60-ваттная солнечная панель своими руками

Несколько лет назад я купил себе загородный домик. Просто вышло так, что я астроном, и хочу заниматься своим хобби вдали от городского шума и светового загрязнения среды (их производят световые рекламы, фонари, всё, что мешает астрономическим наблюдениям), которой грешат почти все, кроме уж совсем небольших, города. Я нашёл очень хорошее удалённое место в штате Аризона. Место прекрасное, тихое, но только есть один существенный недостаток — далеко вокруг нет электричества. Но на самом деле, какая же это беда? Хотя, откровенно говоря, хотелось бы иметь немножко электрической тяги, всё ж таки на улице 21 век, и много удобств зависит от неё.

Я взял да и построил себе ветряную турбину-генератор, чтобы в своём отшельничестве был электрический свет (но о ней подробно расскажу как-нибудь в будущем). Турбина работает просто великолепно (когда, естественно, дует ветер). Но мне нужно было больше тока, и чтобы источник его был надёжный и беспрерывный. Похоже было, что ветер постоянно дул на мою недвижимость, за исключением тех случаев, когда он был нужен особенно сильно.
Однако я заметил, что примерно 300 дней в году я на своей даче имею солнечный свет. Я подумал, а ведь это хорошее подспорье для турбины — солнечная энергия! Но поскольку солнечные коллекторы (или панели) весьма дороги, я решил попробовать построить одну сам.

Действовать решил при помощи обычных инструментов и недорогих недефицитных материалов. Я надеялся построить солнечную панель не хуже промышленной по своей производительности, но совершенно недосягаемую для коммерческих экземпляров по цене. Предлагаю почитать мой рабочий поэтапный дневник, и вы узнаете подробно, как я всё это делал.

Покупка нескольких фотоэлементов
Для более удобной перевозки и во избежание повреждений элементы были обмазаны воском, удалить который было первой моей головной болью.
Я приобрёл парочку блоков размером 3 на 6 монокристаллических фотоэлементов. Нужно всего 36 таких элементов, соединённых последовательно. Каждый элемент производит до 1/2 вольта. 36 штук в последовательности дают где-то 18 вольт, что вполне достаточно для зарядки 12-вольтовых батарей. Да, именно такой высокий вольтаж и нужен для их зарядки. Такой тип фотоэлементов тонкий, как бумага, хрупкий и нежный, как стекло. Кроме того, их легко можно повредить. Как, правило, продавцы очень щедро обмазывают панели воском. Воск очень сложно убирать. Так что при покупке их советую выбирать такие, где воска нет. Но помните, что они могут пострадать при неаккуратной транспортировке. Обратите также внимание, что на них есть металлические ярлычки. Поскольку вам придётся паять панель из этих элементов, выбирайте их с ярлычками. Без них вам придётся проводить паяльных работ примерно в два раза больше. Лучше доплатить за ярлычки.

Я также купил пару упаковок элементов без восковой обмазки у другого продавца от Ebay. Они были запакованы в пластиковую коробку. Они грохотали внутри, а затем я обнаружил немножко зазубринок по их краям и углам. Однако, мелкие зазубринки совсем не страшны. Не нужно абсолютно беспокоиться, что из-за них будет хуже производительность. Хотя из-за этого часто продукцию бракуют. Но ведь одна-две зазубрины просто ерунда. Я купил достаточное количество элементов для постройки двух панелей. А потом в рассуждении их вероятной поломки во время работы я купил ещё запасные.
Сооружение каркаса
Для постройки каркаса я взял торцово-усовочную пилу, ручную дрель и шуруповёрт.
Вообще, что такое эта самая панель? Первоначально это коробка, которая поддерживает решётку из фотоэлементов. Вот я и начал своё строительство с сооружения неглубокого ящика. Я сделал его так, чтобы при солнечном свете, падающем на его углы, тень от боков ящика не попадала бы на мои солнечные фотоэлементы. Он сделан из фанеры толщиной 3/8 дюйма (9 мм) и деревянных реек, которые держатся на краях ящика при помощи клея и шурупов. На панели будут находиться 36 фотоэлементов размером 3/6 дюйма (12 мм). Я решил сделать двухъярусный ящик, по 18 элементов на каждом ярусе, чтобы его легко и быстро было собирать. Я знал, что мне предстоит паять фотоэлементы на кухонном столе, где очень мало места. Поэтому в середине ящика я поставил разделитель. Каждый ярус входит в свой отсек панели.
На втором моём фото вы видите нечто вроде обратной стороны почтового конверта, на котором показаны все размеры солнечной панели. Они даны в дюймах (простите меня, приверженцы метрической системы). Боковые рейки размером 3/4 на 3/4 идут по всем краям фанерной опоры. Одна рейка идёт через центр и делит панель на два яруса. Вот так я и решил всё это сделать. И думаю, в этих размерах, да и самой постройке, нет ничего особенного.

Завершение каркаса
Вот на снимке можно увидеть половину панели. Этот отсек будет держать один ярус на 18 фотоэлементов. Заметьте маленькие дырочки по краям отсека. Это будет дно панели (простите, фото перевёрнуто), а дырочки — это вентиляционные отверстия, которые придуманы для совпадения атмосферного давления внутри панели с давлением за её бортом и во избежание накопления сырости. Поскольку отверстия будут находиться на дне панели, туда не попадут ни дождь, ни роса. Должны быть также сделаны такие же отверстия в центральной разделительной перегородке между двумя ярусами.
Более позднее примечание: спустя некоторое время рекомендую увеличить размер отверстий хотя бы до 1/4 дюйма (6 мм) в диаметре. А чтобы в панель не попадали жуки и пыль, можно сделать из стекловолокна небольшую изоляцию в отверстиях нижней перекладины панели, но не нужно её ставить в отверстия разделительной перегородки.
Потом я вырезал две панельки из мезонита, чтобы всунуть их внутрь отсеков. На панельках, вставленных свободной посадкой, будут держаться ярусы. Материал лучше взять тонкий, жёсткий и не проводящий электричество.
Чтобы уберечь панель от осадков, переднюю её часть нужно сделать из плексигласа. На третьем снимке видно два куска отходного плексигласа, вырезанные под размер передней части панели. Не нашёл я просто одного большого куска на всю панель. Можно было бы для этого использовать стекло, но оно очень хрупкое. Град и мусор разобьют стекло, а от плексигласа они будут отскакивать. Вот посмотрите, как выглядит уже готовая панель.



Покраска каркаса
Следующим шагом было разукрашивание каркаса несколькими слоями краски для защиты его от сырости и осадков. Ящик покрасил как снаружи, так и внутри. Мой научный подход в выборе краски состоял в том, что я смешал разные краски из банок, найденных в различных углах моего гаража, и в выборе заключительного цвета, который, по моему мнению и должен был завершить ансамбль.
Панельки в отсеках я тоже покрасил, причём разным цветом разные их стороны. Обязательно красьте их с двух сторон, чтобы они не покоробились от сырости. Их деформация приведёт к повреждению фотоэлементов, которые будут прикреплены к ним.


Подготовка фотоэлементов
Вот сама панель и готова, пора приступить к работе с фотоэлементами.
Как я уже говорил, ужасная головная боль это воск. После нескольких неудач при его удалении я нашёл довольно хорошее решение. Но всё же вновь рекомендую всем делать покупки у тех, кто не опускает свой товар в воск.
На фото виден весь набор моих действий. Моя девушка спросила, что я готовил. Представьте же её удивление, когда я ответил, что готовлю солнечные фотоэлементы. Первый шаг — водяная ванночка для расплавления воска, которая видна на заднем плане справа. Слева впереди ванна для горячей мыльной воды. Справа такая же ёмкость для горячей чистой воды. Все ёмкости сейчас находятся в режиме ниже температуры кипения. Я начал процесс с нагревания каждого брикета отдельно в ванночке с горячей сзади справа. Я отделял элементы друг от друга и помещал их по одному на некоторое время в мыльную воду, чтобы удалить с них воск. Затем прополаскивал в чистой горячей воде. После чего сушил их на полотенце. Не промывайте элементы проточной водой, так как воск затвердеет и ваша канализация будет забита. Удалите воду снаружи. Теперь почти весь воск удалён. Остаётся тоненькая плёночка на некоторых фотоэлементах, но она похоже не мешает паянию.
Не давайте воде закипеть ни в одной из ванн, иначе бульбочки будут довольно сильно сталкивать элементы друг с другом. К тому же ещё кипяток может ослабить электрические контакты внутри их. Также рекомендовал бы положить брикеты с элементами в холодную воду, затем постепенно её нагревая, но опять только до температуры кипения, чтобы они не получили термического повреждения. Пластмассовые щипцы и лопаточка будут очень подходящий для отделения расплавленного воска. Старайтесь не сильно давить на металлические ярлыки, иначе их можно просто сковырнуть. Очень сложно было поначалу это всё проделывать, но слава Богу, я купил запасные элементы.


Припаивание фотоэлементов друг к другу
Нужно припаивать передние ярлычки одного элемента к пластинкам в задней части следующего элемента.
Я карандашом набросал на панельках чертёж месторасположения 18 элементов. Затем на этот чертёж я водрузил их в положении вверх ногами, чтобы можно было их спаять. Все восемнадцать фотоэлементов на каждой половинке панели должны быть спаяны последовательно, затем также последовательно нужно спаять обе части панели, тогда получится нужный вольтаж.
Поначалу это паяние было довольно мудрёным, но быстро было найдено правильное решение. Начал я с двух перевёрнутых элементов. Поместил ярлычок одного элемента на точку спаивания на задней части другого. Затем убедился, что расстояния между фотоэлементами совпадают с чертежом. Так я продолжал дальше, пока не получился ряд из шести спаянных друг с другом элементов. После чего на заднюю точку последнего элемента в ряду я напаял ярлычки с негодных элементов. Затем сотворил ещё два ряда из 6 штук.
Я использовал маломощный паяльник с тонким жалом. Перед паянием я покрыл места спайки канифолью. Нужно паять очень осторожно, поскольку элементы тонкие и нежные. Если сильно давить на паяльник, можно поломать элемент. Сначала я был неосторожным и повредил пару элементов.


Приклеивание элементов
Это занятие тоже вполне мудрёное, как показала практика. Я поместил по шарику чистой силиконовой набивки в центр каждого из шести элементов одного ряда. Потом я перевернул ряд на 180º и поместил по линии карандаша на чертеже. Затем легонько нажал в центр каждого фотоэлемента, чтобы приклеить их к панели. Прикреплять гибкий ряд оказалось тоже проблематично. Несколько советов, идущих ниже, могут быть полезны для этого.
Не используйте много клея, и клейте только центр элементов. В противном случае они вместе с панелью могут искривиться и деформироваться при изменениях температуры и попадании влаги. Если на основание положить много клея, со временем оно может треснуть. И клейте их только в центральной точке, тогда они будут держаться свободно на верху основания. Они могут немного расшириться и погнуться, но не разрушатся.
В следующий раз я буду делать это иначе. Я припаяю ярлычки на задние стороны всех элементов. Затем я нанесу клей на нужные места элементов. Затем я спаяю ярлычки вместе. Казалось бы, вот так и нужно делать всегда, но я ещё раз проверил бы этот вариант, чтобы убедиться в этом основательно.

Вот одна половина панели, полностью готовая.
Соединение рядов элементов с тестовой половиной панели
Медный кабель нужен для соединения двух рядов фотоэлементов.
Именно им я и соединил первый и второй ряд. Можно использовать конечно обычный провод, но мне посчастливилось иметь под рукой именно медный. Необходимо произвести ещё одно соединение второго и третьего рядов на обратной стороне панели. Я использовал шарик силиконовой набивки для закрепления кабеля.
На втором фото можно увидеть опробование первой половины панели на солнце. При слабом свете в облачную погоду панель даёт 9,31 вольта. Ура, работает! Теперь осталось сделать ещё такую же.
Как только были готовы обе панели, я установил их в общую раму и подключил друг к другу.

Установка полпанели в каркас
Прикручиваем один из четырёх держателей полпанели на нужное место в каркасе.
Прикручиваем держатель плексигласа.
Каждую половину панели устанавливаем в общую раму. Я взял для этого четыре маленьких шурупа (на фото они таки вроде серебряных) для закрепления.

Соединение двух половин панелей
Нужно: использовать шарики силикона для закрепления проводов и предотвращения их болтания в воздухе; протянуть провода через вентиляционные отверстия в разделительной перегородке, чтобы подсоединить половины друг к другу.

Установка блокирующего диода
Каждую солнечную панель в энергосистеме нужно последовательно подсоединить к блокирующему диоду для предотвращения разрядки батарей ночью или во время облачной погоды. Я использовал диод Schottky с номиналом 3,3 ампера. Диоды Schottky имеют низкое падение напряжения в режиме прямого тока в отличие от обычных диодов, так что теряется гораздо меньше энергии. В автономной энергосистеме каждый ватт на учёте. Я взял упаковку из 25 диодов 31DQ03 Schottky всего за несколько долларов. Так что в запасе у меня осталось ещё несколько.
Первоначально я хотел подключить диод к положительному проводу снаружи панели. Но после ознакомления с диодными характеристиками я решил установить его внутри, так как падение напряжения в режиме прямого тока становится меньше при повышении температуры окружающей среды. Внутри будет теплее, и работа устройства будет идти более эффективно. Ещё немножко силиконовой набивки понадобилось для диода и проводов.

Протяжка проводов снаружи и надевание плексигласовых крышек
Для вывода проводов я просверлил дыру на верху панели. Я связал провода в узел для разгрузки их натяжения, и закрепил их с помощью ещё некоторого количества силиконовой набивки.
Очень важно дать силиконовой набивке высохнуть прежде чем прикручивать плексиглас. По своему богатому теперь опыту я знаю, что пары от неё могут оставить плёнку на внутренней стороне плексигласа, если не дать ей заранее просохнуть.
Ещё немного силикона было использовано для замазывания места выхода проводов сзади панели.


Подключение вилки
Я подключил поляризованную двухштырьковую вилку фирмы к панельному проводу. Розетка же для неё будет сооружена на зарядном датчике моей ветряной турбины, которая теперь сможет приумножать выдаваемую энергию.

Законченная панель
Вот полностью законченная панель с прикрученными к ней плексигласовыми крышками. Пока что я их не закрепил окончательно, поскольку хочу протестировать её, и если обнаружу необходимость что-то подправить, мне нужен будет лёгкий доступ к её частям. Вот смотрю — ярлычок удалился с одного элемента. Кто его знает, куда он подевался. Я открыл панель и заменил этот фотоэлемент. Больше проблем не было. Потом я обязательно нанесу силиконовую набивку по краям панели или наклею на них изоленту.

Тестирование панели
На первом снимке виден выходной вольтаж законченной панели в яркий солнечный день. Мой вольтметр показывает 18,88 вольт без нагрузки Вот это именно то, к чему я стремился.
На втором снимке я тестирую силу тока на панели, опять же в солнечный день. На моём приборе показана цифра 3,05 ампера тока в цепи короткого замыкания. На такую цифру именно и рассчитаны фотоэлементы. Так что панель работает очень хорошо.

Эксплуатация панели
На фото солнечная панель в действии, она производит необходимое мне на моём участке электричество. Я подсоединил длинный шнур, чтобы обеспечить питание в месте отдыха под деревьями. Обрезав концы проводов, я прикрепил вилки фирмы Jones. Просто если использовать обычные вилки, можно перепутать и нечаянно воткнуть их в розетку на 120 вольт.
Целыми днями я передвигаю панель с места на место, гоняясь за солнцем. Теперь я подумываю о постройке системе слежения, чтобы моё устройство само бы нацеливалось на солнце.