Päikesegeneraator oma kätega: juhend alternatiivse energiaallika valmistamiseks

Alternatiivsed energiaallikad, mis võimaldavad tagada eluruumi vajaliku koguse soojust ja elektrit, on kallis „rõõm“, mis nõuab märkimisväärseid rahalisi kulutusi soetamiseks, monteerimiseks ja paigaldamiseks.

Päikesegeneraatori valmistamine oma kätega on aga oluliselt odavam ja jõukohane paljudele kodumeistritele. Vaatleme juhendit, mis arusaadavalt kirjeldab kõiki valmistusprotsessi nüansse.

Kuidas päikeseenergia generaator töötab?

Päikesegeneraator on fotoelektriliste pooljuhtelementide kompleks, mis muundavad otseselt päikeseenergiat elektrienergiaks.

Valguskiirte tekitatud kvandid löövad fotoplaadile jõudes tööelemendi viimaselt aatomiorbiidilt elektroni välja. See efekt tekitab hulga vabu elektrone, mis moodustavadki pideva elektrivoolu.

Pole sugugi vajalik päikesegeneraatorit oma kätega monteerides kohe kokku panna suurt, mastaapset kompleksi. Võib alustada väikesest seadmest ja vajaduse korral tulevikus mahtusid suurendada.

Aktiivse materjalina kasutatakse räni. See on väga tõhus ja tagab fotoelektrilise muundamise koefitsiendi tavarežiimis umbes 20% ja soodsatel tingimustel – kuni 25%.

Tänu ränifotoelementide väljendunud tõhususele garanteerivad nende baasil valmistatud generaatorid suure tootlikkuse suhteliselt väikese mahu juures. 1 meetri suuruse seadme võimsus tunnis on 125 W, mida peetakse väga muljetavaldavaks tulemuseks.

Räniplaadi ühele küljele kantakse õhuke kiht passiivsetest keemilistest elementidest – boorist või fosforist. Just sellel pinnal toimub päikesekiirte intensiivse mõju tulemusena elektronide aktiivne vabanemine. Fosforikile hoiab neid usaldusväärselt ühes kohas ega lase laiali lennata.

Tööplaadil paiknevad metallist "rajad". Nendele ehituvad vabad elektronid, tekitades seeläbi korrapärase liikumise, see tähendab elektrivoolu.

Plaatide puudusteks peetakse vaid räni puhastusprotsessi keerukust ja kulukust. Nende probleemide vältimiseks arendatakse aktiivselt alternatiive nagu gallium, kaadmium, indium ja mitmesugused vasesulamid. Praegu pole ränielementidel siiski tegelikke konkurente.

Lihtsaim viis päikeseenergia elektriks muundamiseks on osta valmis päikesepaneel ja paigaldada see maja või garaaži katusele:

Mida on tööks vaja?

Generaatori valmistamiseks, mis koosneb päikesepaneelide komplektist, on vaja järgmisi tööriistu ja materjale:

• moodulid päikesekiirte energiaks muundamiseks;
• alumiiniumnurgikud;
• puitliistud;
• puitlaastplaadilehed;
• läbipaistev element (klaas, pleksiklaas, akrüülklaas, polükarbonaat) räniplaatide kaitseks;
• isekeermestavad kruvid ja erineva suurusega kruvid;
• tihe vahtkumm paksusega 1,5–2,5 mm;
• kvaliteetne hermeetik;
• dioodid, klemmid ja juhtmed;
• akutrell või kruvikeerajate komplekt;
• jootekolb;
• puidu- ja metallisaag (või nurklihvija).

Millises mahus materjale vaja läheb, sõltub otseselt planeeritud generaatori suurusest. Ulatuslik töö toob kaasa lisakulutusi, kuid igal juhul tuleb see odavam kui ostetud moodul.

Räniplaatide kaitsealuse saab teha klaasist, orgklaasist, polükarbonaadist või pleksiklaasist. Esimesed kolm materjali põhjustavad minimaalse muundatava energia kao, kuid neljas laseb kiiri oluliselt halvemini läbi ja vähendab kogu kompleksi efektiivsust.

Kokkupandud seadme lõplikuks testimiseks kasutatakse ampermeetrit. See võimaldab fikseerida seadme tegeliku kasuteguri ja aitab määrata tegelikku väljundit.

Fotoelektrilise muunduri tüübi valik

Ise päikesegeneraatori loomise tegevused algavad fotoelektrilise ränimuunduri tüübi valimisega.

Need koostisosad on kolme tüüpi:

• amorfsed;
• monokristallilised;
• polükristallilised.

Igal variandil on oma eelised ja puudused, ning valiku kasuks otsustatakse lähtudes süsteemi kõigi komponentide ostmiseks eraldatud rahasummast.

Amorfsete variantide eripärad

Amorfsed moodulid ei koosne kristallilisest ränist, vaid selle derivaatidest (silaane või ränivesinik). Vaakumpihustamise teel kantakse need õhukese kihina kvaliteetsele metallfooliumile, klaasile või plastikule.

Valmistoodetel on tuhm, hägune hall toon. Pinnal nähtavaid ränikristalle ei täheldata. Peamine eelis paindlike päikesepatareide puhul on soodne hind, kuid nende kasutegur on väga väike ja kõigub vahemikus 6-10%.

Ränipõhised amorfsed fotoelemendid on suurema paindlikkusega, näitavad kõrget optilise neeldumise taset (20 korda suurem kui mono- või polükristallilistel analoogidel) ja töötavad oluliselt tõhusamalt pilvise ilmaga.

Polükristalliliste tüüpide spetsiifika

Polükristallilisi päikesepatareisid toodetakse ränisula järkjärgulisel väga aeglasel jahutamisel. Saadud tooted eristuvad sügavsinise värviga, pinnal on selgelt väljendunud muster, mis meenutab jääkirme, ja nende kasutegur on vahemikus 14-18%.

Kõrgemat kasuteguri tootlikkust takistavad materjali sees olevad alad, mis on üldisest struktuurist eraldatud teraliste piiridega.

Polükristallilised fotoelemendid töötavad kogu 10 aasta jooksul, kuid selle aja jooksul nende efektiivsus ei vähene. Siiski kasutatakse toodete monteerimiseks ühtsesse kompleksi tingimata tugevat, kindlat alust, kuna lehed on üsna jäigad ja vajavad tugevat, usaldusväärset tuge.

Monokristalliliste variantide omadused

Monokristallilised moodulid iseloomustuvad tiheda tumeda värviga ja koosnevad tervetest ränikristallidest. Nende efektiivsus ületab teiste elementide näitajaid ja on 18–22% (soodsatel tingimustel kuni 25%).

Veel üheks eeliseks peetakse muljetavaldavat kasutusiga – tootjate väitel üle 25 aasta. Kuid pikaajalisel kasutamisel monokristallide kasutegur langeb ja 10–12 aasta pärast on fototootlus juba mitte rohkem kui 13–17%.

Monokristallmoodulid maksavad märkimisväärselt rohkem kui teist tüüpi seadmed. Neid toodetakse kunstlikult kasvatatud ränikristallide saagimise teel.

Koduse päikesegeneraatori ise valmistamiseks võetakse peamiselt erinevate mõõtmetega poli- ja monokristallilisi plaate. Neid ostetakse populaarsetest veebipoodidest, sealhulgas eBayst või AliExpressist.

Kuna fotoelemendid on üsna kallid, pakuvad paljud tarnijad ostjatele B-grupi tooteid, st täielikuks kasutamiseks sobivaid väikese defektiga fragmente. Nende hind erineb standardhinnast 40–60% võrra, tänu millele tuleb generaatori kokkupanek mõistliku hinnaga, mis ei ole liiga kulukas.

Kuidas valmistada plaatide raamistik?

Tulevase generaatori raami valmistamiseks kasutatakse tugevaid puidust liiste või alumiiniumnurki. Puitvariant peetakse vähem praktiliseks, kuna materjal vajab täiendavat töötlemist, et vältida hilisemat mädanemist ja kihistumist.

Et puitraam peaks kulumiskoormust ega mädaneks juba pärast esimest vihma, tuleb see immutada spetsiaalse koostisega, mis kaitseb puitu niiskuse mõju eest.

Alumiiniumil on palju atraktiivsemad füüsikalised omadused ja tänu oma kergusele ei avalda see lisa koormust katusele või muule tugikonstruktsioonile, kuhu seade plaanitakse paigaldada.

Lisaks sellele korrosioonivastase katte tõttu metall ei roosteta, ei mädane, ei ima niiskust ja talub kergesti igasuguste agressiivsete atmosfäärinähtuste mõju.

Alumiiniumnurkadest raamkonstruktsiooni loomiseks määratakse kõigepealt tulevase paneeli mõõt. Standardvariandi puhul kasutatakse ühe ploki jaoks 36 fotoelementi mõõtmetega 81 mm x 150 mm.

Järgneva kasutuse korrektsuse tagamiseks jäetakse fragmentide vahele väike vahe (umbes 3–5 mm). See ruum võimaldab arvestada aluse põhiparameetrite muutumist, mida mõjutavad ilmastikutingimused. Tulemusena on tooriku üldmõõtmed 83 mm x 690 mm, kui raami nurga laius on 35 mm.

Alumiiniumprofiilist raami paigaldatud räniplaadid näevad välja peaaegu nagu tehases valmistatud tooted. Tugev ja vastupidav raam tagab süsteemile laitmatu tiheduse ning annab kogu konstruktsioonile kõrge jäikuse.

Pärast mõõtmete määramist lõigatakse nurkadest vajalikud fragmendid ja kinnituselementide abil pannakse need kokku raamkarkassideks. Konstruktsiooni sisepinnale kantakse kiht silikoontihendit, jälgides väga hoolikalt, et ei tekiks lünki ega tühimikke.

Sellest sõltub paigaldatava konstruktsiooni terviklikkus, tugevus ja vastupidavus. Peale asetatakse kaitsev läbipaistev materjal (pimestusvastase kattega klaas, pleksiklaas või eriparameetritega polükarbonaat) ja kinnitatakse see kindlalt kinnitusdetailide abil (üks lühikesele ja kaks pikemale raami osale ning neli korpuse nurkadesse).

Tööks kasutatakse akutrelli ja sobiva läbimõõduga kruvisid. Lõpuks puhastatakse läbipaistev pind hoolikalt tolmust ja peenest prahist.

Läbipaistva elemendi valik

Peamised kriteeriumid läbipaistva elemendi valimiseks generaatori loomiseks:

• võime neelata infrapunakiirgust;
• päikesevalguse murdumise tase.

Mida madalam on murdumisnäitaja, seda kõrgemat kasutegurit räniplaadid näitavad. Madalaima valguspeegeldusteguriga on pleksiklaas ja orgaaniline klaas. Polükarbonaadil on samuti kaugeltki mitte parimad näitajad.

Koduste päikesesüsteemide raamkonstruktsioonide loomiseks on soovitatav võimalusel kasutada pimestusvastast läbipaistvat klaasi või spetsiaalset polükarbonaadi tüüpi, millel on kondensaadivastane kate, tagades vajaliku termilise kaitse taseme.

Parimate omadustega infrapunakiirguse neelamise osas on vastupidav termoneelav orgaaniline klaas ja infrapunakiirguse neelamise võimalusega klaas. Tavalisel klaasil on need näitajad oluliselt madalamad. Infrapunakiirguse neelamise efektiivsusest sõltub, kas räniplaadid kasutamise ajal kuumenevad või mitte.

Kui kuumutamine on minimaalne, töötavad fotoelemendid kaua ja tagavad stabiilse väljundi. Plaatide ülekuumenemine põhjustab tööhäireid ja üksikute süsteemi fragmentide või kogu kompleksi kiiret riket.

Ränifotoelementide paigaldamine

Vahetult enne paigaldamist puhastatakse alumiiniumraamidesse paigaldatud kaitseklaasid tolmust hästi ja rasvatustatakse alkoholi sisaldava koostisega.

Ostetud fotoelemendid asetatakse ühtlaselt märgistusega aluspinnale üksteisest 3-5 millimeetri kaugusele ja märgistatakse üldkonstruktsiooni nurgad. Seejärel asutakse elementide jootma – kõige olulisema ja töömahukama osa juurde generaatori kokkupanekul.

Generaatori töötavate elementide jootmine toimub skeemi järgi, kus «+» on tee välisküljel ja «-» kanalid, mis asuvad plaadi tagaküljel.

Kontaktide õigeks ühendamiseks kantakse esmalt peale räbusti (jootmishape) ja joodis, seejärel teostatakse töötlus ranges järjestuses ülevalt alla. Lõpus ühendatakse kõik read omavahel.

Järgmise sammuna tehakse fotoelementide liimimine. Selleks surutakse iga räniplaadi keskele veidi hermeetikut, moodustunud elementide ahelad keeratakse välisküljega ülespoole ja asetatakse rangelt vastavalt eelnevalt tehtud märgistusele.

Plaate surutakse kätega ettevaatlikult, kinnitades need vajalikku kohta. Tegutsedes väga ettevaatlikult, püüdes materjali mitte kahjustada ega painutada.

Servades asuvate fotoelementide kontaktid tuuakse välja eraldi siinile (lai hõbedane juht) nagu «+» ja «-». Lisaks varustatakse komplekt blokeeriva dioodiga. Ühendudes kontaktidega, ei lase see akudel tühjeneda läbi karkasskonstruktsiooni öisel ajal.

Raami põhjaosas puuritakse puuriga augud, millest juhitakse juhtmed välja. Et need ei vajuks, kasutatakse töös silikoonset hermeetikut.

Päikesepaneeli kokkupaneku sammudega 60 elemendist tutvustab järgmine fotogalerii:

Jootmisega kokku pandud fotoelemendid tuleb nüüd alusele kinnitada. Neid võib liimida vineerile ja katta klaasiga. Kuid näites liimitakse need esmalt klaasi külge:

Selleks, et laadimiseks mõeldud aku ei tarbiks fotoelementide toodetud energiat, ühendatakse selle päikesepaneel läbi Štoki dioodi:

Näites toodud mini-päikeseelektrijaama kokkupanek toimub vastavalt fotol kujutatud skeemile. Ühendamisel kasutame vaskjuhiga traati ristlõikega alates 1 mm².

See mini-elektrijaam suudab toota kuni 15 V. Tuleb arvestada, et maksimaalne tootlikkus saavutatakse ainult päikeselistel pilvitud päevadel. Pilvise ilmaga genereerib seade oluliselt vähem või ei tooda energiat üldse. Seetõttu valitakse aku selline, et varust jätkuks vähemalt ööpäevaks.

Kuidas testida monteeritud seadet?

Enne kui kokkupandud generaator lõplikult hermeetiliselt sulgeda, tuleb seda kindlasti testida, et tuvastada jootmisprotsessis võimalikud vead. Kõige mõistlikum variant – kontrollida iga joodetud rida eraldi. Nii saab kohe aru, kus kontaktid on halvasti ühendatud ja vajab uuesti töötlemist.

Testi läbiviimiseks kasutatakse kodust ampermeetrit. Mõõtmine tehakse pilvitud päikesepaistelisel päeval lõunaajal (ajavahemik 13–15). Konstruktsioon paigutatakse õue ja seatakse sobiva kaldenurga alla.

Kodune ampermeeter aitab mõõta tegelikku voolutugevust. Selle näitude põhjal saab määrata monteeritud päikesesüsteemi töövõime taset ja tuvastada rikkumisi ränifotoelementide ühenduste järjestuses.

Päikesepatarei väljundkontaktidele ühendatakse ampermeeter ja mõõdetakse lühisevoolu. Kui seade näitab tulemusi üle 4,5 A, on süsteem täiesti korrektne ning kõik ühendused on korralikult ja õigesti joodetud.

Madalamad näidud testri ekraanil viitavad häiretele, mis tuleb tuvastada ja uuesti jootma. Traditsiooniliselt näitavad käsitsi ehitatud päikesegeneraatorid, mis koosnevad väikese defektiga (B-grupp) fotoelementidest, testil väärtusi 5–10 amprit.

Tehases toodetud seadmed näitavad 10–20% kõrgemaid väärtusi. Seda seletatakse sellega, et tootmises kasutatakse A-grupi räniplaate, mille struktuuris pole mingit defekti.

Töö viimane etapp

Kui test näitas, et patarei on täielikult töövõimeline, tihendatakse see spetsiaalse silikoontihendiga või kallima ja vastupidavama epoksiidkompaundiga.

Töö hõlmab kahte sooritusviisi:

1. Täielik valamine – kui kogu pind kaetakse tihendusseguga.
2. Osaline töötlemine – kui tihendit kantakse ainult äärmistele elementidele ja elementidevahelisele tühjale ruumile.

Esimest varianti peetakse usaldusväärsemaks ning see tagab süsteemile täieliku kaitse välistegurite mõju eest. Fotoelemendid kinnituvad selgelt oma kohtadele ja töötavad korrektselt maksimaalse efektiivsusega.

Fotoelementide kleepimiseks korpuse sees on soovitatav kasutada külmakindlat tihendit, mis talub järske temperatuurikõikumisi ja madalaid miinuskraade.

Kui valamine on teostatud, lastakse tihendil «haakuda». Seejärel kaetakse see läbipaistva elemendiga ja surutakse tihedalt plaatide vastu.

Täiendava kaitse ja amortisatsiooni tagamiseks soovitavad mõned meistrid paigutada räniplaadi pinna ja raami tagumise osa vahele tiheda porolooni. See muudab konstruktsiooni terviklikumaks ja kaitseb habrasid fotoelemente liigse koormuse eest.

Seejärel asetatakse pinnale raskus, mis mõjutab kihte ja surub neist õhumullid välja. Valmis generaatorit testitakse veel kord ja paigaldatakse lõplikult eelnevalt ettevalmistatud kohta.

Kuhu ja kuidas paigutada generaator?

Päikesegeneraatori paigalduskoht valitakse väga hoolikalt ja kiirustamata. Valgust vastuvõtvad plaadid paigutatakse kindlasti kaldu, et kiired ei «langeks» pinnale risti, vaid justkui «voolaksid» mööda seda.

Ideaalis paigutatakse konstruktsioon nii, et vajadusel oleks võimalik kaldenurka reguleerida, püüdes sel viisil kinni maksimaalne päikesekogus.

Päikesesüsteemi päikesepatareidest on täiesti lubatud paigaldada maapinnale, kuid enamasti valitakse paigutamiseks maja või abihoone katus, täpsemalt see osa, mis jääb kõige valgustatumale, peamiselt lõunapoolsele küljele.

On väga oluline, et läheduses ei oleks kõrgeid hooneid ega võimsaid, laiuvaid puid. Olles vahetus läheduses, loovad need varju ja segavad seadme täisväärtuslikku tööd.

Et päikeseseadmed kvaliteetselt töötaksid, tuleb neid hoida puhtana ja korras. Mustusekiht, mis tekib püüdva paneeli pinnale, vähendab tõhusust 10% ja kleepunud lumi lülitab seadme hoopis välja. Seetõttu on regulaarne hooldus kohustuslik protseduur ja aitab hoida mooduleid ideaalses töökorras.

Keskmiselt optimaalseks päikesegeneraatori paigaldamisel peetakse katuse kaldenurka 45⁰. Sellise paigutuse korral neelavad fotoelemendid päikesekiirgust väga tõhusalt ja annavad vajaliku energia kodu korrektseks toimimiseks.

Et saada paneelidelt reaalset tootlust ja tagada keskmisele perele vajalik energiakogus, tuleb päikesegeneraatori alla võtta 15–20 m² katusepinda.

SRÜ riikide Euroopa osas kehtivad mõnevõrra teistsugused näitajad. Professionaalid soovitavad võtta aluseks statsionaarse kaldenurga 50–60⁰ ning liikuvates konstruktsioonides paigutada patareid talvehooajal 70⁰ nurga alla horisondi suhtes.

Suvel aga muuta asendit ja kallutada fotoelemendid 30⁰ nurga alla.

Paigaldades generaatori paneelid jälgimissüsteemile, mis on varustatud automaatse päikese jälgimise võimalusega, saab tõsta tootluse efektiivsust 50%. Moodul tuvastab ise kiirte intensiivsuse ja kohandub maksimaalse valgustusega koidikust päikeseloojanguni.

Vahetult enne paigaldust tugevdatakse katust täiendavalt ja varustatakse spetsiaalsete tugevate tugedega, kuna kaugeltki mitte iga konstruktsioon ei suuda taluda päikeseenergia muundamise seadmete täielikku raskust.

Et päikesegeneraator kindlalt ja tugevalt katusele paigaldada, tasub soetada spetsiaalsed kinnitusdetailid. Need toodetakse eraldi iga katusekattetüübi jaoks ja on alati müügil. Paigaldamisel tuleb paneelide ja katuse vahele jätta vahe täieliku õhu juurdepääsu ja päikest neelavate elementide korrektse ventilatsiooni tagamiseks.

Mõnel juhul paigaldatakse katuse alla tugevdatud sarikad, mis kaitsevad katust võimaliku kokkuvarisemise eest, mis tuleneb suurenenud koormusest, mis talvel märkimisväärselt kasvab, kui katusele koguneb lumi.

Päikesesüsteemi käivitamiseks on vaja akusid, inverterit ja laadimiskontrollerit. Seadmete valiku ja nende vooluringi ühendamise reeglite kohta saate teada meie soovitatud artiklitest.

Järeldused ja kasulik video teemal

Fotoelementide jootmise eripärad ja nüansid tõhusa päikesegeneraatori ise kodus valmistamiseks. Vihjed ja nõuanded meistritele, huvitavad ideed ja isiklikud arendused.

Kuidas õigesti testida fotoelementi ja mõõta selle peamisi parameetreid. See teave tuleb kasuks hilisematel arvutustel täpse paneelide arvu määramisel, mis on vajalikud süsteemi täielikuks toimimiseks.

Täielik samm-sammult kirjeldus päikesepaneeli kokkupaneku protsessist generaatori jaoks kodus. Tööreeglid alates vajalike elementide soetamisest kuni valmistatud seadme üldise testimiseni.

Teades päikesegeneraatorite ehitusest, ei ole nende kodus kokkupanemine suur vaev. Muidugi nõuab töö tähelepanu, täpsust ja põhjalikkust, kuid tulemus õigustab kõiki rahalisi ja tööjõukulusid. Valmis agregaat tagab hoonele täielikult soojuse ja elektriga, luues elanikele vajaliku mugavustaseme.

Ei tasu kohe suure projekti kallale asuda. Alguses on mõistlik proovida oma jõudu väikese agregaadi kokkupanekul ning seejärel, olles täielikult omandanud kõik protsessi nüansid, asuda võimsama ja suuremahulisema paigaldise rajamisele.

Ja millise viisi mini-elektrijaama rajamiseks valisite oma suvila korrastamiseks? Palun kirjutage kommentaare, jagage kasulikku teavet ja fotosid artikli teemal allpool asuvas plokis. Esitage küsimusi vaieldavate või ebaselgete punktide kohta.