Постройка самодельной солнечной батареи (Фремонтский проект)

Автор matros_, 24 Июнь 2009 в 21:51

« назад - далее »

0 Пользователи и 1 гость просматривают эту тему.

matros_

Общие соображения

Давно хотел солнечный зарядник для электровелосипеда, но платить по 5 долларов за ватт мощности мне казалось чересчур. К тому же как все это хозяйство впишется в городской квартире, не говоря уж о мобильном использовании...
Потом попалась на глаза статья на Threehugger'е, человек из Америки описывал, как он спаял самодельную батарею в виде ящика с прозрачным верхом, в общем, идея вдохновила.

С самого начала мне было понятно, что покупать элементы я буду на ebay. Нужна для этого долларовая карта Visa Classic, регистрация на самом ebay и на PayPal - платежной системе, без которой ничего не сделать. PayPal, в отличие от ebay, имеет русский сайт. Самая долгая процедура - так наз. привязка карты на PayPal, с вас снимают доллар с чем-то денег, вы идете в банк и узнаете код операции, который вбиваете в форму на сайте PayPal, после чего можете без проблем с ним работать. Пользоваться всякими там посредниками типа ebaytoday.ru обычно нет никакой необходимости.

Далее. В городе Фремонт в штате Калифорния нашлись ячейки фирмы Evergreen:

Cell Specifications:
Power (Watts): 1.75 Wp
Current (Amps): 3.5 Imax
Voltage (Volts): 0.5 Vmax
Thickness 190 ?m = 0.19 mm
Exact dimension: 3 1/4 inches x 6 inches, or 80 mm by 150 mm
Weight: Just above 6 grams, or 0.2 oz.

Исходя из них, определилась общая конфигурация системы. Собираем 3 панели по 36 ячеек каждая. Они имеют номинальное напряжение 18 В и могут соединяться последовательно, заряжая аккумулятор электровелосипеда на 36 В, или параллельно - для зарядки свинцовокислого аккумулятора 12 В. От него работает инвертор, дающий 220 В для питания компьютера или другой нагрузки. На роль инвертора сразу примыслился недорогой компьютерный ИБП. Заряд велоаккумулятора контролируется по температуре электронным термометром, для свинцовокислого необходим еще контроллер - устройство, не дающее вскипятить в нем электролит и позволяющее постоянно держать солнечную батарею подключенной к нему ни о чем не беспокоясь.
Панели складываются книжкой, для обеспечения мобильного использования. Габарит 520х560 мм. Варианты мобильного использования - зарядка электровелосипеда в длительной поездке (3 шт) или работа с ноутбуком где-нибудь на природе (1 шт)

Покупки и бюджет.

Вышеупомянутые ячейки Evergreen Solar, с мелкими повреждениями краев (chipped) - 100 шт. за 169 $ плюс 40$ за доставку из США. Реально подавец дает еще 10 ячеек в качестве бонуса, что как нельзя более уместно, ведь нам надо 108 шт.
Плоский провод для пайки ячеек и шин (Solar Cells/Panels Tabbing Wire) - 100 футов за 11 долларов плюс 6 $ доставка из США
Оргстекло 1100х1300х2 мм - 3 листа по 960 руб\лист
Аккумулятор Leoch DJW12-18 4 штуки с доставкой на дом (из Москвы) - 6000 руб. Необслуживаемый, срок службы 8 лет
Источник бесперебойного питания Ippon Comfo Pro 400 - 1300 руб в соседнем магазине. Понравился ценой.
Контроллер на 10 А - за 27 + 6 $ от тайваньского производителя. Привлек малым собственным потреблением энергии и возможностью (чисто теоретической, впрочем) конфигурить его через компьютер.
Три диода Шоттки 5 А по 20 руб\шт
Профиль алюминиевый, рейка сосновая, краска, винты, гайки, разьемы, провода и т. п. - учету практически не поддаются

Об электросхеме

Провода от солнечных батарей собираются на две трехштырьковые вилки (обычные для сетевых шнуров на компьютерной технике). Вилки соединены изолентой вместе, получается разьем с шестью контактами. Ответные части обьединены в "розетки" - 2 шт. Режим использования меняется переключением вилки в другую "розетку".
На одной из них контакты соединены последовательно, снимается 36 В для электровелосипеда, которые далее идут через амперметр штатного сетевого зарядного устройства на кабель к велосипеду. На тот же кабель подключен и вывод сетевого зарядника (через диод, чтобы на него не попадали 36 В). Таким образом, можно заряжать велосипед от сети (параллельно три цепочки 12 В), либо от солнца (всю батарею 36 В)
На другой розетке все три минуса собраны вместе, плюсы также, только не напрямую, а через 3 диода Шоттки, назначение которых - исключить обратный ток через параллельно включаемые солнечные модули. Дальше плюс и минус идут на вход контроллера. К нему также подключена аккумуляторная батарея.
Попытка включать нагрузку на соответствующий выход контроллера не была успешной, т. к. он ограничивает ток на выходе значением 10 А и периодически отключает ИБП в самый неподходящий момент. Пришлось ИБП подключать к батарее напрямую, т. е. минус непосредственно к его входу аккумулятора, а плюс - через два параллельно включенных тумблера. ТВ - 1 - 2. Рычажки тумблеров соединены планкой. Ток идет параллельно через 4 пары контактов с номиналом по 5 А. Собственный ИБПшный аккумулятор (малой емкости) не используется.
ИБП служит в качестве инвертора, к нему не подключено 220В. Его мощность 240 Ватт.Он включается в режим "холодный старт", при подсоединении аккумулятора. Писк при работе можно отключить программно, но я предпочел просто удалить динамик. Кнопка включения выпаяна, на ее место подключен провод с выключателем, выведенный на щиток управления всей системой, честно говоря, в нем нет большой необходимости. Выключается он автоматически через 5 мин. после снятия нагрузки (это называется "Green Power") Нагрузкой для ИБП в настоящее время служит ноутбук с подключенным к нему 17' внешним дисплеем.
Индикация разряда батареи есть на контроллере - меняется цвет светодиода. ИБП ограничивает разряд батареи не менее 9 В под нагрузкой, чего испытать пока не пришлось. Планируется еще подключить вольтметр на аккумулятор, он мне представляется информативнее чем светодиоды.





Пайка

Первый опыт пайки меня заставил понервничать. Нормального соединения получить не удалось, более того, при повторении попыток пропаять одно и то же место серебряное напыление, к моему ужасу, быстро разрушилось. Посмотрев-почитав кое-что, внес поправки в технологию:
Уменьшил мощность паяльника (изначально 65 Вт) Покупать регулируемый не стал, а просто включил последовательно с ним патрон для лампочки. При лампочке 100 Вт все стало на свои места.
Вместо кислоты использовал раствор канифоли в спирте
Стал зачищать контактные площадки. Это сильно влияет на результат. Они не повреждаются при зачистке.
Стал наносить припой на соединитель, невзирая на уверения продавца, что на нем уже есть слой припоя
Результат меня вполне удовлетворил.

При пайке не повредил ни одной ячейки. Правда, получил трещину на одной, бездумно складывая «готовый продукт» пачкой на дно коробки из гофрокартона. Дно оказалось неровным (слои картона внахлест), и нижняя ячейка треснула под весом всей пачки – около 600 грамм.

Конструкция панели

Каждая панель состоит из двух половин, складывающихся "книжкой" на дверных петлях. Обе половины - коробки из оргстекла. Оргстекло выбрано из следующих соображений:
- Меньший (по сравнению со стеклом или поликарбонатом) коэффициент преломления дает меньшие потери энергии за счет отражения света.
- Меньшая прозрачность для инфракрасного излучения снижает ненужный нагрев ячеек , сопровождаемый уменьшением к.п.д.
- Легкость и ударостойкость, важные при мобильном использовании
- Простота мех. обработки




Резка оргстекла

- Режьте пакет из четырех слоев, лучше и для скорости и для качества. Можно бы, наверно, электролобзиком, но мне пришлось вручную. Разметку нужно на каждом слое, ее можно видеть при резке.
- Меняйте полотна, они тупятся довольно быстро. Нормальная скорость резки около 2 мм\сек (один слой)
- Опилки собираем на лист бумаги. Растворив их в дихлорэтане, получаем клей для оргстекла

Склейка и подготовка коробки

Полученный пакет из четырех листов (на один модуль) сверлим по периметру диаметром 5.5 мм, разметив верхний лист. После приклеивания окантовки шириной 15 мм (один слой на тыльный лист и два слоя на лицевой) стягиваем листы вместе струбцинами и сверлим окантовки диаметром 3.2 мм по центрам отверстий 5.5 мм. Лицевые и тыльные листы соединяем винтами М3 с полукруглой головкой. Головки и гайки получаются заподлицо с поверхностью листа, гайки не нижно держать, т. к. они входят в отверстия с некоторым натягом. Готовим отверстия под петли, ручки сверху, болты крепления на раме.



Про склейку. Клей разводим до густоты канцелярского. Для растворения порошка из оргстекла в дихлорэтане лучше оставить его на 1-1.5 часа.
Склеиваем однократным сильным прижатием, выдавливая воздух, хорошо видимый между слоями стекла. Помещать под пресс нет особого смысла

Ячейки и провода

Ячейки соединяем последовательно, 18 шт. на полупанели, обе полупанели также последовательно. Лицевая сторона с двумя длинными дорожками - это минус, тыльная с шестью посеребренными квадратиками - плюс. Заранее распаянные плоским проводом ячейки укладываем лицом на стол, обеспечивая зазор 10 мм с помощью крестиков для укладки кафеля. Паяем ячейки, ряды ячеек соединяем шинами, укладываем провода для выводов наружу и в смежный полумодуль. Провода - акустический кабель в силиконовой изоляции. Для соединения внутренних полостей полупанелей с атмосферой провода с зазором вставлены в 10 см. отрезки силиконовой трубки ( от капельницы, можно купить в аптеке). Трубки при сборке вклеиваются силиконовым герметиком в окантовку.

Сборка панели

На каждую ячейку наносим шприцем по две "капли" силиконового герметика. Размещаем их по линиям плоских проводов, так как по этим линиям будут передаваться усилия от термического расширения панели. Важно, чтобы они замыкались на плоский провод, в минимальной степени воздействуя на тонкий керамический лист ячейки. Плоский провод в зазоре между ячеек сложен слегка гармошкой.



Прижимаем тыльный лист к ячейкам. Благодаря его прозрачности легко видеть результат. Получившиеся пятна контакта после затвердения герметика сохраняют хорошую эластичность, что важно для снижения термонапряжений.



Для большей жесткости всей конструкции на тыльный лист в зазоры между рядами ячеек вклеиваем четыре "опоры" - кубики из оргстекла 5х5х6 мм. Их назначение - исключить возможность "продавить" лицевой лист до касания ячеек каким-либо случайным нажатием.
Наносим тонкий слой герметика на боковины и стягиваем винтами тыльную и лицевую панели, ставим петли и ручки.


Рама на балконе

Весьма нетривиальный вопрос как оказалось. Всевозможный бытовой (мебельный) алюминиевый профиль имеет, как оказалось, близкую к нулю способность противостоять скручиванию. В общем, только второй вариант конструкции меня устроил. В основе - 4 направляющих, в пазы которых вставляются панели. Каждая из направляющих состоит из соснового прямоугольного бруска 30х12 мм. На передней (узкой) стороне шурупами крепится плоский алюминиевый профиль (в строймагазинах фигурирует как "окантовка порога"), на длинных сторонах - штапик оконный образцового качества, образующий с алюминиевой полосой паз глубиной 10 и шириной 12 мм для панелей. На каждую направляющую ставятся три поперечных опоры ( из 16 мм фанеры), в месте контакта с балконом на них клеился резинка-амортизатор. Средняя из поперечных опор воспринимает вес панели, она имеет углубления - гнезда для несущих болтов, ввернутых в верхнюю полупанель каждого модуля -"книжки".
Внизу алюминиевый профиль изогнут, образуя захват за край балкона. Внутри алюминиевого захвата находится близкий по форме захват, выполненный из упругой стальной полосы, так что для установки в штатное положение необходим некоторый натяг вверх. Это обеспечивает отсутствие люфтов и возможности разбалтывания соединения ветровой нагрузкой.
Сверху имеются кронштейны под болты 50х6 мм, которыми направляющие крепятся к балконной раме
Направляющие связаны двумя поперечинами из алюминиевого Т - образного профиля.
Все, кроме лицевого алюминия, красится белой нитрокраской.





Кошмары, страшилки и опасения

Страшилки главная - эффективность всего хозяйства

Продавец ячеек на Ebay рекомендуется как "основной дистрибьютор" компании Evergreen Solar, производителя ячеек и собственно солнечных батарей. Она часто отвечает на вопросы , и из ответов я почерпнул немало сведений, которые мне показались довольно важными. Например:

"Согласно Evergreen Solar 2% несортированных ячеек могут иметь пониженную мощность, и если вы соединяете ячейки последовательно, мощность панели равна мощности самой слабой ячейки, умноженной на число ячеек. Точно так же, как расход воды определяется самой тонкой трубой в трубопроводе."

"... Вы можете построить большую панель, из 144 ячеек, но, наверное, лучше сделать две панели из 72 ячеек. Почему? Потому что в больших группах, которые вы хотите создать, нужно множество диодов для сегменирования последовательных серий ячеек чтобы свести к минимуму потери энергии в случае выхода из строя одной ячейки, например - если на ячейку падает лист с дерева и она выгорает. Для более крупных панелей настоятельно рекомендуется применять диоды. "

Также во многих местах этой переписки она рекомендует покупателям самостоятельно подбирать ячейки по близкие по мощности для соединения их в панель. Мне эта задача кажется неисполнимой, но рассуждения об узком месте и обводных диодах все же произвели на меня некоторое впечатление. Я получил 110 ячеек для трех панелей из 36 ячеек каждая, так что и подбирать особо нечего. Но мысль об 1-2 "слабых" ячейках из-за которых целая панель будет иметь потери мощности неприятна.

Итак, вытаскиваем панели на травку, ориентируем на солнце и мерим ток в режиме короткого замыкания. Это довольно показательный режим, поскольку мах мощность достигается при токе 90% от тока к.з.
Получаем 2,88 А на открытой панели (без лицевого стекла), 2.55 А на закрытой. Другие две панели (закрытые) дают 2.58 и 2.52 А. Ячейки сильно греются, так что долго в к.з. лучше не держать. Учитывая широту 54 градуса и шесть часов вечера удовлетворяемся этим результатом.

Реально при зарядке велоаккумулятора от батарей уже в боевой позиции на балконе можно видеть ток 1.8 А при напряжении 45 В. Т. е. заряжает он быстрее сетевого зарядника, но только если небо чистое. Даже слабое облачко снижает ток раз в 5-10. В принципе, это серьезный минус, т. к. NiMH очень малыми токами заряжать нельзя. На ноутбук с дисплеем часа этак на 4 в день энергии вполне хватает и независимо от погоды, по крайней мере сейчас, летом.

Кошмары от Ippon.

Оказалось, что ИБП отключается ровно через 5 мин, если нагрузкой служит только ноутбук. Функция Green Power неумолима и нагрузки от ноута видеть она не хочет, не знаю, повезло ли мне с экземпляром или они все так работают. При подключении еще и внешнего дисплея с Green Power все в порядке, но отключается все теперь через 10 мин, так что прогресс небольшой. Выясняется, что это время заложено программно по умолчанию, его можно изменить вплоть до нескольких суток, подключив ИБП к компу через COM порт и USB. Еще для этого нужно инсталлировать в комп небольшую утилиту (мегабайт этак на 20, большое количество всяких advpack'ов). Количество записей, которые она вам сделает в реестр тоже впечатляет. Я воспользовался программой Reg Organaiser чтобы все их вытереть после однократного пользования этой штукой. Кстати, она НЕ позволяет отключить функцию Green Power, тех поддержка Ippon советует покупателям САМИМ выпаивать резисторы(говорит какие), если они хотят избавиться от этого чуда инженерной мысли. Кто бы мне сказал такое - не поверил бы... Также техподдержка, в общем, не возражает против внешних аккумуляторов на ИБП, предупреждая только о возможном перегреве устройства при долгой работе (чего, к счастью, не наблюдается).
В общем, с Ippon мы поладили, хотя несколько хороших грабель они заготовили, надо отдать им должное.

... от контроллера

В жару при попадании прямых солнечных лучей светодиоды беспорядочно мигают и батарея не заряжается - от перегрева. Пришлось укрывать от солнца. При 40 с хвостиком градусов на балконе - работает нормально.
В холодную погоду при почти заряженной батарее и при ярком солнце прямо против прерывает зарядку- срабатывает ограничение по напряжению от солнечной батареи на аккумуляторе - не более 17 В. Потом снова сам включается. Пока имел место единичный такой случай

Опасения

- Как вообще паять кремниевую пластинку толщиной менее 0,2 мм? Треснет, рассыплется и т. д. – реально «очень средние» навыки пайки вполне достаточны.
- Толщина панели всего 10 мм, будет ли она достаточно жесткой? - да, будет
- Размягчение оргстекла в жару - пока было до 35 С, не наблюдается. Хотя, наверно в принципе лучше ТОСН вместо ТОСП
- Навеска на балкон не выдержит сильного ветра - было метров до 15, ничего...


Итог



Аккурат в праздник - Всемирный день окружающей среды - взгромоздил все сооружение на балкон.
На э-велосипеде ездим и комп в сеть больше не включаем!!!

Ссылки

Ячейки вроде этих: http://cgi.ebay.com/100-3x6-new-Evergreen-Solar-Cell...4634.c0.m14.l1262
Плоский провод для ячеек и шин: http://cgi.ebay.com/Solar-Cell-Flux-and-50-Ft-Set-of...|293%3A1|294%3A30
Аккумуляторы покупались на staber.ru
Контроллер: http://cgi.ebay.com/CU-10A-Solar-Panel-Controller-Re...150QQcmdZViewItem
Инсоляция в городах России: http://solbat.narod.ru/meteo.htm Поможет выбрать емкость аккумулятора.
Как паять ячейки: на YouTube наберите в поиске что нибудь вроде DIY solar panel soldering

i

Отличная работа. Вселяет уверенность в реальности повторения. Поздравляю.
Так как установка у Вас стационарная, вес не критичен, но все таки интересно во сколько кг это уложилось?
 

matros_

Не взвешивал, но сообразить можно.
Масса листа оргстекла 3.8 кг. На три панели ушло три листа, обрезки составили 10-15% наверно. Кроме оргстекла вес прочих элементов пренебрежимо мал, все ячейки весят вместе 600 грамм, ну тюбик герметика там ушел, провода, винтики...
Итого все три панели потянут килограмм на 10-11, так примерно.
Рама для навески на балкон - килограмма 3-4

Кстати уж, забыл сразу написать. Там на раму сверху (на торцы направляющих) надет пластиковый профиль П-образного сечения. Продается в электротоварах под названием "кабель-канал", стоит почти ничего, в сечении это квадрат со стороной 25 мм. В него идеально укладываются провода плюс он играет роль защиты от дождя, или там пивной бутылки от соседей сверху.

Nickolas

Спасибо за очень интересный и содержательный пост !
Будет так же интересно если Вы продолжите нас знакомить с результатами работы батареи.

P.S. У меня ссылки на Ebay не открылись...

matros_


Спасибо за внимание  :bs:

Цитата: Nickolas от 25 Июнь 2009 в 21:04

P.S. У меня ссылки на Ebay не открылись...

Мда, два затруднения... лот ушел и ссылка не работает. Плюс еще форум режет длинные ссылки
Даю ссылки на продавцов, у них на странице смотрите вещи. Спереди добавьте http://

shop.ebay.com/merchant/rebeccayi0904_W0QQ_nkwZQQ_armrsZ1QQ_fromZQQ_mdoZ - предложения продавеца ячеек
stores.shop.ebay.com/Livingoffthegrid_W0QQ_fsubZ6736855 - плоский провод для ячеек
stores.shop.ebay.com/eddiet1716__W0QQ_armrsZ1 - предложения продавеца контроллера

i

Цена ячеек и шины из США получается около 7000руб, плюс ещё 12000р на остальное. В итоге получаем 80W*10ч=800 ватт*часов чистой энергии за день.
Если рядом есть розетка - солнце экономически не выгодно, но если розетки нет или она периодически обесточивается на неопределенное время (типично для сельской местности), то расклад совсем другой...
Жаль, что мобильной такую установку не назовёшь, она скорее перевозимая, чем возимая.
Солнечный транспорт пока ещё мечта, надо ждать пока изобретут солнечные панели с высоким КПД, что бы уменьшить габариты и вес солнечной батареи... 

... дальше идёт офтоп (т.е. не по теме), поэтому перенёс сюда.

Resolver

Цитата: i от 26 Июнь 2009 в 00:05
...В итоге получаем 80W*10ч=800 ватт*часов чистой энергии за день.

Вопрос автору проекта: не вяжется как-то 80 вт с полутора квадратных метров с мощностью ячейки в 1,75 Вт, которых там 108 шт

как была ориентирована батарея на Солнце? Прикакой освещенности получились такие параметры?

Что-то маловато будет...

ЦитироватьРеально при зарядке велоаккумулятора от батарей уже в боевой позиции на балконе можно видеть ток 1.8 А при напряжении 45 В.

это отсюда получилось 1,8*45=81 Вт?

Ruslan

Вопрос автору, какая марка контролера и где приобретали?
Электричество в крови!

xaoyag

Если нужна помощь по техническим вопросам пишите

Alex_Brooy

к matros_"у:
весьма интересно, спасибо за проделанную фотоработу. Однако просветите темного: это вы брали б\у ячейки (если с подёртыми краям)?

Михенбай

Если использовать вышеназванные цифры, то установка окупиться за 750 дней. при нынешней цене на квтч и при условии что каждый день солнечный.
даешь сверхпроводимость на лисапеде!

Михенбай

После прочтения этой темы, я несколько дней думал и всёж-таки заказал у этого американца кремниевые пластины для рукоделия. Хорошо бы ещё к этой солнечной панели придумать недорогой и простой поворотный механизм для слежения за светилом. Давно делали для пастухов и чабанов(ещё в СССР) круглую солнечную панель. она ставилась на ребро утром и вращалась в течении дня.
даешь сверхпроводимость на лисапеде!

Михенбай

даешь сверхпроводимость на лисапеде!

Михенбай

#13
Обратите внимание что абсолютно новые панели у них в америке называются "A Grade". Т.ё. это панели с ровными краями без сколов и любых трещин. можно сказать космического качества. Панели "B Grade" допускают наличие "волосяных трещин" Самый распрострнённый размер это 150мм на 80мм ток 3,5 ампера инапряжение 0,5 вольта. Уважаемый Матрос, осуществил фремонтский проект, я купил панели во флориде, соотвественно скоро представлю Вашему вниманию флоридский проект :bq:. Несобранная куча пластин даёт в сумме 47вольт и 3.5 ампера. 164 вт соотвественно. по деньгам это 6000руп или 1739 квт/ч электроэнергии купленных по нонешним ценам в москве. средний срок окупаемости 1325 солнечных дня. Добавлю что готовая панель предстваленная на рынке стоит 31000руп. может есть и дешевле, но уровень цен уже понятен.
даешь сверхпроводимость на лисапеде!

Koly

Как Вы избегаите появления  :( конденсата внутри панэли, в промышленных условиях их ламинируют в вакумных печах.

Здесь было написано что если на панэль попадёт лист с дерева то пластинка прогарит. Можно об этом поподробней.

METAL

Цитата: Koly от 12 Фев. 2010 в 02:39
Как Вы избегаите появления  :( конденсата внутри панэли, в промышленных условиях их ламинируют в вакумных печах.

Здесь было написано что если на панэль попадёт лист с дерева то пластинка прогарит. Можно об этом поподробней.
Пластина в этом случае выгорает только без защитного диода(на неё идет ток от других ячеек)
Гоняю на стартере, с дымком! :D
И не только! ;)

Koly


[/quote]
Пластина в этом случае выгорает только без защитного диода(на неё идет ток от других ячеек)
[/quote]

Диоды ставят на каждую гирлянду при паралельном соединении?

Михенбай

#17
Из-за нхватки времени собрал пока панель из 24 элементов 3Х6 дюйма. Элементы с трещинками и с отколотыми краями. они их называют Grade B. но зато они уже прояпаяны проводником. нет солнца пока... при проблесках выдаёт 1,3 ампера. заражает Б/У аккумулятор 100а/ч. в корридоре горит маленькая светодиодная лампочка. Это работает пока несколько дней. окупиться неизвестно когда :D
тут про постройку, в дополнение ко всему... http://germarator.ru/post/148
даешь сверхпроводимость на лисапеде!