Лунная батарея своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 08.09.2024

Батарейка или гальванический элемент – это химический источник электрического тока. Все батарейки, продающиеся в магазинах, по сути, имеют одинаковую конструкцию. В них используются два электрода из разного состава. Основным элементом для отрицательного вывода (анода) солевых и щелочных батареек является цинк, а для их положительного (катода) – марганец. Катод литиевых батареек изготавливается из лития, а для анода используются самые различные материалы.

Между электродами батареек расположен электролит. Состав его различен: для солевых батареек, имеющих самый низкий ресурс, используется хлорид аммония. Для изготовления щелочных батареек применяют гидроксид калия, а в литиевых батарейках используется органический электролит.

При взаимодействии электролита с анодом вблизи него образуется избыток электронов, создающий разность потенциалов между электродами. При замыкании электрической цепи количество электронов за счет химической реакции постоянно пополняется, и батарейка поддерживает протекание тока через нагрузку. При этом материал анода постепенно коррозирует и разрушается. При полной его выработке ресурс батарейки оказывается исчерпан.

Несмотря на то, что состав батареек сбалансирован производителями для обеспечения долгой и стабильной их работы, изготовить элемент питания можно и самому. Рассмотрим несколько способов, как можно сделать батарейку своими руками.

Способ первый: батарейка из лимона

Эта самодельная батарейка будет использовать электролит на основе лимонной кислоты, содержащаяся в мякоти лимона. Для электродов возьмем медную и железную проволочки, гвозди или булавки. Положительным будет медный электрод, а отрицательным – железный.

Лимон нужно разрезать поперек на две части. Для большей устойчивости половинки кладутся в небольшие емкости (стаканы или рюмки). Необходимо присоединить провода к электродам и погрузить их в лимон на расстоянии 0,5 – 1 см.

Теперь нужно взять мультиметр и измерить напряжение на получившемся гальваническом элементе. Если его недостаточно, то потребуется еще изготовить своими руками несколько одинаковых лимонных батареек и соединить их последовательно с помощью тех же проводов.

Графитовый стержень: применение

Графитовая составляющая из старых батареек — это не только основа для нового источника энергии, но и элемент, который можно использовать для электросварки. Делается это по нехитрой схеме:

Как сделать батарейку дома? Потребуются подручные материалы, немного энтузиазма и усидчивости. В обмен вы получите альтернативные источники энергии.

Применение альтернативных источников энергии становится все более популярным в нашем обществе. Аккумулирование солнечного света полезно не только для экологии, но и для экономии средств, затрачиваемых на электричество. Если вы заботитесь об окружающей среде или просто хотите не тратить лишние деньги, тогда мы предлагаем вам статью о том, как сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Обычно на форумах пишут о фотоэлементах, цены которых весьма высокие. Благодаря нашим советам вы узнаете, как полностью соорудить самодельную батарею, что значительно минимизирует ваши затраты.

Способ второй: банка с электролитом

Для сборки своими руками устройства, похожего по конструкции на первую батарейку в мире, понадобится стеклянная банка или стакан. Для материала электродов используем цинк или алюминий (анод) и медь (катод). Для увеличения эффективности элемента их площадь должна быть максимально большой. Провода лучше будет припаять, но к электроду из алюминия провод придется прикрепить заклепкой или болтовым соединением, так как паять его сложно.

Электроды погружаются внутрь банки так, чтобы они не соприкасались друг с другом, и концы их находились выше уровня банки. Лучше их зафиксировать, установив распорку или крышку с прорезями. Для электролита используем водный раствор нашатыря (50 г на 100 мл воды). Водный раствор аммиака (нашатырный спирт) – это не тот нашатырь, который используется для нашего опыта. Нашатырь (хлористый аммоний) – это порошок без запаха белого цвета, применяющийся при пайке в качестве флюса или как удобрение.

Второй вариант приготовления электролита – сделать 20% раствор серной кислоты. При этом нужно заливать кислоту в воду, и ни в коем случае не наоборот. Иначе вода мгновенно закипит и ее брызги вместе с кислотой попадут на одежду, лицо и глаза.

При работе с концентрированными кислотами рекомендуется надевать защитные очки и химически стойкие перчатки. Перед тем, как сделать батарейку с использованием серной кислоты, стоит подробнее изучить правила безопасности при работе с агрессивными веществами.

Осталось налить получившийся раствор в банку так, чтобы до краев сосуда оставалось не менее 2 мм свободного пространства. Затем при помощи тестера подобрать необходимое количество банок.

Собранный своими руками элемент питания похож по составу на солевую батарейку, так как содержит хлорид аммония и цинк.

Заряжаем телефон от солнца

Теперь мы расскажем, как самому собрать солнечную батарею, способную заряжать мобильный телефон. Изготавливая батарею, состоящую из отдельных частей, основанных на монокристаллическом кремнии, не исключены проблемы при их пайке. Если вы не уверены, что сможете все сделать самостоятельно, лучше выберите уже изготовленные модули. Хорошо, если они будут состоять из десяти монокристаллических элементов, подходить к размеру корпуса вашего мобильника и обладать напряжением пять Вольт. Солнечные элементы могут присутствовать и в калькуляторах, питаемых от солнца. В этих приборах для счета чисел используют в основном аморфные элементы, где слой полупроводника расположен на маленькой пластине из стекла. Учитывая, что модули такого типа дают около полутора вольт, нам понадобится четыре штуки с последовательным соединением. Не забываем к положительному выводу батареи подпаять диод, который будет использоваться как вентиль, не давая аккумулятору тратить заряд через солнечную батарею. Достать диод можно с платы фонаря. Дабы наше изобретение служило более надежно, заливаем термоклеем поперечные грани модулей.

Обзор более сложной модели

Способ третий: медные монеты

Ингредиентами для изготовления такой батарейки своими руками являются:

медные монеты;
алюминиевая фольга;
плотный картон;
столовый уксус;
провода.

Нетрудно догадаться, что электроды будут медные и алюминиевые, а в качестве электролита используется водный раствор уксусной кислоты.

Монеты для начала нужно очистить от окислов. Для этого их потребуется ненадолго опустить в уксус. Затем изготавливаем кружочки из картона и фольги по размеру монет, используя одну из них в качестве шаблона. Вырезаем кружки ножницами, картонные кладем на некоторое время в уксус: они должны пропитаться электролитом.

Затем из ингредиентов выкладываем столбик: сначала монету, затем – картонный кружок, кружок из фольги, снова монету и так далее, пока материал не иссякнет. Конечным элементом снова должна стать медная монета. К крайним монеткам можно заранее припаять провода. Если паять не хочется, то проводки прикладываются к ним, и вся конструкция плотно оборачивается скотчем.

В процессе работы этой батарейки, собранной своими руками, монеты придут в полную негодность, так что не стоит использовать нумизматический материал, представляющий культурную и материальную ценность.

Монтаж контактов

Прогретым паяльником приваривают к концам полученной конструкции точки из припоя. При установке в гнездо напаянные детали должны касаться контактов держателя батареи.

Сегодня расскажу как сделать элемент питания, который сможет прослужить примерно пол года или можете воспользоваться альтернативой, вот например солнечная батарея на 12 вольт производства Chinaland Solar Energy.

корпус, это будет стеклянная банка, пластмассовая не подойдёт; какой-то кусок серебра, в данном случае это ложка, она будет служить сердечником и так же будет участвовать в химической реакции; медный провод, это может быть старая обмотка от каких-то старых электро-приборов; пищевая плёнка, она будет служить для изоляции между слоями обмотки.

Для раствора, в котором будет всё это происходить

уксус яблочный 6%, чайная ложка; глицерин, он продаётся в любой аптеке, стоит десять рублей, четыре пузырька; обычная поваренная соль мелкая, чайная ложка.

Для начала обмотаем ложку пищевой плёнкой, чтобы не было прямого контакта с медным проводом. Я обмотал ложку плёнкой, как видите верхний и нижний конец ложки оголены, это для того, чтобы было взаимодействие с раствором, теперь начнём обматывать проводом. Оставляем кусочек подлинней, это будет один из контактов и наматываем первый слой. Я намотал один слой, как видите витки не вплотную друг к другу , между ними должно быть пространство для изоляции. Теперь нужно снова намотать пищевую плёнку, я намотал второй слой, плёнку нужно мотать как можно свободнее, чтобы не затруднять поступление раствора между проводами и теперь нужно намотать второй слой провода и так далее, плёнку, затем провод и так пока не надоест.

Катушка готова , я намотал семь слоёв, как видите проволока намотана довольно свободно, но на результат это сильно повлиять не должно, конечно можно сделать это более тщательно и тогда напряжение будет немного выше, но в целом пойдёт и так.

Теперь приступим к приготовлению раствора

насыпаем чайную ложку соли в стеклянную банку; чайную ложку яблочного уксуса, немного помешаем; четыре пузырька глицерина.

Раствор готов, соль растворилась, теперь можно погружать катушку. Давайте теперь замерим напряжение , на дисплее ноль, нужно подождать. Прошло семь часов, химическая реакция идёт полным ходом, жидкость немного потемнела и помутнела, посмотрим, что покажет вольтметр, он показывает 0.77 вольта, будем ждать ещё. Прошло два дня, батарея набрала полную силу, посмотрим что покажет вольтметр: 2.13 вольта. Батареей можно пользоваться, только зафиксировать катушку, чтобы не болталась и плотно закрыть крышку. Такая батарея отслужит приблизительно пол года, срок службы ограничен количеством серебра, которое находится внутри, в данном случае это ложка весом восемь грамм, её по моим расчётам должно хватить года на пол. Срок службы абсолютно не зависит от того, будет подсоединён какой-то потребитель или нет, то есть можно присоединить какую-то маленькую лампочку, фонарик и пол года можно не выключать, то есть пол года отработает вместе с ним, ну и тоже самое, если вы ничего подсоединять не будете, то через пол года всё равно срок службы подойдёт к концу, потому, что серебро растворится полностью и батарея функционировать перестанет. Такую батарею в магазине вы не встретите, прежде всего это связано с дороговизной изготовления и конечно же с ограниченным сроком хранения.

Способ четвертый: батарейка в пивной банке

Анодом батарейки служит алюминиевый корпус банки из-под пива. Катодом – графитовый стержень.

кусок пенопласта толщиной более 1 см;
угольная крошка или пыль (можно применить то, что осталось от костра);
вода и обычная поваренная соль;
воск или парафин (можно использовать свечи).

От банки нужно отрезать верхнюю часть. Затем сделать кружок из пенопласта по размеру дна банки и вставить его внутрь, заранее сделав посередине отверстие для графитового стержня. Сам стержень вставляется в банку строго по центру, полость между ним и стенками заполняется угольной крошкой. Затем приготавливается водный раствор соли (на 500 мл воды 3 столовых ложки) и заливается в банку. Чтобы раствор не вылился, края банки заливаются воском или парафином.

Для подключения проводов к графитовым стержням можно использовать бельевые прищепки.

Материалы для изготовления

Для того, чтобы сделать устройство в домашних условиях, Вам понадобятся:

Что представляет собой солнечная батарея и для чего она используется?

Солнечная батарея — это устройство, принцип работы которого основан на способности фотоэлементов преобразовывать энергию солнца в электричество. Эти преобразователи соединены между собой в общую систему. Получаемый электрический ток накапливается в специальных устройствах — аккумуляторах.

Чем больше площадь панелей, тем больше электрической энергии можно получить

Мощность солнечной батареи зависит от размера поля из фотоэлементов. Но это не означает, что только большие площади способны воспроизвести требуемое количество электроэнергии. Например, всем знакомые калькуляторы могут использовать портативные солнечные батареи, которые вмонтированы в их корпус.

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечной батареи относятся:

простота монтажа и обслуживания;
отсутствие вреда для окружающей среды;
небольшая масса панелей;
бесшумная работа;
независящие от распределительной сети поставки электрической энергии;
неподвижность элементов конструкции;
небольшие денежные затраты на изготовление;
долгий срок эксплуатации.

В число недостатков солнечной батареи входят:

трудоёмкость процесса изготовления;
бесполезность в тёмное время суток;
потребность в большой площади для установки;
восприимчивость к загрязнениям.

Хотя изготовление солнечной батареи является трудоёмким процессом, её можно собрать своими руками.

Современную жизнь трудно представить без электроэнергии. Вся бытовая техника, созданная для улучшения качества жизни человека, любые производственные процессы, не могут обойтись без источников энергии. Стоимость электроэнергии довольно высокая для конечного потребителя. Например, в себестоимости продукции машиностроения составляет более 25%. Кроме того, рост цен на электроэнергию сопровождает нас ежегодно. Электростанции наносят серьезный экологический ущерб. Эти причины заставляют задумываться об альтернативных источниках энергии, таких как ветер, солнце.

Особенности самодельных солнечных батарей

Рост цен, перепады в снабжении электроэнергией, частые ее отключения, а в некоторых случаях и отсутствие централизованного энергообеспечения, заставили многих домовладельцев пристально взглянуть на солнечные батареи и домашние электростанции.

Из-за довольно высокой цены, которая может подкосить бюджет семьи, народные умельцы делают их своими руками. Принцип действия домашней электростанции достаточно простой: солнечные (фотоэлектрические) элементы, обычно установленные на крыше, заряжают аккумуляторы, которые обеспечивают энергией домашние приборы.

Фотоэлементы делятся на 4 типа:

Фотоэлементы (кремниевые пластины) преобразуют попадающий на них солнечный свет в электрическую энергию, проходящую в аккумулятор через контроллер (следит за уровнем зарядки и разрядки), и, благодаря инвертору, преобразуется из постоянного тока в переменный. Затем доводится до нужного объекта.

Соединенные фотоэлементы являются единым полем, от размера поля зависит производительность (мощность) батареи.

Как сделать солнечные батареи в домашних условиях

Материалы и инструменты для работы

В процессе изготовления потребуются:

ячейки из фотоэлементов (лучше, если сразу припаяны проводники);
алюминиевый уголок (80 мм) или профиль;
диоды Шоттки;
силиконовый герметик;
проводники;
шурупы;
поликарбонат или оргстекло (лучше всего подойдет прозрачное антибликовое стекло);
ДСП или влагостойкая фанера;
паяльник;
амперметр (тестер);
ножовка.

При выборе типа ячеек необходимо еще учесть, что чем больше размер ячейки, тем больше электроэнергии она произведет, ячейки должны быть примерно одинакового размера (количество полученного тока определяется по ячейке с самым маленьким ее размером).

Для определения их количества, нужно рассчитать мощность будущей панели, для чего учесть потребность энергии в сутки, уточнить среднюю продолжительность светового дня на местности.

Затем следует посчитать вес и размеры будущей панели (чтобы выдержала крыша).

Место для установки солнечной панели нужно выбрать без затенения, перпендикулярно падающим солнечным лучам. Лучший вариант, чтобы панель могла изменять свое положение в зависимости от перемещения солнца и изменения угла падающих лучей.

Пошаговая инструкция по монтажу солнечной батареи

Изготовление корпуса-каркаса. Из алюминиевых уголков собрать и склеить герметиком рамку. Снизу закрепить фанеру или ДСП с подготовленными бортами (высота бортика примерно 2 см) и просверленными отверстиями (расстояние между которыми примерно 10 см). Сделать вывод для проводов.
Сборка ячеек. При сборке к фотоэлементам нужно относиться крайне бережно, они очень хрупкие! На прозрачную основу выкладываются ячейки синей стороной вниз на расстоянии около 0,5 см друг от друга (на случай расширения от температуры) и наносится разметка. Закрепить преобразователи последовательно – если нужно большее напряжение, или параллельно – если нужен больший ток. К плюсовому проводнику подключить диод Шоттки, чтобы аккумулятор не разрядился ночью (без солнечного света). Аккуратно спаять все элементы цепи между собой. Протестировать.
На заднюю часть спаянных фотоэлементов (не на синюю!) нанести герметик и аккуратно приклеить синей стороной вверх всю цепь по разметке. Протестировать.
Произвести герметизацию фотоэлементов либо способом полной заливки, либо только между фотоэлементами.
Закрепить конструкцию саморезами в корпусе.
На конструкцию аккуратно поставить груз, чтобы вышел лишний воздух.
Установить изделие на выбранное и подготовленное место.

Солнечная батарея из различных материалов своими руками

Вместо готовых панелей фотоэлементов можно использовать другие материалы, которые будут преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Солнечная батарея из CD-дисков

Такая батарея имеет довольно низкую выработку электроэнергии. Конструкция из 16-18 дисков способна стать источником питания для радиоприемника, электронных часов.

Сначала готовится основа с бортиками, в уголках просверливаются отверстия для крепления. Материалом для основы может послужить фанера, оргстекло.

На основу выкладывается подложка из картона, на которую уже двусторонним скотчем крепятся диски рабочей стороной вверх.

Паяльные выходы делают на обратной стороне диска и паяют все элементы, присоединяя их между собой. Диод Шоттки подключают к соединяющему разъему.

Полученную отражающую панель закрывают прозрачным оргстеклом. Стоит протестировать, чтобы убедиться в работоспособности батареи. Загерметизировать. Плотно зафиксировать оргстекло.

Солнечная батарея из медной фольги

Взять два листа медной фольги. Обезжирить и очистить наждачкой от коррозии и оксидной пленки.

Один лист накалить на электрической плите или газовой горелке до почернения (образовался оксид меди) и продолжить накаливание еще минут тридцать. Дать полностью остыть. Аккуратно смыть отслаивающуюся черную пленку.

Солнечные батареи из подручных средств

При изготовлении самодельных солнечных батарей можно использовать:

транзисторы, в которых имеется кремниевый полупроводниковый элемент (если срезать крышку, пластина внутри легко выполнит роль фотоэлемента.);
диоды;
пивные алюминиевые банки;
калькуляторы;
фонарики на солнечных батареях.

Светильник

Из вышедших из строя готовых светильников на солнечных батареях вполне можно собрать новый, оригинальный и более долговечный.

Для работы понадобятся:

солнечные модули из старых светильников (предварительно проверить их тестером на работоспособность);
аккумулятор;
светодиоды;
многожильный провод (лучше медный);
резисторы;
транзисторы;
диоды – или готовая электронная плата.

Для корпуса светильника подойдет обычная стеклянная банка с закручивающейся крышкой

В подготовленном листе влагостойкой фанеры сделать отверстие под крышку банки. На фанеру наклеить двусторонним скотчем модули в 2 ряда, спаять их.
Выходное напряжение должно быть 4,4 В. Светодиоды соединить с платой. В разрыв питания светодиодов можно подключить датчик движения, срабатывающий на проходящих людей, и фотоэлемент, тогда светильник будет включаться сам при наступлении темноты и выключаться с рассветом.
В крышке сделать два отверстия для проводов. В корпусе разместить электронику. Позаботиться о герметичности конструкции.

Фонарь

На дачном или садовом участке хочется, чтобы и ночью было освещение. Готовые фонари китайского производства часто не удовлетворяют запросам даже самого неприхотливого потребителя:

Фонарь на солнечных батареях легко можно изготовить своими руками, используя готовые солнечные модули и подручные материалы. В качестве плафона подойдут рюмка, стакан, бутылка, банка.
В донышке просверлить отверстие 6-8 мм. Вырезать основание из пластика ПВХ. К солнечной батарее (панели), состоящей из 4 фотоэлементов, припаять провода.
До закрепления панели к основанию нужно проверить ее работоспособность тестером.
Приклеить панель к основанию герметиком или водостойким клеем. Загерметизировать отверстия с выведенными проводами.
Из пластиковой трубки диаметром около 1 см сделать основание для светодиодов. Приклеить их, ориентируясь на центр плафона. Припаять провода и закрепить их вместе с проводами от панели. Установить плафон. Припаять к его проводам плату электроники. В качестве ножки для фонарика можно использовать обрезок пластиковой трубы.

Зарядка для телефона

Довольно просто сделать зарядку для телефона. Взять 4 полупроводника (фотоэлемента) из калькулятора или фонарика, работающего на солнечных батареях. В таких приборах источником питания служат аморфные фотоэлементы, размещенные на пластинке из стекла. Один такой блок дает 1,5 вольта. Соединить их между собой последовательно. У плюсового выхода припаять диод Шоттки.

В цепь после батареи поставить линейный стабилизатор на 5 Вольт и USB разъем. Термоклеем покрыть грани модулей.

При наличии свободного времени и желании, своими руками можно сделать не только простенький прибор на солнечных батареях, но и серьезную конструкцию, которая будет являться альтернативным источником энергии для дачи или собственного дома и экономить на расходах по оплате счетов за электроэнергию.

По словам Илона (Элона) Маска (Elon Reeve Musk), 46-летнего миллиардера, основатель, владельца, генерального директора и главного инженера SpaceX; главного разработчика (Chief Product Architect), генерального директора и главы совета директоров Tesla Inc., "Наступает время, когда мы должны отказаться от исчерпавшего себя проекта и обратить своё внимание на идущую на смену поистине революционную технологию, способную обеспечить человечество энергией на столетия вперёд."

Эти слова он произнёс на ежегодном собрании выпускников МТИ (Массачусетский Технологический Институт, Massachusetts Institute of Technology, MIT), отвечая на вопрос о дальнейших перспективах развития возобновляемых источников энергии в общем и солнечной энергетики - в частности.

"Мы слишком увлеклись одним из направлений [технологий - ред.], совершенно упустив из виду наличие других вариантов и возможностей. Настало время признать допущенные ошибки и со всей энергией приступить к новым исследованиям и прорывам" - добавил Маск.

По его мнению, на лидирующие позиции в мире в ближайшие годы выйдет т.н. темновая (или, как её называют неофициально, лунная) батарея, в замен/противовес не оправдавшей возлагавшихся на неё надежд солнечной.

Как видно из приведённой схемы солнечной батареи, она состоит из 4-х обязательных элементов (собственно модуль (или панель), контроллер, инвертор, аккумуляторная батарея), связанных между собой электрическими линиями (шинами).

Такая архитектура является весьма громоздкой, вследствие чего не обеспечивает должной надёжности. Кроме того, её элементы, будучи сами по себе весьма дорогостоящими, вдобавок требуют периодического обслуживания и замены. Особенно это касается аккумуляторной батареи.

Добавив к этому невысокую удельную мощность (что препятствует использованию как источника энергии для техники, которая потребляет большую мощность), необходимость первоначальных больших инвестиций, низкий уровень КПД (14-15%), критическую зависимость эффективности работы от погодных условий и климата, требование большого количества вспомогательной техники и больших площадей для размещения, получим в итоге совсем нерадужную картину..

Следует учитывать и то обстоятельство, что производство и особенно утилизация аккумуляторных батарей и солнечных модулей являются чрезвычайно энергоёмкими и наносящими экологический вред.

В общем, несмотря на все достоинства таких установок (неиссякаемость и вседоступность источника энергии, возможность масштабирования (наращивания), автономность, независимость от цен на топливо после ввода в эксплуатацию), минусы тут скорее перевешивают плюсы.

Однако наука не стоит на месте, и совсем недавно, буквально год назад, успехом завершилась серия работ интернациональной группы молодых учёных, сумевших превратить один из недостатков солнечных панелей в их достоинство.

Речь идёт о т.н. темновых (паразитных) токах, возникающих в процессе выработки электроэнергии в классической солнечной батарее и существенно снижающих её КПД.

Чтобы понять, в чём тут дело, рассмотрим подробнее, как устроен модуль, преобразующий солнечный свет в собственно электричество, и что именно там происходит.

Так выглядит солнечный преобразователь в разрезе

Противоположная сторона (слой) легирован примесью другого типа - акцепторной, поглощающей (принимающей) электроны, вследствие чего в этой области возникает их дефицит. В качестве акцепторной примеси обычно используют индий (In) или алюминий (Al).

На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

У границы n-(с избытком свободных электронов, отрицательно заряженных) и p-(с дефицитом электронов, положительно заряженных) слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Донорные и акцепторные примеси

Возникший на переходе потенциальный барьер препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП (фотоэлектрический преобразователь) солнечным светом. Когда СЭ (солнечный элемент) освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой . В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение.

Схема классического p-n перехода

Необходимо отметить, что большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются.

Существуют и более совершенные многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Однако вследствие технологических сложностей при их создании цена такого элемента не позволяет надеяться на их сколь-нибудь широкое применение.

Отрицательному полюсу источника тока в СЭ соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

За счёт туннельного эффекта часть основных носителей заряда всё же может преодолеть барьер, образуя паразитный ток, получивший название темнового, т.к. протекает он независимо от наличия или отсутствия внешней освещённости.

С этим током всячески боролись на протяжении десятков лет.

Но, как часто это бывает, вчерашняя помеха неожиданно стала источником новых возможностей.

Всё дело в том, что какой ток является "паразитным", а какой - "полезным", это всего лишь вопрос терминологии.

В пластине полупроводника всегда одновременно идут два противонаправленных процесса - поглощение фотонов с последующим образованием свободных носителей, и их (носителей) рекомбинация, т.е. слияние электрона и дырки с образованием электрически нейтрального атома.

Как оказалось, если правильно подобрать легирующие примеси (см. выше), процесс рекомбинации начинает преобладать!!

При этом через границу протекает ток, обусловленный основными носителями, концентрация которых на порядки больше, чем неосновных (в данной области).

Рекомбинируя, эти носители взаимно нейтрализуют друг друга, "подтягивая" тем самым из внутренних областей следующую порцию. Одновременно высвобождается энергия, в виде фотонов, образующих спектр излучения, полностью идентичный солнечному.

Таким образом, фактически получается два в одном - источник высококачественного света и источник электроэнергии.

Изюминкой процесса является то, что для его инициации не требуется внешнего воздействия (затрат энергии).

Система работает при нулевой освещённости, за что, собственно, она и получила своё название - лунная ( в противовес солнечной) батарея.

По окончании легирования он (процесс) запускается автоматически и длится до тех пор, пока элемент включён во внешнюю цепь. Размыкание цепи приводит к остановке, замыкание - к новому запуску.

Более того, при правильно подобранной ширине запирающего слоя генерируется не постоянный, а переменный ток, в диапазоне от 12-ти до 600-т ГЦ (устанавливается один раз, при изготовлении, и не подлежит изменению), что позволяет исключить из схемы все элементы, кроме собственно источника и нагрузки (потребителя).

И теперь о самом главном - лигатурах, позволяющих добиться такого эффекта.

О них известно только то, что p-зона формируется из атомов одного из изотопов бронзы (Bz), а n-зона - из изотопов латуни (Lt).

Нужный эффект возникает только и исключительно при точно подобранном соотношении этих изотопов. По некоторым данным, оно составляет 0.596 к 0.404 в стехиометрии Bz-Lt.

На данный момент именно это является ключевым ноу-хау, говорящим более чем достаточно для тех, кто понимает.

Устройство и принцип работы

Есть два основных способа использования солнечной энергии:

Прямое использование для нагрева воды и аккумулирования тепла в гелио системах отопления и горячего водоснабжения.
Преобразование света в электроэнергию.

Справка. Основные законы преобразования света в электроэнергию были сформулированы в конце XIX века российским ученым Александром Столетовым.

Каждый модуль заводской солнечной батареи имеет собственный несущий каркас, с расположенной на нем клеммной коробкой.

Это делает возможным объединять модули в единую систему, с подключением к общему оборудованию, которое позволяет контролировать работу, накапливать электроэнергию, преобразовывать ее и распределять между потребителями. А для защиты фотоэлементов используют специальное покрытие из закаленного стекла.

Солнечная панель из диодов

Для изготовления панели можно использовать диоды в металлических и стеклянных корпусах. Первый вариант мощнее, но более трудоемкий. Второй — проще, хотя для достижения такой же мощности понадобится больше элементов.

Панель из диодов в металлическом корпусе

Если говорить о максимальной мощности, которую можно получить с одного кристалла полупроводника, то лучшими в этом отношении будут диоды серии КД203 (КД2010).

Но сложность заключается в том, что диоды этой серии изготовлены в металлокерамическом корпусе, который заодно выполняет роль теплоотвода при монтаже на металлическое шасси.

Диоды средней мощности в металлическом или металлостеклянном корпусе серии Д7, Д214, Д215, Д226, Д237, Д242-Д247 разбирать проще. Сначала бокорезами обрезают жесткий контакт и часть корпуса в виде трубки со стороны анода. А затем вставив нож в шов между основанием и крышкой, открывают корпус. Для облегчения процесса можно предварительно слегка сжать фланец корпуса в тисках, чтобы раскрылась щель между основанием и крышкой.

И эту процедуру надо выполнить с каждым диодом, а их должно быть несколько десятков. В реальных условиях напряжение на одном кристалле будет ниже максимума раза в полтора — около 0.5 В. Чтобы получить на выходе 5 В, надо последовательно соединить в блок 10 кристаллов.

Сама панель должна иметь вид решетки из расположенных в несколько рядов ячеек двух разных диаметров, расположенных поочередно. Большое отверстие — для посадки корпуса, меньшее — для гибкого проводника, которым соединяют в цепь расположенные рядом диоды. Такая заготовка для диодов в металлическом корпусе без крышки глядит так:

Возможны и другие варианты конструкции панели, но принцип прежний — последовательно-параллельное соединение элементов. Принцип как сделать солнечную батарею из диодов был описан еще в советское время. Ниже приведено фото иллюстрации тех времен, на которой показаны способы разборки элементов и принципиальная схема соединения:

Панель из диодов в стеклянных корпусах

У некоторых серий корпус изначально прозрачный, а у тех элементов, корпуса которых окрашены, надо просто смыть краску растворителем.

К таким относятся диоды Д223Б, которые способны при оптимальной ориентации относительно яркого солнца выдавать напряжение около 0,3 В, что почти сопоставимо с более мощными аналогами.

Пошаговый процесс изготовления солнечной панели выглядит так:

помещают на некоторое время диоды в емкость с растворителем;
достают из растворителя элементы и счищают с них размягченную краску;
сгибают под 180° выводы анодов (это необходимо для правильного положения кристалла полупроводника относительно плоскости монтажной платы;
монтируют на монтажной плате элементы, объединяя их в последовательно параллельные группы согласно схеме соединения.

Вот так выглядит панель, состоящая из 9 параллельно соединенных блоков по 12 элементов в каждом:

Как видно, помещенная на солнце, она выдает напряжение в 2.5 В, а ее мощности хватает, чтобы полностью зарядить за 2 часа ионистор емкостью 0,47 Ф.

Панель из светодиодов

Любой светодиод обладает обратимостью: он не только излучает свет под напряжением, но и наоборот — генерирует электричество под воздействием света. Максимальная ЭДС у сверхярких элементов — до 1.65 В, но ток при этом получается очень маленьким — до 20 мкА. Зеленые индикаторные светодиоды с линзой диаметром 3 или 5 мм при освещении выдают почти 1.6 В. Совсем немного уступают им красные и оранжевые светодиоды с линзой 5 мм.

Но изготовить из них солнечную панель, способную работать как эффективное зарядное устройство, не получится из-за крайне маленького тока.

Панель солнечной батареи из транзисторов

Так же как и у диодов, открытый полупроводниковый кристалл транзистора при освещении образует разность потенциалов на p-n переходах. Если провести измерения, то в результате окажется, что всегда есть пара контактов, которая выдает максимально возможную мощность.

Обычно наибольшая ЭДС возникает между коллектором и базой или эмиттером и базой. Перед сборкой домашней солнечной панели надо протестировать все заготовленные элементы и рассортировать их по группам (блокам) с наиболее близкими значениями суммарных напряжений.

Для увеличения общего напряжения и тока применяют смешанное соединение.

Первый вариант. Соединяют параллельно группы (блоки) с одинаковым суммарным напряжением последовательно собранных элементов, и получают на выходе сумму токов от каждого блока. Схема приведена ниже:

Второй вариант. Элементы с приблизительно одинаковыми напряжениями соединяют в группе параллельно (выходной ток будет равен сумме токов). А чтобы нарастить напряжение, несколько таких групп соединяют последовательно.

В сравнении с диодной солнечной панелью собранный транзисторный блок при одинаковой мощности будет занимать большую площадь.

Сборка корпуса

Самый простой корпус для панели домашней солнечной батареи изготавливают из фанеры или листового пластика:

Вырезают по размеру лист, к которому крепят панель.
По периметру листа крепят саморезами или на клей небольшие бортики высотой чуть больше толщины панели.
Сверлят отверстия под выходной кабель с клеммами для подключения аккумулятора.
Подключают к панели кабель через диод Шотки (это надо, чтобы обезопасить аккумулятор от короткого замыкания).
Сверху накрывают лист светопрозрачным листом — оргстеклом или монолитным поликарбонатом. Крепят его к бортам саморезами.

Даже если кристалл полупроводника не лежит в главном фокусе, он все равно расположен на главной оптической оси, а это уже увеличивает концентрацию светового потока. Но такая конструкция оправдана в случае, если размеры панели не имеют значения, а количество диодов или транзисторов ограничено.

Описанные выше схемы не могут служить в качестве источника альтернативной энергии для подключения сколь значимого по мощности потребителя.

Читайте также: