Gerador solar caseiro: instruções para fabricar uma fonte de energia alternativa

Fontes alternativas de energia, capazes de fornecer a um ambiente residencial calor e eletricidade na quantidade necessária, não são um "prazer" barato, exigindo gastos financeiros significativos para aquisição, montagem e instalação.

Fazer você mesmo um gerador solar é muito mais barato e perfeitamente viável para muitos entusiastas da bricolagem. Vejamos uma instrução que descreve claramente todas as nuances do processo de fabricação.

Como funciona um gerador de energia solar?

Um gerador solar é um conjunto de elementos semicondutores fotovoltaicos que convertem diretamente a energia do sol em energia elétrica.

Os quanta de luz (fótons), ao atingirem a placa fotovoltaica, arrancam um elétron da órbita atômica final do elemento ativo. Esse efeito gera muitos elétrons livres, que formam um fluxo contínuo de corrente elétrica.

Não é necessário, ao montar um gerador solar com as próprias mãos, construir logo um grande complexo. Pode-se começar com uma unidade pequena e, se necessário, expandi-la no futuro.

Utiliza-se silício como material ativo. Ele se destaca por sua alta eficiência e proporciona um coeficiente de conversão fotovoltaica de cerca de 20% em condições normais e, em condições favoráveis, – até 25%.

Graças à acentuada eficiência das células fotovoltaicas de silício, os geradores baseados nelas garantem um alto rendimento com um volume relativamente pequeno. A potência de uma unidade de 1 metro quadrado é de 125 W, o que é considerado um resultado impressionante.

Em um dos lados da placa de silício, aplica-se um fino revestimento de elementos químicos passivos – boro ou fósforo. É exatamente nessa superfície que, sob a intensa ação dos raios solares, ocorre a liberação ativa de elétrons. A película de fósforo os mantém firmemente no lugar, impedindo que se dispersem.

Na própria placa de trabalho existem 'trilhas' metálicas. Os elétrons livres se organizam nelas, criando assim um movimento ordenado, ou seja, a corrente elétrica.

As desvantagens das placas incluem apenas a complexidade e o custo do processo de purificação do silício, e para evitar esses problemas, estão ativamente explorando alternativas como gálio, cádmio, índio e vários compostos de cobre. No entanto, ainda não existem concorrentes reais para os elementos de silício.

A maneira mais simples de construir um conversor de energia solar em eletricidade – comprar uma bateria solar pronta e instalá-la no telhado da casa ou da garagem:

O que é necessário para o funcionamento?

Para fabricar um gerador composto por um conjunto de painéis solares, são necessárias ferramentas e materiais como:

• módulos para converter os raios solares em energia;
• cantoneiras de alumínio;
• ripas de madeira;
• folhas de MDF;
• elemento transparente (vidro, acrílico, policarbonato) para criar proteção para as placas de silício;
• parafusos auto-roscantes e parafusos de diferentes tamanhos;
• espuma densa com espessura de 1,5-2,5 mm;
• selante de qualidade;
• diodos, terminais e fios;
• parafusadeira ou conjunto de chaves de fenda;
• soldador;
• serra para madeira e metal (ou esmerilhadeira).

A quantidade de materiais necessários dependerá diretamente do tamanho planejado do gerador. Um trabalho em grande escala implicará custos adicionais, mas, em qualquer caso, sairá mais barato do que um módulo comprado.

A base de proteção para as placas de silício pode ser feita de vidro, acrílico, policarbonato ou plexiglass. Os três primeiros materiais causam perda mínima de energia convertida, já o quarto transmite os raios muito pior e reduz significativamente a eficiência de todo o sistema.

Para o teste final do conjunto montado, utiliza-se um amperímetro. Ele permite registrar a eficiência real da instalação e ajuda a determinar o rendimento efetivo.

Escolha do tipo de fotoconversor

As atividades para construir um gerador solar caseiro começam com a escolha do tipo de conversor fotoelétrico de silício.

Esses componentes são de três tipos:

• amorfos;
• monocristalinos;
• policristalinos.

Cada opção tem suas vantagens e desvantagens, e a escolha por qualquer uma delas é feita com base no montante de recursos destinados à compra de todos os componentes do sistema.

Características das variedades amorfas

Os módulos amorfos não são feitos de silício cristalino, mas sim de seus derivados (silano ou hidrogênio de silício). Através da pulverização a vácuo, eles são aplicados em uma camada finíssima sobre uma folha metálica de alta qualidade, vidro ou plástico.

Os produtos acabados têm um tom acinzentado opaco. Cristais de silício visíveis não são observados na superfície. A principal vantagem das baterias solares flexíveis é o preço acessível, no entanto, sua eficiência é muito baixa e varia na faixa de 6-10%.

Células fotoelétricas amorfas, fabricadas à base de silício, possuem maior flexibilidade, demonstram alto nível de absorção óptica (20 vezes maior que as análogas mono ou policristalinas) e funcionam de forma significativamente mais eficiente em tempo nublado.

Especificidades dos tipos policristalinos

As baterias solares policristalinas são produzidas pelo resfriamento gradual e muito lento do silício fundido. Os produtos resultantes têm uma cor azul intensa, uma superfície com um padrão bem definido que lembra um desenho gelado, e apresentam eficiência na faixa de 14-18%.

A obtenção de maior eficiência de produção é prejudicada pelas áreas presentes dentro do material, separadas da estrutura geral por limites granulares.

Células fotovoltaicas policristalinas funcionam por apenas 10 anos, mas durante esse período sua eficiência não diminui. No entanto, para montar os produtos em um único complexo, é obrigatório o uso de uma base sólida e resistente, pois as placas são bastante rígidas e requerem um suporte firme e confiável.

Características das opções monocristalinas

Os módulos monocristalinos caracterizam-se por uma cor escura densa e são compostos por cristais de silício inteiros. Sua eficiência supera a de outros elementos e atinge 18-22% (em condições favoráveis – até 25%).

Outra vantagem é a impressionante vida útil – segundo os fabricantes, mais de 25 anos. No entanto, com o uso prolongado, a eficiência dos monocristais diminui e, após 10-12 anos, a produção fotovoltaica já é de apenas 13-17%.

Os módulos de monocristais são significativamente mais caros do que outros tipos de equipamento. Eles são produzidos cortando cristais de silício cultivados artificialmente.

Para construir um gerador solar caseiro, geralmente são utilizadas placas policristalinas e monocristalinas de vários tamanhos. Elas são adquiridas em lojas online populares, incluindo eBay ou AliExpress.

Devido ao alto custo das células fotovoltaicas, muitos fornecedores oferecem aos clientes produtos do grupo B, ou seja, fragmentos adequados para operação completa com pequenos defeitos. Seu custo difere do preço padrão em 40-60%, o que torna a montagem do gerador a um preço razoável, sem pesar muito no bolso.

Como fazer a estrutura de suporte para as placas?

Para fazer a moldura do futuro gerador, são usadas ripas de madeira resistentes ou cantoneiras de alumínio. A opção de madeira é considerada menos prática, pois o material requer tratamento adicional para evitar apodrecimento e delaminação.

Para que a moldura de madeira suporte a carga operacional e não apodreça após a primeira chuva, é necessário impregná-la com uma composição especial que proteja a madeira da umidade.

O alumínio possui características físicas muito mais atraentes e, devido à sua leveza, não sobrecarrega o telhado ou outra estrutura de suporte onde o equipamento será instalado.

Além disso, graças ao revestimento anticorrosivo, o metal não enferruja, não apodrece, não absorve umidade e resiste facilmente a quaisquer condições atmosféricas agressivas.

Para criar a estrutura da moldura com cantoneiras de alumínio, primeiro determina-se o tamanho do futuro painel. Na versão padrão, são usadas 36 células fotovoltaicas de 81 mm x 150 mm por bloco.

Para a correta operação subsequente, deixa-se um pequeno espaço entre os fragmentos (cerca de 3-5 mm). Esse espaço permite considerar a alteração dos parâmetros básicos da base que sofreu a ação das intempéries. Como resultado, o tamanho total da peça bruta é de 83 mm x 690 mm, com a largura do perfil de canto do quadro de 35 mm.

As placas de silício colocadas na moldura de perfil de alumínio parecem quase produtos de fabricação industrial. Uma estrutura resistente e robusta proporciona vedação perfeita ao sistema e confere a toda a construção um alto nível de rigidez.

Após determinar as dimensões, cortam-se os fragmentos necessários dos perfis de canto e, com o auxílio de elementos de fixação, montam-se nas molduras do quadro. Na superfície interna da estrutura aplica-se uma camada de selante de silicone, tomando muito cuidado para que não haja falhas ou vazios.

Disso dependem a integridade, resistência e durabilidade da estrutura montada. Sobre ela é colocado um material protetor transparente (vidro com revestimento antirreflexo, acrílico ou policarbonato com parâmetros especiais) e fixado firmemente com ferragens (1 na parte curta e 2 na parte longa da moldura, e 4 nos cantos do corpo).

Para o trabalho, utiliza-se uma parafusadeira e parafusos de diâmetro adequado. No final, a superfície transparente é cuidadosamente limpa de poeira e detritos finos.

Escolha do elemento transparente

Critérios principais para a seleção do elemento transparente para a criação do gerador:

• capacidade de absorção de radiação infravermelha;
• nível de refração da luz solar.

Quanto menor o índice de refração, maior a eficiência demonstrada pelas placas de silício. O plexiglass e o acrílico possuem o menor coeficiente de reflexão de luz. O policarbonato também não apresenta os melhores índices.

Para a criação de estruturas de suporte para sistemas solares domésticos, recomenda-se, sempre que possível, utilizar vidro transparente antirreflexo ou um tipo especial de policarbonato com revestimento anticondensação, que garanta o nível necessário de proteção térmica.

As melhores características em termos de absorção de radiação infravermelha são apresentadas pelo acrílico termoabsorvente resistente e pelo vidro com opção de absorção de IV. O vidro comum tem índices significativamente menores. Da eficiência da absorção de IV depende se as placas de silício aquecerão durante a operação ou não.

Se o aquecimento for mínimo, as células fotovoltaicas durarão muito tempo e fornecerão uma produção estável. O superaquecimento das placas levará a interrupções na operação e à rápida falha de fragmentos individuais do sistema ou de todo o conjunto.

Instalação das células fotovoltaicas de silício

Imediatamente antes da instalação, os vidros de proteção colocados nas molduras de alumínio são bem limpos de poeira e desengordurados com uma solução à base de álcool.

Os fotoelementos adquiridos são dispostos uniformemente sobre a base de marcação, a uma distância de 3 a 5 milímetros um do outro, e faz-se a marcação dos cantos da estrutura geral. Em seguida, inicia-se a soldagem dos elementos – a etapa mais importante e trabalhosa da montagem do gerador.

A soldagem dos elementos ativos do gerador é realizada conforme um esquema no qual os «+» são as trilhas no lado externo, e os «-» são os canais localizados na parte interna da placa.

Para a correta conexão dos contatos, primeiro aplica-se fluxo (ácido para solda) e solda, e depois realiza-se o tratamento em sequência estrita de cima para baixo. No final, todas as fileiras são conectadas entre si.

O próximo passo é a colagem dos fotoelementos. Para isso, um pouco de selante é aplicado no centro de cada placa de silício, as cadeias de elementos formadas são viradas com o lado externo para cima e colocadas em estrita conformidade com a marcação feita anteriormente.

As placas são pressionadas cuidadosamente com as mãos, fixando-as no local desejado. Age-se com muita cautela, tentando não danificar nem entortar o material.

Os contatos dos fotoelementos localizados nas bordas são conduzidos a um barramento separado (um condutor largo de prata), como «+» e «-». Além disso, o conjunto é equipado com um diodo de bloqueio. Conectando-se aos contatos, ele impede que as baterias se descarreguem através da estrutura do quadro durante o período noturno.

Na parte inferior do quadro, são feitos furos com uma broca, através dos quais os fios são conduzidos para fora. Para evitar que fiquem soltos, utiliza-se selante de silicone.

Os passos da montagem de um painel solar com 60 elementos são apresentados na seguinte galeria de fotos:

As fotocélulas montadas por soldagem agora precisam ser fixadas na base. Podem ser coladas em compensado e cobertas com vidro. No entanto, no exemplo, a colagem é feita primeiro no vidro:

Para que a bateria destinada ao armazenamento de carga não absorva a energia gerada pelas fotocélulas, a placa solar é conectada através de um diodo Schottky:

A montagem da minicentral heliotérmica apresentada em nosso exemplo é feita de acordo com o diagrama mostrado na foto. Na conexão, use fio com condutor de cobre de seção transversal a partir de 1 mm²

Esta minicentral elétrica é capaz de gerar até 15 V. Deve-se notar que o máximo de desempenho será alcançado apenas em dias ensolarados e sem nuvens. Em tempo nublado, o dispositivo gerará significativamente menos ou não gerará energia alguma. Por isso, a bateria é escolhida de modo que a carga dure pelo menos um dia.

Como testar a unidade montada?

Antes de vedar completamente o gerador montado, é essencial testá-lo para identificar possíveis defeitos durante a soldagem. A opção mais sensata é verificar cada fileira soldada separadamente. Assim, ficará imediatamente claro onde os contatos estão mal conectados e onde é necessário retrabalho.

Para realizar o teste, use um amperímetro doméstico. A medição é feita em um dia ensolarado e sem nuvens, no horário do almoço (período das 13 às 15 horas). A estrutura é colocada no pátio e ajustada no ângulo de inclinação adequado.

O amperímetro doméstico ajuda a medir a corrente real. Com base em suas leituras, é possível determinar o nível de operacionalidade do sistema heliotérmico montado e identificar falhas na sequência de conexão das fotocélulas de silício.

Aos contatos de saída da bateria solar, conecta-se um amperímetro e realiza-se a medição da corrente de curto-circuito. Se o instrumento mostrar resultados acima de 4,5 A, o sistema está completamente correto e todas as conexões estão soldadas de forma clara e correta.

Dados mais baixos que aparecem no visor do testador indicam irregularidades que precisam ser rastreadas e ressoldadas. Tradicionalmente, geradores solares feitos à mão com células fotovoltaicas com pequenos defeitos (grupo B) mostram valores de 5 a 10 Ampères no teste.

Os módulos de fabricação industrial mostram dados 10-20% maiores. Isso se explica pelo fato de que na produção são usadas placas de silício do grupo A, que não apresentam nenhum defeito em sua estrutura.

Etapa final do trabalho

Se o teste indicar que a bateria está totalmente funcional, ela é vedada com um selante de silicone especial ou com um composto epóxi mais caro e resistente.

O trabalho prevê duas formas de execução:

1. Vedação completa – quando toda a superfície é coberta com o composto selante.
2. Vedação parcial – quando o selante é aplicado apenas nos elementos extremos e no espaço vazio entre os elementos.

A primeira opção é considerada mais confiável e proporciona ao sistema proteção completa contra fatores externos. As células fotovoltaicas ficam firmemente fixadas em seus lugares e funcionam corretamente com máxima eficiência.

Para colar as células fotovoltaicas dentro do invólucro, é desejável usar um selante resistente ao frio, capaz de suportar mudanças bruscas de temperatura e baixas temperaturas negativas.

Quando a vedação é feita, deixa-se o selante 'pegar'. Em seguida, cobre-se com um elemento transparente e pressiona-se firmemente contra as placas.

Para garantir proteção e amortecimento adicionais, alguns artesãos recomendam colocar uma espuma densa entre a superfície da placa de silício e a parte traseira do quadro. Isso tornará a estrutura mais sólida e protegerá as frágeis células fotovoltaicas de cargas excessivas.

Em seguida, coloca-se um peso sobre a superfície, que atua sobre as camadas e expulsa as bolhas de ar. O gerador pronto é testado novamente e finalmente montado no local previamente preparado.

Onde e como instalar o gerador?

O local de instalação do gerador solar é escolhido com muito cuidado e sem pressa. As placas receptoras de luz são sempre colocadas inclinadas, para que os raios não 'caiam' perpendicularmente sobre a superfície, mas sim 'escorreguem' suavemente por ela.

Idealmente, a estrutura é posicionada de modo que reste a possibilidade de ajustar o ângulo de inclinação, se necessário, 'capturando' assim a quantidade máxima de sol.

É perfeitamente aceitável instalar um sistema de energia solar com painéis solares no chão, mas na maioria das vezes escolhe-se o telhado da casa ou de um anexo, especificamente a parte que dá para o lado mais iluminado, principalmente o lado sul do terreno.

É muito importante que não haja edifícios altos e árvores grandes e frondosas por perto. Estando muito próximos, criam sombra e atrapalham o funcionamento adequado do equipamento.

Para que os sistemas solares funcionem com qualidade, é necessário mantê-los limpos e em ordem. Uma camada de sujeira formada na superfície do painel coletor reduz a eficiência em 10%, e a neve acumulada chega a desligar o equipamento. Portanto, a manutenção regular é um procedimento obrigatório e ajuda a manter os módulos em perfeitas condições de funcionamento.

O nível ideal médio para a instalação de um gerador solar é considerado o ângulo de inclinação do telhado de 45⁰. Com essa disposição, os fotoelementos absorvem o fluxo solar de forma muito eficiente e fornecem a quantidade de energia necessária para o funcionamento adequado da casa.

Para obter um rendimento real dos painéis e fornecer a uma família média a quantidade necessária de energia, será necessário ocupar de 15 a 20 m² de superfície do telhado para o gerador solar.

Para a parte europeia dos países da CEI, aplicam-se indicadores um pouco diferentes. Os profissionais recomendam usar como base um ângulo de inclinação fixo de 50-60⁰, e em estruturas móveis durante a estação de inverno, posicionar as baterias em um ângulo de 70⁰ em relação ao horizonte.

No verão, deve-se mudar a posição e inclinar os fotoelementos em um ângulo de 30⁰.

Ao instalar os painéis do gerador em um sistema de rastreamento equipado com opção de acompanhamento automático do sol, é possível aumentar a eficiência de rendimento em 50%. O módulo detectará automaticamente a intensidade dos raios e se ajustará para a iluminação máxima do amanhecer ao anoitecer.

Imediatamente antes da instalação, o telhado é adicionalmente reforçado e equipado com suportes especiais resistentes, pois nem toda estrutura tem capacidade de suportar o peso total do equipamento de conversão de energia solar.

Para instalar o gerador solar no telhado de forma segura e firme, vale a pena adquirir fixações especiais. Elas são fabricadas separadamente para cada tipo de cobertura e estão sempre disponíveis para venda. Durante a instalação, entre os painéis e o telhado, é necessário deixar uma folga para o acesso adequado de ar e a ventilação correta dos elementos absorvedores de sol.

Em alguns casos, são colocadas vigas reforçadas sob o telhado para evitar o colapso, potencialmente possível devido ao aumento da carga, que aumenta significativamente na estação de inverno, quando a neve se acumula na superfície do telhado.

Para colocar o sistema solar em funcionamento, serão necessários acumuladores, um inversor e um controlador de carga. Você aprenderá sobre as regras de seleção de dispositivos e sua inclusão no circuito nos artigos que recomendamos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Características e detalhes da soldagem de células fotovoltaicas para a fabricação caseira de um gerador solar eficiente. Dicas e conselhos para artesãos, ideias curiosas e desenvolvimentos pessoais.

Como testar corretamente uma célula fotovoltaica e medir seus principais parâmetros. Essa informação será útil para cálculos posteriores do número exato de placas necessárias para o funcionamento adequado do sistema.

Descrição completa passo a passo do processo de montagem de uma bateria solar para gerador em casa. Regras de trabalho, desde a aquisição dos elementos necessários até o teste geral do dispositivo fabricado.

Conhecendo a estrutura dos geradores solares, montá-los em casa não será uma grande dificuldade. Claro, o trabalho exigirá atenção, cuidado e minúcia, mas o resultado justificará todos os custos financeiros e trabalhistas. O conjunto pronto fornecerá totalmente ao edifício calor e eletricidade, criando o nível de conforto necessário para os moradores.

Não vale a pena se lançar imediatamente em um grande projeto. Para começar, faz sentido tentar a montagem de um pequeno conjunto e, depois, dominando completamente todos os detalhes do processo, iniciar a construção de uma instalação mais potente e de maior escala.

E qual método de construção de uma mini usina elétrica você escolheu para organizar seu terreno de campo? Por favor, escreva comentários, compartilhe informações úteis e fotos sobre o tema do artigo no bloco abaixo. Faça perguntas sobre pontos controversos ou pouco claros.