Solarni generator vlastitim rukama: upute za izradu alternativnog izvora energije

Alternativni izvori energije koji omogućuju opskrbu stambenog prostora toplinom i električnom energijom u potrebnoj količini nisu jeftino 'zadovoljstvo' i zahtijevaju znatne financijske troškove za nabavu, montažu i ugradnju.

Napraviti solarni generator vlastitim rukama znatno je jeftinije i sasvim je izvedivo za mnoge kućne majstore. Pogledajmo upute koje na pristupačan način opisuju sve nijanse postupka izrade.

Kako radi generator solarne energije?

Solarni generator je sklop fotoelektričnih poluprovodničkih elemenata koji izravno pretvaraju energiju sunca u električnu.

Kvanti proizvedeni svjetlosnim zrakama pri udaru na fotoploču izbijaju elektron sa zadnje atomske orbite radnog elementa. Taj efekt stvara mnoštvo slobodnih elektrona koji tvore neprekidan tok električne struje.

Nije uopće potrebno, dok vlastitim rukama sastavljate solarni generator, odma sklapati velik, opsežan sklop. Može se početi s malim agregatom, a po potrebi u budućnosti povećati kapacitet.

Kao aktivni materijal koristi se silicij. Odlikuje se visokom učinkovitošću i osigurava koeficijent fotoelektrične pretvorbe u uobičajenom režimu na razini od 20%, a pri povoljnim uvjetima – do 25%.

Zahvaljujući izraženoj učinkovitosti silicijevih fotoćelija, generatori izrađeni na njihovoj osnovi jamče visok prinos uz razmjerno malu veličinu. Snaga agregata veličine 1 metar na sat daje 125 W, što se smatra prilično impresivnim rezultatom.

Na jednu stranu ploče od silicija nanosi se tanki sloj pasivnih kemiijskih elemenata – bora ili fosfora. Upravo na toj površini uslijed intenzivnog djelovanja sunčevih zraka dolazi do aktivnog oslobađanja elektrona. Fosforni film ih pouzdano drži na jednom mjestu i ne dopušta im da se rasprše.

Na radnoj pločici nalaze se metalne «staze». Na njima se grade slobodni elektroni, stvarajući tako uređeno gibanje, odnosno električnu struju.

Nedostaci pločica uključuju samo složenost i skupoću postupka pročišćavanja samog silicija, a kako bi se izbjegli ti problemi, aktivno se razvija korištenje alternativa u obliku galija, kadmija, indija i različitih bakrenih spojeva. Međutim, za sada silicijski elementi još nemaju stvarnih konkurenata.

Najjednostavniji način za izgradnju pretvarača sunčeve energije u električnu jest kupiti gotovu solarnu ploču i postaviti je na krov kuće ili garaže:

Što je potrebno za rad?

Za izradu generatora koji se sastoji od kompleta solarnih ploča, potrebni su sljedeći alati i materijali:

• moduli za pretvorbu sunčevih zraka u energiju;
• aluminijski kutnici;
• drvene letvice;
• ploče iverice;
• prozirni element (staklo, pleksiglas, organsko staklo, polikarbonat) za stvaranje zaštite za silicijske pločice;
• samorezni vijci i vijci različitih veličina;
• gusti porolon debljine 1,5-2,5 mm;
• kvalitetno brtvilo;
• diode, stezaljke i žice;
• električni odvijač ili set odvijača;
• lemilica;
• pila za drvo i metal (ili kutna brusilica).

Količina potrebnih materijala izravno će ovisiti o planiranoj veličini generatora. Opsežniji rad povlači dodatne troškove, ali će u svakom slučaju biti jeftiniji od kupljenog modula.

Zaštitnu podlogu za silicijske pločice može se izraditi od stakla, akrilnog stakla, polikarbonata ili pleksiglasa. Prva tri materijala uzrokuju minimalan gubitak pretvorene energije, dok četvrti propušta zrake znatno lošije i znatno smanjuje učinkovitost cijelog sustava.

Za konačno testiranje sastavljenog agregata koristi se ampermetar. On omogućuje bilježenje stvarnog KPD-a uređaja i pomaže odrediti stvarni izlaz.

Odabir vrste fotonaponskog pretvarača

Aktivnosti za izradu solarnog generatora vlastitim rukama započinju odabirom vrste fotonaponskog silicijskog pretvarača.

Ove komponente dolaze u tri vrste:

• amorfne;
• monokristalni;
• polikristalne.

Svaka inačica ima svoje prednosti i nedostatke, a odabir bilo koje od njih vrši se na temelju iznosa sredstava dodijeljenih za kupnju svih komponenti sustava.

Značajke amorfnih varijanti

Amorfni moduli ne sastoje se od kristalnog silicija, već od njegovih derivata (silana ili silicijevog hidrida). Vakuumskim naparivanjem nanose se u vrlo tankom sloju na visokokvalitetnu metalnu foliju, staklo ili plastiku.

Gotovi proizvodi imaju blijedu, razmazanu sivu nijansu. Vidljivi kristali silicija na površini se ne opažaju. Glavnom prednošću fleksibilnih solarnih baterija smatra se pristupačna cijena, međutim, njihov KPD je vrlo nizak i kreće se u rasponu od 6-10%.

Amorfni fotoelementi izrađeni na osnovi silicija imaju povećanu fleksibilnost, pokazuju visoku razinu optičke apsorpcije (20 puta veću od mono- ili polikristalnih analoga) i znatno učinkovitije rade u oblačnom vremenu.

Specifičnost polikristalnih tipova

Polikristalne solarne baterije proizvode se postupnim vrlo sporim hlađenjem silicijskog taljenika. Dobiveni proizvodi odlikuju se zasićenom plavom bojom, imaju površinu s jasno izraženim uzorkom koji podsjeća na mraz i pokazuju učinkovitost u području od 14-18%.

Postizanje veće KPD-učinkovitosti ometaju područja unutar materijala koja su odvojena od cjelokupne strukture zrnatim granicama.

Polikristalne fotonaponske ćelije rade punih 10 godina, ali za to vrijeme njihova učinkovitost ne opada. Međutim, za montažu proizvoda u jedinstvenu cjelinu nužno se koristi čvrsta, kruta podloga jer su ploče prilično krute i zahtijevaju snažnu, pouzdanu potporu.

Karakteristika monokristalnih varijanti

Monokristalni moduli karakteriziraju se gustim tamnim bojom i sastoje se od cijelih kristala silicija. Njihova učinkovitost premašuje pokazatelje ostalih elemenata i iznosi 18-22% (u povoljnim uvjetima do 25%).

Još jednom prednošću smatra se impresivan vijek trajanja – prema tvrdnjama proizvođača preko 25 godina. Međutim, pri dugotrajnoj uporabi učinkovitost monokristala opada i nakon 10-12 godina fotoizlaz iznosi najviše 13-17%.

Moduli od monokristala znatno su skuplji od drugih vrsta opreme. Proizvode se piljenjem umjetno uzgojenih kristala silicija.

Za izradu solarnog generatora kod kuće vlastitim rukama uglavnom se uzimaju polikristalne i monokristalne ploče različitih dimenzija. Nabavljaju se u popularnim internetskim trgovinama, uključujući eBay ili AliExpress.

Zbog toga što su fotonaponske ćelije prilično skupe, mnogi dobavljači nude kupcima proizvode skupine B, odnosno dijelove s manjim nedostatkom pogodne za punopravni rad. Njihova cijena razlikuje se od standardne za 40-60%, zahvaljujući čemu se sastavljanje generatora obavlja po razumnoj cijeni koja ne opterećuje previše džep.

Kako napraviti okvir za ploče?

Za izradu okvira budućeg generatora koriste se čvrste drvene letve ili aluminijski kutnici. Drvena varijanta smatra se manje praktičnom jer materijal zahtijeva dodatnu obradu kako bi se izbjeglo naknadno truljenje i raslojavanje.

Da bi drveni okvir izdržao radno opterećenje i ne bi istrunuo već nakon prve kiše, potrebno ga je impregnirati posebnim sredstvom koje štiti drvo od utjecaja vlage.

Aluminij ima mnogo privlačnija fizička svojstva i zahvaljujući svojoj lakoći ne stvara dodatno opterećenje na krovu ili drugom nosivom konstrukcijom gdje se planira ugraditi uređaj.

Osim toga, zahvaljujući antikorozivnom premazu metal ne hrđa, ne truli, ne upija vlagu i lako podnosi utjecaj svih agresivnih atmosferskih pojava.

Za izradu okvirne konstrukcije od aluminijskih kutnika najprije se određuje veličina budućeg panela. U standardnoj varijanti za jedan blok koristi se 36 fotonaponskih ćelija dimenzija 81 mm x 150 mm.

Za ispravan kasniji rad, između fragmenata ostavlja se mali razmak (oko 3-5 mm). Taj prostor omogućuje uzimanje u obzir promjene osnovnih parametara podloge izložene atmosferskim utjecajima. Kao rezultat, ukupna veličina pripremka iznosi 83 mm x 690 mm uz širinu kutnika okvira od 35 mm.

Silicijske pločice, postavljene u okvir od aluminijskog profila, izgledaju gotovo kao tvornički proizvedeni proizvodi. Čvrst i jak okvir osigurava sustavu besprijekornu nepropusnost i daje cijeloj konstrukciji visoku razinu krutosti.

Nakon određivanja dimenzija, iz kutnika se izrezuju potrebni fragmenti i pomoću pričvrsnih elemenata sastavljaju u okvirne okvire. Na unutarnju površinu konstrukcije nanosi se sloj silikonske brtve, pazeći da nema praznina i šupljina.

O tome ovise cjelovitost, čvrstoća i trajnost montirane konstrukcije. Na vrh se postavlja zaštitni prozirni materijal (staklo s antirefleksnim premazom, pleksiglas ili polikarbonat s posebnim parametrima) i sigurno se pričvršćuje pomoću okova (po 1 na kratkoj i po 2 na dugoj strani okvira te 4 na uglovima kućišta).

Za rad se koriste odvijač i vijci odgovarajućeg promjera. Na kraju se prozirna površina pažljivo čisti od prašine i sitnog otpada.

Odabir prozirnog elementa

Osnovni kriteriji odabira prozirnog elementa za izradu generatora:

• sposobnost apsorpcije IR zračenja;
• razina loma sunčeve svjetlosti.

Što je niži indeks loma, to će silicijske pločice pokazati veću učinkovitost. Najniži koeficijent refleksije svjetlosti imaju pleksiglas i organsko staklo. Polikarbonat također nema najbolje pokazatelje.

Za izradu okvirnih konstrukcija za kućne solarne sustave preporučuje se, ako je moguće, koristiti antirefleksno prozirno staklo ili posebnu vrstu polikarbonata s antikondenzacijskim premazom koji osigurava potrebnu razinu toplinske zaštite.

Najbolje karakteristike u pogledu apsorpcije IR zračenja imaju čvrsto termoapsorpcijsko organsko staklo i staklo s opcijom apsorpcije IR zračenja. Obično staklo ima znatno niže pokazatelje. Od učinkovitosti apsorpcije IR zračenja ovisi hoće li se silicijske pločice zagrijavati tijekom rada ili ne.

Ako zagrijavanje bude minimalno, fotoćelije će trajati dugo i osigurati stabilan učin. Pregrijavanje pločica dovest će do prekida u radu i brzog kvara pojedinih dijelova sustava ili cijelog kompleksa.

Ugradnja silicijevih fotoćelija

Neposredno prije montaže, zaštitna stakla postavljena u aluminijske okvire dobro se čiste od prašine i odmašćuju alkoholnim sredstvom.

Kupljene fotoćelije se ravno postavljaju na podlogu za označavanje na udaljenosti od 3-5 milimetara jedna od druge i označavaju se kutovi cjelokupne konstrukcije. Zatim se pristupa lemljenju elemenata – najvažnijem i najzahtjevnijem dijelu rada na sastavljanju generatora.

Lemljenje aktivnih elemenata generatora izvodi se prema shemi u kojoj su «+» staze na vanjskoj strani, a «-» kanali smješteni na naličju ploče.

Za ispravno spajanje kontakata prvo se nanosi fluks (kiselina za lemljenje) i lem, a zatim se provodi obrada u strogom redoslijedu odozgo prema dolje. Na kraju se svi redovi međusobno povezuju.

Sljedeći korak je lijepljenje fotoćelija. U tu svrhu se u središte svake silicijske pločice istisne malo brtvila, formirani lanci elemenata se okreću vanjskom stranom prema gore i smještaju u strogom skladu s prethodno nanesenom oznakom.

Rukama se pažljivo pritišću pločice, fiksirajući ih na željenom mjestu. Postupa se vrlo oprezno, pazeći da se materijal ne ošteti i ne savije.

Kontakti fotoćelija smještenih na rubovima izvode se na zasebnu sabirnicu (široki srebrni vodič), kao «+» i «-». Dodatno se sklop oprema blokirajućom diodom. Spajajući se s kontaktima, ona ne dopušta akumulatorima da se isprazne kroz okvirnu konstrukciju tijekom noći.

U donjem dijelu okvira bušilicom se izrađuju rupe kroz koje se žice izvode van. Kako ne bi visile, u radu se koristi silikonsko brtvilo.

Sa koracima sastavljanja solarne ploče od 60 elemenata upoznat će vas sljedeća foto-galerija:

Sastavljene lemljenjem fotoćelije sada treba učvrstiti na podlogu. Moguće ih je zalijepiti na šperploču i pokriti staklom. Međutim, u primjeru se lijepljenje prvo vrši na staklo:

Kako akumulator namijenjen skladištenju naboja ne bi apsorbirao energiju koju proizvode fotoćelije, njegova solarna baterija se spaja putem Schottky diode:

Montažu mini solarne elektrane koju smo prikazali u primjeru izvodimo prema shemi prikazanoj na fotografiji. Za spajanje koristimo žicu s bakrenom jezgrom presjeka od 1 mm²

Ova mini elektrana može proizvesti do 15 V. Treba imati na umu da će se maksimalna učinkovitost postići samo u sunčanim danima bez oblaka. U oblačnom vremenu uređaj će generirati znatno manje ili uopće neće generirati energiju. Stoga se akumulator za nju odabire tako da rezerva bude dovoljna za najmanje jedan dan.

Kako testirati montirani agregat?

Prije konačnog brtvljenja sastavljenog generatora, obavezno ga testirajte kako biste otkrili potencijalne kvarove koji su se mogli dogoditi tijekom lemljenja. Najrazumnija opcija – provjeravati svaki zalemljeni red zasebno. Tako će odmah postati jasno gdje su kontakti loše spojeni i potrebna je ponovna obrada.

Za provođenje testa koristi se kućni ampermetar. Mjerenje se provodi u sunčanom danu bez oblaka u podnevno vrijeme (razdoblje od 13 do 15 sati). Konstrukcija se postavlja u dvorištu i podešava pod odgovarajućim kutom nagiba.

Kućni ampermetar pomaže izmjeriti stvarnu jakost struje. Na temelju njegovih očitanja može se odrediti razina radne sposobnosti montiranog solarnog sustava i otkriti nepravilnosti u redoslijedu spajanja silicijskih fotoćelija

Na izvedene kontakte solarne baterije priključuje se ampermetar i mjeri struja kratkog spoja. Ako instrument pokazuje rezultate iznad 4,5 A, sustav je potpuno ispravan i svi spojevi su pravilno zalemljeni.

Niže vrijednosti koje se pojavljuju na zaslonu testera ukazuju na nepravilnosti koje je potrebno pronaći i ponovno zalemiti. Tradicionalno, solarni generatori izrađeni ručno od fotonaponskih ćelija s manjim nedostatkom (grupa B) na testu pokazuju vrijednosti od 5 do 10 ampera.

Agregati tvorničke proizvodnje pokazuju podatke 10-20% više. To se objašnjava činjenicom da se u proizvodnji koriste silicijske ploče grupe A, bez ikakvih nedostataka u strukturi.

Završna faza rada

Ako test pokaže da je baterija potpuno ispravna, brtvi se posebnim silikonskim brtvilom ili skupljim i izdržljivijim epoksi spojem.

Rad predviđa dva načina izvođenja:

1. Potpuno zalijevanje – kada se cijela površina prekriva brtvenim sredstvom.
2. Djelomična obrada – kada se brtvilo nanosi samo na rubne elemente i prazan prostor između elemenata.

Prva se varijanta smatra pouzdanijom i pruža sustavu potpunu zaštitu od vanjskih utjecaja. Fotoćelije se čvrsto fiksiraju na svojim mjestima i ispravno rade s maksimalnom učinkovitošću.

Za lijepljenje fotoćelija unutar kućišta poželjno je koristiti brtvilo otporno na mraz, koje može podnijeti nagle temperaturne promjene i niske negativne vrijednosti.

Kada je zalijevanje obavljeno, brtvilu se daje da se "stegne". Zatim se prekriva prozirnim elementom i čvrsto pritišće na ploče.

U svrhu dodatne zaštite i amortizacije, neki majstori preporučuju postavljanje guste pjene između površine silicijske ploče i stražnjeg dijela okvira. To će učiniti konstrukciju cjelovitijom i zaštititi krhke fotoćelije od prekomjernog opterećenja.

Zatim se na površinu postavlja teret koji djeluje na slojeve i istiskuje mjehuriće zraka. Gotovi generator se ponovno testira i konačno montira na unaprijed pripremljeno mjesto.

Gdje i kako smjestiti generator?

Mjesto postavljanja solarnog generatora bira se vrlo pažljivo i bez žurbe. Ploče koje primaju svjetlost obavezno se postavljaju pod nagibom, tako da zrake ne "padaju" okomito na površinu, već da se lagano "slijevaju" po njoj.

U idealnom slučaju, konstrukcija se postavlja tako da ostaje mogućnost prilagodbe kuta nagiba po potrebi, na taj način "hvatajući" maksimalnu količinu sunca.

Sasvim je dopušteno postaviti heliosustav od solarnih panela na tlu, ali najčešće se za smještaj odabire krov kuće ili pomoćne zgrade, i to onaj dio koji je okrenut prema najosvijetljenijoj, uglavnom južnoj strani parcele.

Vrlo je važno da u blizini nema visokih zgrada i moćnih, raširenih stabala. Budući da su u neposrednoj blizini, stvaraju sjenu i ometaju puni rad uređaja.

Kako bi solarni uređaji kvalitetno radili, potrebno ih je održavati čistima i urednima. Sloj prljavštine koji se stvorio na površini prihvatne ploče smanjuje učinkovitost za 10%, a zalijepljeni snijeg potpuno isključuje uređaj. Stoga je redovito održavanje obvezan postupak i pomaže u održavanju modula u idealnom radnom stanju.

Srednje-optimalnim za postavljanje solarnog generatora smatra se kut nagiba krova od 45⁰. Pri takvom rasporedu fotoćelije vrlo učinkovito apsorbiraju sunčev tok i daju potrebnu količinu energije za ispravno osiguranje kućanskih potreba.

Kako bi se dobio stvarni učinak panela i osigurala prosječnoj obitelji potrebna količina energije, bit će potrebno zauzeti 15-20 m² površine krova za solarni generator.

Za europski dio država ZND-a vrijede nešto drugačiji pokazatelji. Profesionalci preporučuju uzeti kao osnovu kut stacionarnog nagiba od 50-60⁰, a u pokretnim konstrukcijama tijekom zimske sezone postaviti baterije pod kutom od 70⁰ prema horizontu.

Ljeti pak mijenjati položaj i naginjati fotoćelije pod kutom od 30⁰.

Postavljanjem panela generatora na track-sustav opremljen opcijom automatskog praćenja sunca, može se povećati učinkovitost isporuke za 50%. Modul će samostalno prepoznati intenzitet zraka i prilagođavati se maksimalnom osvjetljenju od zore do sumraka.

Neposredno prije montaže krov se dodatno učvršćuje i oprema posebnim čvrstim nosačima, jer daleko od svake konstrukcije ima sposobnost izdržati punu težinu opreme za pretvorbu sunčeve energije.

Kako bi se solarni generator pouzdano i čvrsto postavio na krov, vrijedi kupiti posebne pričvršćivače. Oni se proizvode zasebno za svaku vrstu krovnog pokrova i uvijek su dostupni u prodaji. Prilikom montaže između panela i krova potrebno je ostaviti razmak za puni pristup zraka i ispravnu ventilaciju elemenata koji apsorbiraju sunce.

U nekim slučajevima ispod krova postavljaju ojačane rogove koji štite krov od urušavanja, potencijalno mogućeg zbog povećanog opterećenja koje znatno raste u zimskoj sezoni, kada se na krovnoj površini nakuplja snijeg.

Za pokretanje solarnog sustava potrebni su akumulatori, inverter i kontroler punjenja. O pravilima odabira uređaja i njihovom uključivanju u krug saznajte iz članaka koje preporučujemo.

Zaključci i koristan video na temu

Značajke i nijanse lemljenja fotoćelija za izradu učinkovitog solarnog generatora vlastitim rukama u kućnim uvjetima. Savjeti i upute za majstore, zanimljive ideje i osobna iskustva.

Kako ispravno testirati fotoćeliju i izmjeriti njezine osnovne parametre. Ove informacije će vam koristiti pri kasnijim izračunima točnog broja ploča potrebnih za pravilan rad sustava.

Potpuni opis korak po korak procesa sastavljanja solarne baterije za generator u kućnim uvjetima. Pravila rada, počevši od nabave potrebnih elemenata do općeg testa izrađenog uređaja.

Znajući o građi solarnih generatora, sastaviti ih kod kuće neće biti veliki napor. Naravno, rad će zahtijevati pažnju, točnost i skrupuloznost, ali rezultat će opravdati sve financijske i radne troškove. Gotovi agregat u potpunosti će osigurati zgradi toplinu i električnu energiju, stvarajući za stanare potrebnu razinu udobnosti.

Ne isplati se odmah bacati na veliki projekt. Za početak ima smisla okušati se u sastavljanju manjeg agregata, a zatim, nakon što u potpunosti savladate sve nijanse procesa, pristupiti izgradnji snažnije i veće instalacije.

A koji ste način izgradnje mini-elektrane odabrali za uređenje vikendice? Pišite, molimo, komentare, podijelite korisne informacije i fotografije na temu članka u bloku ispod. Postavljajte pitanja o spornim ili nejasnim točkama.