Солнечный элемент своими руками: Как делают солнечные элементы

Содержание

Как делают солнечные элементы

При выборе модуля часто задается вопрос: какая солнечная батарея лучше – монокристаллическая или поликристаллическая, а может аморфная? Ведь они самые распространенные в наш век. Чтобы найти ответ, было проведено множество исследований. Рассмотрим, что же показали результаты.

***КПД и срок службы
Монокристаллические элементы имеют КПД около 17-22%, сроки их службы не менее 25 лет. Эффективность поликристаллических может достигать 12-18%, служат они тоже не менее 25 лет. КПД аморфных составляет 6-8% и снижается гораздо быстрее кристаллических, работают они не более 10 лет.

***Температурный коэффициент
В реальных условиях использования солнечные батареи нагревается, что приводит к снижению номинальной мощности на 15-25%. Средний температурный коэффициент для поли и моно составляет -0,45%, аморфного -0,19%. Это значит, что при повышении температуры на 1°C от стандартных условий кристаллические батареи будут менее производительными, чем аморфные.

***Потеря эффективности

Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора. Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. Содержанием водорода обусловлена его более быстрая деградация. Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.

***Стоимость
Тут превосходство полностью на стороне аморфных модулей – их цена ниже, чем кристаллических, из-за более дешевого производства. Второе место занимают поли, моно же самые дорогие.

***Размеры и площадь установки
Монокристаллические батареи более компактны. Для создания массива требуемой мощностью понадобится меньшее количество панелей по сравнению с другими видами. Так что при установке они займут немного меньше места. Но прогресс не стоит на месте, и по соотношению мощность/площадь поликристаллические модули уже догоняют моно. Аморфные же пока отстают от них – для их установки понадобится в 2,5 раза больше места.

***Светочувствительность
Здесь лидируют аморфно-кремниевые модули. У них лучший коэффициент преобразования солнечной энергии из-за водорода в составе элемента. Поэтому они, по сравнению с кристаллическими, в условиях слабой освещенности работают эффективнее. Моно и поли, при плохом освещении работают примерно одинаково – значительно реагируют на изменение интенсивности света.

***Годовая выработка
В результате тестирования модулей разных производителей было установлено, что монокристаллические за год вырабатывают больше электроэнергии, чем поликристаллические. А те в свою очередь производительнее, чем аморфные, несмотря на то, что последние вырабатывают энергию и при слабой освещенности.

Можно сделать вывод, что солнечные батареи моно и поли имеют небольшие, но важные различия. Хотя mono все-таки эффективнее и отдача от них больше, но poly все равно будут пользоваться большей популярностью. Правда, это зависит от качества продукции. Тем не менее, большинство крупных солнечных электростанций собраны на базе полимодулей. Связано это с тем, что инвесторы смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальную эффективность и долговечность.

Теперь об аморфных батареях. Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.

Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстрее деградируют – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.

Солнечные элементы 52х39мм 0.37W | solbatcompany.ru

ВНИМАНИЕ!!! 

Минимальное количество отправляемых солнечных элементов 10 штук одного размера

=======================================================

Солнечные элементы для сборки солнечной батареи 52х39мм 0.37W — солнечные фотоэлементы из поликристаллического кремния для сборки своими руками солнечной батареи, ток до 0.74 ампера, напряжение 1 элемента 0.5 вольт, размер элемента 52х39 миллиметров, эффективность 17.4%.

=======================================================

Характеристики солнечного элемента из поликристаллического кремния 

52х39мм 0.37W:

Размер одного солнечного фотоэлемента составляет 52 х 39 мм

Средняя мощность (Ватт) ): 0.37 Wp

Средний ток (А): 0.74 Imax

Среднее напряжение (В): 0.5 Vmax

Эффективность преобразования солнечного элемента, КПД: 17.4%

Один элемент имеет среднюю мощность 0.37W рабочее напряжение – 0.54В при нагрузке до 0.74А.

=======================================================

Описание солнечного элемента из поликристаллического кремния 52х39мм 0.37W

Солнечные элементы из поликристаллического кремния 52 х 39 мм 0.37 W предназначены для сборки солнечных батарей своими руками в домашних условиях.

Солнечные батареи собранные из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, правда, с некоторым уменьшением мощности.

Немного теории

   Что такое солнечный элемент?

Солнечный элемент это одна единица, одна ячейка, одна клетка, который способен самостоятельно выдать хоть и маленькое – порядка 0.5 вольт, но всё таки напряжение не зависимо от своих размеров. А вот выходной ток или мощность одного солнечного элемента очень сильно зависит от его размеров.

   Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея это некоторое количество солнечных элементов соединенных последовательно при помощи специальной шинки (плоская полоска медной фольги).

От количества этих солнечных элементов соединенных последовательно и зависит напряжение на выходе солнечной батареи.

Количество солнечных ячеек соединенных последовательно в одной солнечной батарее может быть абсолютно любым.

Для увеличения выходного тока или мощности одной солнечной батареи эти цепочки солнечных фотоэлементов, соединенных последовательно, соединяют параллельно.

И так — выходной ток или мощность одной солнечной батареи зависит и от размеров самих солнечных элементов и от количества параллельно включённых цепочек.

А сами солнечные батареи, в свою очередь, можно собрать в солнечные модули.

Из солнечных элементов 52х39мм 0.37W поликристаллического кремния можно в домашних условиях собрать портативную солнечную батарею, практически, неограниченной мощности.

Изготовление солнечной батареи в домашних условиях по силам практически любому радиолюбителю, «кулибину», или человеку который любит мастерить всё своими руками.

И по финансовым затратам солнечная батарея собранная своими руками на порядок дешевле промышленной солнечной батареи.

К тому же при проектировании, расчёте и сборке солнечной батареи можно учесть все технические нюансы и личные потребности, в любом конкретном случае.

Для самостоятельной сборки солнечной батареи мы так же предлагаем аксессуары для изготовления солнечных батарей:

луженая медная шина для пайки 1.8 мм

флюс-карандаш для пайки

=======================================================

Применение солнечного элемента из поликристаллического кремния 52х39мм 0.37W

Из 3 солнечных фотоэлементов 52х39мм 0.37W, при последовательном соединении, Вы сможете собрать мини солнечную батарею, напряжением 1.5 вольта при нагрузке до 0.74A (1.11W).

Это позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 1.2В (типа AA и AAA) – средним током 0.74 ампера.

Из 12 солнечных элементов 52х39мм можно собрать солнечную батарею 3.7W (5V — 0.74A) – которая подходит для освещения, электропитания и зарядки различных устройств с рабочим напряжение 5В — любое портативное устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы через USB-порт.

Питание и зарядка любого мобильного устройства, сотовые телефоны и КПК, фото и видео камеры, MP3 и MP4 плееры, GPS-навигаторы, игровые консоли типа SONY PSP, совместим с большинством сотовых телефонов, а также iPhone, Ipad и другими продуктами Apple, зарядка всех типов аккумуляторов AA, AAA, Li-Ion, Li-Pol с помощью зарядного устройства (приобретается отдельно).

Из 36 ячеек фотоэлементов можно собрать солнечную батарею 13.32 W (18V — 0.74A), что позволяет подключать любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы от автомобильного прикуривателя 12 вольт. А так же позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 12 вольт, средним током до 0.4 ампера.
Собранные таким образом солнечной батареи сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, с некоторым уменьшением мощности.

============================================================

У нас вы всегда можете купить или заказать

  • Фотоэлементы, солнечные элементы любых размеров и мощности
  • Солнечные батареи, солнечные панели водонепроницаемые, ударопрочные
  • Широкий ассортимент аксессуаров для самостоятельной сборки солнечных батарей
  • Измерительные, диагностические цифровые приборы
  • Мобильные зарядные устройства от батареек или аккумуляторов
  • Мобильные источники питания на солнечных батареях
  • Аккумуляторы Ni-MH, LI-PO и LI-ION 
  • Преобразователи напряжения – 12/24В- 220 вольт – инверторы
  • Повышающие, понижающие, стабилизированные, преобразователи напряжения
  • Светодиоды, светодиодное освещение, светодиодное оборудование
  • Электронные гаджеты на солнечных батареях
  • Светодиодное освещение для автомобиля

 

У нас выгодно покупать, потому что:

Индивидуальный подход к каждому клиенту
Предусмотрена гибкая система скидок
Техническая поддержка наших клиентов
Бесплатные консультации по телефону

Будем рады ответить на Ваши вопросы, в любой день, кроме субботы, с 9 до 21 часов

Солнечна батарея своими руками. Инструкция по применению

Солнечная электроэнергия в нынешнее время — это вполне реальное явление. Этот способ интересовал людей очень давно, но стал широкодоступен совсем недавно. Солнечная батарея для дома своими руками легка в изготовление. Она относительно недорога и обойдётся рядовому человеку в пределе трехсот-четырехсот долларов. Как сделать солнечную батарею своими руками? — довольно распространенный вопрос, ответ на который вы найдете в написанном ниже материале.

Солнечная батарея, что это такое?

Устройство солнечной батареи очень простое. Основная составляющая — фотоэлементы, превращающие излучение солнца в пригодную для использования электроэнергию. Все генераторы располагаются в одном корпусе, что позволяет защитить их от воздействия погодных условий и повреждений механического характера.

Принцип работы

Чтобы понять, как сделать солнечную батарею своими руками, необходимо знать, как она работает. Ее основные составляющие следующие:

  1. Солнечная батарея. Основная задача — деление получаемой энергии на частицы с «+» и «-» зарядом, таким образом, образуется электроэнергия. Недостаток элемента — небольшая производимость, не превышающая 0,5 вольт. Соответственно, чтобы получить желаемые 220 вольт понадобятся конструкции внушительных размеров. Хотя, средняя по размерам батарея с легкостью способна создать напряжение в 18 вольт, которого вполне хватит для подзарядки входящего в состав аккумулятора мощностью 12 вольт.
  2. Аккумуляторные батареи. Конструкция солнечных батарей одновременно используют несколько таких блоков, каждый из которых состоит из десяти и более аккумуляторов. Это объясняется тем, что одна 12 вольтная батарея не способна электрифицировать весь дом, а вот их группа, это уже совсем другой разговор. Несомненно, все будет завысить от общего количества необходимой энергии. По надобности вы сможете увеличивать или уменьшать выдаваемую вашей станцией мощность, что естественно потребует изменения количества солнечных элементов.
  3. Преобразователь (инвертор) — устройство преобразовывающее ток с низким напряжением в электроэнергию с высоким напряжением. Его можно приобрести практически в любом специфическом магазине по относительно невысокой цене.

Особенности солнечной батареи

Солнечная панель — конструкция, дающая электроэнергию, получая ее путем преобразования солнечных лучей. Эти системы отвечают за бесперебойное, надежное и экономичное энергообеспечение дома. Их установка особо актуальна в тех местах, где довольно часто возникают перебои в подаче электроэнергии, а также в труднодоступных для подъезда транспортом местах.

Данное устройство практично и экономно. Солнечная батарея своими руками из подручных материалов позволит значительно сэкономить на оплате «за свет» и оптимизировать электрозатраты дома.

Каскад солнечных батарей

Преимущества и недостатки солнечной батареи

Несомненно, такое устройство и его установка имеют ряд преимуществ и недостатков. Рассмотрим их более подробно.

Преимущества:

  1. Отсутствие большого количества кабелей и простота установки.
  2. Довольно дешевое и быстрое обслуживание.
  3. Отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу.
  4. Не большой вес.
  5. Большой срок эксплуатации.
  6. Отсутствие зависимости от электросети.
  7. Бесшумность работы.
  8. Отсутствие подвижных частей конструкции.

Несмотря на большое количество плюсов, все же можно выделить некоторые минусы. К основным недостаткам относятся:

  1. Довольно трудоемкий и длительный процесс изготовления.
  2. Чувствительность к загрязнению.
  3. Работа только в дневное время.
  4. Зависимость от погодных условий.
  5. Работа только в светлое время суток.

Выбор составляющих для изготовления солнечной батареи

Изготовление солнечной батареи своими руками довольно легкий, но в тоже время трудоемкий процесс, требующий некоторых знаний. Прежде всего, необходимо рассчитать количество и мощностные показатели комплектующих.

Солнечная батарея своими руками довольно универсальна и состоит из ряда компонентов. Ее основной элемент — фотоэлементы, изготовленные из кремния. Они имеют неплохие химические и физические свойства. Наиболее выгодные и надежные варианты приобретения необходимых элементов — закупка товара в интернете. Там они всегда есть в нужном количестве и стоят намного дешевле, нежели где-либо еще. Кроме этого, большинство продавцов предлагают своим клиентам готовые комплекты, которые укомплектованы всем необходимым для сборки системы.

Во избежание любых недоразумений, выбирая и приобретая фотоэлектрические панели, специалисты советуют прислушиваться к следующим советам:

  1. Для того, чтобы ваша солнечная батарея могла подзаряжать аккумулятор мощностью 12 вольт, необходимо приобрести минимум тридцать шесть элементов, каждый из которых воспроизводит напряжение в 0,5 вольт.
  2. Делая выбор фотоэлементов, нужно обращать внимание на уровень энергопотребления и применять при изготовлении модуля фотоэлементы с одинаковыми показателями. Также настоятельно рекомендуется использовать в одном модуле запчасти одного и того же производителя, а не устанавливать то, что дешевле.
  3. Для уменьшения вероятности выхода фотоэлемента со строя, настоятельно рекомендуется использовать изделия с напаянными проводниками.

Кроме того, при приобретение необходимых элементов, следует подумать не только о внутренних комплектующих, но и о каркасе. Материалом для каркаса может послужить:

  1. Стальные уголки.
  2. Оргстекло.
  3. Поликарбонат.
  4. Брусок из дерева.
  5. Листы ДВП.

Параметры батареи

Освещение от солнечных батарей своими руками, а точнее их установка — дело посильное. Для получения максимальной полезности такой батареи, следует учитывать ее характеристики и функциональные особенности. Основные требования следующие:

  1. Первым делом рекомендуется производить сборку каркаса, а уже потом собирать само изделие. Это объясняется очень высокой хрупкостью оборудования.
  2. Размер панели выбирается от функциональной загруженности, но стоит помнить, что чем больше коробка, тем больше элементов необходимо в ней разместить.
  3. Бортики корпуса батареи должны быть минимальны по высоте, дабы их тень не падала на солнце поглощающие элементы.
  4. В связи с тем, что строение будет постоянно поддаваться воздействию атмосферы, его корпус необходимо обработать краской стойкой к влажности.
  5. Перед укладкой фотоэлементов по всему периметру корпуса размещается подложка.

Как сделать солнечную батарею своими руками?

Солнечная батарея своими руками из подручных средств, реально ли это? Да, это вполне реально. Как сделать солнечную батарею? Такое довольно популярное среди населения строение потребует приобретения специальных улавливающих лучи солнца элементов. Их покупка в новом состоянии довольно дорога, проще купить готовую батарею и не морочить себе голову. Поэтому рекомендуется приобретать данные элементы уже бывшие в использовании, возможно немного поврежденные, но еще пригодные к работе.

Составные элементы будущей солнечной батареи

Важно! Покупайте пару запасных улавливателей, чтобы в случае неработоспособности какого-то из них вы смогли его выкинуть из цепи и установить другой. Храните их в труднодоступном месте, куда никто не доберётся и не повредит их.

Процесс изготовления

Рассчитываем необходимые размеры и изготавливаем дно корпуса.

  1. По всему периметру полученного листа набиваем брус толщиной 2-2,5 см, который будет осуществлять роль бортов.
  2. По все длине брусков с междуосевым расстоянием в 20 см сверлятся отверстия d=10 мм, которые будут предотвращать перегрев системы, и через которые будет производиться вентиляция.
  3. Укладываем подстилку, на которую в дальнейшем будут укладываться солнечные элементы. Для этой цели используется вырезанная четко по размерам плита ДВП.
  4. Подстилка оснащается отверстиями небольшого диаметра, расположенными друг от друга на расстоянии равным 4-5 см.
  5. Изготавливаем крышку: берем оргстекло, отрезаем его строго по необходимым размерам и крепим к корпусу, используя для этого саморезы.
  6. Получившийся корпус покрываем двумя слоями краски и даем высохнуть.
  7. Достаем элементы батареи и бережно выкладываем их на подложку, после чего проводим их соединение.

    Соединяем элементы солнечной батареи

  8. После соединения и переворачивания всех рядок производим их прикрепление к подложке путём нанесения силикона.
  9. Проверяем работоспособность конструкции. Берем измерительный прибор и проверяем напряжение.
  10. Если получение напряжения соответствует норме, то впаиваем в систему небольшой диод, назначение которого — предотвращение разрядки аккумулятора.
  11. Выводим все провода и проводим крепление крышки.

Важно! Выполняя спайку, будьте очень внимательны. Соединяйте элементы по частям, так, как при соединении сразу всех элементов, в конечном итоге вы не сможете перевернуть их или же попросту повредите соединение. Лучше всего производить соединение по рядам, а уже потом собирать все в кучу.

После выполнения всего вышесказанного строительство солнечной батареи можно считать завершенным. Да, после ввода ее в эксплуатацию необходимо некий промежуток времени понаблюдать за тем, может ли она подзаряжать аккумулятор, так, как довольно часто в результате повреждения при сборке подзарядка не осуществляется. Бывают случаи, что аккумуляторы для солнечных батарей своими руками повреждены. В любом случае необходимо еще раз внимательно проверить все соединения и устранить неисправность. Далее проводим герметизацию всех отверстий стыков соединений.

Важно! Герметизация вентиляционных отверстий не проводится.

Теперь вы знаете, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Далее нужно выбрать подходящее для установки место. Само собой, оно должно быть хорошо освещённым и большую часть времени находиться под лучами солнца. Если же вы решите разместить ее на крыше, то, скорее всего, нужно будет установить дополнительные опоры, которые будут поддерживать сооружение.

Чем больше площадь солнечной батареи — тем меньше затраты на отопление

Выводы

Теперь вы знаете, что солнечная батарея для частного дома своими руками довольно проста в возведении. Существует несколько рекомендаций, которых следует придерживаться при ее построении:

  1. Длина проводника, который соединяет солнечные ячейки в единую целую систему, должна быть такая же, как и длина элементов, не больше. При этом берётся во внимание размер каждого отдельно взятого фрагмента.
  2. Количество наносимого для спайки олова должно быть минимально, так, как оно очень долго и плохо греется, что будет требовать довольно сильного нажатия карандаша паяльника на пластину.
  3. Изначально изготавливайте корпус для батареи, а уже потом вставляйте ячейки с проводниками. Это позволит значительно снизить риск получения каких-либо повреждений.

Теперь вы знаете, как сделать дома солнечную батарею, надеемся, данная статья была вам полезной.

Вас могут заинтересовать:

Самодельная солнечная батарея из подручных материалов

Ни для кого не секрет, что солнечная энергетика набирает обороты с каждым днем. Одна проблема: из-за высокой стоимости модулей позволить себе пользоваться дарами солнца может не каждый, вот и выкручиваются умельцы как могут. Кто-то заказывает фотоэлементы через интернет-магазины и уже из них паяет солнечные панели, некоторые изготавливают батареи из светодиодов и транзисторов, а кому-то в голову приходят более интересные идеи, не требующие больших финансовых вложений.

Ведь мало, кто задумывается, что для того, чтобы солнце работало для Вас и Вашего дома, не нужно устанавливать дорогостоящую солнечную систему, нужно только внимательно посмотреть вокруг себя. Порой, самые обычные вещи, которые уже давно можно сдать в утиль, могут принести немалую помощь и сэкономить Вам кучу денег. Минимум финансовых затрат, немного усилий, и Ваши приборы начинают потреблять бесплатную энергию.

Тепло от алюминиевых банок

Вряд ли найдется хотя бы один человек, который никогда не пил из алюминиевых банок. И чаще всего мы их просто выкидываем, а ведь они могут стать отличным исходным материалом при изготовлении солнечной батареи для дома. Да, да, не удивляйтесь, это не выдумка, а вполне проверенный факт. Единственное уточнение, из алюминиевых банок вы сможете смастерить не батарею, а коллектор, то есть на выходе Вы получите не электрическую энергию, а тепловую, например, для обогрева дома, что тоже очень даже неплохо.

Делается подобная солнечная батарея очень просто. Все, что Вам понадобится это некоторое количество банок, рама и материал для остекления коллектора. Из деревянных брусков или картона собирается рама, которая заполняется банками. Для увеличения количества поглощенного тепла раму и банки рекомендуется покрасить в черный цвет. Сверху полученная конструкция накрывается стеклом, гофрированным поликарбонатом или пластиком. У каждого из этих материалов есть и плюсы, и минусы. Стекло является самым дорогим и хрупким, главный недостаток поликарбоната – небольшая ширина листа, всего 60 см, а пластик прослужит Вам не больше 3-х лет. Но при этом все они справляются с повышенными температурами и хорошо пропускают солнечный свет.

Каким бы странным Вам не казался этот метод изготовления батареи (коллектора) из алюминиевых банок, практика показывает, что он вполне действенный. При размещении на южной стороне дома такая самодельная батарея хорошо нагревается и может служить эффективным обогревательным прибором. А с ее сборкой справится и школьник.

Подробности изготовления солнечной панели из банок на видео:

Транзисторы – генераторы электричества

Самодельная солнечная батарея, которая на выходе будет генерировать не тепловую энергию (как в предыдущем разделе), а электрическую может быть собрана из обычных транзисторов. Конечно, для энергообеспечения всего дома такая самодельная батарея не подойдет, но запитать небольшие приборы или подзарядить мобильный телефон Вы точно сможете. Чем больше транзисторов Вы используете, тем более мощная солнечная батарея у Вас получится, это нужно учитывать.

Первое с чего нужно начать, это аккуратно спилить верхнюю часть элемента, чтобы солнечный свет беспрепятственно попадал на p-n переходы. Если Вы используете транзисторы типа П, необходимо высыпать порошок из его внутренней части. После этих приготовлений переходим непосредственно к процессу сборки. Последовательное соединение элементов используется для повышения напряжения, а параллельное – силы тока. В качестве подложки рекомендуется использовать текстолит или органическое стекло. Чтобы не повредить кристалл транзистора, паять выводы, подходящие к нему, лучше не стоит. Один транзистор обеспечивает силу тока от 0,1 до 3 мА, а блок, состоящий из 4-х транзисторов, – от 10 до 15 мА.

Светодиоды – свет во все дома

Самодельная солнечная панель из светодиодов – явление не новое, вот только изготовить ее можно лишь в качестве эксперимента, ведь, как показывает практика, вырабатываемое ею напряжение слишком мало, чтобы от него был толк. Более подробно о батареях из светодиодов мы уже писали в одной из предыдущих статей «Мастерим солнечную батарею из диодов», поэтому сильно углубляться в эту тему не будем. Заметим только, что для подобной панели подойдут светодиоды любого размера и цвета, но в зависимости от цвета светодиодов будет зависеть их светопропускная способность.

Значение пикового напряжения 1 светодиода равняется в среднем 2,5 В. Для увеличения выходных параметров элементы соединяются последовательно/параллельно, но для того, чтобы получить хорошие показатели количество светодиодов должно быть неограниченно большое. Одно уточнение: подобная батарея очень чувствительна к углу наклона относительно солнца, даже небольшое отклонение от прямого попадания лучей может снизить напряжение на выходе.

Фольга для батареи – в чем плюс?

Как мы выяснили из предыдущих разделов статьи, самодельная солнечная батарея может делаться из различных материалов, причем некоторые из них улучшают эффективность ее работы. Так, например, использование фольги для подложки позволяет увеличить отражающую способность. Один из вариантов – изготовление солнечного коллектора из самого простого шланга для полива, деревянной рамы и фольги. Подводим к шлангу 2 трубки, и солнечный водонагреватель для дачного дома готов.

Также фольгу можно использовать и при установке панелей, размещая их на поверхность фольги, Вы уменьшаете риск перегрева батареи, что способствует улучшению их эксплуатации и увеличению срока работоспособности. Напоследок один совет: не бойтесь экспериментировать, ведь когда-то те вещи, без которых сегодня мы не представляем своей жизни, людям казались фантастикой. Лишь эксперименты двигают науку вперед. И кто знает, может, Вы придумаете новый способ изготовления солнечной батареи своими руками.

 

Статью подготовила Абдуллина Регина

Диоды для солнечной панели: подробности на видео:

Восстановление солнечных элементов от садовых фонарей — Секрет Мастера

Автор Master На чтение 3 мин. Просмотров 173 Опубликовано

Показан пример удачного ремонта своими руками поврежденных коррозией солнечных элементов садовых фонарей. Секрет Мастера благодарит автора Cosmogor за предоставленные инструкции и подробный мастер класс восстановления солнечной батареи.

Как сделать ремонт солнечной батареи своими руками

Солнечный фонарь

Были приобретены дешёвые садовые фонари на солнечных элементах. Приобретено сразу двадцать штук. Целое лето они стояли в саду и в ночное время радовали глаз. Но к концу лета часть фонарей перестала работать. На следующий год история повторилась. К концу сезона все фонари перестали работать. Это ОБИДНО!

Причины поломок светильников

Разбор светильников выявил причину поломок. Крепление солнечного элемента негерметично. Вода легко проникала в корпус фонаря и вызывала электрокоррозию. И…  быструю смерть электроники. В некоторых фонарях после разборки наблюдалась очень печальная картина. На платах все дорожки  исчезли или окислились до порошка. Схемы были фактически уничтожены. Даже у светодиодов ножки съедены коррозией. (Автор подтверждает такую проблему. В благополучном по экологии районе подобная картина была замечена в разрушении электроники светильников через 6 — 8 лет при отсутствии протечек воды)

Выкинуть светильники конечно просто. Но настоящий мастер попытается своими руками восстановить то, что можно использовать в дальнейших поделках. Самое ценное в садовом фонаре это солнечная батарея.

При разборке ни одна солнечная батарея не была рабочей. Коррозия не щадила металл. На фото хорошо видно как съедено коррозией металлической покрытие у положительного электрода. На одном элементе коррозия съела и электроды!

Съеденная коррозией металлизацияСъеденный коррозией электрод

Восстанавливаем солнечные элементы

Аккуратно разбираем фонарь. Главное не оторвать металлические электроды  припаянные к солнечному элементу.

Но как же можно припаять провод к стеклу с которого слетел электрод?

Приступим к восстановлению солнечного элемента.

  1. Для ремонта необходимо приобрести токопроводящий клей, например такой, как на фото.

    Токопроводящий клей

  2. Отпаиваем провода от электродов, если таковы ещё остались.

    Отпаиваем проводники

  3. Зачищаем от краски, лака, если есть плёнка, то убираем её тоже. Ширина зачистки несколько миллиметров в том месте где были провода припаяны.

    Зачищаем повреждения

  4. Обезжириваем поверхность.
  5. Клеем восстанавливаем съеденный коррозией электрод. Наносим на зачищенное место клей. Даём клею высохнуть.

    Наносим токопроводящий клей

  6. Прислоняем провод к месту нанесения клея и капаем припой, буквально чуть-чуть и не более. В этом состоянии провода ещё слабо держатся на элементе, при малейшем рывке провод оторвется. Провод закрепляем на стекле термоклеем.

    Присоединяем проводник

В принципе на этом шаге восстановление солнечного элемента своими руками и заканчивается.

Присоединяем проводникЗакрепляем проводник термоклеемОтремонтированный солнечный элемент

Итоги ремонта

Из двадцати солнечных элементов удалось восстановить девятнадцать штук, это хороший процент. В солнечный день каждый элемент дает напряжение 2…2.5 вольт при токе в десятки миллиампер, что вполне достаточно для построения питания от солнечной энергии различных поделок или изготовления солнечного зарядного устройства.

Материал для публикации любезно предоставил автор Cosmogor. Спасибо Cosmogor!

Смотрите интересные поделки на солнечных батареях

Солнечная батарея из транзисторов | Каталог самоделок

Старые мощные транзисторы в металлическом корпусе сейчас фактически нигде не применяются. Имея большие размеры, они устарели, поэтому их можно купить за копейки или получить даром. У того, кто увлекается электроникой, они точно лежат в какой-нибудь банке. Почему бы из них не сделать дармовой источник энергии?

Ради эксперимента будет интересно собрать солнечную батарею для калькулятора. На деле батарея из 10 элементов КТ819ГМ или 2N3055 для маленького калькулятора слишком габаритна. Никто не будет её таскать вместе с портативным калькулятором.

Вполне рационально транзисторной батареей запитать настольные электронные часы, радиоприёмник или установленный «жучок». Многие успешно применяют зарядные устройства от солнца для Li-ion аккумуляторов. Для зарядки одного аккумулятора достаточно четырех КТ801Б.

Опытные радиомастера скажут: солнечные батареи из транзисторов неудобны, они габаритны, а эффективность их низка. Так и есть: в каждом транзисторе используется лишь маленький пятачок полупроводника, а металлический корпус лишь площадь занимает. Но альтернативный источник энергии всё-таки стоит собрать, чтобы не валялись без дела старые радиодетали.

Подбор элементной базы

Для работы солнечного элемента нужен открытый p-n переход. Это рабочая область транзисторов и диодов. Старые радиодетали имеют больший кристалл полупроводника, поэтому работать как фотоэлементы они будут лучше. Разница существенна: один КТ801 1972 года выпуска выдает около 1,1 мА в режиме фотогенерации; выпущенные с 1973 по 1980 год — 0,9 мА, последних годов производства — всего 0,13 мА. Предпочтительно отыскать полупроводниковые детали, произведенные 30–40 лет назад.

Часто для постройки солнечных батарей используются детали серий КТ803…805 из-за своей распространенности. Их легко найти и разобрать.

Выше чем у других напряжение дают германиевые приборы П213…217, П306, а также кремниевые КТ819ГМ, 2N3055.

С транзистора срезается крышка. Заметьте аккуратно, дабы не расколоть полупроводниковый кристалл, сваренный с основанием, и от которого выведены тонкие проводки до внешних ножек. Полупроводниковый прибор захватываем за ободок тисками и вскрываем ручной ножовкой или электрической шлифмашиной.

У элемента КТ801 металлическая крышка снимается легко — нужно лишь сдавить её плоскогубцами.

Из приборов П210…217 потребуется высыпать порошок-наполнитель. Затем важно хорошо продуть кристалл.

Проверка элементов

Подготовленные для солнечной батареи фотоэлементы необходимо проверить на солнце. Понадобиться для этого самый простой мультиметр. Для измерения напряжения прибор ставьте на предел 1 В и подключайте между базой-коллектором, базой-эмиттером. Измеряя ток, ставьте предел 1 мА, редко потребуется больше.

  • КТ801 дает напряжение 0,53 В, ток 0,13–1,1 мА.
  • 2N3055 (полный аналог КТ819ГМ) вырабатывает 0,35 В, ток 0,09–0,26 мА.

Желательно успешно прошедшие тест транзисторы рассортировать по напряжению.

Сборка батареи

Навесным монтажом транзисторы соединять легко и быстро. Закрепить их можно на любой пластине, печатная плата не нужна. При коротком замыкании какой-то элемент не сгорит, а просто исключится из работы. В пластике сверлим отверстия для выводов.

Для повышения напряжения транзисторы соединяют последовательно. Ток можно увеличить параллельным соединением.

От последовательно соединенных пяти КТ819ГМ можно получить 1,5 В.

Солнечные элементы должны охлаждаться, поскольку при нагреве их эффективность падает. Не монтируйте их плотно на пластине, а сделайте промежутки для естественной вентиляции.

Солнечные батареи своими руками. Расчет и выбор солнечных элементов

Разновидности солнечных батарей. На что обращать внимание, вычисляя рабочие параметры солнечной электростанции – опыт пользователей FORUMHOUSE.

Солнечные батареи редко рассматриваются в качестве единственного источника электроэнергии, тем не менее, целесообразность в их установке есть. Так, в безоблачную погоду правильно рассчитанная автономная система сможет обеспечивать электроэнергией подключенные к ней электроприборы практически круглые сутки. Впрочем, грамотно скомплектованные солнечные панели, аккумуляторы и вспомогательные устройства даже в пасмурный зимний день позволят значительно снизить затраты на оплату электроэнергии по счетчику.


BOB691774Пользователь FORUMHOUSE

Использую солнечные панели из элементов уже 2-й год. Был вынужден, так как в кооперативе, где мой гараж, очень надолго отключили свет. Собрал 2 шт. по 60 Ватт, контроллер купил и инвертер на 1500 Вт. Полная независимость просто окрыляет. И свет есть, и работа ручным инструментом доставляет удовольствие.

Правильная организация автономных систем электроснабжения на основе солнечных батарей – это целая наука, но, опираясь на опыт пользователей нашего портала, мы можем рассмотреть общие принципы их создания.

Что такое солнечная батарея

Солнечная батарея (СБ) представляет собой несколько фотоэлектрических модулей, объединенных в одно устройство с помощью электрических проводников.

И если батарея состоит из модулей (которые еще называют панелями), то каждый модуль сформирован из нескольких солнечных элементов (которые называют ячейками). Солнечная ячейка является ключевым элементом, который находится в основе батарей и целых гелиоустановок.

На фото представлены солнечные ячейки различных форматов.

А вот фотоэлектрическая панель в сборе.

На практике фотоэлектрические элементы используются в комплекте с дополнительным оборудованием, которое служит для преобразования тока, для его аккумуляции и последующего распределения между потребителями. В комплект домашней солнечной электростанции входят следующие устройства:

  • Фотоэлектрические панели – основной элемент системы, генерирующий электричество при попадании на него солнечного света.
  • Аккумуляторная батарея – накопитель электроэнергии, позволяющий обеспечивать потребителей альтернативным электричеством даже в те часы, когда СБ его не вырабатывают (например, ночью).
  • Контроллер – устройство, отвечающее за своевременную подзарядку аккумуляторных батарей, одновременно защищающее аккумуляторы от перезарядки и глубокого разряда.
  • Инвертор – преобразователь электрической энергии, позволяющий получать на выходе переменный ток с требуемой частотой и напряжением.
  • Схематично система электроснабжения, работающая от солнечных батарей, выглядит следующим образом.

    Схема довольно проста, но для того, чтобы она эффективно работала, необходимо правильно рассчитать рабочие параметры всех задействованных в ней устройств.

    Расчет фотоэлектрических панелей

    Первое, что необходимо знать, собираясь рассчитывать конструкцию фотоэлектрических преобразователей (панелей ФЭП), это количество электроэнергии, которое будет потреблять оборудование, подключенное к солнечным батареям. Просуммировав номинальную мощность будущих потребителей солнечной энергии, которая измеряется в Ваттах (Вт или кВт), можно вывести среднемесячную норму потребления электроэнергии – Вт*ч (кВт*ч). А требуемая мощность солнечной батареи (Вт) будет определяться, исходя из полученного значения.

    Вычисляя суммарную потребляемую мощность, следует учитывать не только номинал электроприборов, но и среднесуточное время работы каждого устройства.

    Для примера рассмотрим перечень электрооборудования, которое сможет обеспечивать энергией небольшая солнечная электростанция мощностью 250 Вт.

    Таблица взята с сайта одного из производителей солнечных панелей.

    Налицо несоответствие между суточным потреблением электроэнергии – 950 Вт*ч (0,95 кВт*ч) и значением мощности солнечной батареи – 250 Вт, которая при непрерывной работе должна генерировать в сутки 6 кВт*ч электроэнергии (что намного больше обозначенных потребностей). Но раз уж мы говорим именно о солнечных панелях, то следует помнить, что свою паспортную мощность эти устройства способны развивать только в светлое время суток (примерно с 9-ти до 16-ти часов), да и то в ясный день. В пасмурную погоду выработка электроэнергии также заметно падает. А утром и вечером объем электроэнергии, вырабатываемой батареей, не превышает 20–30% от среднесуточных показателей. К тому же, номинальная мощность может быть получена с каждой ячейки только при наличии оптимальных для этого условий.


    tran13Пользователь FORUMHOUSE

    Почему номинал батареи 60 Вт, а она выдает 30? Значение 60 Вт производители ячеек фиксируют при инсоляции в 1000Вт/м² и температуре батареи – 25 градусов. Таких условий на земле, а тем более в средней полосе России, нет.

    Все это учитывается, когда в конструкцию солнечных панелей закладывается определенный запас мощности.

    Теперь поговорим о том, откуда взялся показатель мощности – 250 кВт. Указанный параметр учитывает все поправки на неравномерность солнечного излучения и представляет собой усредненные данные, основанные на практических экспериментах. А именно: измерение мощности при различных условиях эксплуатации батарей и вычисление ее среднесуточного значения.


    Leo2Пользователь FORUMHOUSE

    Когда узнаете объем потребления, выбирайте фотоэлектрические элементы, исходя из требуемой мощности модулей: каждые 100Вт модулей вырабатывают 400-500 Вт*ч в сутки.

    Идем дальше: зная среднесуточные потребности в электричестве, можно рассчитать требуемую мощность солнечных батарей и количество рабочих ячеек в одной фотоэлектрической панели.

    Для более точного определения потребностей в электричестве необходимо учитывать не только мощность электроприборов, но и дополнительные потери электроэнергии: естественные потери на сопротивление проводников, а также потери на преобразование энергии в контроллере и инверторе, которые зависят от КПД этих устройств.

    При осуществлении дальнейших расчетов будем ориентироваться на данные уже знакомой нам таблицы. Итак, предположим, что суммарная мощность потребления равна примерно 1 кВт*ч в сутки (0,95 кВт*ч). Как мы уже знаем, нам понадобится солнечная батарея, обладающая номинальной мощностью – не менее 250 Вт.

    Предположим, что для сборки рабочих модулей вы планируете использовать фотоэлектрические ячейки с номинальной мощностью – 1,75 Вт (мощность каждой ячейки определяется произведением силы тока и напряжения, которые генерирует солнечный элемент). Мощность 144-х ячеек, объединенных в четыре стандартных модуля (по 36 ячеек в каждом), будет равна 252 Вт. В среднем с такой батареи мы получим 1 – 1,26 кВт*ч электроэнергии в сутки, или 30 – 38 кВт*ч в месяц. Но это в погожие летние дни, зимой даже эти значения можно получить далеко не всегда. При этом в северных широтах результат может быть несколько ниже, а в южных – выше.


    Baracud Пользователь FORUMHOUSE

    Есть солнечные батареи – 3,45 кВт. Работают параллельно с сетью, поэтому КПД – максимально возможный:

    • июнь 467кВт*ч.
    • июль 480 кВт*ч.
    • август 497 кВт*ч.
    • сентябрь 329 кВт*ч.
    • октябрь 305 кВт*ч.
    • ноябрь 320 кВт*ч.
    • декабрь 216 кВт*ч.
    • январь 2014 пока 126 кВт*ч.

    Эти данные чуть выше средних значений, т. к. солнца было больше обычного. Если циклон затяжной будет, то выработка в зимний месяц может не превысить 100-150 кВт*ч.

    Представленные значения – это киловатты, которые можно получить непосредственно с солнечных батарей. Сколько же энергии дойдет до конечных потребителей – это зависит от характеристик дополнительного оборудования, встроенного в систему электроснабжения. О них мы поговорим позже.

    Как видим, количество солнечных элементов, необходимых для генерирования заданной мощности, можно рассчитать лишь приблизительно. Для более точных расчетов рекомендуется использовать специальные программы и онлайн калькуляторы солнечной энергии, которые помогут определить требуемую мощность батареи в зависимости от многих параметров (в том числе, и от географического положения вашего участка).

    Каким бы ни получилось конечное значение рекомендуемой мощности, всегда необходимо иметь ее некоторый запас. Ведь со временем электротехнические характеристики солнечной батареи снижаются (батарея стареет). За 25 лет эксплуатации среднестатистическая потеря мощности солнечных панелей составляет 20%.

    Если с первого раза произвести правильный расчет фотоэлектрических панелей не удалось (а непрофессионалы очень часто сталкиваются с подобной проблемой), это не беда. Недостающую мощность всегда можно будет восполнить, установив несколько дополнительных фотоэлементов.

    Напряжение и сила тока на выходе из панелей должны соответствовать параметрам контроллера, который будет к ним подключен. Это необходимо предусмотреть на стадии расчета солнечной электростанции. Разновидности фотоэлектрических элементов

    С помощью настоящей главы постараемся развеять заблуждения, касающиеся преимуществ и недостатков наиболее распространенных фотоэлектрических элементов. Это упростит вам выбор подходящих устройств. Широкое распространение сегодня получили монокристаллические и поликристаллические кремниевые модули для солнечных батарей.

    Так выглядит стандартный солнечный элемент (ячейка) монокристаллического модуля, который можно безошибочно отличить по скошенным углам.

    Ниже представлено фото поликристаллической ячейки.

    Какой модуль лучше? Пользователи FORUMHOUSE активно спорят по этому поводу. Кто-то считает, что поликристаллические модули работают более эффективно при пасмурной погоде, при этом монокристаллические панели демонстрируют превосходные показатели в солнечные дни.


    GaaraПользователь FORUMHOUSE

    У меня моно – 175 Вт дают на солнце под 230 Вт. Но я отказываюсь от них и перехожу на поликристаллы. Потому что, когда небо чистое, электричества хоть залейся с любого кристалла, а вот когда пасмурно – мои вообще не работают.

    При этом всегда найдутся оппоненты, которые после проведения практических замеров полностью опровергают представленное утверждение.


    ВоцзяоПользователь FORUMHOUSE

    У меня получается все наоборот: поликристаллы очень чувствительны к затемнению. Стоит маленькому облачку пройти по солнцу, как это сразу отражается на количестве вырабатываемого тока. Напряжение, кстати, практически не меняется. Монокристаллическая же панель ведет себя более стабильно. При хорошем освещении обе панели ведут себя очень хорошо: заявленная мощность обеих панелей – 50Вт, обе эти самые 50Вт выдают. Отсюда мы видим, как улетучивается миф о том, что монопанели дают больше мощности при хорошем освещении.

    Второе утверждение касается срока службы фотоэлектрических элементов: поликристаллы стареют быстрее монокристаллических элементов. Рассмотрим данные официальной статистики: стандартный срок службы монокристаллических панелей составляет 30 лет (некоторые производители утверждают, что такие модули могут работать до 50 лет). При этом период эффективной эксплуатации поликристаллических панелей не превышает 20-ти лет.

    Действительно, мощность солнечных батарей (даже с очень высоким качеством) с каждым годом эксплуатации уменьшается на определенные доли процента (0,67% – 0,71%). При этом в первый год эксплуатации их мощность может снизиться сразу на 2% и 3% (у монокристаллических и поликристаллических панелей – соответственно). Как видим, разница есть, но она незначительна. А если учесть, что представленные показатели во многом зависят от качества фотоэлектрических модулей, то разницу и вовсе можно не брать во внимание. Тем более, известны случаи, когда дешевые монокристаллические панели, изготовленные нерадивыми производителями, теряли до 20% своей мощности в первый же год эксплуатации. Вывод: чем надежнее производитель фотоэлектрических модулей, тем долговечнее его продукция.

    Многие пользователи нашего портала утверждают, что монокристаллические модули всегда дороже поликристаллических.  У большинства производителей разница в цене (в пересчете на один ватт генерируемой мощности) на самом деле ощутима, что делает покупку поликристаллических элементов более привлекательной. Поспорить с этим нельзя, но не поспоришь и с тем, что КПД монокристаллических панелей выше, чем у поликристаллов. Следовательно, при одинаковой мощности рабочих модулей поликристаллические батареи будут иметь большую площадь. Иными словами, выигрывая в цене, покупатель поликристаллических элементов может проиграть в площади, что при недостатке свободного пространства под установку СБ может лишить его так очевидной на первый взгляд выгоды.


    Captain DeadlyПользователь FORUMHOUSE

    У распространенных монокристаллов КПД, в среднем, равняется 17%-18%, у поли – около 15%. Разница – 2%-3%. Однако по площади эта разница составляет – 12%-17%. С аморфными панелями разница еще нагляднее: при их КПД – 8-10% монокристаллическая панель может быть по площади в два раза меньше аморфной.

    Аморфные панели – это еще одна разновидность фотоэлектрических элементов, которые пока не успели стать достаточно востребованными, несмотря на свои очевидные преимущества: низкий коэффициент потери мощности при повышении температуры, способность генерировать электроэнергию даже при очень слабом освещении, относительная дешевизна одного производимого кВт энергии и так далее. А одна из причин низкой популярности кроется в их весьма ограниченном КПД. Аморфные модули еще называют гибкими модулями. Гибкая структура значительно облегчает их установку, демонтаж и хранение.



    JabberПользователь FORUMHOUSE

    Не знаю, кто это аморфные рекламирует. КПД у них низкий, места почти в два раза больше занимают, при этом с возрастом КПД, так же, как и у кристаллических, снижается. Классические модули рассчитаны на 25 лет эксплуатации с потерей КПД в 20%. Плюс у аморфных пока только один: выглядят, как черное стекло (можно весь фасад такими покрыть).

    Выбирая рабочие элементы для строительства солнечных батарей, в первую очередь следует ориентироваться на репутацию их производителя. Ведь именно от качества зависят их реальные рабочие характеристики. Также нельзя упускать из вида условия, при которых будет производиться монтаж солнечных модулей: если площадь, отведенная под установку солнечных батарей, у вас ограничена, то целесообразно использовать монокристаллы. Если недостатка в свободном пространстве нет, то обратите внимание на поликристаллические или аморфные панели. Последние могут оказаться даже практичнее панелей кристаллических.

    Еще одно преимущества аморфных панелей перед панелями кристаллическими состоит в том, что их элементы можно устанавливать непосредственно в оконные проемы (на месте обычных стекол) или даже использовать их для отделки фасадов.

    Приобретая готовые панели от производителей, можно значительно упростить себе задачу по строительству солнечных батарей. Для тех же, кто предпочитает все создавать своими руками, процесс изготовления солнечных модулей будет описан в продолжении настоящей статьи. Также в ближайшее время мы планируем рассказать о том, по каким критериям следует выбирать аккумуляторы, контроллеры и инверторы – устройства, без которых ни одна солнечная батарея не сможет функционировать полноценно. Следите за обновлениями нашей статейной ленты.

    На фото изображены 2 панели: самодельная монокристаллическая на 180Вт (слева) и поликристаллическая от производителя на 100 Вт (справа).

    О самых популярных альтернативных источниках энергии вы сможете узнать в соответствующей теме, открытой для обсуждения на нашем портале. В разделе, посвященном строительству автономного дома, можно узнать много интересного об альтернативной энергетике и о солнечных батареях, в частности. А небольшой видеосюжет расскажет об основных элементах стандартной солнечной электростанции и об особенностях установки солнечных панелей.


     

    Теги солнечные батареи солнечные панели ФЭП фотоэлектрические модули солнечные ячейки фотоэлектрические панели монокристаллические панели поликристаллические панели амморфные панели КПД батарей расчет СБ Поделиться Комментарии (0)Ошибка!

    Произошла ошибка, попробуйте позже. Если ошибка повторяется — обратитесь в службу поддержки по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или через форму обратной связи
    Источник

    Электрохимия — Сделайте солнечную батарею на своей кухне

    Сделайте солнечную батарею на своей кухне

    Солнечная батарея – это устройство для преобразования энергии из солнце в электричество. Высокоэффективная солнечная энергия ячейки, которые вы можете купить в Radio Shack и других магазинах, изготовлены из кремния с высокой степенью обработки и требуют огромных фабрики, высокие температуры, вакуумное оборудование и много денег.

    Если мы готовы пожертвовать эффективностью ради способности сделать наши собственные солнечные батареи на кухне из материалов из хозяйственного магазина по соседству, мы можем продемонстрировать рабочий солнечный элемент примерно за час.

    Наш солнечный элемент изготовлен из оксида меди вместо кремний. Закись меди — один из первых известных материалов. для отображения фотоэффекта , в котором свет заставляет электричество течь в материале.

    Думать о том, как объяснить фотоэлектрический эффект, что привело Альберта Эйнштейна к Нобелевской премии по физике, и к теории относительности.

    Материалы, которые вам понадобятся

    Солнечная батарея изготовлена ​​из следующих материалов:

    1. Лист медного покрытия из хозяйственного магазина.Обычно это стоит около 5 долларов за квадратный фут. Нам понадобится около половины квадратного метра.
    2. Два провода с зажимом типа «крокодил».
    3. Чувствительный микроамперметр, способный считывать ток. от 10 до 50 микроампер. Радиомагазин продает маленькие ЖК-мультиметры, которые подойдут, но я использовал небольшой излишек метр с иглой.
    4. Электрическая плита. Моя кухонная плита газовая, поэтому я купил небольшая электрическая плита с одной конфоркой примерно за 25 долларов. То маленькие 700-ваттные горелки, вероятно, не будут работать — моя 1100 ватт, поэтому горелка раскаляется докрасна.
    5. Большая прозрачная пластиковая бутылка, у которой можно отрезать верхнюю часть. Я использовал 2-литровую бутылку родниковой воды. Большой стакан для рта jar тоже подойдет.
    6. Соль поваренная. Нам понадобится пара столовых ложек соли.
    7. Водопроводная вода.
    8. Наждачная бумага или проволочная щетка на электродрели.
    9. Ножницы для резки листового металла.

    Как построить солнечную батарею

    Моя горелка выглядит так:

    Первым делом необходимо отрезать кусок медного листа. это примерно размер горелки на плите.Вымойте руки, чтобы на них не было жира или масла. потом вымойте медный лист с мылом или моющим средством, чтобы удалить масло или смазать его. Используйте наждачную бумагу или проволочную щетку, чтобы тщательно очистить медь. защитное покрытие, так что любая сульфидная или другая легкая коррозия удаленный.

    Затем поместите очищенный и высушенный медный лист на горелку. и включите горелку на максимальную мощность.

    Когда медь начнет нагреваться, вы увидите красивое окисление. узоры начинают формироваться.Оранжевые, пурпурные и красные цвета покроют медь.

    По мере того, как медь нагревается, цвета сменяются черным. покрытие оксидом меди . Это а не оксид мы хотим, но потом он будет отслаиваться, показывая красные, оранжевые, розовые и пурпурные цвета слоя оксида меди под ним.

    Последние кусочки цвета исчезают, когда горелка начинает светиться красным.

    Когда горелка раскалится докрасна, лист меди будет покрыт черным оксидом меди.пусть варится полтора час, поэтому черный налет будет густым. Это важно, так как толстое покрытие будет хорошо отслаиваться, а тонкое останется прилипшим к меди.

    Через полчаса варки выключите конфорку. Оставьте горячую медь на горелке, чтобы она медленно остыла. Если вы охладите его слишком быстро, черный оксид останется прилип к меди.

    Когда медь остывает, она сжимается. Черный оксид меди также дает усадку. Но они сжимаются с разной скоростью, что делает черный оксид меди отслаивается.

    Маленькие черные хлопья отрываются от меди с достаточно силы, чтобы заставить их пролететь несколько дюймов. Этот означает немного больше усилий по очистке вокруг плиты, но смотреть весело.

    Когда медь остынет до комнатной температуры (это занимает около 20 минут), большая часть черного оксида исчезнет. Легкий скраб руками под проточной водой удалит большую часть мелких биты. Не поддавайтесь искушению удалить все черные точки, жесткая чистка или сгибание мягкой меди.Это может повредить тонкий красный слой оксида меди, который нам нужен для работы солнечной батареи.

    В остальном сборка очень простая и быстрая.

    Вырежьте еще один лист меди примерно того же размера, что и первый. Аккуратно согните обе части, чтобы они поместились в пластиковую бутылку. или банку, не касаясь друг друга. Покрытие из оксида меди которая была направлена ​​вверх на горелку, как правило, лучшая сторона к лицу наружу в банке, потому что она имеет самую гладкую и чистую поверхность.

    Прикрепите два провода зажима типа «крокодил», один к новой медной пластине, и один к пластине с покрытием из оксида меди. Подключить провод от чистую медную пластину к положительной клемме счетчика. Подсоедините провод от пластины из оксида меди к отрицательному клемма счетчика.

    Теперь смешайте пару столовых ложек соли с горячей водой из-под крана. Перемешивайте соленую воду, пока вся соль не растворится. Затем осторожно налейте соленую воду в банку, стараясь не чтобы намочить зажимы.Соленая вода не должна полностью накройте тарелки — вы должны оставить около дюйма тарелки над водой, так что вы можете перемещать солнечную батарею без намокание зажимов.

    На фото выше показана солнечная батарея в моей тени, когда я снимал изображение. Обратите внимание, что счетчик показывает около 6 микроампер. тока.

    Солнечная батарея — это батарея, даже в темноте, и обычно показать несколько микроампер тока.

    На фото выше показан солнечный элемент в солнечном свете.Обратите внимание, что счетчик подскочил примерно до 33 микроампер. тока. Иногда он превышает 50 мкА, раскачивая игла до упора вправо.

    Как оно это делает?

    Оксид меди — это тип материала, который называется полупроводником . Полупроводник находится между проводником, где электричество может течь свободно, а изолятор, где электроны тесно связаны к своим атомам и не текут свободно.

    В полупроводнике существует щель, называемая шириной запрещенной зоны между электроны, которые прочно связаны с атомом, и электроны находящиеся дальше от атома, которые могут свободно двигаться и проводить электричество.

    Электроны не могут оставаться внутри запрещенной зоны. Электрон не может получить немного энергии и отойти от ядра атома в запрещенную зону. Электрон должен получить достаточно энергии, чтобы двигаться дальше от ядра, за пределы запрещенной зоны.

    Точно так же электрон вне запрещенной зоны не может потерять немного немного энергии и падают чуть ближе к ядру. Он должен потерять достаточно энергии, чтобы пройти через запрещенную зону в область, в которой разрешены электроны.

    Когда солнечный свет попадает на электроны в закиси меди, некоторые из электроны получают достаточно энергии от солнечного света, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону и стать свободными для проведения электричества.

    Свободные электроны переходят в соленую воду, затем в чистую медную пластину, в провод, через счетчик и обратно на пластину из оксида меди.

    Когда электроны движутся через измеритель, они совершают работу, необходимую для переместить иглу. Когда на солнечный элемент падает тень, электронов становится меньше пройти через измеритель, и стрелка снова опустится вниз.

    Примечание о мощности

    Ячейка выдает 50 микроампер при напряжении 0,25 вольта.
    Это 0,0000125 ватт (12,5 микроватт).
    Не рассчитывайте зажигать лампочки или заряжать аккумуляторы это устройство. Его можно использовать в качестве детектора света или экспонометра, но для питания вашего дома их потребуется несколько акров.

    0,0000125 Вт (12,5 микроватт) соответствует ячейке площадью 0,01 кв. или 1,25 милливатт на квадратный метр. Чтобы зажечь лампочку мощностью 100 Вт, нужно для освещенной солнцем стороны потребуется 80 000 квадратных метров закиси меди, а 80 000 квадратных метров меди для темного электрода.Для запуска 1000 Вт печи, вам потребуется 800 000 квадратных метров закиси меди и еще 800 000 квадратных метров простой меди или 1 600 000 квадратных метров вместе взятых. Если бы это была крыша дома, каждый дом был бы 282 метра. в длину и 282 метра в ширину, если предположить, что все, для чего им нужно электричество, одна печка.

    В 1 600 000 квадратных метрах 17 222 256,7 квадратных футов. Если медное покрытие стоит 5 долларов за квадратный фут, то сама по себе медь будет стоить 86 110 283,50 долларов США.Делая это одной десятой толщины, можно снизить это до 8 611 028,35 долларов США. Поскольку вы покупаете оптом, вы можете получить его вдвое дешевле, или около 4 300 000 долларов США.

    Если бы вы использовали кремниевые солнечные панели стоимостью 4 доллара за ватт, вы могли бы работать так же. плита за 4000 долларов. Но панели будут только около 10 квадратных метров.

    Или примерно за доллар вы можете построить солнечную печь из алюминиевой фольги и картона. Примерно за 20 долларов вы можете построить очень красивую параболическую солнечную плиту из полированного алюминия.

    Следующий: плоская солнечная батарея .

    Вкусные

    Некоторые из моих других веб-сайтов:


    Отправить письмо на Саймон Квеллен Филд через [email protected] > Google

    Как сделать солнечный элемент (самодельный солнечный элемент) из медного листа

    Вы можете сделать солнечную батарею для получения электричества от солнца, используя лист меди.Нагревая медь и охлаждая ее, как показано на видео ниже, вы образуете оксид меди (Cu 2 O), он же оксид меди, слой на нем. Этот слой является полупроводником. Самые современные солнечные батареи вместо этого используйте полупроводник из обработанного кремния.

    Обратите внимание, что это не дает полезного количества электричество, в отличие от кремния и других коммерческих солнечных элементов, но это весело делать. Вам потребуются акры этих медных солнечных батарей, чтобы питать ваши домой.

    Обратите внимание, как ближе к концу видео эффект демонстрируется измерение тока, поступающего от солнечного элемента при солнечном свете. Когда солнечный свет блокируется, ток падает.

    Для тех, кому интересно узнать об этом эффекте, вот несколько научных работ. о солнечных батареях на основе оксида меди:

    1. Солнечные элементы на основе оксида меди (I) (Cu 2 O) — обзор (файл PDF), Абду, Ю.и Муса, АО
    2. Производство закиси меди, материала для солнечных батарей, термическим окисление и изучение его физических и электрических свойств, А. О Муса, Т. Акомолафе, М. Дж. Картер

    Самая простая схема, которую можно сделать, это то, что используется в приведенном выше видео и проиллюстрировано на следующей диаграмме. Убедитесь, что провода, которые соедините две пластины выше уровня воды. Электрический Цепь замыкается через саму соленую воду.Соль делает сочетание воды и соли, способное проводить электричество. Удостовериться у вас есть амперметр, который может отображать в диапазоне от 0 до 50 микроампер, так как количество тока, которое производит этот тип ячейки, очень мало.

    Схема для солнечной батареи своими руками в соленой воде.

    Экспериментальная установка для тестирования солнечной батареи своими руками.

    Цель соленой воды, как показано выше, состоит исключительно в том, чтобы действовать как проводник заряда от внешней поверхности слоя закиси меди вернуться к медная пластина, которую покрывает этот оксид меди.В дальнейшем схема иллюстрирует, если вы можете найти способ электрического подключения к слою закиси меди, не блокируя его от солнечного света, то вы может обойтись без соленой воды и другой медной пластины. Проблема заключается в том, что слой оксида меди не является электропроводным через его поверхность, поэтому заряд на поверхности не может доберитесь до соединительного провода. Это была работа соленой воды, другая пластина и соединительные провода сверху.

    Распределение заряда на солнечном элементе из оксида меди и проводке.

    Один из способов сделать это — прижать металлическую сетку к медному сплаву. оксид (см. диаграмму ниже). Некоторое количество солнечного света будет проникать через отверстия в сетке к закиси меди и заставить заряд двигаться к поверхность к сетке. Сетка проводящая и будет нести заряд на соединительный провод. Это будет быть менее эффективным, так как вы блокируете некоторые медные оксид с сеткой.Также вы заберете только заряд с закись меди, которые находятся рядом с сеткой проволоки.

    Солнечная батарея своими руками с металлической сеткой.

    Другой возможный способ — использовать стекло с прозрачным, электропроводящее покрытие и нажмите на эту проводящую сторону против закиси меди (см. диаграмму ниже). Поскольку стекло и его покрытие прозрачно, солнечный свет не будет заблокирован.Покрытие может по-прежнему вызывать некоторую потерю пропускания солнечного света, но это все равно будет лучше, чем подход сетки. Пример это стекло с покрытием из диоксида олова, используемое в современной квартире ЖК-экраны компьютеров. Я сам не пробовал этот метод, но если вы делаете, пожалуйста, дайте мне знать, как это работает. Если вы сделаете снимок или видео, то я включу его здесь.

    Солнечная батарея своими руками со слоем диоксида олова.

    Amazon.com: Гибкая солнечная панель Солнечная батарея Маленькая тонкопленочная солнечная панель DIY Солнечная панель Научные эксперименты 0,5 Вт / 1,5 В / 360 мА (зеленый): патио, газон и сад

    Гибкая солнечная панель использует специальную высококачественную тонкую пленку технология. Он имеет специальную многослойную конфигурацию, в которой используются все способности различных материалов поглощать свет в полной мере. Он имеет больше преимуществ, чем ламинированная солнечная панель, например, хорошие характеристики при высокой температуре и при слабом освещении, свет веса, чтобы быть более подходящим для зданий, которые чувствительны к весу.Наиболее важной особенностью гибкой солнечной панели является то, что она может быть гибкой или складной. Эта функция может дать больше места для этих панелей, которые можно использовать там, где обычные солнечные панели просто не подходят.

    Наши сворачиваемые и гибкие солнечные панели питают инновационные солнечные системы. В случае, если наши стандартные продукты не могут соответствовать требованиям, мы предлагаем наш опыт разработки, тестирования и производства, чтобы настроить солнечные панели и пленки для специальных применений.Наша запатентованная технология лазерного моделирования позволяет нам адаптировать форму и электрическую мощность модуля к требованиям заказчика, а наш производственный процесс позволяет нам инкапсулировать солнечную фольгу в различные материалы для достижения гибких форм-факторов, которые можно сворачивать.

    Мы работаем над передовыми проектами с производителями военного и аварийного оборудования, глобальными электротехническими компаниями, аэрокосмической промышленностью, автомобильной промышленностью, а также с разработчиками инновационных продуктов.

    Область применения:

    • Сверхлегкие солнечные пленки для аэрокосмической отрасли
    • Солнечные паруса для космического применения
    • Солнечные дроны
    • Солнечные для высотных воздушных шаров и дирижаблей
    • Солнечные навесы
    • 1
    • Военное и аварийное электроснабжение
    • Солнечное освещение и сигнализация
    • Передвижные солнечные потребительские товары
    • Датчики на солнечной энергии и IoT (Интернет вещей)

    Как сделать солнечную панель

     

    Верите вы в это или нет, но вам не нужно быть экспертом, чтобы построить солнечную панель, технологию «сделай сам», которая в наши дни доступна каждому.Проявив немного терпения, даже любители могут собрать из солнечную панель . Первое, что нужно сделать, это получить все компоненты; для этого шага можно использовать такие порталы, как Ebay, но даже в хозяйственном магазине рядом с домом может быть все необходимое. Магазины «сделай сам» могут быть полезны только в том случае, если в них представлен широкий ассортимент товаров.

      Основным компонентом является солнечный элемент ; они состоят из кремния, того же материала, который используется в компьютерных чипах. Солнечный элемент состоит из двух слоев кремния, разделенных матрицей из изоляционного материала.Три слоя, расположенные таким образом, работают вместе, чтобы улавливать солнечное излучение и преобразовывать его в электрическую энергию. Неважно, используете ли вы солнечные батареи класса А или класса В; процедура такая же.

    Что нам понадобится для сборки солнечной панели?

    Солнечные элементы, оргстекло, паяльник или клейкая смола, проволока, винты, силикон для герметизации и рамка. Все эти материалы можно легко найти в строительном магазине. Самые дешевые солнечные элементы продаются поштучно или в виде нескольких последовательно соединенных.Если вы покупаете одиночные, то первым делом нужно соединить их вместе, взяв каждую ячейку и поставив их последовательно, от отрицательной стороны к положительной. Для этого шага можно использовать оловянный припой и паяльник или паяльные смолы.

    Если у вас нет паяльника, смолы могут стать отличной альтернативой. Одна упаковка смолы стоит около 6 евро и содержит две палочки; один содержит смолу, а другой содержит отвердитель. Так называемые «металлические связующие» в магазинах товаров для рукоделия находятся в разделе «Специальный клей» и подходят для скрепления пластин из стали, железа, алюминия и многих других металлов.Поскольку они настолько универсальны, они полезны для нашего проекта солнечных батарей. Если вы пойдете в хозяйственный магазин, попросите смолы для холодного соединения металлов.

    Время действия 5 минут; холодное связующее используется путем смешивания равных частей смолы и отвердителя; полученное соединение будет очень плотным. С помощью шпателя связующее следует распределить по краям солнечных элементов, что позволит им сцепиться друг с другом.

    Солнечные элементы нужно не только сварить вместе, их также необходимо соединить с помощью соответствующих проводов, которые часто предоставляются при покупке солнечных элементов.Если ячейки не снабжены проводами для их соединения, купите катушку с электрическим проводом и отрежьте соответствующую длину для необходимых соединений. Если у вас много солнечных батарей, вы можете подключить несколько за раз, а затем закрепить их все вместе на раме. Если солнечные элементы очень маленькие, их можно соединить зигзагообразно, чтобы уменьшить количество используемой проволоки. Когда вы соединяете элементы вместе, их следует размещать лицевой стороной вниз, чтобы вам было легче работать с проводами и не повредить фотогальваническую сторону.

     

    После соединения ячеек можно приступить к их размещению на рамке. Эту операцию можно провести с помощью силикона, надев ячейки последовательно на каркас. Деревянные рамы найти проще всего, а также они самые дешевые. После завершения этапа проводки вам нужно будет покрыть ячейки оргстеклом или другим типом стекла.

    В области альтернативной энергетики самые простые в изготовлении солнечные панели относятся к тепловому типу.«Сделай сам» — это практика, которая увлекает многих, а самостоятельная сборка тепловой солнечной панели может вызвать значительное удовлетворение. Тепловые солнечные панели используются для нагрева воды. Объекты, используемые для его создания, почти такие же, как и те, о которых говорилось выше, только в основе должен быть настоящий деревянный ящик. Для этого может пригодиться онлайн-видео от американского мастера на все руки…

    кредита изображения | wutel.net

    Опубликовано Анной Де Симоне и переведено Рэймондом Беллоном

    Опубликовано da Anna De Simone


    Как построить простую солнечную панель?

    Джордж Коув стоит рядом со своей третьей солнечной батареей.Источник: «Производство электричества солнечными лучами», Popular Electricity, Volume 2, nr. 12 апреля 1910 г., стр. 793.

    Более эффективный, менее устойчивый

    С тех пор, как в 1950-х годах Bell Labs представила первую практическую солнечную фотоэлектрическую панель, технологическое развитие было сосредоточено на снижении затрат и повышении эффективности солнечных элементов. Согласно этим стандартам, исследователи добились большого прогресса. Эффективность солнечных панелей увеличилась с менее чем 5% в 1950-х годах до более чем 20% сегодня, а стоимость снизилась с 30 долларов за пиковый ватт в 1980 году до менее чем 0.2 доллара за пиковый ватт в 2020 году. Более низкие затраты, которым способствует более высокая эффективность, считаются крайне важными, поскольку они позволяют солнечным фотоэлектрическим панелям конкурировать на рынке с электроэнергией, вырабатываемой на ископаемом топливе.

    Однако с точки зрения устойчивости достигнут очень незначительный прогресс. Начнем с того, что с 1950-х годов солнечные панели были непригодны для переработки, в результате чего поток отходов попадает на свалки. Этот поток отходов значительно возрастет в ближайшие годы.Солнечные панели выбрасываются только через 25-30 лет, и большинство из них были установлены только в последние годы. К 2050 году исследователи ожидают, что почти 80 миллионов тонн солнечных панелей выработают свой ресурс. Это значительная трата ресурсов и опасность для окружающей среды – выброшенные солнечные фотоэлектрические панели содержат токсичные элементы и представляют опасность пожара.

    Потребность в капиталоемких технологиях и длинных линиях поставок препятствует местному производству солнечных панелей менее богатыми обществами или сообществами, занимающимися самостоятельными работами.

    Производство солнечных фотоэлектрических панелей не менее проблематично. Он производит токсичные отходы и требует глобальной цепочки поставок, включая капиталоемкие фабрики, сложное оборудование, добытые материалы и постоянный приток ископаемого топлива. При анализе жизненного цикла солнечных панелей ученые подсчитывают, сколько энергии и материалов требуется для создания солнечной панели. Однако они игнорируют огромное количество энергии и материалов, необходимых для создания и обслуживания самой цепочки поставок солнечных фотоэлектрических систем. Следовательно, эти исследования не раскрывают фактическую стоимость солнечных панелей с точки зрения зависимости от ископаемого топлива, выбросов и другого загрязнения окружающей среды. Кроме того, потребность в капиталоемких технологиях и длинных линиях поставок препятствует местному производству солнечных панелей менее богатыми обществами или сообществами DIY.

    Вдохновение в прошлом

    Являются ли солнечные фотоэлектрические панели неустойчивыми по своей природе, не подлежащими переработке и зависящими от высокотехнологичных и капиталоемких производственных процессов? Или возможно ли построить их с использованием местных, перерабатываемых и менее энергоемких материалов и методов производства? Другими словами, можем ли мы построить низкотехнологичные солнечные батареи? И если да, то как это отразится на затратах и эффективности?

    Прежде чем мы попытаемся ответить на этот вопрос, важно отметить, что лучшей низкотехнологичной альтернативой высокотехнологичной солнечной панели часто является не низкотехнологичная солнечная панель, а прямое использование солнечной энергии.То есть использовать солнечную энергию без предварительного преобразования ее в электричество. Например, бельевая веревка и солнечный водонагреватель намного эффективнее, экологичнее и экономичнее, чем электрическая сушильная машина и водогрейный котел, работающий от солнечных фотоэлектрических панелей. Прямое использование солнечной энергии может происходить с использованием местных материалов, относительно простых производственных технологий и коротких линий поставок.

    Тем не менее, в этой статье я воспринимаю вопрос буквально: можем ли мы построить низкотехнологичные фотоэлектрические устройства, преобразующие солнечный свет в электричество? В предыдущей статье мы видели, что история вдохновляет на создание более устойчивых ветряных турбин.Может ли история также вдохновить нас на создание более экологичных солнечных элементов?

    Предыстория солнечных батарей

    Солнечная фотоэлектрическая панель

    Bell Labs, представленная в 1954 году, появилась не из ниоткуда. Кремниевый солнечный элемент восходит к менее сложным устройствам, которые могут производить электричество либо из света, либо из тепла.

    В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет течь в цепи, состоящей из двух разнородных металлов, с разным температурным спаем. Этот «термоэлектрический эффект» лег в основу «термоэлектрического генератора», который преобразует тепло (например, от дровяной печи) непосредственно в электричество.В 1839 году Антуан Беккерель обнаружил, что свет может также преобразовываться в электричество, а в 1870-х годах несколько ученых доказали этот эффект в твердых телах, в первую очередь в селене. Этот «фотоэлектрический эффект» лег в основу «фотоэлектрического генератора», который мы теперь называем «фотоэлектрическим» генератором или солнечным фотоэлементом. В 1883 году Чарльз Фриттс сконструировал первый в истории фотоэлектрический модуль, используя селен на тонком слое золота.

    В этот период — и до 1950-х годов — практическое использование термоэлектрических и фотоэлектрических устройств было ограничено.Изобретатели построили множество экспериментальных термоэлектрических генераторов, обычно работающих на газовом пламени, но их КПД не превышал 1%. Точно так же солнечная панель Чарльза Фриттса и селеновые солнечные элементы, сделанные позже, получили всего 1-2% эффективности преобразования солнечного света в электричество. Короче говоря, период до 1950-х годов, похоже, не предлагает особого вдохновения для создания более экологичных фотоэлектрических панелей.

    Забытый пионер солнечной энергетики

    Однако предыстория солнечной панели может быть неполной.В 2019 году я получил письмо от читателя журнала Low-tech Magazine Филипа Песавенто:

    .

    «С начала 1990-х годов я изучаю одного из пионеров технологии солнечных элементов довоенной эпохи. Я становлюсь слишком старым, чтобы продолжать что-либо делать с этим, и хотя о г-не Коуве была опубликована одна или две научные статьи, они полностью упустили из виду то, что он сделал. Я прилагаю PDF-файл PowerPoint, который я собрал еще в 2015 году и никогда никому не показывал. Если вы заинтересованы в самостоятельном написании статьи, я могу отправить вам флэшку со всеми собранными мной справочными материалами.

    Если исторический отчет и гипотезы Филипа Песавенто верны, Джордж Коув намеревался построить термоэлектрический генератор, но случайно сделал фотоэлектрический генератор — фотоэлектрический солнечный элемент. Хотя это произошло в начале 1900-х годов, Коув получил мощность и эффективность, сопоставимые с учеными Bell Labs в 1954 году. Его конструкция также показала гораздо более высокие характеристики, чем селеновые солнечные элементы, построенные между 1880-ми и 1940-ми годами. Филип Песавенто:

    «Было бы очень интересно доказать, что относительно высокоэффективные солнечные элементы были изобретены за 40 лет до появления кремниевых элементов.Что еще более важно, если выяснится, что перед Первой мировой войной существовали солнечные фотоэлектрические элементы и панельные системы, они также могли бы иметь некоторые преимущества, связанные с дешевизной сырья, низкими затратами энергии на преобразование руды в металлические материалы, эффективностью конечного продукта. Фотоэлектрические элементы и простота изготовления».

    Другими словами, если исторический отчет и гипотезы Филипа Песавенто верны, возможно построить низкотехнологичные солнечные панели.

    Солнечный электрогенератор Джорджа Коува

    Джордж Коув представил свой первый «солнечный электрогенератор» в 1905 году в здании Metropole Building в Галифаксе, Новая Шотландия, Канада.Кроме изображения, никаких данных об этой панели нет. Однако его выходная мощность и эффективность были достаточно впечатляющими, чтобы американские инвесторы отправили эксперта в Галифакс. Основываясь на осмотре машины этим экспертом, они привезли Коува в США (Соммервиль, Массачусетс), чтобы продолжить разработку его устройства.

    Коув представил здесь свой второй солнечный электрогенератор в 1909 году. Эта панель площадью 1,5 м2 могла производить 45 Вт мощности и имела эффективность преобразования солнечной энергии в электричество на 2,75%.К середине 1909 года Коув переехал в Нью-Йорк, где представил свой третий прототип, солнечную батарею, состоящую из четырех солнечных панелей по 60 ватт каждая, которые заряжали в общей сложности пять свинцово-кислотных батарей. Общая площадь поверхности составила 4,5 м2, максимальная выходная мощность — 240 Вт, а эффективность возросла до 5% — аналогично первой солнечной панели, представленной Bell Labs.

    Вверху: первая солнечная панель Джорджа Коува, продемонстрированная в 1905 году. Источник: Technical World Magazine 11, nr.4 июня 1909 г.

    Вверху: вторая солнечная панель Коува, одна секция отсутствует. Источник: журнал Technical World Magazine 11, № 4, июнь 1909 г.

    Вверху: третья солнечная панель Джорджа Коува. Источник: «Использование солнечного света», Рене Гомер, Modern Electrics, Vol. II, № 6, сентябрь 1909 г.

    Вверху: третья солнечная панель Джорджа Коува. Панели теперь наклонены под углом, а не лежат ровно. Источник: Литературный дайджест 1909 г., стр. 1153.

    Вверху: одна из солнечных панелей третьей солнечной батареи Cove со снятой стеклянной крышкой.Источник: «Использование солнечного света», Рене Гомер, Modern Electrics, Vol. II, № 6, сентябрь 1909 г.

    Хотя Джордж Коув отсутствует в большинстве исторических отчетов о солнечной энергии, его солнечный электрический генератор произвел впечатление на некоторые популярные технические СМИ того времени. Например, в 1909 году журнал «Технический мир» писал, что «такая машина дешева и неразрушима, как кухонная плита. Даже в его нынешнем и несколько грубом и экспериментальном состоянии, при двух днях солнечного сияния, он будет хранить достаточно электроэнергии, чтобы освещать обычный дом в течение недели.Изобретатель уже месяцами доказал это в своем заведении».

    Комплект дюбелей для асфальта

    Как Джорджу Коуву удалось построить солнечную панель, которая на 40 лет опередила свое время? По словам Филипа Песавенто, который имеет опыт работы в области полупроводниковой техники, Коув намеревался построить более совершенный термоэлектрический генератор (ТЭГ). Он подверг свой генератор теплу дровяной печи и прямой солнечной энергии — Эдвард Уэстон изготовил первый экспериментальный солнечный термоэлектрический генератор (или СТЭГ) в 1888 году.Намерения Коува также ясны из того, как он описал свое устройство:

    .

    «Рама содержит несколько оконных стекол фиолетового цвета, за которыми через асфальтовую подложку вставлено множество маленьких металлических заглушек. Один конец вилки всегда открыт солнечному свету, а другой конец прохладный и защищенный».

    Создание максимально возможной разницы температур является ключом к производству термоэлектрической энергии, поэтому конструкция Коува имеет смысл. Проблема в том, что когда он измерил выходную мощность своего генератора, он не реагировал на тепло, как должен был бы реагировать термоэлектрический генератор.Сначала Коув замечает, что его изобретение использует как тепло, так и свет для производства электричества при воздействии солнечной энергии:

    .

    «Основной частью моего изобретения является особый состав металлических пробок, на которые воздействует солнце таким образом, что ток генерируется не только тепловыми лучами, но и фиолетовыми лучами».

    Однако, после дальнейших экспериментов как с дровяной печью, так и с солнечной энергией, Коув заявляет:

    «Когда машина подвергается воздействию различных источников искусственного тепла, она вообще не дает электричества.Помимо тепловых лучей солнца (коротковолновое инфракрасное излучение), возможно, фиолетовые или ультрафиолетовые лучи активны в создании электрического тока».

    Первичная ячейка солнечной фотоэлектрической панели Cove представляла собой трехдюймовую вилку или стержень из металлического состава, сплава нескольких обычных металлов. В панели площадью 1,5 м2 было 976 стержней, а в массиве 4,5 м2 — 4 x 1804 заглушки. Однако держать стержни холодными с одной стороны и горячими с другой, разделенными слоем асфальта, не имело значения. Важно то, что Коув неосознанно построил контакт металл-полупроводник.

    Ширина запрещенной зоны полупроводников

    Джордж Коув не понимал, как работает его солнечный генератор, как и никто другой в то время. Только благодаря работе Эйнштейна по фотоэлектрическому эффекту (в 1905 г.) и более поздним работам по квантовой механике (1930-е гг. и позже) была реализована концепция ширины запрещенной зоны полупроводника . Электроны вращаются вокруг ядра атома в разных «состояниях», которые образуют области, называемые «полосами». Эти полосы прочно удерживают свои электроны на месте.Между этими полосами находятся «запрещенные зоны» — состояния, в которых не может находиться ни один электрон.

    Джордж Коув не понимал, как работает его солнечный генератор, как и никто другой в то время.

    У проводников нет запрещенной зоны, поэтому по ним текут электроны. Вот почему, например, медный провод проводит электричество. В изоляторах (таких как дерево, стекло, пластик или керамика) имеется очень широкая запрещенная зона, которая блокирует поток электричества. Наконец, в полупроводниках существует относительно узкая запрещенная зона.Это позволяет им действовать как изолятор или проводник. Полупроводники могут стать проводниками, когда они поглощают «фотон» (элементарную частицу света) с энергетическим потенциалом, равным или превышающим ширину запрещенной зоны полупроводникового материала.

    Понимание полупроводников привело к рождению современного солнечного фотоэлемента в 1950-х годах. Это также улучшило производительность термоэлектрических генераторов — по разным причинам. В термоэлектрических генераторах запрещенная зона полупроводников не используется.Однако полупроводники имеют более высокие термонапряжения и более низкую теплопроводность, чем металлы и металлические сплавы без запрещенной зоны, что делает термоэлектрические генераторы более эффективными.

    Перекресток Шоттки

    Для существования фотогальванического эффекта в системе должна быть некоторая неоднородность. В 1950-х годах ученым Bell Labs удалось сделать это с помощью так называемого p-n перехода, который образует границу между положительно заряженным и отрицательно заряженным полупроводником. Полупроводники P-типа имеют электронные вакансии, называемые «дырками» (которые притягивают электроны), в то время как полупроводники N-типа имеют дополнительные электроны.На стыке между ними находится электрический потенциал.

    Однако также возможно создать фотоэлектрическую ячейку из так называемого перехода Шоттки, который соединяет полупроводник с металлом. В этом случае металл действует как полупроводник n-типа. Филип Песавенто:

    «Моя гипотеза состоит в том, что Джордж Коув наткнулся на контактный фотоэлектрический элемент Шоттки за десятилетия до того, как он был описан Уолтером Шоттки. Возможны как фотоэлектрические (преимущественно), так и термоэлектрические отклики от этих устройств.Свеча представляла собой сплав цинка и сурьмы, который, как мы теперь знаем, является полупроводником. Он был поочередно покрыт нейзильбером (сплав никеля, меди и цинка) и медью на противоположных концах. Это формировало омический контакт и контакт Шоттки соответственно. Это фотоэлектрическое устройство».

    Случайное открытие

    По словам Филипа Песавенто, Джордж Коув, вероятно, начал с «нейзильбера» в качестве отрицательного материала на обоих концах штекеров и сурьмяно-цинкового сплава (ZnSb) в качестве положительного материала.Это были лучшие доступные термоэлектрические материалы в то время:

    «Вероятно, у него кончилось мельхиор и он заменил его медью, чтобы закончить сборку вилок, так как разница в термоэлектрическом напряжении между использованием меди и мельхиора была небольшой. Затем, во время тестирования, Коув заметил, что эти вилки (с колпачком из нейзильбера на одном конце и медным колпачком на другом) давали гораздо большее напряжение: 100 мВ по сравнению с обычными 10 с мВ для термоэлектрического генератора.

    Что случилось? Используя медь, Коув неосознанно построил перекресток Шоттки. Это превратило его термоэлектрический генератор в «термофотоэлектрический генератор». Такое устройство работает так же, как фотоэлектрический солнечный элемент, но на другой длине волны. Солнечный спектр охватывает диапазон приблизительно от 0,5 до 2,9 электрон-вольт (эВ), от инфракрасного до ультрафиолетового. Полупроводник с шириной запрещенной зоны от 1 до 1,7 эВ эффективно преобразует видимый свет в электричество (фотоэлектрический генератор), а полупроводник с шириной запрещенной зоны от 0.4 и 0,7 эВ эффективно преобразует коротковолновую инфракрасную солнечную энергию в электричество (термофотоэлектрический генератор).

    Вверху: на этом рисунке из патента Коува 1906 года показан сплав цинка и сурьмы «b»; заглушка из нейзильбера (омическая) «с»; и медная или оловянная (Шоттки) торцевая крышка «f». Все они запрессовываются, потому что пайка соединений снижает эффективность.

    Теперь мы знаем, что ZnSb — отрицательный материал в свечах Коува — это полупроводник с шириной запрещенной зоны 0.5 эВ. Это во многом объясняет, почему изобретатель первоначально заметил, что его солнечный генератор преобразует тепло и свет в электричество. Термофотоэлектрический генератор соответствует не только инфракрасному хвосту солнечного спектра — он также соответствует прямому спектру горящего пламени или раскаленной докрасна излучающей поверхности, которая нагревается горящим деревом или природным газом. Он также преобразует нижнюю часть видимого спектра в электричество, хотя и очень неэффективно.

    По словам Филипа Песавенто, Коуву затем удалось уточнить состав сплава, близкий к Zn4Sb3 — сплаву цинка и сурьмы с пропорциями 4 части цинка к 6 частям сурьмы.Это, как мы теперь знаем, тоже полупроводник. Однако у него ширина запрещенной зоны 1,2 эВ, что очень близко к ширине запрещенной зоны кремния (1,1 эВ). Следовательно, он превратил его термофотоэлектрический генератор в фотоэлектрический генератор:

    «В своем энтузиазме Коув, вероятно, изготовил большее количество пробок и каким-то образом «неправильно» угадал пропорции в одной партии. Затем он измерил еще большее напряжение. Наконец, он провел тщательное исследование сплавов цинка и сурьмы и обнаружил, что сплав цинка в диапазоне 40-42% дает самое высокое напряжение (по сравнению с 35% цинка в ZnSb).Случайно обнаружив Zn4Sb3, более высокая ширина запрещенной зоны этого полупроводника означала, что он больше не работал, когда подвергался воздействию тепла от дровяной печи. Однако он работал еще лучше, когда подвергался воздействию солнечной энергии, потому что теперь он эффективно преобразовывал гораздо большую часть видимого спектра солнечного света в электричество».

    Используя цветные стеклянные фильтры, Джордж Коув определил, что большая часть отклика исходит от фиолетового конца спектра и лишь немного от так называемых тепловых лучей.Его более ранние вилки PV одинаково хорошо реагировали на тепловые и фиолетовые лучи, в то время как старые термоэлектрические генераторы (нейзильбер с обеих сторон) вообще не реагировали на фиолетовые лучи.

    Вернуть солнечный элемент Шоттки?

    Солнечные элементы с соединением Шоттки привлекли лишь небольшое внимание исследователей и корпораций — в нескольких конструкциях солнечных элементов используются металлы в активной области, за исключением контактов. Тем не менее, Филип Песавенто считает, что было бы целесообразно попытаться изготовить несколько солнечных элементов Шоттки по дизайну Коува:

    «Если бы можно было продемонстрировать, что Zn4Sb3 (ширина запрещенной зоны 1.2 эВ) можно использовать в фотогальваническом элементе, есть большая вероятность, что такая конструкция солнечного элемента будет устойчивой. Это был бы хороший кандидат на быстрый EROI и имел бы приемлемо долгий срок службы с избыточной выходной мощностью в течение нескольких десятилетий. Удивительно, что все, кажется, пропустили этот материал и его применение в фотогальванических элементах, и что никаких разработок не проводилось — даже после того, как исследователи на короткое время признали его возможным вариантом в начале-середине 1980-х годов.Он относится к категории преждевременных открытий, что должно означать, что в наши дни его можно разработать очень быстро».

    Помимо солнечных фотоэлектрических систем, Филип Песавенто видит потенциал в термофотогальванике для дровяных печей, солнечных тепловых или тандемных приложений с двойным переходом, используя ZnSb вместо Zn4Sb3. Кроме того, если солнечные элементы штепсельного типа окажутся эффективными, он считает, что они позволят строить солнечные коллекторы с линейными концентраторами, такими как параболические желоба или невоображаемые концентраторы CPC, со значительно меньшими затратами.

    Низкотехнологичное производство

    Основным преимуществом конструкции Коува будет низкотехнологичный метод изготовления. В 1970-х и 1980-х годах ученые исследовали Zn4Sb3 для использования в фотовольтаике и пришли к выводу, что «очевидными преимуществами материала являются очевидная простота и относительно низкая температура процедуры приготовления». Температура плавления Zn4Sb3 составляет 570 градусов Цельсия, а кремния – 1400 градусов.

    Исследователи изучали солнечные элементы с переходом металл-полупроводник на основе других типов полупроводников, а не Zn4Sb3 в 1970-х годах.Опять же, их мотивацией была простая и экономичная процедура изготовления по сравнению с кремниевыми солнечными элементами с p-n переходом в то время. Ячейки Шоттки не требуют стадии высокотемпературной диффузии фосфора, которая сегодня обычно создает n-слой p-n перехода в кремнии. Это само по себе снижает потребление энергии в процессе производства солнечных элементов на 35%.

    В течение 1980-х годов исследователи добились значительных успехов в кремниевых p-n переходах, и интерес к альтернативным конфигурациям угас.Однако в последние годы интерес возобновился. Например, исследования графеновых/кремниевых солнечных элементов Шоттки пришли к выводу, что «простое и экономичное изготовление устройств, не требующих высоких температур, является одним из преимуществ». В других недавних исследованиях ученые пришли к выводу, что «селеновые устройства типа Шоттки… чрезвычайно просты и дешевы в изготовлении».

    Простая переработка

    Другим преимуществом солнечных элементов Шоттки может быть более легкая утилизация.Силиконовые модули зажаты между двумя герметизирующими слоями ламината (обычно это EVA, сополимер этилена и винилацетата). Эти уровни необходимы для обеспечения срока службы модуля. Для переработки кремния — наиболее ценного компонента солнечной панели — эти слои необходимо разделить, но их сжигание также разрушает модули. Кремниевые элементы могут быть переработаны только путем сочетания термических, химических и металлургических стадий. Это дорогостоящий процесс с воздействием на окружающую среду.Хотя вы можете найти заявления о том, что около 10% солнечных панелей «перерабатываются», они, скорее всего, будут «утилизированы». Модули измельчают, а полученный материал используют в качестве наполнителя в асфальтовой и цементной промышленности.

    Напротив, солнечные элементы, созданные Джорджем Коувом, полностью подлежали вторичной переработке. Они не требовали защитного слоя и даже не содержали припоя. Филип Песавенто:

    «Если бы вы построили элементы точно так же, как это сделал Коув, запрессовав крышки, а затем обмотав их проволокой, чтобы попытаться сохранить их плотно, их также было бы легче перерабатывать, поскольку это чисто механическая операция, никаких химикатов не требуется. участвовать.Было бы трудоемко собрать их вместе и снова разобрать, но это также можно было бы автоматизировать».

    Песавенто считает, что из материала Коува также можно построить плоские солнечные элементы. Однако еще неизвестно, понадобится ли им защитный слой, препятствующий переработке. В 1970-х годах солнечные элементы Шоттки на основе других материалов не всегда нуждались в защитных слоях, чтобы достичь ожидаемого срока службы более 20 лет.

    Эффективность

    Если бы мы могли построить больше низкотехнологичных солнечных панелей, насколько эффективными мы могли бы их сделать? По словам Филипа Песавенто, ячейки Шоттки немного менее эффективны для тех же материалов, чем p-n-переходы, потому что p-n-переходы генерируют более высокое напряжение — они получают больше энергии в фотонах, которые они поглощают.

    «Когда важен каждый бит эффективности, вы делаете это. Если вашей целью является упрощение производства солнечных элементов с использованием ручных или кустарных методов, диод Шоттки будет более логичным выбором».

    С другой стороны, может быть возможно построить элементы Шоттки тоньше, чем кремниевые солнечные элементы, и это повысит их эффективность. Филип Песавенто:

    «Я не нашел конкретных цифр по параметрам – скорости переноса, времени рекомбинации, коэффициенту поглощения – чтобы сказать это однозначно.Но тот факт, что Коув изготовил такие длинные и тонкие ячейки и добился такой же высокой эффективности, как у него, служит хорошим предзнаменованием для того, чтобы сделать их тоньше».

    Опять же, недавнее исследование клеток Шоттки, основанное на других материалах, похоже, подтверждает это. Например, недавние эксперименты с селеновыми элементами Шоттки вернули толщину слоя всего 100 мкм по сравнению с 200–500 мкм для кремниевых элементов. Ученые также достигли 17% экспериментальной эффективности ячейки Шоттки из графена/кремния по сравнению с 1.5% десятью годами ранее.

    Мы также можем подвергнуть сомнению нынешнюю одержимость более высокой эффективностью. Многие люди будут утверждать, что если низкотехнологичные солнечные панели менее эффективны, нам потребуется больше солнечных панелей для производства той же выходной мощности. Следовательно, ресурсы, сэкономленные низкотехнологичными методами производства, будут компенсированы дополнительными ресурсами для создания большего количества солнечных панелей. Однако эффективность имеет решающее значение только тогда, когда мы принимаем спрос на энергию как должное. Снижение эффективности может быть компенсировано снижением спроса на энергию, особенно когда это приводит к большей устойчивости и меньшему использованию ресурсов по всей цепочке поставок.Как и в случае с ветряными турбинами, пожертвовав некоторой эффективностью, мы можем значительно повысить устойчивость.

    Что случилось с Джорджем Коувом?

    Если солнечная панель Коува была такой революционной, почему о ней забыли? По этому вопросу исследовательский материал Филипа Песавенто читается как криминальный роман. Попытка Коува произвести и продать свое устройство на солнечной энергии по загадочным причинам провалилась.

    Изобретатель связался с биржевым манипулятором Элмером Берлингеймом, который в 1909 и 1910 годах выпускал акции предприятий, которые ему не принадлежали, включая стартап Коува Sun Electric Generator Company.В октябре 1909 года Коува якобы похитили, и его жизни угрожала опасность, если он не прекратит разработку своего солнечного изобретения. Однако полиция отклонила похищение Коува как розыгрыш. В 1911 году и Коув, и Берлингейм были арестованы за мошенничество с ценными бумагами и провели год в тюрьме. Хотя после этого Коув работал над другими изобретениями, ни одно из них не было связано с солнечной энергией.

    В октябре 1909 года Коува якобы похитили, и его жизни угрожала опасность, если он не прекратит разработку своего солнечного изобретения.

    Был ли Джордж Коув шарлатаном? Был ли он жертвой одного? Или его репутация была подорвана из-за того, что солнечный электрогенератор угрожал интересам других компаний? Есть много исторических примеров подавления технологических инноваций крупными корпорациями США. Джордж Коув был активен в тот же период, что и нью-йоркская компания Edison Electric Illuminating Company, чьи недобросовестные действия в отношении конкурентов хорошо задокументированы. Если бы солнечный электрогенератор Коува работал, он мог бы снизить растущий спрос на угольные и мазутные электростанции Эдисона. Ранее, в 1880-х годах, Эдисон купил компанию, производившую лучший на тот момент термоэлектрический генератор — улучшенную термобатарею Кламондса, — и впоследствии прекратил разработку машин.

    Больше тайн

    Однако, хотя заманчиво видеть Джорджа Коува в качестве жертвы, мы можем только догадываться. Архивный материал Филипа Песавенто содержит больше загадок, таких как патент Коува, поданный в 1905 году и выданный в 1906 году. В своем патенте изобретатель подробно описывает изготовление своих свечей Zn4Sb3, что помогло Песавенто рассчитать выходную мощность и эффективность солнечные батареи.Однако Коув описывает эти вилки для преобразования тепла дровяной печи в электричество, что несовместимо с выбранным им материалом. Для работы печного генератора требовались вилки ZnSb с шириной запрещенной зоны 0,5 эВ. Филип Песавенто:

    «Было ли это неправильное указание со стороны Коува, чтобы помешать людям скопировать его патент на печь и заставить ее работать? Я не знаю.»

    Еще более удивительно, что изображение, на котором Коув стоит рядом с одной из своих солнечных панелей, также появляется в историческом обзоре солнечной энергетики Джона Перлина за 2013 год Пусть светит: 6000-летняя история солнечной энергии .Однако солнечная панель на изображении приписывается Чарльзу Фриттсу, изобретателю селенового солнечного элемента. Кроме того, с изображения исчез сам Джордж Коув. Выдержки из книги, а также фотографии появились на нескольких сайтах. Филип Песавенто не удивился, когда я снова связался:

    .

    «Я сделал это открытие несколько лет назад. Я предполагаю, что кому-то очень понадобилось изображение солнечных батарей Фриттса, он нашел это изображение, а затем отфотошопил из него Джорджа Коува.В конце концов, Коув совершенно неизвестен, а когда он известен, считается, что он изобрел солнечный термоэлектрический генератор, а не солнечную фотоэлектрическую панель. Если вы внимательно посмотрите на две фотографии, то увидите, что вершина портика правой колонны позади него была вырезана и приклеена к тому месту, где стоял Коув, это не совсем правильно  .

    Крис Де Декер

    Чтобы оставить комментарий, отправьте электронное письмо по адресу: solar (at) lowtechmagazine (dot) com. Ваш адрес электронной почты не используется для других целей и будет удален после публикации комментария.Если вы не хотите, чтобы ваше настоящее имя было опубликовано, подпишите электронное письмо именем, которое вы хотите указать.

    Проектирование беспроводного устройства, которое будет работать вечно

    Ранее мы рассмотрели, как заставить беспроводное устройство работать годами на одной крошечной батарейке типа «таблетка». На этот раз мы улучшаем игру и заставляем ее жить вечно, используя солнечную энергию и готовое оборудование.

    Мы создаем прототип нашего устройства и прорабатываем технические детали, связанные с проектированием солнечной энергии.Мы используем готовое оборудование, на котором установлена ​​последняя версия программного обеспечения Thingsquare со сверхнизким энергопотреблением. Свет не дает много энергии, поэтому нам нужно программное обеспечение, которое может максимально использовать его.

    Чего мы хотим достичь

    Свет дает нам возможность иметь неограниченную силу. Это означает, что нам не придется беспокоиться об разряде батареи и не придется менять батареи, что открывает новые возможности, такие как широкомасштабный мониторинг мест, которые иначе труднодоступны.

    Наша беспроводная сеть подключена к Интернету через шлюз. Беспроводные узлы питаются от света. Расстояние между устройствами может легко достигать километров.

    Есть много ситуаций, в которых мы хотели бы, чтобы беспроводная сеть работала вечно:

    • Крупномасштабный мониторинг виноградников : отслеживание лоз, из которых производятся изысканные вина
    • Проверка этих органических культур : хотите верьте, хотите нет, но в сельском хозяйстве все зависит от данных
    • Жизнь большого города : в городах есть парковочные места, мусорные баки, автобусные остановки, поезда и другие городские предметы первой необходимости, за которыми нужно следить 
    • На свежем воздухе : зная, где живет крупный рогатый скот, фермеры могут сэкономить деньги

    Многое другое.

    Осуществимость: можем ли мы это сделать?

    Чтобы получить первое представление о возможностях нашей системы, мы смотрим на мощность, необходимую для работы системы. Беспроводному оконечному устройству с частотой обновления датчика 2 часа требуется около 0,1 мВт. Беспроводным ячеистым маршрутизаторам требуется примерно в 20 раз больше, поскольку им нужно больше использовать радио.

    Для сравнения, Raspberry Pi Zero W, который является компьютером общего назначения с относительно низким энергопотреблением, потребляет около 0,5–1 Вт. Это приводит к гораздо большей площади солнечного элемента, как показано в сравнении ниже.

    Относительные размеры панелей солнечных батарей. Абсолютные размеры определяются географическим положением, в котором предполагается использовать устройство. Размер панели листового устройства варьируется от 0,5 x 0,5 см (0,2 x 0,2 дюйма) для развертывания вблизи экватора до 2 x 2 см (0,8 x 0,8 дюйма) для развертывания в Стокгольме, Швеция.

    Системе с питанием от солнечной энергии требуется солнечный элемент и небольшая перезаряжаемая батарея для хранения энергии, когда прямой свет недоступен. Мы вычисляем разумную площадь, необходимую для солнечных элементов, изучая существующие технологии солнечных элементов и их энергоэффективность.

    Для наружного применения фактическая площадь солнечных батарей зависит от того, в какой части мира будет развернута система. В Стокгольме, Швеция, для Raspberry Pi Zero W требуется солнечная батарея размером с iPad, а листовому узлу — солнечная батарея размером с ноготь большого пальца. На экваторе Raspberry Pi Zero W нужен солнечный элемент размером с iPhone.

    Достаточно ли света в помещении?

    Солнце излучает огромное количество энергии. Внутреннее освещение очень энергоемкое по сравнению с ним.Однако для наших узлов в режиме жизненного цикла нам не нужно много, всего несколько милливатт. Но не только интенсивность света намного меньше, спектр света также намного меньше. Солнечные панели для наружного применения плохо работают в помещении.

    Хорошо, давайте сделаем это!

    Теперь, когда мы знаем, что наша цель достижима, мы можем построить наш первый прототип.

    Компоненты беспроводного устройства на солнечной энергии: набор солнечных элементов, аккумулятор энергии, беспроводной микропроцессор и датчики.

    Мы построим прототип системы мониторинга качества воздуха. Мы все дышим воздухом, поэтому качество воздуха влияет на всех нас. Возможность всегда отслеживать это означает, что мы можем улучшить его.

    Качество воздуха можно измерять как в помещении, так и на улице. Мы начнем с создания версии нашей системы для наружного применения, так как на открытом воздухе, скорее всего, будет больше света, поэтому для нее должно быть проще проектировать .

    Мы используем существующий эталонный дизайн для нашего оборудования, но заменяем его батарею механизмом солнечной энергии (солнечная панель, перезаряжаемая батарея и зарядное устройство).В эталонном проекте используется беспроводная SoC CC2650, но мы можем использовать его аналоги CC1350 или CC1310 с частотой менее 1 ГГц, чтобы получить лучший диапазон.

    Эталонный проект датчика качества воздуха.

    Аппаратный прототип

    Мы создаем прототип аппаратного обеспечения с панелью запуска Texas Instruments CC1350, которая содержит маломощный беспроводной чип, на котором работает программное обеспечение системы. Он питается от солнечной панели, одной перезаряжаемой батареи, нескольких электронных схем для управления перезарядкой батареи, все это готовое аппаратное обеспечение потребительского уровня.

    Собрав все вместе, мы получим аппаратное обеспечение, которое мы видим на картинке ниже.

    Аппаратное обеспечение прототипа состоит из солнечной батареи, одной перезаряжаемой батареи и одного беспроводного устройства TI Launchpad. Очевидно, что этот прототип не выиграет ни одного конкурса, основанного на его внешнем виде.

    На данном этапе аппаратное обеспечение не очень. Но это нормально, так как мы сможем сделать более совершенную версию позже, как только увидим, что можем построить и запустить прототип.

    Солнечная энергия в действии

    Мы настроили наш прототип оборудования и подключили его к одной из беспроводных сетей в нашем офисе.

    Настраиваем ПО на считывание напряжения с солнечной панели и с аккумулятора. Аккумулятор должен обеспечивать стабильное напряжение 3,3 В, тогда как мы ожидаем, что напряжение солнечной панели будет меняться в течение дня. Мы видим результаты на графике ниже.

    Напряжение от солнечной панели, которую мы используем для зарядки аккумулятора, меняется в течение дня. 24 сентября был солнечный день, поэтому мы увидели больше энергии от солнечной панели.

    Теперь мы создали беспроводное устройство, которое будет работать вечно.Или, по крайней мере, до тех пор, пока у нас достаточно света, чтобы поддерживать его.

    Теперь давайте углубимся в технические детали разработки беспроводного продукта, который будет жить за счет лучей света.

    Предыстория: сбор энергии и энергии

    Солнечная энергия — это пример более общей формы энергии для наших устройств, называемой сбором энергии. Сбор энергии — это извлечение энергии из того, что нас окружает, будь то свет, звук, механическая энергия или разница температур. Из них сбор энергии солнечной энергии является наиболее распространенным в использовании, отчасти потому, что это зрелая технология с высокой плотностью энергии.Это означает, что необходимые нам компоненты легкодоступны, дешевы и хорошо изучены. Он надежный и эффективный.

    Факторами, определяющими решение для солнечной энергии, являются нагрузка, панель, где и как она будет использоваться, а также объем резервного питания, который будет включен в проект .

    Компоненты изделия на солнечной энергии

    Солнечная энергия использует энергию, излучаемую солнцем в результате синтеза, которая проходит около 8 минут в космосе и в конечном итоге попадает на солнечную панель. Direct Normal Irradiance или DNI — это мера доступности солнечного света в определенном месте. Он меняется в зависимости от местоположения, погоды, времени года и т. д. На экваторе показатель DNI довольно стабилен в течение года, в то время как на северном и южном полюсах меняются до крайности с бесконечными днями и ночами.

    Чтобы преобразовать свет в электрическую энергию, мы используем светочувствительное устройство, называемое фотогальваническим элементом. Несколько таких элементов могут быть соединены в солнечную панель.

    Солнечные элементы обычно изготавливаются из монокристаллического или поликристаллического кремния.Обычно они преобразуют от 15% до 25% входящего света в электрическую энергию. Монокристаллические элементы лучше, но дороже. Ячейки нового поколения сделаны из тонкой пленки, но соотношение цены и эффективности по-прежнему делает их более подходящими для специализированного оборудования.

    Солнечные панели вырабатывают электроэнергию и подключены к зарядному устройству, которое накапливает энергию, чтобы изделие могло питаться даже при отсутствии солнечного света. Затем выходное напряжение батареи регулируется до безопасного и стабильного напряжения для нагрузки.

    Зарядное устройство может изменять нагрузку, чтобы найти оптимальную точку, которая максимизирует выходную мощность солнечной панели. Это называется Максимальная точка мощности или MPP . Зарядные устройства, которые делают это, называются трекерами MPP (MPPT) и немного сложнее и дороже. Для маломощных устройств зарядные устройства MPPT могут не стоить затрат и усилий, и вместо этого можно использовать простое зарядное устройство.

    Дизайн для наихудшего случая

    Поскольку наш продукт, скорее всего, будет оставлен в дикой природе в надежде, что нам больше не придется к нему прикасаться, нам нужно спроектировать наихудший случай.И еще. Конечно, это компромисс — большая панель и большая батарея стоят дороже и занимают больше места.

    Это означает, что нам нужно знать несколько вещей, чтобы определить размеры солнечной панели и батареи.

    Солнечные часы в разных местах мира. Источник: Landsberg, H. E. in Pinna, M. L’atmosfera e il clima, Torino, UTET, 1978, с. 63., общественное достояние, ссылка

    Утверждения, предположения, догадки

    Нам нужно знать, сколько солнечного света будет доступно продукту для сбора урожая.Это зависит от местоположения, географии, расположения панели и времени года. Это можно узнать из данных о погоде и веб-сайтов, предлагающих такую ​​информацию. Обратите внимание, что мы должны использовать наихудший случай во всех аспектах, иначе мы можем обнаружить, что продукт не будет работать зимой. Для худшего места найдите худший месяц, худший угол, худшее направление и используйте это число.

    Нам также необходимо знать среднюю нагрузку, которую будет использовать наш продукт. Это должно быть долгосрочное среднее значение и включать в себя то, что случается редко.Например, если продукт регулярно отбирает датчик и условно запускает двигатель на короткое время, мы должны учитывать это в среднем. Это измеряется в лаборатории. В идеале вам нужно использовать осциллограф или анализатор нагрузки, поскольку быстрые скачки мощности могут быть пропущены, если частота дискретизации оборудования слишком низкая.

    При отсутствии солнца изделие работает только от аккумулятора. Чтобы определить его размер, нам нужно выбрать максимальное количество дней без солнечного света, которое продукт должен выдержать.Это покроет плохую погоду и ночи. Среднее количество солнечного света в день, которое мы использовали ранее, включает это, но оно не передает представления о том, что в течение определенного периода времени солнечный свет может быть близок к нулю.

    В каждой системе есть потери. Нам необходимо учитывать потери из-за саморазряда батареи, потерь при преобразовании напряжения и так далее. Что касается погоды, нам также необходимо знать температуру, при которой будет использоваться продукт. Холодная погода, как правило, серьезно влияет на производительность батареи, причем в 4 раза.Кроме того, в зависимости от используемой батареи, мы можем не захотеть слишком сильно ее разряжать, поскольку это может привести к необратимому повреждению емкости. Например, литий-полимерные аккумуляторы не следует разряжать более чем на 30-50%.

    Солнечный свет

    Продукт, работающий на солнечной энергии, должен быть разработан специально для географического региона, в котором он продается.

    Проектирование для наихудшего сценария часто окупается.

    Если мы предположим, что наш продукт будет использоваться в Стокгольме, Швеция, это будет довольно хороший наихудший случай.Конечно, это будет продаваться и в других местах, но Стокгольм — относительно темное место.

    Стокгольм находится примерно на 60° северной широты и имеет длительный период с очень плохим солнечным светом. Стокгольм также особенно одарен спорадическими периодами плохой погоды, блокирующей солнечный свет.

    Таким образом, используя веб-сервис, предназначенный для установщиков солнечных панелей, мы находим DNI,

    • **Расположение:** Стокгольм, Швеция
    • **Месяц:** расчет для наихудшего случая
    • **Ориентация панели:** конструкция для наихудшего случая, здесь плоская горизонтальная
    • **Ориентация компаса панели:** конструкция для наихудшего случая, для горизонтальной плоской поверхности ориентация компаса не имеет значения

    Результатом является наихудший DNI 250 Втч на м 2 панели и день в декабре.Если мы можем справиться с декабрем, мы можем справиться и с июлем, но не наоборот. Это теоретический средний максимум, который мы можем получить в худшем случае со 100%-ной эффективностью панели. Это средний показатель за несколько лет. Для сравнения, панель в Вашингтоне, округ Колумбия, США, в худший месяц будет получать 3220 Втч/м 90 674 2 90 675 в день, если она будет установлена ​​под оптимальным углом и обращена на юг.

    Принимая это во внимание,

    • DNI: 250 Втч на м 2 панель и день
    • Эффективность панели: типичная панель потребительского класса, 16%
    • Потери: предполагают около 20 % потерь

    мы находим максимальную мощность, которую мы получим, как наихудший случай , усредненный за все время: 0.1333 мВт на см 2 панель . При нагрузке 0,5 мВт нам понадобится панель 3,75 см 2 , или квадрат 2 на 2 см. Это мощность, которую мы можем получить от такой панели в худшем случае.

    Аккумулятор

    Поскольку не всегда солнечно, мы используем аккумулятор для хранения энергии в темное время суток. Это также необходимо в качестве резерва мощности для больших скачков мощности, например, при использовании двигателя.

    Одним из наиболее распространенных типов батарей, используемых в таких приложениях, являются литий-полимерные батареи.Однако у них есть пара недостатков.

    Литий-полимерный:

    • Не должен потреблять слишком много тока
    • Не должен разряжаться слишком сильно, иначе он будет навсегда поврежден
    • Имеет напряжение элемента 4,2 при полной зарядке и от 2,7 до 3,0 при отключении разряда
    • Работает хуже в холодном состоянии

    Это обрабатывается:

    • Использование зарядного устройства со схемой защиты
    • Компенсация за счет большей батареи и отключения зарядного устройства
    • Использование регулятора и правильное отключение зарядного устройства
    • Компенсация с температурным коэффициентом компенсации, если продукт используется на холоде

    Емкость аккумулятора в зависимости от температуры.При температуре -20 ° C емкость составляет всего одну четвертую от емкости при комнатной температуре (источник технических данных Sanyo li-poly upf454261).

    Мы используем следующие предположения,

    • Дней без солнечного света: 10 дней
    • Средняя нагрузка: , как указано выше, 0,5 мВт
    • Тип аккумулятора: литий-полимерный , влияет на температурную компенсацию и максимальный разряд
    • Температурная компенсация: мы будем использовать ее при -20 ° C, поэтому коэффициент 4 (указан в паспорте батареи)
    • Макс. разряд: разряд не более 50 %

    Полученный размер батареи составляет минимум 3.7В 260мАч емкостью . Это примерно размер батарейки типа «таблетка», а это означает, что это будет очень маленький продукт.

    А как насчет в помещении?

    Indoor имеет гораздо меньше доступной световой энергии, которую труднее собрать из-за более ограниченного спектра. Для использования в помещении нам нужна специальная панель, подходящая для таких условий. Одним из таких производителей является Ixys, и мы используем значения из их технического описания и маркетинговых материалов.

    Ixys продает солнечные элементы и панели, предназначенные для внутреннего освещения.Как правило, это монокристаллические кремниевые элементы с эффективностью 22%, которые могут собирать широкий спектр света.

    Доступная мощность света в помещении намного ниже, чем на улице, примерно от 5 до 15 Вт на м 2 панели в день (источник).

    Предположим, что произошли следующие изменения по сравнению с предыдущим,

    .
    • Внутреннее состояние: офисное помещение, 10 Вт на м 2 Панель
    • Эффективность панели: согласно спецификации, 20 %
    • Условия освещения: 10 часов освещения в будний день, выключение в выходные: коэффициент 0.30
    • Температурная компенсация: мы будем использовать ее при комнатной температуре, поэтому коэффициент 1,1
    • Дни без солнечного света: 14 дней (время отпуска)

    Получились цифры, нам нужна панель 16 на 16 см и аккумулятор 3,7В 100мАч .

    Выводы

    С небольшой помощью солнца мы можем сделать сеть вечной, даже в помещении. Есть ряд факторов, которые необходимо учитывать, но когда вы знаете, как спроектировать их, это не ракетостроение.

    Как работают солнечные панели, шаг за шагом (объяснение науки о солнечной энергии)

    Главная » Панели солнечных батарей » Как работают солнечные батареи, шаг за шагом (объяснение науки о солнечной энергии)

    Как работают солнечные батареи, шаг за шагом?

    Поначалу наука о солнечной энергии сбивает с толку.

    Как именно солнечные фотоэлектрические (PV) панели волшебным образом превращают обычный солнечный свет в полезную электроэнергию?

    Что ж, когда вы копнете немного глубже и разберете панель (в буквальном смысле), вы обнаружите, что все это начинает иметь немного больше смысла.

    Цель этой статьи — раскрыть, как работают солнечные панели и какие преимущества может принести использование солнечной энергии на нашей планете.

    Начинаем!


    Краткая история солнечных панелей

    Скромное начало производства солнечных панелей насчитывает более 100 лет.

    Когда-то основной задачей солнечной энергетики было помочь в производстве пара (привет, промышленная революция), который затем можно было использовать для питания машин.

    Только когда Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект, солнечный свет начал преобразовываться в солнечное электричество.

    Именно открытие Беккереля побудило Чарльза Фриттса изобрести первый в мире настоящий солнечный элемент в 1893 году.

    В 1941 году американский изобретатель, известный как Рассел Ол, запатентовал первый кремниевый солнечный элемент. Изобретение Оля привело к тому, что в 1954 году была изобретена самая первая солнечная панель.

    Неудивительно, что солнечные панели нашли свое первое применение далеко от земли, далеко в космосе, на спутниках.

    Возможно, вы помните свое первое знакомство с солнечными панелями, вероятно, оно было встроено в ваш новый калькулятор!


    Что такое солнечная панель?

    Солнечная панель обычно состоит из 6 различных элементов:

    1. силиконовые солнечные элементы
    2. металлическая рамка (обычно алюминий)
    3. стеклянный лист для защиты и корпуса
    4. стандартный 12V провод
    5. Провод шины
    6. Оргстекло

    Кремниевые солнечные элементы являются основным компонентом солнечной панели и отвечают за преобразование солнечного света в солнечную электроэнергию.


    Как работают солнечные панели?

    Как уже говорилось, основной и наиболее важной частью солнечной панели являются кремниевые солнечные элементы.

    Кремний имеет атомный номер 14 в периодической таблице. Это неметалл с проводящими свойствами, которые позволяют элементу преобразовывать солнечный свет в электричество.

    Когда свет взаимодействует с кремниевой клеткой, он заставляет электроны внутри нее двигаться, это движение инициирует поток электричества.

    Этот процесс известен как «фотогальванический эффект».

    Само собой разумеется, что кремниевые элементы сами по себе не могут обеспечить электроэнергией ваш кемпер или дом.

    Для того, чтобы электроны солнечной батареи могли улетучиваться и давать полезную энергию, она должна быть сопряжена со специальной проводкой и металлическим корпусом.

    Также стоит упомянуть, что солнечные панели имеют различную структуру ячеек, о которых мы поговорим подробнее позже в этой статье.

    Пошаговое описание работы солнечных панелей

    Шаг 1. Солнечные лучи попадают на солнечную панель, и создается электрическое поле.

    Шаг 2. Вырабатываемое солнечным светом электричество течет от кремниевых элементов к краю панели и в токопроводящий провод.

    Шаг 3. Токопроводящий провод подает электричество на инвертор. внутри инвертора электричество преобразуется из постоянного тока в переменный ток, который используется для питания зданий, фургонов и моторных лодок.

    Шаг 4. После того, как электричество было преобразовано в переменное, другой провод подает электричество в распределительную коробку, которая распределяет электричество по всему зданию по мере необходимости.


    Различные типы солнечных панелей

    Существует 3 типа солнечных панелей – поликристаллический, монокристаллический и аморфный кремний.

    Ниже мы рассмотрим более подробно каждую из них:

    Монокристаллическая

    Монокристаллическая Солнечные панели состоят из одного большого кремниевого блока. Известно, что элементы из монокристаллического кремния более эффективны, чем элементы из поликристаллического или аморфного кремния. Процесс производства монокристаллических солнечных панелей намного более трудоемкий, поэтому такие панели обычно дороже своих аналогов.Вы можете легко распознать монокристаллические клетки благодаря их четкой черной эстетике.

    Поликристаллические

    Поликристаллические солнечные элементы также являются кремниевыми элементами, однако вместо того, чтобы формироваться в большой блок, они являются конечным продуктом сплавления нескольких кремниевых элементов вместе. После расплавления молекулы кремния сливаются вместе в саму панель. Поликристаллические солнечные панели менее эффективны, чем моноэлементы, и поэтому они дешевле.Заметить полисолнечные панели можно по их обычному голубоватому оттенку.

    Аморфный кремний

    Аморфный кремний Элементы используются для создания новых гибких солнечных панелей. Ячейки из аморфного кремния некристалличны. Вместо этого они прикреплены к таким материалам, как стекло, пластик или металл. Они обычно очень тонкие и из-за этого поджарые и податливые. Хотя эти солнечные панели могут быть довольно практичными, они очень неэффективны по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими солнечными панелями


    Каковы преимущества использования солнечной энергии?
    Преимущества солнечной энергии Недостатки солнечной энергии
    возобновляемых источников энергии Источник Установка Стоимость
    Понижает Электричество Bills в зависимости от погоды
    Многие приложения Энергетическое хранение дороже
    Доступное обслуживание стоит Занимается много космического пространства
    Tech Development , связанных с загрязнением свалки

  • 6 Солнечный источник энергии

    Солнечная энергия — это правда , чистый, возобновляемый источник энергии, в отличие от многих других источников энергии.

    Солнечную энергию можно использовать из любой точки Земли, и она доступна почти каждый день.

    Солнечная энергия будет доступна до тех пор, пока у нас есть солнце. Которой, по мнению ученых, должно быть еще как минимум 7-8 миллиардов лет!

    Снижает счета за электроэнергию

    Солнечные панели позволят вам использовать меньше электроэнергии, поступающей от сети, что, в свою очередь, уменьшит ваши ежемесячные счета за коммунальные услуги.

    Насколько она уменьшится, зависит от размера комплекта солнечной энергии, который вы установили у себя дома.

    Множество применений

    Солнечная энергия может быть использована для производства электричества (фотогальваника), да, это все мы знаем. Однако его можно использовать и для обогрева (солнечная тепловая энергия).

    Солнечный термальный источник можно использовать для дистилляции воды в регионах с ограниченным запасом чистой воды.

    В будущем солнечная энергия, скорее всего, будет массово внедряться в строительные материалы – подумайте о солнечных кирпичах!

    Доступная стоимость обслуживания

    Если вы устанавливаете солнечные панели от надежной компании, такой как Renogy, вы, вероятно, увидите, что они прослужат от 20 до 25 лет.

    Техническое обслуживание включает в себя простую чистку каждую неделю, чтобы убедиться, что вы максимально увеличиваете скорость поглощения солнечной энергии вашей панелью.

    Поскольку движущихся частей нет, то, как правило, нет износа, единственное, что нужно будет заменить, это инвертор, но вы можете делать это каждые 5-10 лет или около того.

    Это означает, что после ваших первоначальных инвестиций в солнечную энергию вы можете рассчитывать на очень небольшие текущие расходы на обслуживание оборудования.

    Техническое развитие

    В будущем мы, без сомнения, увидим достижения в области квантовой физики и нанотехнологий.

    Это значительно повысит эффективность солнечных батарей и удвоит, а возможно, и утроит потребление электроэнергии солнечными системами!


    Заключительные мысли

    Мы надеемся, что эта статья прольет свет на вопрос «как работают солнечные панели?».

    Не забудьте сообщить нам о своем опыте использования солнечной энергии в разделе комментариев ниже.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *