Generatore solare fai-da-te: istruzioni per la realizzazione di una fonte energetica alternativa

Le fonti energetiche alternative, che permettono di fornire a un'abitazione calore ed elettricità nella quantità necessaria, sono un 'lusso' che richiede notevoli spese finanziarie per l'acquisto, il montaggio e l'installazione.

Realizzare invece un generatore solare fai-da-te è molto più economico ed è perfettamente alla portata di molti appassionati del fai-da-te. Esaminiamo le istruzioni che descrivono in modo accessibile tutte le sfumature del processo di costruzione.

Come funziona un generatore di energia solare?

Il generatore solare è un complesso di elementi semiconduttori fotovoltaici che convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica.

I quanti dei raggi luminosi, quando colpiscono la lastra fotovoltaica, liberano un elettrone dall'orbita atomica finale dell'elemento attivo. Questo effetto crea molti elettroni liberi che formano un flusso continuo di corrente elettrica.

Non è affatto necessario, montando da sé un generatore solare, realizzare subito un grande complesso su larga scala. Si può iniziare con una piccola unità e, se necessario, in futuro aumentare le dimensioni.

Come materiale attivo si utilizza il silicio. Esso offre un'elevata efficienza e garantisce un coefficiente di conversione fotovoltaica in condizioni normali del 20% e, in condizioni favorevoli, fino al 25%.

Grazie all'evidente efficienza delle celle fotovoltaiche in silicio, i generatori realizzati con esse garantiscono un'elevata resa con un volume relativamente ridotto. La potenza di un'unità di 1 metro all'ora è di 125 W, un risultato considerevole.

Su un lato della lastra di silicio viene applicato un sottile strato di elementi chimici passivi – boro o fosforo. È su questa superficie che, a seguito dell'intensa esposizione ai raggi solari, avviene un attivo rilascio di elettroni. Il film di fosforo li trattiene saldamente in un punto e impedisce che si disperdano.

Sulla piastra di lavoro stessa sono disposte delle «piste» metalliche. Su di esse si muovono gli elettroni liberi, creando così un movimento ordinato, cioè la corrente elettrica.

Tra gli svantaggi delle piastre si annoverano solo la complessità e l'onerosità del processo di purificazione del silicio stesso e, per evitare questi problemi, si stanno attivamente sviluppando alternative come il gallio, il cadmio, l'indio e vari composti del rame. Tuttavia, per ora, non ci sono ancora veri concorrenti per gli elementi al silicio.

Il modo più semplice per realizzare un convertitore di energia solare in elettricità – è acquistare un pannello solare già pronto e installarlo sul tetto di casa o del garage:

Cosa serve per realizzarlo?

Per la realizzazione del generatore, composto da un kit di pannelli solari, sono necessari strumenti e materiali come:

• moduli per la conversione dei raggi solari in energia;
• angolari in alluminio;
• stecche di legno;
• fogli di truciolato;
• elemento trasparente (vetro, plexiglas, metacrilato, policarbonato) per creare una protezione per le piastre di silicio;
• viti autofilettanti e viti di varie dimensioni;
• gommapiuma densa di spessore 1,5-2,5 mm;
• sigillante di qualità;
• diodi, morsetti e cavi;
• cacciavite elettrico o set di cacciaviti;
• saldatore a stagno;
• sega per legno e metallo (o smerigliatrice).

La quantità di materiali necessari dipenderà direttamente dalle dimensioni previste del generatore. Un lavoro su larga scala comporterà costi aggiuntivi, ma in ogni caso sarà più economico rispetto all'acquisto di un modulo.

La base protettiva per le lastre di silicio può essere realizzata in vetro, plexiglass, policarbonato o perspex. I primi tre materiali causano una perdita minima di energia convertita, mentre il quarto lascia passare i raggi molto peggio e riduce notevolmente l'efficienza dell'intero sistema.

Per il test finale del dispositivo assemblato si utilizza un amperometro. Esso permette di registrare il rendimento reale dell'impianto e aiuta a determinare l'effettiva resa.

Scelta del tipo di fotoconvertitore

Le attività per realizzare un generatore solare fai-da-te iniziano con la scelta del tipo di convertitore fotovoltaico al silicio.

Questi componenti sono di tre tipi:

• amorfi;
• monocristallini;
• policristallini;

Ogni variante ha i suoi vantaggi e svantaggi, e la scelta a favore di una di esse viene fatta in base all'importo dei fondi stanziati per l'acquisto di tutti i componenti del sistema.

Caratteristiche delle varietà amorfe

I moduli amorfi non sono costituiti da silicio cristallino, ma dai suoi derivati (silano o idruro di silicio). Mediante deposizione sotto vuoto, vengono applicati in uno strato sottilissimo su un foglio metallico di alta qualità, vetro o plastica.

I prodotti finiti hanno una tonalità spenta, di un grigio sfocato. Non si osservano cristalli di silicio visibili sulla superficie. Il principale vantaggio dei pannelli solari flessibili è considerato il prezzo accessibile, tuttavia la loro efficienza è molto bassa e oscilla tra il 6 e il 10%.

I fotoelementi amorfi realizzati a base di silicio possiedono una maggiore flessibilità, mostrano un alto livello di assorbimento ottico (20 volte maggiore rispetto agli analoghi mono o policristallini) e funzionano in modo molto più efficiente con tempo nuvoloso.

Particolarità dei tipi policristallini

I pannelli solari policristallini vengono prodotti raffreddando molto lentamente e gradualmente il fuso di silicio. I prodotti risultanti si distinguono per un colore blu intenso, hanno una superficie con un motivo ben definito che ricorda un disegno di brina e mostrano un'efficienza compresa tra il 14 e il 18%.

A fornire una maggiore efficienza produttiva impediscono le aree presenti all'interno del materiale, separate dalla struttura generale da confini granulari.

Gli elementi fotovoltaici policristallini funzionano per ben 10 anni, ma durante questo periodo la loro efficienza non diminuisce. Tuttavia, per montare i dispositivi in un unico complesso è indispensabile utilizzare una base solida e resistente, poiché i pannelli sono piuttosto rigidi e necessitano di un supporto robusto e affidabile.

Caratteristiche delle varianti monocristalline

I moduli monocristallini sono caratterizzati da un colore scuro e compatto e sono costituiti da cristalli di silicio interi. La loro efficienza supera quella degli altri elementi e raggiunge il 18-22% (in condizioni favorevoli fino al 25%).

Un altro pregio è l'impressionante durata, che secondo i produttori supera i 25 anni. Tuttavia, con un uso prolungato, l'efficienza dei monocristalli diminuisce e dopo 10-12 anni la resa fotovoltaica è già non superiore al 13-17%.

I moduli in monocristallo costano molto più di altri tipi di apparecchiature. Vengono prodotti tagliando cristalli di silicio artificialmente coltivati.

Per realizzare un generatore solare fai-da-te in casa, si utilizzano principalmente pannelli policristallini e monocristallini di varie dimensioni. Vengono acquistati nei famosi negozi online, tra cui eBay o AliExpress.

Poiché gli elementi fotovoltaici hanno un costo piuttosto elevato, molti fornitori offrono ai clienti prodotti del gruppo B, ovvero frammenti utilizzabili a pieno regime con piccoli difetti. Il loro prezzo differisce da quello standard del 40-60%, permettendo così di assemblare il generatore a un costo ragionevole, non eccessivamente gravoso.

Come realizzare il telaio per le piastre?

Per la realizzazione del telaio del futuro generatore si utilizzano robuste listelle di legno o profilati di alluminio. La versione in legno è considerata meno pratica, poiché il materiale necessita di un trattamento aggiuntivo per evitare successivi marciumi e sfaldamenti.

Affinché il telaio in legno possa sopportare il carico operativo e non marcisca già dopo la prima pioggia, è necessario impregnarlo con un composto speciale che protegga il legno dall'umidità.

L'alluminio ha caratteristiche fisiche molto più interessanti e, grazie alla sua leggerezza, non appesantisce inutilmente il tetto o un'altra struttura di supporto su cui si prevede di installare l'unità.

Inoltre, grazie al rivestimento anticorrosione, il metallo non arrugginisce, non marcisce, non assorbe umidità e resiste facilmente a qualsiasi fenomeno atmosferico aggressivo.

Per realizzare la struttura del telaio con profilati di alluminio, si determina innanzitutto la dimensione del futuro pannello. Nella versione standard, per un blocco si utilizzano 36 elementi fotovoltaici di dimensioni 81 mm x 150 mm.

Per garantire un corretto funzionamento successivo, si lascia un piccolo spazio tra i frammenti (circa 3-5 mm). Questo spazio consente di tenere conto delle variazioni dei parametri di base del substrato esposto agli agenti atmosferici. Di conseguenza, la dimensione complessiva del pezzo è di 83 mm x 690 mm, con una larghezza del profilo angolare del telaio di 35 mm.

Le piastre di silicio inserite nel telaio di profilo in alluminio appaiono quasi come prodotti di fabbrica. Un telaio robusto e resistente garantisce una perfetta tenuta stagna e conferisce all'intera struttura un elevato livello di rigidità.

Dopo aver determinato le dimensioni, si tagliano i frammenti necessari dai profili angolari e, utilizzando elementi di fissaggio, si assemblano in telai. Sulla superficie interna della struttura si applica uno strato di sigillante siliconico, prestando molta attenzione a non lasciare spazi vuoti.

Da questo dipendono l'integrità, la resistenza e la durata della struttura assemblata. Sulla parte superiore si posiziona un materiale trasparente protettivo (vetro con rivestimento antiriflesso, plexiglass o policarbonato con parametri specifici) e lo si fissa saldamente con elementi di fissaggio (1 sul lato corto, 2 sul lato lungo e 4 agli angoli del telaio).

Per il lavoro si utilizzano un avvitatore e viti del diametro appropriato. Alla fine, la superficie trasparente viene accuratamente pulita da polvere e detriti.

Scelta dell'elemento trasparente

Criteri principali per la scelta dell'elemento trasparente per la creazione del generatore:

• capacità di assorbire le radiazioni infrarosse;
• livello di rifrazione della luce solare.

Minore è l'indice di rifrazione, maggiore sarà l'efficienza delle piastre di silicio. Il coefficiente di riflessione più basso è posseduto dal plexiglass e dal metacrilato. Anche il policarbonato ha prestazioni non ottimali.

Per la realizzazione di telai per sistemi solari domestici si consiglia, ove possibile, di utilizzare vetro trasparente antiriflesso o un tipo speciale di policarbonato con rivestimento anticondensa, che garantisce il necessario livello di protezione termica.

Le migliori caratteristiche in termini di assorbimento delle radiazioni infrarosse sono offerte dal robusto plexiglass termoassorbente e dal vetro con opzione di assorbimento IR. Il vetro comune ha prestazioni significativamente inferiori. Dall'efficacia dell'assorbimento IR dipende se le piastre di silicio si riscalderanno durante il funzionamento o meno.

Se il riscaldamento è minimo, i fotoelementi dureranno a lungo e garantiranno una resa stabile. Il surriscaldamento delle piastre porterà a malfunzionamenti e al rapido guasto di singoli frammenti del sistema o dell'intero complesso.

Installazione delle celle fotovoltaiche in silicio

Immediatamente prima dell'installazione, i vetri protettivi posizionati nei telai in alluminio vengono accuratamente puliti dalla polvere e sgrassati con una soluzione a base di alcol.

I fotoelementi acquistati vengono posizionati uniformemente sul substrato di marcatura a una distanza di 3-5 millimetri l'uno dall'altro e si effettua la marcatura degli angoli della struttura complessiva. Quindi si procede alla saldatura degli elementi – la fase più importante e laboriosa nel montaggio del generatore.

La saldatura degli elementi attivi del generatore viene eseguita secondo uno schema in cui i percorsi sul lato esterno sono il «+» e i canali sul lato posteriore della piastra sono il «-».

Per un corretto collegamento dei contatti, prima si applica il flussante (acido per saldatura) e la saldatura, poi si esegue il trattamento in ordine rigoroso dall'alto verso il basso. Alla fine, tutte le file vengono collegate tra loro.

Il passo successivo è l'incollaggio dei fotoelementi. Per questo, al centro di ogni piastra di silicio si spreme un po' di sigillante, le catene di elementi formate vengono girate con il lato esterno verso l'alto e posizionate in stretta conformità con la marcatura precedentemente applicata.

Con delicatezza si premono le piastre con le mani, fissandole nella posizione desiderata. Si agisce con molta attenzione, cercando di non danneggiare o piegare il materiale.

I contatti dei fotoelementi situati ai bordi vengono portati su un bus separato (un ampio conduttore d'argento), come «+» e «-». Inoltre, il complesso è dotato di un diodo di blocco. Collegandosi ai contatti, impedisce alle batterie di scaricarsi attraverso la struttura del telaio durante le ore notturne.

Nella parte inferiore del telaio si praticano dei fori con un trapano, attraverso i quali i fili vengono portati all'esterno. Per evitare che si affloscino, si utilizza sigillante siliconico.

I passaggi per assemblare un pannello solare di 60 elementi sono illustrati nella seguente galleria fotografica:

I fotoelementi assemblati mediante saldatura devono ora essere fissati alla base. Si possono incollare al compensato e coprire con vetro. Tuttavia, nell'esempio l'incollaggio viene eseguito prima sul vetro:

Per evitare che la batteria destinata all'accumulo della carica assorba l'energia prodotta dai fotoelementi, il suo pannello solare viene collegato tramite un diodo Schottky:

L'assemblaggio della mini centrale solare mostrata nell'esempio viene eseguito secondo lo schema in foto. Per il collegamento si utilizza un cavo con anima in rame di sezione di almeno 1 mm².

Questa mini centrale elettrica è in grado di produrre fino a 15 V. Da notare che il massimo rendimento si avrà solo nelle giornate soleggiate senza nuvole. In condizioni di nuvolosità, l'apparecchio genererà molta meno energia o non ne genererà affatto. Pertanto, la batteria deve essere scelta in modo che la riserva sia sufficiente per almeno un giorno.

Come testare l'unità montata?

Prima di sigillare definitivamente il generatore assemblato, è necessario testarlo per individuare eventuali difetti che potrebbero essersi verificati durante la saldatura. L'opzione più ragionevole – controllare singolarmente ogni fila saldata. In questo modo diventa subito evidente dove i contatti sono mal collegati e necessitano di una rilavorazione.

Per eseguire il test si utilizza un amperometro domestico. La misurazione viene effettuata in una giornata soleggiata senza nuvole, all'ora di pranzo (tra le 13 e le 15). La struttura viene posizionata in giardino e inclinata con l'angolazione appropriata.

L'amperometro domestico aiuta a misurare l'intensità di corrente effettiva. Sulla base delle sue letture si può determinare il livello di funzionamento del sistema solare assemblato e individuare eventuali anomalie nella sequenza di connessione dei fotoelementi al silicio.

Ai contatti di uscita del pannello solare si collega un amperometro e si misura la corrente di cortocircuito. Se lo strumento mostra risultati superiori a 4,5 A, il sistema è completamente corretto e tutte le connessioni sono saldate in modo preciso e corretto.

Dati inferiori visualizzati sul display del tester indicano anomalie che è necessario individuare e risaldare. Tradizionalmente, i generatori solari autocostruiti con celle fotovoltaiche con piccoli difetti (gruppo B) mostrano nel test valori da 5 a 10 Ampere.

I moduli di produzione industriale mostrano dati superiori del 10-20%. Ciò è dovuto al fatto che nella produzione vengono utilizzate celle di silicio di gruppo A, senza alcun difetto strutturale.

Fase finale del lavoro

Se il test mostra che la batteria è perfettamente funzionante, viene sigillata con un sigillante siliconico speciale o con un composto epossidico più costoso e resistente.

Il lavoro prevede due modalità di esecuzione:

1. Colata completa – quando si ricopre l'intera superficie con il composto sigillante.
2. Trattamento parziale – quando il sigillante viene applicato solo sugli elementi periferici e sullo spazio vuoto tra gli elementi.

La prima opzione è considerata più affidabile e garantisce al sistema una protezione completa dagli agenti esterni. Le celle fotovoltaiche vengono fissate saldamente nelle loro posizioni e funzionano correttamente con la massima resa.

Per l'incollaggio delle celle fotovoltaiche all'interno del telaio, è consigliabile utilizzare un sigillante resistente al gelo, in grado di sopportare sbalzi termici e temperature molto basse.

Una volta effettuata la colata, si lascia che il sigillante faccia presa. Successivamente si copre con un elemento trasparente e si preme saldamente contro le celle.

Per garantire ulteriore protezione e ammortizzazione, alcuni esperti consigliano di inserire una schiuma densa tra la superficie della lastra di silicio e la parte posteriore del telaio. Ciò renderà la struttura più compatta e proteggerà le fragili celle fotovoltaiche da carichi eccessivi.

Successivamente, sulla superficie si posiziona un peso che agisce sugli strati e spinge fuori le bolle d'aria. Il generatore finito viene testato nuovamente e infine montato in una posizione precedentemente preparata.

Dove e come posizionare il generatore?

Il luogo di installazione del generatore solare viene scelto con molta attenzione e senza fretta. Le celle che ricevono la luce devono essere posizionate inclinate, in modo che i raggi non 'cadano' perpendicolarmente sulla superficie, ma 'scivolino' dolcemente su di essa.

Idealmente, la struttura viene posizionata in modo da poter regolare l'angolo di inclinazione se necessario, in modo da 'catturare' la massima quantità di sole.

È del tutto possibile installare un sistema solare composto da pannelli solari a terra, ma il più delle volte si sceglie di posizionarlo sul tetto della casa o di un annesso, e precisamente sulla parte che dà sul lato più illuminato, prevalentemente quello meridionale del terreno.

È molto importante che non ci siano edifici alti né alberi grandi e frondosi nelle vicinanze. Essendo in prossimità, creano ombra e impediscono il corretto funzionamento dell'apparecchio.

Affinché gli impianti solari funzionino correttamente, è necessario mantenerli puliti e in ordine. Uno strato di sporco sulla superficie del pannello di captazione riduce l'efficienza del 10%, mentre la neve accumulata può addirittura disattivare l'apparecchio. Pertanto, la manutenzione regolare è una procedura obbligatoria e contribuisce a mantenere i moduli in perfette condizioni operative.

L'angolo di inclinazione del tetto considerato mediamente ottimale per l'installazione del generatore solare è di 45°. Con questa disposizione, i pannelli fotovoltaici assorbono il flusso solare in modo molto efficiente e producono l'energia necessaria per il corretto fabbisogno della casa.

Per ottenere un rendimento reale dai pannelli e fornire a una famiglia media la quantità di energia necessaria, sarà necessario destinare al generatore solare 15-20 metri quadrati di superficie del tetto.

Per la parte europea dei paesi della CSI valgono parametri leggermente diversi. I professionisti consigliano di assumere come base un angolo di inclinazione fisso di 50-60°, mentre per le strutture mobili durante la stagione invernale disporre le batterie con un angolo di 70° rispetto all'orizzonte.

In estate, invece, cambiare la posizione e inclinare i pannelli fotovoltaici con un angolo di 30°.

Installando i pannelli del generatore su un sistema di inseguimento dotato dell'opzione di tracciamento automatico del sole, è possibile aumentare l'efficienza di resa del 50%. Il modulo rileverà autonomamente l'intensità dei raggi e si adatterà alla massima illuminazione dall'alba al tramonto.

Immediatamente prima del montaggio, il tetto viene ulteriormente rinforzato e dotato di appositi supporti robusti, poiché non tutte le strutture sono in grado di sopportare il peso totale delle apparecchiature per la conversione dell'energia solare.

Per installare in modo sicuro e stabile il generatore solare sul tetto, conviene acquistare appositi supporti. Vengono prodotti separatamente per ogni tipo di copertura e sono sempre disponibili in commercio. Durante il montaggio, è necessario lasciare uno spazio tra i pannelli e il tetto per garantire un adeguato flusso d'aria e una corretta ventilazione degli elementi che assorbono il sole.

In alcuni casi, sotto la copertura vengono installate travi di rinforzo per evitare il crollo del tetto, potenzialmente possibile a causa del carico maggiore, che aumenta notevolmente in inverno quando la neve si accumula sulla superficie del tetto.

Per mettere in funzione il sistema solare saranno necessari accumulatori, un inverter e un regolatore di carica. Le regole per la selezione dei dispositivi e il loro collegamento in circuito le apprenderà dagli articoli che abbiamo consigliato.

Conclusioni e video utili sull'argomento

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Come testare correttamente una cella fotovoltaica e misurarne i parametri principali. Queste informazioni saranno utili per i successivi calcoli del numero esatto di pannelli necessari per il corretto funzionamento del sistema.

Descrizione completa passo passo del processo di assemblaggio di un pannello solare per un generatore in casa. Regole di lavoro, dall'acquisto degli elementi necessari fino al test generale del dispositivo realizzato.

Conoscendo il funzionamento dei generatori solari, assemblarli in casa non sarà troppo difficile. Certamente, il lavoro richiederà attenzione, precisione e meticolosità, ma il risultato giustificherà tutte le spese finanziarie e lavorative. L'unità finita fornirà all'edificio calore ed elettricità in modo completo, creando il livello di comfort necessario per gli abitanti.

Non bisogna subito puntare a un grande progetto. Per cominciare, ha senso provare le proprie capacità nell'assemblaggio di una piccola unità, e poi, una volta padroneggiate tutte le sfumature del processo, passare alla costruzione di un impianto più potente e su larga scala.

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