramy przystępujemy do wykonania tylnej obudowy. Tylna obudowa to drewniana skrzynia z płyty wiórowej z niskimi krawędziami.

Wysokie krawędzie będą rzucać cień na ogniwa fotowoltaiczne, dlatego ich wysokość nie powinna przekraczać 2 cm. Krawędzie przykręca się za pomocą wkrętów samogwintujących i wkrętarki.

W dnie skrzyni-obudowy z płyty wiórowej wykonuje się otwory wentylacyjne. Odstęp między otworami wynosi około 10 cm. W aluminiową ramę montuje się przezroczysty element (pleksi, szkło antyrefleksyjne, plexi).

Przezroczysty element dociska się i mocuje za pomocą okuć: 4 w narożnikach, a także po 2 z długich i po 1 z krótkiej strony ramy. Okucia mocuje się wkrętami.

Rama do baterii słonecznej jest gotowa i można przystąpić do najważniejszej części – montażu ogniw fotowoltaicznych. Przed montażem należy oczyścić pleksi z kurzu i odtłuścić płynem zawierającym alkohol.

Krok 3 – montaż krzemowych płytek-fotoogniw

Montaż i lutowanie płytek krzemowych – najbardziej pracochłonna część tworzenia panelu słonecznego własnymi rękami. Najpierw układamy ogniwa fotowoltaiczne na pleksi niebieskimi płytkami w dół.

Jeśli po raz pierwszy składa się baterię, można skorzystać z podkładki do naniesienia oznaczeń, aby umieścić płyty równo w niewielkiej (3-5 mm) odległości od siebie.

1. Wykonujemy lutowanie ogniw fotowoltaicznych według następującego schematu elektrycznego: “+” ścieżki znajdują się na przedniej stronie płyty, “-” na tylnej. Przed lutowaniem należy ostrożnie nałożyć topnik i cynę, aby połączyć styki.
2. Wykonujemy lutowanie wszystkich ogniw fotowoltaicznych kolejno rzędami od góry do dołu. Rzędy następnie muszą być również ze sobą połączone.
3. Przystępujemy do przyklejania ogniw fotowoltaicznych. W tym celu nakładamy niewielką ilość uszczelniacza na środek każdej krzemowej płyty.
4. Odwracamy powstałe łańcuchy ogniw fotowoltaicznych przednią stroną (tam, gdzie niebieskie płyty) do góry i umieszczamy płyty zgodnie z oznaczeniami, które nanieśliśmy wcześniej. Ostrożnie dociskamy każdą płytę, aby zamocować ją na swoim miejscu.
5. Styki skrajnych ogniw fotowoltaicznych wyprowadzamy do szyny, odpowiednio “+” i “-”. Do szyny zaleca się użyć szerszego przewodnika ze srebra.
6. Baterię słoneczną należy wyposażyć w diodę blokującą, która łączy się ze stykami i zapobiega rozładowywaniu akumulatorów przez konstrukcję w nocy.
7. W dnie ramy wiercimy otwory do wyprowadzenia przewodów na zewnątrz.

Przewody należy przymocować do ramy, aby nie zwisały; można to zrobić za pomocą silikonowego uszczelniacza.

Krok 4 – testowanie baterii przed uszczelnieniem

Testowanie panelu słonecznego należy przeprowadzić przed jego uszczelnieniem, aby móc usunąć usterki, które często występują podczas lutowania. Najlepiej przeprowadzać test po zlutowaniu każdego rzędu elementów – wtedy znacznie łatwiej wykryć, gdzie styki są źle połączone.

Do testowania potrzebny będzie zwykły amperomierz domowy. Pomiary należy przeprowadzać w słoneczny dzień w godzinach 13-14, słońce nie powinno być zasłonięte chmurami.

Wynosimy baterię na zewnątrz i ustawiamy zgodnie z wcześniej obliczonym kątem nachylenia. Amperomierz podłączamy do styków baterii i wykonujemy pomiar prądu zwarciowego.

Celem testowania jest to, że natężenie prądu roboczego powinno być o 0,5-1,0 A niższe niż prąd zwarciowy. Wskazania przyrządu powinny być wyższe niż 4,5 A, co świadczy o sprawności baterii słonecznej.

Jeśli tester daje niższe wskazania, to gdzieś na pewno naruszona jest kolejność połączeń ogniw fotowoltaicznych.

Zazwyczaj domowej roboty bateria słoneczna, skonstruowana z ogniw fotowoltaicznych grupy B, daje wskazania 5-10 A, co jest o 10-20% niższe niż w przypadku paneli słonecznych produkcji przemysłowej.

Krok 5 – uszczelnienie fotoogniw umieszczonych w obudowie

Uszczelnianie można przeprowadzić tylko po upewnieniu się, że bateria działa. Do uszczelniania najlepiej użyć żywicy epoksydowej, ale biorąc pod uwagę, że zużycie materiału będzie duże, a jego koszt wynosi około 40-45 dolarów. Jeśli jest zbyt drogi, można zamiast tego zastosować ten sam silikonowy uszczelniacz.

Używając silikonowego uszczelniacza, preferuj ten, na którego opakowaniu podano, że nadaje się do użytku w temperaturach ujemnych.

Istnieją dwa sposoby uszczelniania:

• pełne zalewanie, gdy panele są zalewane uszczelniaczem;
• nakładanie uszczelniacza na przestrzeń między fotoogniwami i na skrajne elementy.

W pierwszym przypadku uszczelnienie będzie bardziej niezawodne. Po zalaniu uszczelniacz musi zastygnąć. Następnie na wierzchu montuje się pleksiglas i mocno dociska do płyt pokrytych silikonem.

Aby zapewnić amortyzację i dodatkową ochronę, między tylną powierzchnią fotoogniw a ramą z płyty wiórowej wielu mistrzów radzi zamontować uszczelkę z twardej pianki o szerokości 1,5-2,5 cm.

Nie jest to konieczne, ale zalecane, biorąc pod uwagę, że płytki krzemowe są dość kruche i łatwo ulegają uszkodzeniu.

Po zamontowaniu pleksiglasu na konstrukcji umieszcza się obciążnik, pod wpływem którego następuje wyciskanie pęcherzyków powietrza. Bateria słoneczna jest gotowa i po ponownym przetestowaniu można ją zamontować w wybranym wcześniej miejscu i podłączyć do systemu solarnego w Państwa domu.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Przegląd fotoogniw zamówionych w chińskim sklepie internetowym:

Instrukcja wideo dotycząca wykonania baterii słonecznej:

Wykonanie baterii słonecznej własnoręcznie – nie jest łatwym zadaniem. Sprawność większości takich baterii jest niższa niż paneli produkowanych przemysłowo o 10-20%. Najważniejsze przy projektowaniu baterii słonecznej – prawidłowo wybrać i zamontować fotoogniwa.

Proszę nie próbować od razu stworzyć ogromnego panelu. Proszę najpierw spróbować zbudować małe urządzenie, aby zrozumieć wszystkie niuanse tego procesu.

Czy mają Państwo praktyczne umiejętności w tworzeniu baterii słonecznych? Proszę podzielić się swoim doświadczeniem z odwiedzającymi naszą stronę – proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Tam również można zadawać pytania dotyczące tematu artykułu.