Słońce to źródło energii zasilające cały układ słoneczny, to ono trzyma planety na orbitach, to ono powoduje, że na planetach kształtuje się atmosfera i życie. Słońce to gwiazda typu G podobnie jak najbliższa nam nie wiele większa Alfa Centauri, czyli o temperaturze widmowej 5000 – 6000 K, ten typ gwiazd jest bardzo rozpowszechniony w kosmosie. Na każdy metr kwadratowy ziemi ze słońca dociera od kilku set wat do 1,4 kW energii w zależności od kąta padania promieni słonecznych i ciśnienia atmosferycznego. W Polsce współczynnik ten oscyluje średnio w ciągu roku na poziomie 1 kW/m2. Dla porównania podam, że na Marsie mamy średnio ok 500W/m2, na Wenus ok 2,2kW/m2, a na najbliższym Słońcu Merkurym aż 8kW/m2. Słońce to jeden wielki reaktor fuzji jądrowej, w którym wodór przetwarzany jest na hel pod gigantycznym ciśnieniem i w temperaturach sięgających 15 milionów st C. Procesowi temu towarzyszy szereg zjawisk, którymi są głównie emisja promieniowania elektromagnetycznego w bardzo szerokim paśmie i emisja całej masy naładowanych cząstek w tym nawet neutrin. Dla nas użyteczne jest tylko promieniowanie świetlne które możemy przerobić na energie elektryczną lub cieplną obrazu, ogromna część promieniowania słońca raczej nam szkodzi niż pomaga.
Fotowoltaika: to najpopularniejsza dziś metoda odzysku energii słońca, w samo działanie tego nie będę się szczegółowo zagłębiał, ponieważ nas interesują gotowe rozwiązania oraz ich montaż w domu. Sprawność tradycyjnych ogniw słonecznych wacha się w granicach 8 – 20 % co w przełożeniu na ludzki język oznacza, że z 1 m2 wyciągniemy do 200 W użytecznej energii w słoneczny dzień. Najbardziej dziś rozpowszechnione są ogniwa monokrystaliczne o sprawności użytecznej 14%. Standardowe baterie słoneczne, które można kupić w sklepie lub na aukcjach internetowych składa się w stosy dające 21 V napięcia jałowego (bez obciążenia). Oczywiście jak ktoś chce to może sobie sam posklejać stos dający 400 VDC. Jeżeli się zdecydujemy na zakup takiej baterii to musimy się liczyć ze sporym wydatkiem równym ok 1400 zl za ogniwo 100 Watowe. Używane można kupić i po 800 zł/100W. Ogniwa słoneczne mają dość stabilne napięcie w zależności od kąta padania promieni słonecznych oraz siły ich natężenia. Z reguły prąd (ampery) się zmienia, a napięcie stoi w zakresie 0,4 – 0,6 V na ogniwo co jest gigantycznym plusem ogniw. Znacznie to upraszcza budowę elektronicznych kontrolerów sterujących mocą płynąca z ogniw. Gdyby nie ta cecha trzeba by sporo więcej za takie kontrolery płacić bo musiałyby być wyposażone w przetwornice impulsowe typu boost czyli podnoszące napięcie. Wahania ilości dawanej energii zmieniają się o ok 10 – 20 % dla konta padania promieni 0 – 45 stopni – to zależy też od wykonania baterii, np jedna przy prostopadłym kącie padania promieni słonecznych może dać 100 W, a gdy ten kat się przestawi o 45 stopni to juz może dać tylko 40 W i mamy 60 W niewykorzystane, z kolei inna bateria, inaczej wykonana przy kacie 45 stopni ma straty tylko 6 % – należy na to zwrócić uwagę przy zakupie. Dużą odpornością na kąt padania promieni słonecznych wykazują się ogniwa typu a-Si czyli ogniwa o niemal przezroczystej warstwie światłoczułej, zwykle mają kolor bordowy i wyglądają jak przyciemniana szyba samochodowa, można je często spotkać w kalkulatorach i zegarkach. Ich wadą niestety jest niska sprawność wynosząca ok 6%. Ważnym czynnikiem wpływającym na zmiany energii w odniesieniu do kąta padania promieni jest też rodzaj szyby która pokrywa baterie słoneczną, jej skład chemiczny, grubość i budowa. Najlepsze efekty daje szyba solarna, jest to rodzaj szyby nasyconej mikrokyształkami, konstrukcyjnie podobna do soczewki Fresnela, z wierzchu wygląda jak matowa lekko chropowata płaszczyzna. Szkło jakie ją tworzy zawiera bardzo małe ilości związków żelaza co powoduje bardzo wysoką przezroczystość. Kolejna sprawa to chmury, zasłonięcie słońca chmurą powoduje spadek mocy równy 70 – 90 % niestety. Nie da się tego problemu przeskoczyć ponieważ chmura bardzo sprawnie, hamuje promieniowanie absorbowane przez ogniwo fotowoltaiczne. Poniżej pokazuje schemat układu do przetwarzania i odbioru tej energii w domu.

Widzimy tu baterie słoneczną podłączoną do kontrolera MPPT, jest to rodzaj stabilizatora napięcia wyciskającego jak najwięcej użytecznej mocy z baterii słonecznej, taki kontroler kosztuje w zależności od mocy i funkcji od 50 zł dla prostych ładowarek PWM do nawet kilku tys. zł za kontrolery MPPT o mocach ponad 1 kW. Koszt kontrolera na użytek domowy to ok 300 zł. Kontroler steruje ładowaniem akumulatora, oraz wyładowaniem tego też akumulatora. Na czerwono mamy pokazaną linie wyjściową. I tu mamy kilka możliwości użycia prądu wyjściowego, zazwyczaj mamy tu 12 – 36 V DC lub nawet 48V, można to podłączyć do jakiegoś odbiornika na niskie napięcie i prąd stały ale najlepiej jest ten prąd stały przerobić na 230V prądu przemiennego czyli taki jaki mamy w gniazdku elektrycznym. Można pójść na całkowitą łatwiznę i kupić za 400 zł przetwornicę sinusoidalną o mocy ok 1 kW, ale lepiej byłoby zakupić UPSa czyli zasilacz awaryjny od komputera. Zasilacze posiadają złącza umożliwiające podłączenie ich do komputera w celu kontroli UPSa. Po podłączeniu kabla i uruchomieniu programu do UPSa będziemy mieć stały podgląd na stan akumulatorów, napięcie zasilania, temperatury, pobierana moc i kilka innych czynników. UPS można podłączyć do używanego na co dzień komputera domowego i podczas codziennych czynności po prostu analizować co tam się dzieje w naszej elektrowni. Zaciski do których są podłączone akumulatory w UPSie podłączamy do kontrolera (czerwona linia). Należy pamiętać też, że jeżeli wpadniemy na pomysł dodania dodatkowych akumulatorów do UPSa to musimy się liczyć z tym, że nie każdy UPS będzie działał prawidłowo z większą ilością akumulatorów. Np UPSy APC z serii Smart mają wpisaną pojemność baterii do swojego programu sterującego i co za tym idzie dodanie większej baterii nie wiele da i żadna kalibracja tu nie pomoże wbrew temu co wielu “znawców” mówi. Jedyna metoda to wyciągnięcie programu z pamięci UPSa i wpisanie nowej wartości wielkości baterii. Jest to całkowicie wykonalne. Dla osób mniej obeznanych polecam zakup przetwornicy pseudosinusoidalnej za kilka set zł, ale trzeba wiedzieć, że nie każdy odbiornik może chcieć prawidłowo działać na nie w pełni przypominającym sinus prądzie z przetwornicy. Należy wtedy zakupić znacznie droższą przetwornicę w pełni sinusoidalną. Dobrym rozwiązaniem jest tu zakup inwertera solarno wiatrowego z synchronizacją sieci energetycznej. Koszt ok 3000 zł za inwerter o mocy ok 800W. Jest to urządzenie wyjątkowo energooszczędne, generuje piękny sinus i w przyszłości jak Polska dogoni trochę Europę będzie można przez taki inwerter oddawać prąd do sieci publicznej w celu magazynowania go tam. Np przykładowy obywatel Niemiec ma dach założony ogniwami słonecznymi, w lecie gdy słońce mocno świeci cofa swój licznik za pomocą inwertera z synchronizacją sieci 230V, a potem w zimie ogrzewa mieszkanie prądem którym dużo cofną licznik prądu w lecie. Tak to z grubsza wygląda. Dla dalszego obniżenia rachunków obywatel Niemiec ogrzewa dom prądem, ale za pomocą pompy ciepła, która pobiera 2,5 – 3x mniej energii elektrycznej dla wytworzenia 1 kW ciepła w porównaniu do grzałki elektrycznej. W Polsce o takim magazynowaniu prądu możemy tylko pomarzyć, nam niestety zostają drogie akumulatory, drogie i mało żywotne. Co prawda trwają prace nad odpowiednimi przepisami (dziś gdy to piszę jest 2009 rok) od ok 8 lat ale jak do tej pory nic z tego nie wynikło, a i kary nakładane przez UE na zakłady energetyczne nic nie pomagają. Jako pocieszenie mogę dodać, że osoby mieszkające przy samej granicy Niemiec powinny się dowiedzieć o możliwość przyłącza do niemieckiego zakładu energetycznego wtedy będą miały możliwość oddawania prądu do sieci. Trzeba się też dowiadywać regionalnie w swoich zakładach czy cos takiego juz powstało. Słońca mamy więcej jak wiatru zatem fotowoltaika ma przyszłość.
Poniżej przykład dobrego niemieckiego kontrolera za 50 E o mocy do 400W.

Z przodu widzimy zaciski, 2 pierwsze z lewej to zaciski do podłączenia ogniwa fotowoltaicznego, 2 kolejne służą do podłączenia baterii akumulatorów, kontroler ten jest przystosowany do pracy w instalacjach 12 i 24 V, zmiany dokonujemy przełącznikiem na środku obudowy. Prąd maksymalny czerpany z tego to 20 A dla 12 jak i 24 V. Układ odłącza nasz odbiornik energii podłączony do ostatnich 2 zacisków po prawej, gdy akumulatory są wyczerpane. Sterowanie ładowaniem ich z ogniwa odbywa się na tej zasadzie, że ogniwo ładuje je, a kontroler pilnuje, aby nie zostały przeładowane. Gdy akumulatory się już naładują to kontroler zwiera zaciski ogniwa słonecznego – nie jest to niszczące dla ogniw, ponieważ prąd zwarcia ogniwa jest prawie równy prądowi nominalnemu. Ponad to kontroler posiada czujnik termiczny, który przytykamy do akumulatora. Na podstawie danych z czujnika kontroler reguluje napięcie ładowania akumulatorów. Zielona dioda na obudowie pokazuje nam stan ładowania akumulatora, gdy jest on wyładowany i zaczyna się ładowanie dioda świeci ciągłym światłem i stopniowo wraz z ładowaniem akumulatora dioda zaczyna migać coraz wolniej, tak że gdy jest naładowany to miga ok 1 raz na sekundę. Mówiąc w skrócie sygnalizuje nam wielkość prądu ładowania, świecenie stale = duży prąd, miganie 1 raz/sek = bardzo mały prąd ładowania. Świeci lub miga ona tylko w dzien. Dioda czerwona zaś pokazuje nam stan akumulatora i odłączenie odbiornika energii, jeżeli akumulator jest wyładowany to kontroler odłącza odbiornik energii i zapala się czerwona dioda. Ponad to kontroler posiada bezpiecznik samochodowy 20 A, jeżeli będziemy brać więcej prądu to bezpiecznik się spali. Podsumowując: kontroler ten jest przewidziany dla instalacji 12 lub 24 V i moc do 400W. Potencjometr w środku służy do ustawienia napięcia odłączania akumulatorów, gdy są wyładowane, standardowo przyjmuje się 10,5 V dla akumulatorów 12 V kwasowych lub żelowych lub 21 V dla baterii akumulatorów 24 V. Ponowne załączanie akumulatorów jest ustawione na ok plus 1,5 V nad ten dolny próg, czyli jak się trochę podładują do 12 V (ok 13,5 V ma akumulator 100% naładowany) to dopiero się kontroler załączy dla odbiornika energii. Polecam też stronę producenta http://deutsch.ivt-hirschau.de/content.php?parent_id=CAT_14&doc_id=DOC_59
Ogniwa fotowoltaniczne domowej produkcji
W dalszej części chce omówić sposoby wykonania baterii słonecznej w domu, okazuje się jednak, ze jest to możliwe. Ja dysponuje 2 sposobami – 1 jest tak tani i prosty w wykonaniu, nie jest to moc taka jak na zwykłych ogniwach fotowoltanicznych ale jednak moc, jeżeli dysponujemy działka 100 m2 to możemy na niej zbudować taką instalacje koszt baterii 100 W szacuje na jakieś 1/8 ceny baterii, ze sklepu. Opis tego cudownego rozwiązania nadesłał jeden z czytelników xLabs Grzegorz G za co oczywiście jesteśmy mu wdzięczni, artykuł jest po angielsku, ale dzięki uprzejmości mojej koleżanki mam już kawałek przetłumaczone. Artykuł możesz ściągnąć tutaj – plik w formacie PDF 1,9 MB. Czytając tłumaczenie oglądajcie plik PDF bo tam są potrzebne obrazki. Tłumaczenie jest takie dość dziwne, ale jak znasz się trochę na chemii i elektronice to zrozumiesz o co chodzi.
- Ogniwo miedziane – sprawność ok 4%.
- Ogniwo chlorowo – miedziane – niebawem.
Jak zbudować ogniwo miedziane. (tłumaczenie)

1. Wytnij kawałek z miedzianego arkusza, tak by miał odpowiedni kształt i rozmiar dla twojego ogniwa. W opisie użyto blachy o grubości 0,025 cala, ale grubość arkusza nie ma tu znaczenia. Wytnij ogniwo o średnicy np 1,5 cala, ale możesz dać więcej. Wycinając, pamiętaj o pozostawieniu “rączki”, by potem łatwiej było używać płytkę, tak jak na rysunku.
2. Powierzchnia ogniwa musi być super czysta, dlatego należy ją oczyścić w roztworze kwasu azotowego (kupujemy w sklepie z odczynnikami). Kwas przygotowujemy z 80 części wody destylowanej, do której powoli, po ściankach naczynia dodajemy 20 części stężonego kwasu azotowego. Pamiętaj o zachowaniu środków ostrożności w trakcie tej czynności (gogle, rękawice, wentylacja, pamiętaj chemiku młody….itd.). Polerowanie zacznij od użycia waty stalowej o drobnym rozmiarze, może być druciany zmywak lub papier ścierny, aż będzie lśnić. Potem zanurz wypolerowana powierzchnie w roztworze kwasu azotowego. Od czasu do czasu delikatnie zamieszaj roztwór. Gdy płytka będzie lśnić, wyjmij i opłucz pod zimna bieżąca wodą.
3. Teraz należy doprowadzić do powstania tlenku miedzi, przez ogrzewanie płytki w palniku Bunsena lub propanowym. Można użyć palnika z kuchenki gazowej, ale efekty mogą być niezadowalające. Czas potrzebny do tej czynności zależy od rodzaju palnika i grubości warstwy blachy miedzianej. Przy użyciu palnika propanowego i średnicy 1,5 i grubości 0,025 cala to zajmuje 2 min 40 sek. Zbyt krótkie grzanie: za mało tlenku, a za długie: “zdmuchniecie” tlenku. płytkę miedziana należy ogrzewać z jednej strony aż do czerwoności. Miedz musi być trzymana w czerwoności przez 2 min 45 sek. cały czas w czerwoności, wiec należy powoli obracać (ale nie w około) płytkę nad palnikiem. Strona nie dotykająca płomienia pokryje się czarnym tlenkiem miedzi CuO. Teraz, pod czarnym tlenkiem jest fotoczuly czerwony tlenek miedzi Cu2O. Ten czerwony tlenek może być otrzymany w postaci proszku i zmieszany ze specjalnym, czystym rozpuszczalnikiem, jak to jest w patencie japońskim, wtedy można nanieść ten tlenek na płytkę miedziana (chodzi o to ze można go kupić w płynie, albo proszku 13zł/kg).
Po ogrzewaniu płytki przez określony czas, należy ją dokładnie ostudzić, albo kładąc na płaskiej powierzchni metalowej, albo poczekać kilka chwil i wstawić pod wodę. Ale dobrze jest studzić powoli, by nie popękał czarny tlenek na powierzchni. Po ostudzeniu należy zanurzyć płytkę w roztworze kwasu azotowego, by rozpuścił się czarny tlenek. Należy potem wyjąc płytkę i wypłukać.

Testowanie:

Jest kilka metod sprawdzenia działania paneli słonecznych, nawet, jeśli nie są jeszcze ukończone. Jeśli robisz to tylko w celach naukowych itp., wówczas możesz chcieć zaprzestać (?), gdy widoczny jest jeszcze tlenek miedzi (I). Jeśli przytrzymasz ogniwo w pobliżu źródła jasnego światła, wtedy zostanie wytworzony prąd miedzy tlenkiem miedzi (I), a płytką miedziana. Na płytce będzie plus, na tlenku minus. Zrobienie połączenia z płytką miedziana jest bardzo łatwe. Po prostu wyczyść goły mały punkt z tylu ogniwa i podłącz drut. Przyłączenie druta do tlenku jest trudniejsze, bo trudniej uzyskać stabilne połączenie. Ale można to zrobić przez dociskanie sklejenia lub przymocowanie siatki drucianej. Jeszcze lepsze jest zastosowanie cienkiej warstwy srebra lub złota, która jest warstwa transparentna (przezroczysta). Łatwo jest zrobić taką czasowo przezroczysta elektrodę ze słonej wody. Lub, tak jak w ogniwach chlorowych, przymocowany jest pojemnik i zastosowana ciecz. Roztwór soli lub kwasu także będzie przewodzić prąd oraz przesyłać światło do ogniwa. Wkroplij małą ilość słonej wody do wnętrza ogniwa. Upewnij się, ze woda spoczywa tylko na warstwie tlenku i nie dotyka w żadnym miejscu powierzchni miedzianej płytki, bo wówczas ogniwo wyczerpie się i nie zadziała (chodzi o zwarcie). Teraz podłącz przewód galwanometru, cyfrowego woltomierza, używając miliamperomierza, lub nastawiając niskie napięcie do kilku wystających części płytki miedzianej np. tylu, krawędzi. Dotknij innym miernikiem powierzchnie wody, powinien zadziałać. Następnie potrzebne będzie źródło światła np. 100W żarówka, umieszczona w pobliżu ogniwa. Miernik powinien pokazać napięcie, gdy będzie się przybliżać źródło światła. Ogniwo pracuje najlepiej wystawione na działanie słońca. Ogniwo zamienia częściowo światło w elektryczność, ale musi przeciwdziałać prądowi wytwarzanemu przez słoną wodę , stad spadek napięcia. Słona woda to elektrolit i z tlenkiem produkuje swój własny prąd taki, jak mała bateria. Innym sposobem sprawdzenia działania ogniwa jest zrobienie elektrody drucianej na powierzchni. Robi się to, zwijając trochę drutu pokrytego srebrem, może też być drut aluminiowy, i trzymaniu tego zwoju naprzeciw powierzchni tlenku miedzi za pomocą szklanej płytki. dobrym sposobem jest owiniecie drutu najpierw dookoła kółka o kształcie stożka, by powstała ładna sprężyna. Upewnij się, że ten zwój drutu dotyka tylko warstwy tlenkowej, a nie czystej miedzi. Zawsze jest trochę czystej miedzi na brzegach ogniwa, wiec najlepiej pomalować je emalia, wysuszyć i dopiero pracować z ogniwem. Przez zwykle połączenie jednego przewodu miernika z drutem srebrnym, a drugiego z czysta miedzią z płytki, będziesz mógł zarejestrować niewielki prąd, jeśli w pobliżu jest źródło światła. W tej formie, ogniwo może pracować nieskończenie długo i służyć jako znakomity przykład naukowy.

PRZYGOTOWANIE ROZTWORU SREBRZĄCEGO – niewymagalne, daje to tylko to ze ogniwo pracuje lepiej, najprościej użyć tej siatki z drutu srebrzanki opisanej wyżej i przypłaszczyć szybą.

Końcowym etapem w przygotowaniu ogniwa jest przygotowanie trwalej elektrody przezroczystej. Kiedy jest ona dobrze naniesiona, wówczas da to twojemu ogniwu piękny zwierciadlany połysk i pozwoli na zrobienie styku elektrycznego z cala powierzchnia tlenkowa ogniwa.
Przy użyciu wody destylowanej przyrządź 10 % roztwór wody amoniakalnej, wodorotlenku potasu i winianu sodowo-potasowego w oddzielnych naczyniach (najprościej: 10 części substancji na 90 części wody). Podczas przygotowywania roztwory znacznie się ociepla, należy wiec zastosować pojemniki z dobrego szkła, najlepiej pyrex. Pamiętaj tez o wentylacji przy pracy z amoniakiem. Rozpuść w ( no i tu mam problem, nie wiem, co to jest 1 oz. wody) pojedynczy kryształ azotanu srebra, powinien być trochę większy niż łepek zapałki. Zacznij dodawać kroplami roztwór amoniaku aż roztwór będzie przezroczysty, chociaż może zostać lekko zamglony. Zbyt duża ilość amoniaku rozpuści tlenek miedzi z ogniwa i ogniwo zniszczy. Dodaj po jednej kropli wodorotlenku potasu i winianu, dobrze wymieszaj. Mikstura jest gotowa i trzeba ją natychmiast zużyć. Połóż ogniwo na płaskiej powierzchni i zacznij wylewać miksturę na środek ogniwa. Pamiętaj, by nie miała żadnego kontaktu z miedziana płytka ogniwa. Dobrze jest wiec zamalować lub zalakierować wystające części miedziane na powierzchni ogniwa. Kontynuuj wylewanie mikstury na jak największa powierzchnie ogniwa. Wkrótce zacznie wytwarzać się warstwa srebra na powierzchni. Należy odlać nadmiar roztworu, gdy jeszcze jest lekko widoczny czerwony tlenek prześwitujący przez warstwę srebra.
Zakończenie przygotowania ogniwa to zrobienie styku do powierzchni tlenkowej za pomocą pierścienia ołowiowego lub drutu pokrytego srebrem, który ma troszkę mniejszą średnicę niż sam dysk. Mocno przymocuj pierścień i potem pokryj cienka warstwa lakieru, ale tak, by lakier nie wszedł miedzy dysk i drut. Z drutami doczepionymi do płytki miedzianej i ołowiowym lub srebrnym pierścieniem, ogniwo jest gotowe. Dysk można teraz umieścić w szkle, za płytą plastikowa, w żywicy itd. Koniec tłumaczenia.
Myślę ze ta procedurę nanoszenia warstwy srebra trzeba skonsultować z jakimś chemikiem i że są prostsze metody, np galwanizacja, wystarczyłoby zaizolować wystającą miedz wsadzić do wanienki galwanizacyjnej i mamy to zrobione.
Znalazłem ostatnio ciekawe dane o ogniwie miedzianym w książce do elektrotechniki, przebitki stron widać poniżej. Zamiast płytki Cu można i dać znacznie tańsza aluminiową. Problem z takim wykonaniem ogniwa na klej polega na tym, że klej elektroprzewodzący jest bardzo drogi, trzebaby samemu coś kombinować z klejem elektroprzewodzącym własnej konstrukcji, albo rozpuścić tlenek miedzi w rozpuszczalniku i pomalować płytkę tak jak się maluje farbą, rozpuszczalnik wyparuje a tlenek miedzi zostanie.