Generator słoneczny własnoręcznie: instrukcja wykonania alternatywnego źródła energii

Alternatywne źródła energii, umożliwiające zapewnienie pomieszczeniu mieszkalnemu ciepła i elektryczności w niezbędnej ilości – nie jest to tania „przyjemność”, wymagająca znacznych nakładów finansowych na zakup, montaż i instalację.

Samodzielne wykonanie generatora słonecznego jest jednak znacznie tańsze i w pełni dostępne dla wielu majsterkowiczów. Przeanalizujmy instrukcję, która w przystępny sposób opisuje wszystkie niuanse procesu wykonania.

Jak działa generator energii słonecznej?

Generator słoneczny to zespół fotowoltaicznych elementów półprzewodnikowych, bezpośrednio przekształcających energię słoneczną w elektryczną.

Kwanty wytwarzane przez promienie światła, trafiając na płytkę fotowoltaiczną, wybijają elektron z ostatniej orbity atomowej elementu roboczego. Efekt ten tworzy wiele swobodnych elektronów, które tworzą ciągły przepływ prądu elektrycznego.

Wcale nie trzeba, montując samodzielnie generator słoneczny, od razu składać duży, wielkogabarytowy kompleks. Można zacząć od małego agregatu, a w razie potrzeby w przyszłości zwiększyć jego wydajność.

Jako materiał aktywny wykorzystuje się krzem. Charakteryzuje się on wysoką wydajnością i zapewnia współczynnik konwersji fotowoltaicznej w normalnym trybie na poziomie 20%, a w sprzyjających warunkach – do 25%.

Dzięki wyraźnej wydajności krzemowych ogniw fotowoltaicznych generatory zbudowane na ich bazie gwarantują wysoki uzysk przy stosunkowo niewielkich rozmiarach. Moc agregatu o powierzchni 1 metra na godzinę daje 125 W, co uznawane jest za bardzo imponujący wynik.

Na jedną stronę płytki krzemowej nanosi się cienką powłokę z pasywnych pierwiastków chemicznych – boru lub fosforu. To właśnie na tej powierzchni, w wyniku intensywnego oddziaływania promieni słonecznych, dochodzi do aktywnego uwalniania elektronów. Warstwa fosforowa niezawodnie utrzymuje je w jednym miejscu i nie pozwala im się rozpraszać.

Na samej płycie roboczej znajdują się metalowe «ścieżki». Na nich poruszają się swobodne elektrony, tworząc w ten sposób uporządkowany ruch, czyli prąd elektryczny.

Do wad płyt zalicza się jedynie złożoność i kosztowność procesu oczyszczania samego krzemu, a aby uniknąć tych problemów, aktywnie rozwija się stosowanie alternatyw w postaci galu, kadmu, indu oraz różnych związków miedzi. Jednak na razie elementy krzemowe nie mają jeszcze realnych konkurentów.

Najprostszym sposobem na zbudowanie przetwornika energii słonecznej na energię elektryczną – jest zakup gotowego panelu słonecznego i zamontowanie go na dachu domu lub garażu:

Co jest potrzebne do pracy?

Do wykonania generatora składającego się z zestawu paneli słonecznych, potrzebne są następujące narzędzia i materiały:

• moduły do przekształcania promieni słonecznych w energię;
• kątowniki aluminiowe;
• listwy drewniane;
• arkusze płyty wiórowej;
• element przezroczysty (szkło, pleksiglas, szkło organiczne, poliwęglan) do stworzenia ochrony dla płytek krzemowych;
• wkręty samogwintujące i śruby różnych rozmiarów;
• gęsta pianka gumowa o grubości 1,5-2,5 mm;
• wysokiej jakości uszczelniacz;
• diody, zaciski i przewody;
• wkrętarka lub zestaw śrubokrętów;
• lutownica;
• piła do drewna i metalu (lub szlifierka kątowa).

W jakim zakresie materiały będą potrzebne, będzie bezpośrednio zależeć od planowanego rozmiaru generatora. Praca na dużą skalę pociągnie za sobą dodatkowe koszty, ale w każdym przypadku będzie tańsza niż zakupiony moduł.

Ochronną podstawę dla płytek krzemowych można wykonać ze szkła, pleksi, poliwęglanu lub plexiglasu. Pierwsze trzy materiały powodują minimalną stratę konwertowanej energii, natomiast czwarty przepuszcza promienie znacznie gorzej i znacznie obniża wydajność całego systemu.

Do końcowego testowania zmontowanego urządzenia używa się amperomierza. Pozwala on zarejestrować rzeczywistą sprawność instalacji i pomaga określić rzeczywisty uzysk.

Wybór typu fotoprzetwornika

Działania mające na celu samodzielne wykonanie generatora słonecznego rozpoczyna się od wyboru typu fotoelektrycznego konwertera krzemowego.

Te elementy występują w trzech rodzajach:

• amorficzne;
• monokrystaliczne;
• polikrystaliczne.

Każda opcja ma swoje zalety i wady, a wybór na korzyść którejkolwiek z nich dokonywany jest na podstawie kwoty środków przeznaczonej na zakup wszystkich komponentów systemu.

Cechy odmian amorficznych

Moduły amorficzne nie składają się z krystalicznego krzemu, ale z jego pochodnych (silan lub krzemowodór). Poprzez napylanie w próżni nakłada się je cienką warstwą na wysokiej jakości folię metalową, szkło lub plastik.

Gotowe produkty mają matowy, rozmyty szary odcień. Widoczne kryształy krzemu na powierzchni nie są obserwowane. Główną zaletą elastycznych ogniw słonecznych jest przystępna cena, jednak ich sprawność jest bardzo niska i waha się w zakresie 6-10%.

Amorficzne fotoogniwa wykonane na bazie krzemu charakteryzują się zwiększoną elastycznością, wykazują wysoki poziom absorpcji optycznej (20 razy większy niż w przypadku monokrystalicznych lub polikrystalicznych odpowiedników) i działają znacznie wydajniej w pochmurną pogodę.

Specyfika typów polikrystalicznych

Polikrystaliczne ogniwa słoneczne powstają w wyniku stopniowego, bardzo powolnego chłodzenia stopu krzemu. Otrzymane produkty charakteryzują się nasyconym niebieskim kolorem, mają powierzchnię z wyraźnym wzorem przypominającym mroźne wzory i wykazują wydajność na poziomie 14-18%.

Zapewnienie wyższej wydajności sprawnościowej utrudniają obecne wewnątrz materiału obszary oddzielone od ogólnej struktury granicami ziaren.

Polikrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne działają przez całe 10 lat, ale w tym czasie ich wydajność nie spada. Jednakże do montażu elementów w jeden kompleks koniecznie stosuje się wytrzymałe, solidne podłoże, ponieważ arkusze są dość sztywne i wymagają mocnego, niezawodnego wsparcia.

Charakterystyka wariantów monokrystalicznych

Moduły monokrystaliczne charakteryzują się ciemnym, gęstym kolorem i składają się z całych kryształów krzemu. Ich wydajność przewyższa parametry innych elementów i wynosi 18-22% (w sprzyjających warunkach – do 25%).

Kolejną zaletą jest imponujący okres użytkowania – według producentów ponad 25 lat. Jednak przy długotrwałym użytkowaniu sprawność monokryształów spada i po 10-12 latach wydajność świetlna wynosi już nie więcej niż 13-17%.

Moduły z monokryształów są znacznie droższe niż inne rodzaje urządzeń. Produkuje się je poprzez cięcie sztucznie hodowanych kryształów krzemu.

Do budowy domowego generatora słonecznego własnoręcznie wykorzystuje się głównie płyty polikrystaliczne i monokrystaliczne o różnych wymiarach. Nabywa się je w popularnych sklepach internetowych, w tym na eBay lub AliExpress.

Ze względu na to, że ogniwa fotowoltaiczne są dość drogie, wielu dostawców oferuje klientom produkty z grupy B, czyli nadające się do pełnego użytku fragmenty z niewielką wadą. Ich cena różni się od standardowej o 40-60%, dzięki czemu montaż generatora kosztuje rozsądną kwotę, niezbyt obciążającą portfel.

Jak wykonać ramę na płyty?

Do wykonania ramy przyszłego generatora używa się wytrzymałych listew drewnianych lub kątowników aluminiowych. Wariant drewniany uważany jest za mniej praktyczny, ponieważ materiał wymaga dodatkowej obróbki, aby zapobiec późniejszemu gniciu i rozwarstwianiu.

Aby drewniana rama wytrzymała obciążenia eksploatacyjne i nie zgniła już po pierwszym deszczu, należy ją nasączyć specjalnym preparatem chroniącym drewno przed działaniem wilgoci.

Aluminium ma znacznie bardziej atrakcyjne właściwości fizyczne i dzięki swojej lekkości nie obciąża nadmiernie dachu ani innej konstrukcji nośnej, na której planuje się zamontować urządzenie.

Ponadto, dzięki powłoce antykorozyjnej metal nie rdzewieje, nie gnije, nie wchłania wilgoci i łatwo znosi działanie wszelkich agresywnych zjawisk atmosferycznych.

Aby stworzyć konstrukcję ramy z kątowników aluminiowych, najpierw określa się wymiary przyszłego panelu. W standardowej wersji na jeden blok używa się 36 ogniw fotowoltaicznych o wymiarach 81 mm x 150 mm.

Dla poprawności późniejszej eksploatacji między fragmentami pozostawia się niewielką szczelinę (około 3-5 mm). Przestrzeń ta pozwala uwzględnić zmianę podstawowych parametrów podłoża, które uległo wpływom atmosferycznym. W rezultacie całkowity wymiar elementu wynosi 83 mm x 690 mm przy szerokości narożnika ramy 35 mm.

Krzemowe płytki umieszczone w ramie z profilu aluminiowego wyglądają prawie jak produkty fabryczne. Wytrzymała i solidna rama zapewnia systemowi doskonałą szczelność oraz nadaje całej konstrukcji wysoki poziom sztywności.

Po określeniu wymiarów z narożników wycina się niezbędne fragmenty i za pomocą elementów mocujących składa się je w ramy konstrukcyjne. Na wewnętrzną powierzchnię konstrukcji nakłada się warstwę silikonowego uszczelniacza, bardzo uważnie, aby nie było przerw i pustych przestrzeni.

Od tego zależy integralność, wytrzymałość i trwałość montowanej konstrukcji. Na wierzchu układa się ochronny materiał przezroczysty (szkło z powłoką antyrefleksyjną, pleksiglas lub poliwęglan o specjalnych parametrach) i mocno mocuje się go za pomocą łączników (po 1 z krótszej i po 2 z dłuższej części ramy oraz 4 w narożnikach obudowy).

Do pracy używa się wkrętarki i wkrętów o odpowiedniej średnicy. Na koniec przezroczystą powierzchnię ostrożnie czyści się z kurzu i drobnych zanieczyszczeń.

Wybór przezroczystego elementu

Główne kryteria wyboru elementu przezroczystego do stworzenia generatora:

• zdolność do pochłaniania promieniowania podczerwonego;
• poziom załamania światła słonecznego.

Im niższy współczynnik załamania, tym wyższą wydajność wykazują płytki krzemowe. Najniższym współczynnikiem odbicia światła charakteryzują się pleksiglas i szkło akrylowe. Poliwęglan również nie ma najlepszych parametrów.

Do tworzenia konstrukcji ramowych dla domowych systemów heliofotowoltaicznych zaleca się, jeśli to możliwe, stosowanie antyrefleksyjnego szkła przezroczystego lub specjalnego rodzaju poliwęglanu z powłoką antykondensacyjną, zapewniającą odpowiedni poziom ochrony termicznej.

Najlepszymi właściwościami pod względem pochłaniania promieniowania podczerwonego charakteryzują się wytrzymałe, termoabsorbujące szkło akrylowe oraz szkło z opcją pochłaniania IR. W zwykłym szkle parametry te są znacznie niższe. Od skuteczności pochłaniania IR zależy, czy płytki krzemowe będą się nagrzewać podczas eksploatacji, czy nie.

Jeśli nagrzewanie będzie minimalne, fotoogniwa posłużą długo i zapewnią stabilną wydajność. Przegrzanie płytek doprowadzi do zakłóceń w pracy i szybkiego uszkodzenia poszczególnych fragmentów systemu lub całego kompleksu.

Montaż krzemowych ogniw fotowoltaicznych

Bezpośrednio przed montażem szyby ochronne umieszczone w aluminiowych ramach dokładnie oczyszcza się z kurzu i odtłuszcza preparatem zawierającym alkohol.

Zakupione ogniwa fotowoltaiczne układa się równomiernie na podłożu znacznikowym w odległości 3-5 milimetrów od siebie i oznacza narożniki całej konstrukcji. Następnie przystępuje się do lutowania ogniw – najważniejszego i najbardziej pracochłonnego etapu montażu generatora.

Lutowanie aktywnych elementów generatora odbywa się według schematu, w którym «+» to ścieżki po stronie zewnętrznej, a «-» to kanały znajdujące się po spodniej stronie płytki.

W celu prawidłowego połączenia styków najpierw nanosi się topnik (kwas do lutowania) i lut, a następnie przeprowadza się obróbkę w ścisłej kolejności od góry do dołu. Na końcu wszystkie rzędy łączy się ze sobą.

Następnym krokiem jest przyklejenie ogniw fotowoltaicznych. W tym celu na środek każdej płytki krzemowej wyciska się odrobinę uszczelniacza, powstałe łańcuchy ogniw odwraca się stroną zewnętrzną do góry i umieszcza się je w ścisłej zgodności z wcześniej naniesionymi oznaczeniami.

Ostrożnie rękami dociska się płytki, mocując je we właściwym miejscu. Działa się bardzo ostrożnie, starając się nie uszkodzić ani nie wygiąć materiału.

Styki ogniw fotowoltaicznych znajdujących się na krawędziach wyprowadza się na oddzielną szynę (szeroki srebrny przewodnik), jako «+» i «-». Dodatkowo zespół wyposaża się w diodę blokującą. Łącząc się ze stykami, uniemożliwia ona rozładowanie akumulatorów przez konstrukcję ramy w nocy.

W dolnej części ramy wierci się otwory wiertarką, przez które wyprowadza się przewody na zewnątrz. Aby nie zwisały, stosuje się podczas pracy silikonowy uszczelniacz.

Z krokami montażu panelu słonecznego z 60 ogniw zapozna następująca galeria zdjęć:

Połączone przez lutowanie ogniwa fotowoltaiczne należy teraz przymocować do podłoża. Można je przykleić do sklejki i przykryć szkłem. Jednak w przykładzie najpierw przykleja się je do szkła:

Aby akumulator przeznaczony do gromadzenia ładunku nie pochłaniał energii wytworzonej przez ogniwa fotowoltaiczne, jego panel słoneczny podłącza się przez diodę Schottky'ego:

Montaż mini elektrowni słonecznej, przedstawionej w przykładzie, wykonujemy zgodnie ze schematem pokazanym na zdjęciu. W podłączeniu używamy przewodu z żyłą miedzianą o przekroju co najmniej 1 mm².

Ta mini elektrownia słoneczna jest w stanie wytwarzać do 15 V. Należy pamiętać, że maksymalna wydajność będzie osiągana tylko w słoneczne, bezchmurne dni. W pochmurną pogodę urządzenie będzie generować znacznie mniej lub w ogóle nie będzie wytwarzać energii. Dlatego akumulator dobiera się tak, aby zapasu wystarczyło co najmniej na dobę.

Jak przetestować zmontowany agregat?

Przed ostatecznym uszczelnieniem zmontowanego generatora należy go obowiązkowo przetestować, aby wykryć potencjalne usterki powstałe podczas lutowania. Najrozsądniejszą opcją jest sprawdzanie każdego przelutowanego rzędu osobno. Dzięki temu od razu będzie wiadomo, gdzie styki są źle połączone i wymagane jest ponowne lutowanie.

Do przeprowadzenia testu używa się domowego amperomierza. Pomiar wykonuje się w bezchmurny, słoneczny dzień w porze obiadowej (między 13:00 a 15:00). Konstrukcję umieszcza się na podwórku i ustawia pod odpowiednim kątem nachylenia.

Domowy amperomierz pomaga zmierzyć rzeczywiste natężenie prądu. Na podstawie jego wskazań można określić poziom sprawności zmontowanego systemu solarnego oraz wykryć nieprawidłowości w kolejności łączenia krzemowych ogniw fotowoltaicznych.

Do wyprowadzonych styków baterii słonecznej podłącza się amperomierz i dokonuje pomiaru prądu zwarciowego. Jeśli przyrząd wskazuje wyniki powyżej 4,5 A, system jest całkowicie poprawny, a wszystkie połączenia są prawidłowo i dokładnie przylutowane.

Niższe dane wyświetlane na testerze wskazują na nieprawidłowości, które należy zlokalizować i ponownie przylutować. Tradycyjnie generatory słoneczne zbudowane ręcznie z ogniw fotowoltaicznych z drobną wadą (grupa B) na teście wykazują wartości od 5 do 10 Amperów.

Urządzenia produkowane fabrycznie wykazują dane o 10-20% wyższe. Wynika to z faktu, że w produkcji stosuje się płytki krzemowe grupy A, które nie mają żadnych wad strukturalnych.

Końcowy etap pracy

Jeśli test wykazał, że bateria jest w pełni sprawna, jest ona uszczelniana specjalnym silikonowym uszczelniaczem lub droższym i trwalszym związkiem epoksydowym.

Praca przewiduje dwa sposoby wykonania:

1. Całkowite zalanie – gdy całą powierzchnię pokrywa się masą uszczelniającą.
2. Częściowe pokrycie – gdy uszczelniacz nakłada się tylko na skrajne elementy i puste przestrzenie między ogniwami.

Pierwsza opcja jest uważana za bardziej niezawodną i zapewnia systemowi pełną ochronę przed działaniem czynników zewnętrznych. Ogniwa fotowoltaiczne są stabilnie zamocowane w swoich miejscach i pracują prawidłowo z maksymalną wydajnością.

Do sklejania ogniw fotowoltaicznych wewnątrz obudowy zaleca się stosowanie mrozoodpornego uszczelniacza, zdolnego wytrzymać gwałtowne zmiany temperatury i niskie ujemne wartości.

Po wykonaniu zalewania pozostawia się uszczelniacz do „związania”. Następnie przykrywa się przezroczystym elementem i mocno dociska do płyt.

W celu zapewnienia dodatkowej ochrony i amortyzacji niektórzy specjaliści zalecają umieszczenie gęstej pianki pomiędzy powierzchnią płyty krzemowej a tylną częścią ramy. Dzięki temu konstrukcja staje się bardziej jednolita i chroni delikatne ogniwa fotowoltaiczne przed nadmiernym obciążeniem.

Następnie na powierzchni umieszcza się ciężar, który naciska na warstwy i wypycha z nich pęcherzyki powietrza. Gotowy generator jest testowany ponownie i ostatecznie montowany w wcześniej przygotowanym miejscu.

Gdzie i jak umieścić generator?

Miejsce montażu generatora słonecznego wybiera się bardzo uważnie i bez pośpiechu. Płyty odbierające światło należy umieścić pod kątem, aby promienie nie „padały” na powierzchnię prostopadle, ale delikatnie „spływały” po niej.

Idealnie konstrukcję umieszcza się tak, aby w razie potrzeby można było regulować kąt nachylenia, w ten sposób „łapiąc” maksymalną ilość słońca.

Całkowicie dopuszczalne jest umieszczenie systemu solarnego z panelami słonecznymi na ziemi, ale najczęściej do instalacji wybiera się dach domu lub budynku gospodarczego, a konkretnie tę jego część, która wychodzi na najbardziej nasłonecznioną, przeważnie południową stronę działki.

Bardzo ważne jest, aby w pobliżu nie było wysokich budynków oraz dużych, rozłożystych drzew. Będąc w bezpośrednim sąsiedztwie, rzucają cień i utrudniają prawidłową pracę urządzenia.

Aby instalacje słoneczne działały efektywnie, należy utrzymywać je w czystości i porządku. Warstwa brudu na powierzchni panelu odbierającego zmniejsza wydajność o 10%, a przyklejony śnieg całkowicie wyłącza urządzenie. Dlatego regularna konserwacja jest obowiązkową procedurą i pomaga utrzymać moduły w idealnym stanie eksploatacyjnym.

Za średnio-optymalny kąt nachylenia dachu dla instalacji generatora słonecznego uznaje się 45⁰. Przy takim ustawieniu fotoogniwa bardzo efektywnie pochłaniają strumień słoneczny i dostarczają ilość energii niezbędną do prawidłowego funkcjonowania domu.

Aby uzyskać rzeczywistą wydajność paneli i zapewnić przeciętnej rodzinie odpowiednią ilość energii, trzeba będzie przeznaczyć pod generator słoneczny 15-20 m² powierzchni dachu.

Dla europejskiej części państw WNP obowiązują nieco inne wskaźniki. Profesjonaliści zalecają przyjęcie za podstawę kąta stałego nachylenia wynoszącego 50-60⁰, a w konstrukcjach ruchomych w sezonie zimowym ustawianie baterii pod kątem 70⁰ do horyzontu.

Natomiast latem należy zmieniać położenie i nachylać fotoogniwa pod kątem 30⁰.

Instalując panele generatora na trackerze wyposażonym w opcję automatycznego śledzenia słońca, można zwiększyć wydajność o 50%. Moduł samodzielnie określi intensywność promieni i będzie dostosowywał się do maksymalnego nasłonecznienia od świtu do zmierzchu.

Bezpośrednio przed montażem dach jest dodatkowo wzmacniany i wyposażany w specjalne wytrzymałe wsporniki, ponieważ nie każda konstrukcja jest w stanie utrzymać pełny ciężar urządzeń do przetwarzania energii słonecznej.

Aby solidnie i trwale zamontować generator słoneczny na dachu, warto nabyć specjalne uchwyty. Są one produkowane osobno dla każdego rodzaju pokrycia dachowego i zawsze są dostępne w sprzedaży. Podczas montażu między panelami a dachem należy pozostawić szczelinę dla swobodnego dostępu powietrza i prawidłowej wentylacji elementów pochłaniających słońce.

W niektórych przypadkach pod dachem instaluje się wzmocnione krokwie, które chronią dach przed zawaleniem, potencjalnie możliwym z powodu zwiększonego obciążenia, znacznie wzrastającego w sezonie zimowym, gdy na powierzchni dachowej gromadzi się śnieg.

Do uruchomienia systemu solarnego będą potrzebne akumulatory, inwerter oraz kontroler ładowania. O zasadach doboru urządzeń i ich włączania do obwodu dowiedzą się Państwo z polecanych przez nas artykułów.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Cechy i niuanse lutowania ogniw fotowoltaicznych do samodzielnego wykonania efektywnego generatora słonecznego w warunkach domowych. Wskazówki i porady dla majsterkowiczów, ciekawe pomysły i osobiste opracowania.

Jak prawidłowo przetestować ogniwo fotowoltaiczne i zmierzyć jego podstawowe parametry. Ta informacja przyda się przy późniejszych obliczeniach dokładnej liczby płyt potrzebnych do pełnego działania systemu.

Pełny opis krok po kroku procesu montażu panelu słonecznego do generatora w warunkach domowych. Zasady pracy, począwszy od zakupu potrzebnych elementów, a skończywszy na ogólnym teście wykonanego urządzenia.

Znając budowę generatorów słonecznych, złożenie ich w domu nie będzie stanowiło dużego trudu. Oczywiście praca będzie wymagać uwagi, staranności i skrupulatności, ale rezultat usprawiedliwi wszystkie nakłady finansowe i pracy. Gotowy agregat w pełni zapewni budynek ciepłem i energią elektryczną, tworząc dla mieszkańców niezbędny poziom komfortu.

Nie warto od razu zabierać się za duży projekt. Na początek warto spróbować swoich sił przy montażu małego agregatu, a następnie, w pełni opanowawszy wszystkie niuanse procesu, przystąpić do budowy bardziej wydajnej i większej instalacji.

A jaki sposób budowy mini-elektrowni wybrali Państwo do zagospodarowania działki letniskowej? Proszę pisać komentarze, dzielić się przydatnymi informacjami i zdjęciami na temat artykułu w bloku poniżej. Zadawać pytania dotyczące spornych lub niejasnych kwestii.