В даний час у продажу з'явилася величезна кількість сонячних батарей і модулів. До найбільш поширених можна віднести модулі, виконані на основі полікристалічного і монокристалічного кремнію, що представляють собою пластини кремнію, змонтовані на платі з фольгованого склотекстоліти, на зворотному боці яких сформовані контактні площадки з маркуванням полярності. Для захисту від атмосферних опадів та впливів вони покриті спеціальним захисним шаром з прозорого пластика, який, в свою чергу, має дуже високий ступінь оптичної прозорості. Панелі з монокристалічного кремнію мають непоганий коефіцієнт корисної дії (ККД) 11-13%, термін їх служби складає до 25 років. Однак, вони значно знижують потужність при затемненні і хмарності, батарея, виконана з полікристалічного кремнію, має менший ККД, близько 7-9%, і довговічність приблизно 10 років, однак, на відміну від батарей з монокристалічного кремнію, незначно знижують потужність при затемненні і хмарності.
Звичайно перераховані вище сонячні модулі мають хороші показники і характеристики своєї роботи, проте, на мій погляд, вони занадто дорогі і не кожному радіоаматорові доступні. Тому, щоб заощадити кошти, а також зрозуміти принцип її роботи, і заодно розібратися у всіх тонкощах, я вирішив поділитися своїм досвідом. Дана батарея повинна служити автономним джерелом для живлення малопотужних радіоаматорських конструкцій.
Для виготовлення саморобної сонячної батареї скористаємося внутрішнім фотоефектом pn переходу напівпровідникового приладу (діода, транзистора). Його робота ґрунтується на залежності прямого струму від ступеня освітленості pn переходу. Виявляється, що чим краще освітленість кристала напівпровідника, тим інтенсивніше електрони і дірки проникають через pn перехід. А така залежність дає можливість перетворювати світлове випромінювання в електричний струм. При цьому сам напівпровідник стає джерелом електричного струму. Сила струму і електрична рушійна сила (ЕРС) у такого напівпровідника залежить від декількох факторів, а саме: матеріалу, з якого виконаний напівпровідник (кремній, германій та ін.); площі поверхні pn переходу; ну і звичайно, ступеня освітленості. Однак, сила струму у одного фототодіода мізерно мала, і він не здатний забезпечити харчування малогабаритної апаратури, тому потрібно збирати модулі з десятків таких напівпровідникових приладів, тоді буде бажаний ефект. Великою перевагою такого джерела є те, що елементи, що входять до складу батареї, не бояться короткого замикання. Кожен з них призначений для видачі певної величини сили струму при деякому електричному напрузі.
Як фотоелемента можна використовувати діоди, транзистори, і інші напівпровідники, у яких вдасться відкрити pn перехід, і він буде достатньої площі. Зупинимося на діодах. У своїй конструкції я застосував кремнієві діоди КД202, зовнішній вигляд, креслення і габаритні розміри:
Даний тип діода має площинне конструктивне виконання. У такому типі діода на пластину з напівпровідника напаяти невелика крапелька речовини, яка може бути або донором або акцептором. У місці споювання цієї крапельки власне і утворюється pn перехід. Я сподіваюся, що такі ж діоди ще залишилися в наявності і знайдуться в старих запасах радіоаматорів, які читають цю статтю. При відсутності зазначеного типу діода, можливе використання Д226, Д237.
Для того, щоб перетворити діод в джерело фотоструму, необхідно акуратно дістатися до кристала напівпровідника, щоб на pn перехід міг інтенсивно потрапляти сонячне світло. Для цієї мети виконаємо наступне ...
Взявши діод в руки, для виконання правил техніки безпеки перед майбутніми діями з ним, його необхідно закріпити в слюсарних лещатах за фланець. Після цього плоскогубцями або ножицями по металу, а в крайньому випадку зубилом, необхідно відрізати висновок діода. Пом'ятий при виконанні даної процедури залишок виведення у вигляді трубочки бажано акуратно розправити, що згодом дасть можливість без проблем звільнити мідний дріт, який припаяний до pn переходу, і є власне позитивним контактом.
На наступному етапі слід зняти з діода фланець. Для цього, як показано, необхідно докласти до зварного шва на діоді, який позначений на малюнку, гострий предмет (ніж, викрутка і ін.), І при цьому потихеньку несильно вдаряючи по тильній стороні такого предмета і поетапно провертаючи діод в лещатах, необхідно видалити захисний фланець. При виконанні даної процедури потрібно бути гранично уважним і стежити за тим, щоб кінчик гострого предмета не проходив дуже глибоко всередину по зварному шву між діодом і поки ще не знятим фланцем. Ця умова виконувати слід обов'язково, щоб уникнути пошкодження кристала. Тепер, коли зварювальне з'єднання розкрито, можна видалити фланець. Якщо всі дії виконані правильно, то результат виконаної роботи повинен виглядати так:
Дані дії описані для одного діода, для всіх же інших, які будуть складати елементну базу батареї, дії аналогічні. Хотілося б відзначити, що призвичаїтися знімати фланець і тим самим відкривати кристал напівпровідника за даною методикою, на один діод буде йти в середньому близько хвилини, тому всі дуже просто, потрібно просто трошки потренуватися і підібрати для себе зручну оснащення.
Принципова схема сонячної батареї:
Як видно з малюнка, батарея складається з п'яти модулів М1-М5 по 11 діодів в кожному. Для максимального збільшення вихідного струму, який віддається в зовнішній ланцюг, що використовуються діоди однаковою серії необхідно з'єднувати змішано, тобто батарея збирається на основі груп, які з'єднані в свою чергу послідовно, і складаються з однакових з'єднаних паралельно елементів. При такій схемі включення генеруються діодами напруги більш рівномірно розподіляються по всій площі сонячної батареї. Завдяки цьому, незначне часткове затемнення частини діодів не принесе великого зниження напруги і сили струму в саморобній сонячній батареї. Звичайно, кількість модулів може бути іншим, тут працює принцип «чим більше - тим краще», тільки дуже важливо, щоб вони були з'єднані саме таким чином, як зазначено на схемі. Описувана саморобна сонячна батарея на основі 55 напівпровідникових діодів КД202, куди входять п'ять модулів по 11 паралельно з'єднаних діодів в кожному, на сонце генерує напруга до 5 В при силі струмі приблизно в 2,5 мА. Для харчування малогабаритного радіоприймача, епектронних годин і іншої малопотужної апаратури цілком достатньо буде. Також слід пам'ятати, що напруга на холостому ходу (без навантаження), що виникає в напівпровіднику, може трохи змінюватися при переході від одного елемента до іншого, навіть якщо вони однієї серії, і може досягати значення до 0,5 В. Ця величина практично не залежить від розмірів pn переходу. А ось сила струму в напівпровідниках, які і складають сонячну батарею, залежить від інтенсивності освітлення кристала, а також розміру активної робочої площі в вживаному полупроводнике.
Тепер хотілося б розповісти про монтаж елементів, що становлять сонячну батарею. Заздалегідь підготовлені діоди необхідно встановити на платі з склотекстоліти.
Приклад установки, на якому показано розташування в якості прикладу чотирьох діодів:
Я впевнений, вам не складе труднощів розташувати таку кількість діодів, які вони захочуть застосувати в своїх конструкціях сонячної батарей. Я ж за допомогою даного малюнка показав основний принцип правильного монтажу. Між собою позитивні висновки, що відходять від кристалів діодів необхідно з'єднати проводом з міді. При монтажі цих проводів від пайки краще відмовитися, так як високою температурою можна пошкодити pn перехід. Описувані діоди даної серії спочатку включають в себе струмознімальних болтові контакти (в нашому випадку вони служать висновками негативної полярності) з різьбленням М5. Тому для їх з'єднання між собою, після установки в посадкові отвори слід накрутити на них гайки М5. Між гайкою і платою провести оголений мідний дріт або навіть обкрутити хоча б раз, а потім затягнути гайкою.
Після монтажу всіх елементів монтажну плату можна встановити в корпус із захисною прозорою кришкою, наприклад, з оргскла. Також в корпусі необхідно виконати невеликий отвір для виведення кабелю живлення назовні, а вимикач ніякої не буде потрібно.
Транзистори також можуть служити фотоелектричними перетворювачами. Для цієї мети досить видалити їх непрозору оболонку. Несправні транзистори також можна благополучно використовувати в якості джерел напруги, але за однієї умови, що у них не було короткого замикання між колектором і базою або емітером і базою. Чим потужніший транзистор, гем кращий з нього вийде фотоелемент. Якщо ж читачі захочуть виготовити сонячну батарею на основі транзисторів, то можна порекомендувати наступні типи: П201, П202, П203, П416, П422, КТ620А, КТ3108А, зарубіжний TG50 (віддає струм до 0,5 мА при напрузі близько 1.5 В). При використанні зарубіжного транзистора TG70 можна отримати в ток межах 3 мА при напрузі 1,5 В, ті ж самі показники відносяться і до вітчизняних транзисторів П201 ... 203.
Після вибору транзистора в металевому корпусі, наприклад, П416, у нього необхідно акуратно спиляти верхню частину капелюшки по лінії 1-2, або ж видалити весь корпус, виконуючи ті ж дії, що і з діодом при знятті у нього фланця. Також бажано перевірити спочатку все транзистори, які будуть використані в якості елементів сонячної батареї. Скористаємося для цієї мети мультімегром, встановивши в ньому режим миллиамперметра в діапазоні до 20 мА. Потім піднесемо щупи до висновків обраного транзистора, а саме між колектором або емітером і базою. При цьому плюсовій щуп, що виходить від мультиметра підключаємо до колектора або емітера, а негативний щуп підводимо до бази транзистора. При хорошому освітленні прилад покаже струм приблизно 0,15-0,3 мА. Після цього необхідно перевести наш вимірювальний прилад в режим вимірювання напруги, і вибрати діапазон до 2 В. І так само виміряти, але вже напруга між колектором (або емітером) і базою. В даному випадку мультиметр повинен показати значення близько 0.3 В.
Орієнтовна частина схеми сонячної батареї із застосуванням транзисторів наступна:
Замість емітера можна також використовувати і колектор, кому як більше подобається. Природно, що транзисторів може бути скільки завгодно, а значить і модулів теж.
Слід пам'ятати про необхідність дотримання температурного режиму сонячної батареї, го є оберігати її від перегріву на сонці. При нагріванні кристала напівпровідника на кожний наступний градус Цельсія, починаючи від 25, він починає втрачати в своєму напрузі близько 0,002 В, тобто приблизно 0,4% на градус. В погожий сонячний день кристал і власне р-п перехід може нагріватися до температури 40-80 ° С, при цьому температурному впливі відбувається втрата в середньому 0,06 ... 0,09В на кожному елементі, що входить до складу сонячної батареї. Це одна з найважливіших причин зниження ККД напівпровідників саморобної сонячної батареї.
Найефективніше час для роботи сонячного модуля в період весни і літа - приблизно з 9 до 18 годин, восени і взимку, звичайно, цей період скорочується. В інший світлий час доби ток сонячної батареї зменшується. Падає струм, що генерується сонячною батареєю, і в похмуру погоду або в тіні. Деяка орієнтування сонячної батареї щодо положення Сонця допомагає збільшити генерований струм. Напруга у такий саморобної сонячної батареї буде дорівнювати сумі напруг на всіх складових її напівпровідниках. Струм, що віддають цією батареєю, буде обмежений струмом найгіршого напівпровідника.
Андрій Студений