Generador solar por uno mismo: instrucción para fabricar una fuente de energía alternativa

Las fuentes de energía alternativas que permiten proporcionar a una vivienda calor y electricidad en el volumen necesario son un «placer» costoso que requiere importantes gastos financieros en adquisición, montaje e instalación.

Hacer un generador solar por uno mismo es considerablemente más barato y está al alcance de muchos aficionados al bricolaje. Revisemos la instrucción que describe claramente todos los detalles del proceso de fabricación.

¿Cómo funciona un generador de energía solar?

El generador solar consiste en un conjunto de elementos semiconductores fotovoltaicos que convierten directamente la energía solar en electricidad.

Los cuantos de luz generados por los rayos, al incidir sobre la fotoplaca, expulsan un electrón de la órbita atómica final del elemento de trabajo. Este efecto crea una multitud de electrones libres que forman un flujo continuo de corriente eléctrica.

No es necesario, al montar un generador solar por uno mismo, ensamblar inmediatamente un complejo grande y a gran escala. Se puede comenzar con un equipo pequeño y, si es necesario, aumentar las capacidades en el futuro.

Como material activo se utiliza silicio. Se caracteriza por una alta eficiencia y proporciona un coeficiente de conversión fotovoltaica en modo normal del 20%, y en condiciones favorables – hasta el 25%.

Gracias a la marcada eficiencia de las fotocélulas de silicio, los generadores fabricados con ellas garantizan un alto rendimiento en un volumen relativamente pequeño. La potencia de un equipo de 1 metro de tamaño por hora produce 125 W, lo que se considera un resultado bastante impresionante.

Sobre un lado de la placa de silicio se aplica un recubrimiento fino de elementos químicos pasivos: boro o fósforo. Es en esta superficie donde, como resultado de la intensa acción de los rayos solares, se produce la liberación activa de electrones. La película de fósforo los mantiene firmemente en un lugar y evita que se dispersen.

En la propia placa de trabajo se ubican las «pistas» metálicas. En ellas se forman los electrones libres, creando así un movimiento ordenado, es decir, una corriente eléctrica.

Como desventajas de las placas solo se señalan la complejidad y el costo del proceso de purificación del propio silicio, y para evitar estos problemas, se está explorando activamente el uso de alternativas como galio, cadmio, indio y varios compuestos de cobre. Sin embargo, por ahora aún no hay competidores reales para los elementos de silicio.

La forma más sencilla de construir un convertidor de energía solar en electricidad – es comprar un panel solar ya preparado e instalarlo en el tejado de la casa o del garaje:

¿Qué se necesita para trabajar?

Para fabricar el generador, que consta de un conjunto de paneles solares, se requieren herramientas y materiales como:

• módulos para convertir los rayos solares en energía;
• ángulos de aluminio;
• listones de madera;
• láminas de aglomerado;
• elemento transparente (vidrio, plexiglás, metacrilato, policarbonato) para crear protección para las placas de silicio;
• tornillos autorroscantes y tornillos de diferentes tamaños;
• espuma densa de 1,5-2,5 mm de espesor;
• sellador de calidad;
• diodos, terminales y cables;
• destornillador eléctrico o juego de destornilladores;
• soldador;
• sierra para madera y metal (o amoladora).

La cantidad de materiales necesarios dependerá directamente del tamaño planificado del generador. Un trabajo de gran escala conllevará gastos adicionales, pero en cualquier caso resultará más económico que comprar un módulo.

La base protectora para las placas de silicio se puede fabricar con vidrio, metacrilato, policarbonato o plexiglás. Los tres primeros materiales generan una pérdida mínima de energía convertida, mientras que el cuarto deja pasar los rayos mucho peor y reduce notablemente la eficiencia de todo el conjunto.

Para la prueba final del conjunto ensamblado se utiliza un amperímetro. Permite registrar el rendimiento real de la instalación y ayuda a determinar la producción efectiva.

Elección del tipo de fotoconversor

Las actividades para crear un generador solar casero comienzan con la elección del tipo de convertidor fotoeléctrico de silicio.

Estos componentes son de tres tipos:

• amorfos;
• monocristalinas;
• policristalinos.

Cada opción tiene sus ventajas e inconvenientes, y la elección de una u otra se realiza en función de la cantidad de fondos asignados para la compra de todos los componentes del sistema.

Características de las variedades amorfas

Los módulos amorfos no están compuestos de silicio cristalino, sino de sus derivados (silano o hidrógeno de silicio). Mediante pulverización al vacío, se depositan en una capa muy fina sobre lámina metálica de alta calidad, vidrio o plástico.

Los productos terminados tienen un tono gris apagado y difuso. No se observan cristales de silicio visibles en la superficie. La principal ventaja de los paneles solares flexibles es su precio asequible, sin embargo, su eficiencia es muy baja y oscila entre el 6 y el 10%.

Los elementos fotovoltaicos amorfos fabricados con silicio presentan una mayor flexibilidad, demuestran un alto nivel de absorción óptica (20 veces mayor que la de sus homólogos mono o policristalinos) y funcionan de manera mucho más eficiente en tiempo nublado.

Especificidad de los tipos policristalinos

Los paneles solares policristalinos se fabrican mediante un enfriamiento muy lento y gradual del silicio fundido. Los productos resultantes tienen un color azul intenso, una superficie con un patrón claramente definido que recuerda a un diseño escarchado y muestran una eficiencia en el rango del 14 al 18%.

Las regiones presentes en el interior del material, separadas de la estructura general por límites granulares, impiden un mayor rendimiento de eficiencia.

Las células fotovoltaicas policristalinas funcionan durante 10 años completos, pero durante este tiempo su eficiencia no disminuye. Sin embargo, para el montaje de los productos en un solo conjunto, se utiliza necesariamente una base sólida y firme, ya que las láminas son bastante rígidas y requieren un soporte fuerte y confiable.

Característica de las variantes monocristalinas

Los módulos monocristalinos se caracterizan por un color oscuro denso y están compuestos por cristales de silicio enteros. Su eficiencia supera la de otros elementos y es del 18-22% (en condiciones favorables, hasta el 25%).

Otra ventaja es su impresionante vida útil: según los fabricantes, más de 25 años. Sin embargo, con el uso prolongado, la eficiencia de los monocristales disminuye y, después de 10-12 años, la producción fotovoltaica ya no supera el 13-17%.

Los módulos de monocristales cuestan significativamente más que otros tipos de equipos. Se producen cortando cristales de silicio cultivados artificialmente.

Para construir un generador solar casero, se suelen utilizar placas poli y monocristalinas de varios tamaños. Se compran en tiendas en línea populares, como eBay o AliExpress.

Debido a que las células fotovoltaicas son bastante caras, muchos proveedores ofrecen a los compradores productos del grupo B, es decir, fragmentos aptos para un funcionamiento completo con un pequeño defecto. Su precio difiere del estándar en un 40-60%, por lo que el montaje del generador resulta a un precio razonable, que no afecta demasiado al bolsillo.

¿Cómo hacer el marco para las placas?

Para fabricar el marco del futuro generador, se utilizan listones de madera resistentes o perfiles de aluminio. La opción de madera se considera menos práctica, ya que el material requiere un tratamiento adicional para evitar la posterior pudrición y delaminación.

Para que el marco de madera resista la carga operativa y no se pudra después de la primera lluvia, es necesario impregnarlo con una composición especial que proteja la madera de la humedad.

El aluminio tiene características físicas mucho más atractivas y, gracias a su ligereza, no ejerce una carga adicional sobre el techo u otra estructura de soporte donde se planea instalar el equipo.

Además, gracias al recubrimiento anticorrosivo, el metal no se oxida, no se pudre, no absorbe humedad y soporta fácilmente cualquier manifestación atmosférica agresiva.

Para crear una estructura de marco con perfiles de aluminio, primero se determina el tamaño del panel futuro. En la opción estándar, se utilizan 36 células fotovoltaicas de 81 mm x 150 mm por bloque.

Para garantizar un funcionamiento correcto posterior, entre los fragmentos se deja un pequeño espacio (aproximadamente 3-5 mm). Este espacio permite considerar el cambio de los parámetros básicos de la base, sometida a la acción de los fenómenos atmosféricos. Como resultado, el tamaño total de la pieza es de 83 mm x 690 mm, con un ancho de la esquina del marco de 35 mm.

Las placas de silicio colocadas en el marco de perfil de aluminio se ven casi como productos de fabricación industrial. El marco robusto y resistente proporciona al sistema una estanqueidad impecable y dota a toda la estructura de un alto nivel de rigidez.

Después de determinar las dimensiones, se cortan los fragmentos necesarios de las esquinas y, con la ayuda de elementos de fijación, se ensamblan en marcos. En la superficie interior de la estructura se aplica una capa de sellador de silicona, prestando mucha atención para que no haya espacios ni vacíos.

De esto depende la integridad, resistencia y durabilidad de la estructura que se está montando. Encima se coloca un material transparente protector (vidrio con revestimiento antirreflejo, metacrilato o policarbonato con parámetros especiales) y se fija de forma segura con herrajes (1 en la parte corta, 2 en la parte larga del marco y 4 en las esquinas del cuerpo).

Para el trabajo se utiliza un destornillador eléctrico y tornillos del diámetro adecuado. Al final, se limpia cuidadosamente la superficie transparente del polvo y la suciedad fina.

Elección del elemento transparente

Criterios principales para la selección del elemento transparente para crear el generador:

• capacidad de absorción de radiación infrarroja;
• nivel de refracción de la luz solar.

Cuanto más bajo sea el índice de refracción, mayor será la eficiencia que demostrarán las placas de silicio. El metacrilato y el vidrio acrílico tienen el coeficiente de reflexión de luz más bajo. El policarbonato también tiene resultados no muy buenos.

Para la creación de estructuras de marco para sistemas solares domésticos, se recomienda, en la medida de lo posible, utilizar vidrio transparente antirreflejo o un tipo especial de policarbonato con recubrimiento anticondensación que proporcione el nivel necesario de protección térmica.

Las mejores características en cuanto a absorción de radiación infrarroja las poseen el metacrilato termoabsorbente resistente y el vidrio con opción de absorción de IR. En el vidrio común, estos indicadores son significativamente más bajos. De la eficacia de la absorción de IR depende si las placas de silicio se calentarán durante el funcionamiento o no.

Si el calentamiento resulta mínimo, los fotoelementos durarán mucho tiempo y proporcionarán un rendimiento estable. El sobrecalentamiento de las placas provocará interrupciones en el funcionamiento y una rápida avería de fragmentos individuales del sistema o de todo el conjunto.

Instalación de las fotocélulas de silicio

Inmediatamente antes de la instalación, los vidrios protectores colocados en los marcos de aluminio se limpian bien del polvo y se desengrasan con un compuesto que contiene alcohol.

Los fotoelementos comprados se colocan exactamente sobre el sustrato de marcado a una distancia de 3 a 5 milímetros entre sí y se marcan las esquinas de la estructura general. Luego se procede a la soldadura de los elementos – la parte más importante y laboriosa del trabajo de ensamblaje del generador.

La soldadura de los elementos activos del generador se realiza según un esquema en el que las pistas del lado exterior son el «+» y los canales en la parte posterior de la placa son el «-».

Para una correcta conexión de los contactos, primero se aplica fundente (ácido para soldar) y soldadura, y luego se realiza el procesamiento en estricto orden de arriba hacia abajo. Al final, todas las filas se conectan entre sí.

El siguiente paso es pegar los fotoelementos. Para ello, se aplica un poco de sellador en el centro de cada placa de silicio, se voltean las cadenas de elementos formadas con el lado exterior hacia arriba y se colocan en estricta conformidad con el marcado realizado anteriormente.

Con cuidado, se presionan las placas con las manos, fijándolas en su lugar. Se actúa con mucha precaución, tratando de no dañar ni doblar el material.

Los contactos de los fotoelementos ubicados en los bordes se llevan a un bus separado (un conductor ancho de plata), como «+» y «-». Además, el conjunto se equipa con un diodo de bloqueo. Al conectarse a los contactos, evita que las baterías se descarguen a través de la estructura del marco durante la noche.

En la parte inferior del marco se perforan agujeros con un taladro, a través de los cuales se sacan los cables. Para evitar que se comben, se utiliza sellador de silicona.

Los pasos de ensamblaje de un panel solar de 60 elementos se presentan en la siguiente galería de fotos:

Las fotoceldas ensambladas mediante soldadura ahora deben fijarse a la base. Se pueden pegar a la madera contrachapada y cubrir con vidrio. Sin embargo, en el ejemplo, el pegado se realiza primero al vidrio:

Para que la batería destinada a acumular carga no absorba la energía generada por las fotoceldas, su panel solar se conecta a través de un diodo Schottky:

El montaje de la mini estación solar que presentamos en el ejemplo se realiza según el esquema mostrado en la foto. En la conexión utilizamos un cable con alma de cobre de sección a partir de 1 mm²

Esta mini central eléctrica es capaz de generar hasta 15 V. Se debe tener en cuenta que el máximo rendimiento se dará solo en días soleados y sin nubes. En días nublados, el dispositivo generará mucho menos o no generará energía en absoluto. Por ello, la batería se elige de modo que la reserva alcance al menos para un día.

¿Cómo probar el equipo montado?

Antes de sellar definitivamente el generador ensamblado, se debe probar para detectar posibles fallos durante la soldadura. La opción más razonable – es revisar cada fila soldada por separado. Así quedará claro de inmediato dónde los contactos están mal conectados y se requiere un retrabajo.

Para realizar la prueba se utiliza un amperímetro doméstico. La medición se realiza en un día soleado sin nubes al mediodía (período de 13 a 15 horas). La estructura se coloca en el patio y se instala con el ángulo de inclinación adecuado.

El amperímetro doméstico ayuda a medir la intensidad de corriente real. Según sus lecturas, se puede determinar el nivel de funcionalidad del sistema solar ensamblado e identificar irregularidades en la secuencia de conexión de las fotoceldas de silicio.

A los contactos de salida de la batería solar se conecta un amperímetro y se realiza una medición de la corriente de cortocircuito. Si el dispositivo muestra resultados superiores a 4,5 A, el sistema es completamente correcto y todas las conexiones están soldadas de manera clara y precisa.

Los datos más bajos que aparecen en la pantalla del tester indican fallas que deben ser rastreadas y resoldadas. Tradicionalmente, los generadores solares construidos a mano con fotocélulas que tienen un pequeño defecto (grupo B) muestran en la prueba cifras de 5 a 10 amperios.

Las unidades de fabricación industrial muestran datos entre un 10 y un 20 % más altos. Esto se debe a que en la producción se utilizan obleas de silicio del grupo A, que no presentan ningún defecto en su estructura.

Etapa final del trabajo

Si la prueba muestra que la batería es completamente funcional, se sella con un sellador de silicona especial o con un compuesto epoxi más caro y resistente.

El trabajo implica dos métodos:

1. Vertido completo: cuando se cubre toda la superficie con el compuesto sellador.
2. Tratamiento parcial: cuando el sellador se aplica solo a los elementos extremos y al espacio vacío entre los elementos.

La primera opción se considera más fiable y proporciona al sistema una protección completa contra factores externos. Las fotocélulas se fijan firmemente en su lugar y funcionan correctamente con el máximo rendimiento.

Para el pegado de las fotocélulas dentro del marco, es recomendable utilizar un sellador resistente a las heladas, capaz de soportar cambios bruscos de temperatura y valores bajos bajo cero.

Una vez realizado el vertido, se deja que el sellador «fragüe». Luego se cubre con un elemento transparente y se presiona firmemente contra las placas.

Con el fin de proporcionar protección y amortiguación adicionales, algunos expertos recomiendan colocar una espuma densa entre la superficie de la placa de silicio y la parte posterior del marco. Esto hará que la estructura sea más sólida y protegerá las frágiles fotocélulas de cargas excesivas.

Luego se coloca un peso sobre la superficie, que presiona las capas y expulsa las burbujas de aire. El generador terminado se prueba nuevamente y se monta definitivamente en el lugar previamente preparado.

¿Dónde y cómo colocar el generador?

El lugar de instalación del generador solar se elige con mucho cuidado y sin prisas. Las placas receptoras de luz se colocan necesariamente inclinadas, para que los rayos no «caigan» perpendicularmente sobre la superficie, sino que «discurran» suavemente sobre ella.

Idealmente, la estructura se coloca de modo que quede la posibilidad, en caso necesario, de ajustar el ángulo de inclinación, de esta manera, «capturando» la máxima cantidad de sol.

Es perfectamente posible instalar un sistema solar de paneles solares en el suelo, pero lo más frecuente es elegir para su colocación el techo de la casa o de un cuarto auxiliar, concretamente la parte que da al lado más iluminado, preferiblemente el sur del terreno.

Es muy importante que no haya edificios altos ni árboles grandes y frondosos cerca. Si se encuentran en las inmediaciones, crean sombra e impiden el correcto funcionamiento del equipo.

Para que las instalaciones solares funcionen correctamente, es necesario mantenerlas limpias y ordenadas. Una capa de suciedad en la superficie del panel captador reduce la eficiencia en un 10%, y la nieve acumulada puede incluso apagar el equipo. Por lo tanto, el mantenimiento regular es un procedimiento obligatorio y ayuda a mantener los módulos en un estado operativo ideal.

Se considera que el nivel óptimo medio para instalar un generador solar es un ángulo de inclinación del tejado de 45⁰. Con esta disposición, las fotocélulas absorben la radiación solar de manera muy eficiente y producen la cantidad de energía necesaria para abastecer correctamente la vivienda.

Para obtener un rendimiento real de los paneles y proporcionar a una familia media la cantidad de energía necesaria, será necesario ocupar de 15 a 20 m² de superficie de tejado para el generador solar.

Para la parte europea de los países de la CEI, se aplican indicadores algo diferentes. Los profesionales recomiendan tomar como base un ángulo de inclinación fijo de 50-60⁰, y en estructuras móviles durante la temporada de invierno colocar las baterías en un ángulo de 70⁰ con respecto al horizonte.

En verano, en cambio, cambiar la posición e inclinar las fotocélulas a un ángulo de 30⁰.

Al instalar los paneles del generador en un sistema de seguimiento equipado con la opción de seguimiento automático del sol, se puede aumentar la eficiencia de rendimiento en un 50%. El módulo detectará de forma autónoma la intensidad de los rayos y se ajustará a la máxima iluminación desde el amanecer hasta el atardecer.

Inmediatamente antes de la instalación, el tejado se refuerza adicionalmente y se equipa con soportes especiales resistentes, ya que no todas las estructuras tienen la capacidad de soportar el peso total del equipo de conversión de energía solar.

Para instalar el generador solar de forma segura y firme en el tejado, conviene adquirir soportes especiales. Se fabrican por separado para cada tipo de cubierta y siempre están disponibles en el mercado. Durante la instalación, es necesario dejar un espacio entre los paneles y el tejado para garantizar un acceso adecuado de aire y una correcta ventilación de los elementos absorbentes de sol.

En algunos casos, bajo el tejado se colocan vigas reforzadas que evitan el colapso del techo, potencialmente posible debido a la mayor carga, que aumenta considerablemente en la temporada invernal, cuando se acumula nieve en la superficie del tejado.

Para poner en funcionamiento el sistema solar se necesitarán baterías, un inversor y un controlador de carga. Conocerá las reglas para seleccionar los dispositivos y su conexión en el circuito en los artículos que le recomendamos.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Características y detalles de la soldadura de fotocélulas para fabricar un generador solar eficaz en casa. Consejos y recomendaciones para aficionados, ideas interesantes y desarrollos personales.

Cómo probar correctamente una fotocélula y medir sus parámetros principales. Esta información le será útil para los cálculos posteriores de la cantidad exacta de placas necesarias para el funcionamiento completo del sistema.

Descripción paso a paso completa del proceso de ensamblaje de una batería solar para un generador en casa. Reglas de trabajo, desde la adquisición de los elementos necesarios hasta la prueba general del dispositivo fabricado.

Conociendo el funcionamiento de los generadores solares, ensamblarlos en casa no será muy difícil. Por supuesto, el trabajo requerirá atención, cuidado y meticulosidad, pero el resultado justificará todos los gastos financieros y de trabajo. El equipo terminado suministrará completamente calor y electricidad al edificio, creando para los residentes el nivel de confort necesario.

No conviene emprender de inmediato un proyecto grande. Para empezar, tiene sentido probar sus habilidades ensamblando un equipo pequeño, y luego, una vez dominados todos los detalles del proceso, proceder a la construcción de una instalación más potente y de mayor escala.

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