0

Солнечная батарея из диодов

Всем привет!
Не нужно объяснять, как важно сейчас экономить такой ценный ресурс, как электроэнергия. Всегда хочется, чтобы хоть какое-то устройство работало, а кушать (в смысле денег за электричество) не просило. Вот и мне захотелось кусочек халявы — и решил я сделать себе солнечную батарею. А что — висит себе где-нибудь на балконе, места не занимает, а пользу ( и радость) приносит. Всю неделю читал статьи про солнечные батареи из диодов и транзисторов и решил начать с подобной конструкции.

Выбрал диоды Д223Б

Почему именно их? Во-первых — у них удобный стеклянный корпус (а значит ничего разбирать не нужно — только содрать краску). Кстати, краска в ацетоне не размокает, но становится мягкой и легко удаляется просто ногтём. Действие других растворителей не проверял. Во-вторых корпус у них достаточно небольшой, что позволяет добиться высокой плотности монтажа. Ну и в-третьих — из всех диодов в таком корпусе у Д223Б наибольшее напряжение (порядка 350 мВ на прямом солнце). Итак, с диодами определились — бежим в магазин! Одна коробка диодов (100 штук) стоит 130 рублей. Обратите внимание на дату выпуска — 1992 год(!) Лишь на 2 года моложе меня)


Теперь нужно сложить диоды в стеклянную банку, залить ацетоном и убрать куда подальше. Пока они размокают — займёмся платой. Сначала я расчитывал сделать батарею на 5 вольт, но когда плата уже была готова — решил впаять диоды по-другому (на листе блокнота набросал, кстати, масштаб 1:1, размер клетки 5Х5 мм).





Теперь достаём пинцетом диоды по одному и очищаем их от краски. Я просто ногтём сковыривал. Ничего сложного. Затем подключаем к одному из низ вольтметр, подставляем подопытного под лучи солнца или лампочки и находим плюсовой вывод, загибаем его, как на фото ниже.

Это необходимо из-за особенностей расположения кристалла — при таком размещении на плате кристалл будет освещён лучше всего, а значит получим больший ток и напряжение.
Выводы таким образом нужно загнуть у всех диодов.
Теперь нужно все диоды впаять в плату. У меня на это ушло около часа. Ну вот, плата готова, и можно испытывать — подключаем вольтметр и на солнце её!

Для испытания под нагрузкой подключил ионистор на 0,47 Ф. Самодельная Батарея Мозгочина заряжает его до 2,5 В примерно за 2 часа. Из расчётов получается ток примерно 0,3 мА (300 мкА). Плата получилась размером 65Х100 мм. Неплохо для самоделки.

А теперь сравним нашу конструкцию с заводской. Для этой цели я купил светодиодный фонарик за 50 р.

Внутри, кроме солнечной батареи, находятся: хороший белый светодиод, аккумулятор (АА, Ni-Cd, 150 мА/ч, на фото он желтого цвета), и плату управления всем этим хозяйством ( ну как плата… одна четырёхногая микросхемка и резистор).

Солнечная батарея совсем маленькая — 3Х3 см. Честно говоря, я надеялся на большее. Но и на том китайцам спасибо)

А теперь сравним фабричную батарейку с нашим самопалом:

Батарея Мозгочина:

  • площадь — 6500 мм.кв.;
    напряжение — 2,5 В;
    сила тока — 0,3 мА;
    мощность — 0,75 мВт;
    стоимость — около 150 руб;

Заводская батарея:

  • площадь — 900 мм.кв.;
    напряжение — 1,2 В;
    сила тока — 5 мА;
    мощность — 6 мВт;
    стоимость — 50 Руб.

Итак, что мы имеем? При в семь раз большей площади и втрое большей стоимости Батарея Мозгочина выдаёт в восемь раз меньшую мощность. Что же получается, китайцы нас сделали? Не совсем. Во-первых нужно помнить, что это всё-таки самоделка. Во-вторых — она сделана из деталей, вообще-то для этого не предназначенных. Ну и кроме того, сравните механическую прочность китайского стекла и отечественного текстолита. Нашу батарею можно спокойно уронить с шестого этажа на асфальт — максимум что с ней случится — разобьются корпуса у пары диодов. Ничего критичного.

Выводы делать вам, но я свою батарею на запчасти не пущу, а буду использовать по назначению. Во-первых — её мощность не так уж и мала. А во-вторых просто приятно, что творение твоих рук работает практически на равных с заводской конструкцией.

Что за устройство такое?

Перед тем, как приступать к сборке солнечной батареи своими руками, необходимо выяснить, что же это такое.
Солнечная батарея представляет собой специальную фотопластину, которая в результате воздействия на нее солнечного света может изменять свою проводимость. Это процесс происходит с выделением электрической энергии.

Обратите внимание! Преобразование солнечного света в нужный вид энергии на сегодняшний день является самым перспективным путем развития в энергетическом плане.

Классический вид заводской солнечной батареи

И такое приобретение станет совсем не лишним в квартире или доме. А ее изготовление своими руками в домашних условиях несет некоторые плюсы. Так, можно сэкономить на покупке производственной модели. И, конечно же, получить определенное моральное удовлетворение, которое всегда приходит, если сделать хорошую вещь своими руками.
Но с другой стороны, в случае самостоятельной сборки всегда имеется один недостаток — отсутствие гарантий качества и работоспособности. Конечно, если вы мастер на все руки и постоянно паяете дома электроприборы, то у вас все получится по высшему разряду, а вот у новичка не столь радужные перспективы. Поэтому решайте сами, выгодно ли делать солнечную панель своими руками или ее проще все-таки купить в специализированном магазине.
Решившись собрать подобное устройство диодного вида, необходимо знать принцип его работы. Солнечная батарея из диодов в своей основе может содержать два типа элементов:

  • светодиоды;
  • старые диоды.

Диод содержит в себе полупроводниковый кристалл с p-n-зоной. При воздействии на элемент солнечного света в области p-n-зоны начинает наблюдаться движение электронов, которые формируют собой направленный поток. В результате получается фототок. Благодаря такому принципу работы становится возможны сборка солнечной батареи своими руками из диодов.
Но здесь необходимо помнить, что вырабатываемое диодом напряжение будет очень маленьким (к примеру, около 0,5 В для диодов вида КД). При этом сила тока не будет превышать 7 мА. А вот для белого светодиода ток потребления может достигать до 20 мА. В результате, чтобы получить относительно нормальную мощность батареи нужно довольно много диодов.

Первый вариант сборки

Светодиод

Как уже стало понятно, на сегодняшний день солнечная панель домашними умельцами может изготавливаться в двух вариантах: из светодиодов и старых диодов.
Рассмотрим первый вариант, когда в качестве главного элемента будет выступать обычный светодиод.

Современные светодиоды могут широко применяться для самостоятельной сборки мини-солнечной батареи. У них принцип функционирования почти аналогичен обычным диодам. От последних светодиод отличается наличием специального корпуса. Он выступает в роли линзы, с помощью которой происходит фокусирование солнечных лучей на проводящем кристалле.

Обратите внимание! За счет наличия этой линзы вырабатываемое напряжение здесь будет несколько выше, чем у стандартных диодных элементов.

При этом нужно помнить, что вырабатываемое напряжение зависит от типа свечения светодиода:

  • для красно-прозрачного элемента данный показатель будет равен примерно 1,3 В;
  • для зеленого – 1,5 В;
  • для инфракрасного – 0,9 В.

Установка элементов может производиться на плотном картоне или текстолитовой подложке. Собрав батарею из 100 светодиодов, можно получить силу тока примерно в 0,5 мА.
Процесс сборки происходит следующим образом:

Готовая батарея

  • избавляем элементы от корпуса. Для этого можно использовать самые разнообразные подручные средства (молоток, долото и т.д.). Снимать корпус следует аккуратно, что избежать повреждения кристалла;

Обратите внимание! Корпус на светодиоде можно вообще не снимать.

  • в качестве платы будем использовать картон. В нем проделываем небольшие отверстия. Отверстия делаем не как заблагорассудится, для этого используется схема. Выбирая схему, берите во внимание тот факт, что при последовательном соединении элементов их напряжение будет суммироваться, а при параллельном – суммироваться сила тока. Самый больший эффект будет при сочетании обеих схем подсоединения;
  • в проделанные отверстия вставляем светодиоды и соединяем их между собой по выбранной схеме.

Все, батарея готова. Вам останется только проверить ее показатели с помощью регистрирующего прибора. Не ожидайте увидеть внушительные цифры. Зачастую при такой сборке аппарат будет выдавать ток в 0,3 мА.
По сути, кроме чисто «спортивного» интереса здесь мало чего можно добиться. Вы потратите деньги, время и силы, а получите минимальный результат. Еще одним минусом такого устройства будет большая площадь размещения диодных элементов.

Второй вариант

Старый диод

Другим вариантом сборки солнечной батареи будет использование старых диодов. Принцип их работы такой же, как и у современных элементов электросхем подобного плана.

В данном случае изготовление панели осуществляется следующим образом:

  • открываем корпус диода, чтобы на его кристалл могли попадать солнечные лучи;
  • верхнюю часть корпуса необходимо просто срезать. При этом нижнюю часть следует нагреть с помощью включенной газовой плиты. Держать элемент над огнем нужно не более 20 секунд;
  • после того, как припой расплавился, можно без проблем извлечь кристалл. Для этого используем пинцет;
  • вытащенные кристаллы следует припаять к плате. Схема приведена ниже. Она может отличаться в зависимости от нужных конечных параметров.

Схема установки

Чтобы получить 2-4 В, необходимо смонтировать 5 блоков, состоящих из 4-5 спаянных последовательно кристаллов. В результате вы получите требуемое напряжение при нужной силе тока. Параллельное подключение принесет меньшую силу тока. Такая собранная своими руками солнечная панель может использоваться для питания светодиодного устройства небольшого размера.

Из диодов, конечно же, сложно собрать мощную панель для улавливания солнечного света. Ведь даже в своем самом лучшем исполнении (старые диоды) такое устройство будет малоэффективным и от него максимум можно будет запитать небольшой светодиодный прибор. Поэтому если вы не электротехник-любитель и всякого рода электросхемы – не ваша страсть и вы не особо любите с ними возиться, то не стоит тратить силы на сборку подобных батарей, а лучше купить заводскую модель и получать на выходе хороший результат. В такой ситуации вы гораздо быстрее окупите затраченные средства, да и с большим комфортом.

Подготовка кристалликов-полупроводников

В светодиодах кристаллики видимые. Они размещены под стеклянной или прозрачной пластиковой линзой. Некоторые рекомендуют разбивать ее молотком, некоторые советуют оставить ее, поскольку она может собирать свет в пучок и направлять его на полупроводник. Это позволяет улучшить производительность кристаллика. Если использовать светодиод по главному назначению, то эта линза будет рассеивать созданный им свет.

Если планируется сделать солнечную батарею из старых советских железных диодов (лучше всего подходят модели кд2010 и кд203), то придется разобрать их и достать оттуда полупроводник.

Процесс разбора таков:

  1. Разбивают молотком стеклянный держатель верхнего контакта.
  2. С помощью плоскогубцев открывают диод. В середине размещается полупроводник. Он надежно зафиксирован на основании диода. При этом к его верху припаян медный провод. Последний соединен с верхним контактом диода.
  3. Берут нижнее основание с кристалликом и отправляются к газовой плитке. Держа основание диода плоскогубцами, его подносят к огню и нагревают. Кристалл должен находиться вверху. Основание нагреется, а вместе с ним горячим станет олово. Из-за этого оно растопится. Далее, используя пинцет, вынимают полупроводник.

Если будут использоваться стеклодиоды, то подготовка не является необходимой. Их можно сразу размещать на пластине.

Проведение расчетов

Самодельная солнечная панель представляет собой изделие, которое должно создавать ток желаемых характеристик. Поэтому нужно определить, сколько полупроводников стоит использовать.

Для этого необходимо измерить напряжение и силу тока, созданного одним полупроводником. Это делают с помощью специального инструмента. Все измерения проводят после того, как кристаллик оказался под солнечными лучами.

Полупроводник с диода кд2010 способен создать ток с напряжением до 0,7 В и силой до 7 мА. Стеклодиоды могут генерировать ток с напряжением до 0,3 В и силой до 0,2 мА.

Лучшую производительность способен продемонстрировать оранжевый, зеленый и красный светодиоды. Поскольку есть множество моделей светодиодов с кристаллами разных размеров, следует провести измерения каждого из приобретенных.

Расчеты проводят так:

  1. Определяют желаемые параметры солнечной батареи. Пусть при нормальном (среднем) солнечном свете она создаст ток с напряжением 9 В и мощностью 1 Вт.
  2. Определяют необходимое количество кристалликов, отталкиваясь от нужного напряжения. Напряжение созданного одним полупроводником диода кд2010 достигает 0,7 В. На практике оно будет меньше. Пусть оно будет достигать 0,5 В. Чтобы увеличить напряжение, нужно эти кристаллики подключить последовательно. При таком подключении общее напряжение будет равно сумме напряжений всех узлов. Нужно в одном ряду разместить 18 кристалликов.
  3. Вычисляют силу тока. В одном ряду последовательно подключенных кристалликов она будет одинаковой – 7 мА. Для ее наращивания нужно выполнить параллельное подключение. Нужно сделать несколько рядов. Общая сила тока будет равна сумме сил тока всех рядов. Чем больше рядов, тем больше она будет. В нашем случае нужно обеспечить мощность, равную 1 Вт. То есть сила тока должна составлять 1/9 = 0,111 А = 111 мА. Почти такую силу тока можно получить из 15 рядов. Она составляет 7х15 = 105 мА. Лучше сделать 16 рядов.
  4. Определяют необходимое количество кристалликов (18х16 = 288).

Как работает солнечная батарея?

Солнечная батарея как устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию, известно уже достаточно давно. Ее работа основана на явлении внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Внутренний фотоэффект — явление возникновения в полупроводнике дополнительных носителей тока (электронов или дырок) при поглощении света.

Электроны и дырки разделяются p-n переходом так, что электроны концентрируются в n-области, а дырки — в p-области, в результате между этими областями возникает ЭДС. Если к ним подключить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n перехода в ней возникнет ток. Энергия солнца превращается в электрическую энергию.

ЭДС и сила тока в таком полупроводнике определяется следующими факторами:

Схема работы солнечной батареи.

  • материалом полупроводника (германий, кремний и т.д.);
  • площадью поверхности р-n перехода;
  • освещенностью этого перехода.

Сила тока, создаваемая одним элементом, очень мала, и для достижения желаемого результата нужно собирать модули из большого числа таких элементов. Такой источник тока не боится коротких замечаний, поскольку величина силы тока, создаваемого им, ограничена некоторым максимальным значением — обычно несколько миллиампер.

Самодельная солнечная батарея из полупроводниковых диодов или транзисторов

Необходимые для создания солнечной батареи р-n переходы есть и у полупроводниковых диодов, и у транзисторов. У диода 1 р-n переход, а транзистор имеет 2 таких перехода — между базой и коллектором, между базой и эмиттером. Возможность использования полупроводникового прибора в этом качестве определяется 2-мя условиями:

  • должна существовать возможность открыть р-n переход;
  • площадь р-n перехода должна быть достаточно большой.

Самодельная транзисторная солнечная батарея

Схема подключения солнечной батареи.

Второе условие обычно выполняется для мощных плоскостных транзисторов. Кремниевый n-р-n транзистор КТ801 (а) интересен тем, что у него легко открыть переход. Достаточно надавить плоскогубцами крышку и аккуратно снять ее. У мощных германиевых транзисторов П210-П217 (б) нужно аккуратно разрезать крышку по линии АА и снять ее.

Подготовленные транзисторы, прежде чем использовать их в качестве элементов солнечной батареи, следует проверить. Для этого можно использовать обычный мультиметр. Переключив прибор в режим измерения тока (предел несколько миллиампер), включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора, переход которого хорошо освещен. Прибор должен показать небольшой ток — обычно доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА. Переключив мультиметр в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), мы должны получить значение выходного напряжения порядка нескольких десятых долей вольта. Желательно рассортировать их по группам с близкими значениями выходных напряжений.

Для увеличения выходного тока и рабочего напряжения применяется смешанное соединение элементов. Внутри групп элементы с близкими значениями выходных напряжений соединяются параллельно. Общий выходной ток группы равен сумме токов отдельных элементов. Группы между собой включаются последовательно. Их выходные напряжения складываются. Для транзисторов со структурой n-р-n полярность выходного напряжения будет противоположной.

Для сборки источника тока лучше разработать монтажную плату из фольгированного стеклотекстолита. После распайки элементов, плату лучше поместить в корпус подходящих размеров и закрыть сверху пластиной из оргстекла. Источник тока из нескольких десятков транзисторов генерирует напряжение в несколько вольт при выходном токе в несколько миллиампер. Ее можно использовать для подзарядки маломощных аккумуляторов, для питания маломощного радиоприемника и других маломощных электронных устройств.

Самодельная диодная солнечная батарея

Может быть изготовлена своими руками и солнечная батарея на диодах. В качестве примера опишем изготовление батарей на плоскостных кремниевых диодах КД202. . Вместо них можно использовать другие полупроводниковые выпрямители: Д242, Д237, Д226 и т.д.

Чтобы открыть р-n переход диода КД202, нужно проделать следующие операции:

Схема подключения резистора.

  1. Зажав диод в тисках за фланец, отрезать, а затем аккуратно расправить вывод анода, чтобы потом можно было легко освободить припаянный к р-n переходу медный провод.
  2. Приложив к сварному соединению нож или другой острый предмет, легкими ударами, поворачивая в тисках диод, отделить защитный фланец.

Примерно так же можно отделить защитный фланец и других диодов.

В солнечной батарее подготовленные диоды, как и транзисторы в приведенной выше схеме, соединяются смешанно. В каждой группе элементы также соединяются параллельно: с одной стороны между собой соединяются аноды диодов, а с другой — катоды. Отбирать элементы по группам можно так же, как и транзисторы. Чем больше в таком источнике тока отдельных элементов, тем больше его мощность.

Источник тока из 5 групп по 10 диодов генерирует напряжение порядка 2,5 В при силе тока 20-25 мА. Для изготовления самодельного источника тока допустимо использование выпрямительных диодов малой мощности типа Д223. Они удобны тем, что у них легко открыть для света р-n переход. Для этого достаточно подержать их некоторое время в ацетоне, после чего защитная краска легко очищается со стеклянного корпуса.

Не забывайте, что при работе с полупроводниковыми приборами, не следует забывать, что они легко выходят из строя при перегреве. Для пайки следует применять легкоплавкий припой и маломощный паяльник, стараясь не прогревать слишком долго место спайки.

Нетрудно заметить, что изготовление и сборка самодельной полупроводниковой солнечной батареи — задача не очень сложная для человека, знакомого с азами конструирования электронных устройств. Попробуйте — у вас все получится!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *