本发明涉及太阳能发电技术领域，特别涉及一种安全高效的小型太阳能发电装置。
背景技术：
能源是促进经济发展和社会进步的原动力，从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源。然而其蕴藏量有限，大量的使用会造成全球环境生态和气候产生很大的变化。而太阳能是一种取之不尽用之不竭并且无污染的清洁能源，随着人类对能源的使用从常规能源向可再生能源转移，太阳能则成为人类理想的替代能源。而现阶段太阳能发电装置一经安装其光伏电池的位置即固定，由于太阳照射角度一直在变化，导致目前的太阳能发电效率普遍都不高，而光伏电池是整个太阳能发电系统的核心，所以如何提高光伏电池的转换效率是值得研究的。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种小型太阳能发电控制系统，使用太阳追踪技术，使得光伏电池始终面向太阳光线最强的方向，同时根据环境光强控制光伏电池对蓄电池进行充电，有效的提高了光伏电池的转换效率。
(二)技术方案
一种安全高效的小型太阳能发电装置，包括底座，所述底座上表面正中固定有水平电机，所述底座上还固定有测风单元，用于检测环境当前风速，所述水平电机与主轴啮合，所述主轴通过所述水平电机相对于所述底座转动，所述主轴上面固定安装有转动支架，所述俯仰电机固定安装在所述转动支架一侧，所述转动支架顶部安装有光伏电池，所述光伏电池通过所述俯仰电机相对于所述转动支架转动，所述底座正面还设有rs485接口；所述光伏电池上表面设有感光单元，所述感光单元包括第一～第四光线传感器和第一～第四电阻，所述第一～第四光线传感器均匀分布在所述光伏电池上表面的东、南、西、北四个位置，所述第一和第三光线传感器构成水平感光部，检测太阳由东往西运动的偏转角即方位角，所述第二和第四光线传感器构成竖直感光部，检测太阳的视高度即高度角；所述底座内部设有控制电路板，所述控制电路板分别与所述水平电机、所述测风单元、所述俯仰电机、所述光伏电池、所述rs485接口和所述感光单元电性连接；
所述控制电路板包括控制单元、驱动单元、dc-dc变换单元、充放电控制单元、rs485通信单元和蓄电池；所述感光单元输出电平变化值，送入所述控制单元的a/d口进行模数转换，所述控制单元输出pwm脉冲信号，与所述驱动单元的输入端相连接；所述驱动单元包括第一和第二光电耦合器、电机驱动器、水平电机和俯仰电机，其中所述第一和第二光电耦合器选用tlp521-4，所述电机驱动器选用八路npn达林顿管驱动器uln2803，所述水平电机为57byg007，所述俯仰电机为gsp-24rw-046，所述驱动单元接收所述控制单元的驱动信号，分别控制所述水平电机和所述俯仰电机正反转，从而实现所述光伏电池正反转；所述dc-dc变换单元包括第一～第三二极管、第一电感、第一和第二电容、第五和第六电阻，其中所述第二电容为电解电容，所述dc-dc变换单元的输入端连接所述光伏电池，将所述光伏电池的输出电压变换为所述蓄电池的充电电压；所述充放电控制单元包括稳压器、第三和第四光电耦合器、第一和第二继电器、第四和第五二极管、第二电感、第三～第五电容和第七～第九电阻，其中所述稳压器选用三端稳压器7805，所述第三和第四光电耦合器为tlp521-2，所述第三和第四电容为电解电容，所述充放电控制电路接收所述控制单元的控制信号，通过所述第一和第二继电器的开关切换，控制所述蓄电池充放电；所述rs485通信单元与所述rs485接口电连接，所述控制单元通过所述rs485通信单元与上位机进行数据交换，对装置运行参数进行修改和设定。
进一步的，所述第一～第四光线传感器均选用gm5516型光敏电阻。
进一步的，所述测风单元选用风速传感器fc-2a3。
进一步的，所述控制单元选用单片机msp430f148。
进一步的，所述光伏电池规格选用工作电压10～14v，工作电流1a。
进一步的，所述蓄电池规格选用12v-7ah。
进一步的，所述rs485通信单元选用rs485驱动器max487。
(三)有益效果
本发明提供了一种安全高效的小型太阳能发电装置，通过水平和竖直的两组光敏电阻分别追踪太阳的方位角和高度角，调整水平电机和俯仰电机使光伏电池始终面向太阳光线最强的方向，同时白天由光伏电池为系统供电并为蓄电池充电，而晚上和阴天由蓄电池放电供电并带动led负载，有效提高了光伏电池的转换效率，并且在当前环境风速较强的情况下控制水平电机使光伏电池保持水平位置，提升了光伏电池的安全性，延长了光伏电池的使用寿命，其结构简单，体积小巧，安装方便，价格低廉，系统功耗低，追踪精度高，稳定性和可靠性好，可扩展性强，使用灵活，适用于光伏交通警示灯、小型光伏电站等太阳能发电系统中。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的功能框图。
图3为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的感光单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的驱动单元电路原理图。
图5为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的dc-dc变换单元电路原理图。
图6为本发明所涉及的一种高效安全的小型太阳能发电装置的充放电控制单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
结合图1和图2，一种安全高效的小型太阳能发电装置，包括底座1，底座1上表面正中固定有水平电机2，底座1上还固定有测风单元7，用于检测环境当前风速，水平电机2与主轴3啮合，主轴3通过水平电机2相对于底座1转动，主轴3上面固定安装有转动支架4，俯仰电机5固定安装在转动支架4一侧，转动支架4顶部安装有光伏电池6，光伏电池6通过俯仰电机5相对于转动支架4转动，底座1正面还设有rs485接口8；光伏电池1上表面设有感光单元，感光单元包括光线传感器re、光线传感器rs、光线传感器rw、光线传感器rn和电阻r1～r4，光线传感器re、rs、rw和rn均匀分布在光伏电池6上表面的东、南、西、北四个位置，光线传感器re和rw构成水平感光部，检测太阳由东往西运动的偏转角即方位角，光线传感器rs和rn构成竖直感光部，检测太阳的视高度即高度角；底座1内部设有控制电路板，控制电路板分别与水平电机2、测风单元7、俯仰电机5、光伏电池6、rs485接口8和感光单元电性连接；控制电路板包括控制单元、驱动单元、dc-dc变换单元、充放电控制单元、rs485通信单元和蓄电池。
如图3所示，感光单元包括光线传感器re、光线传感器rs、光线传感器rw、光线传感器rn和电阻r1～r4，光线传感器re、rs、rw和rn均选用gm5516型光敏电阻。gm5516型光敏电阻的亮电阻：5～10kω，暗电阻：200kω以上。光敏电阻re和rw构成水平感光部，电阻r1和r2阻值相同，当太阳光线处于方位角直射时，光敏电阻re和rw的阻值相同，光敏电阻rw和电阻r1之间的电平与光敏电阻re和电阻r2之间的电平相等，若阳光不处于方位角直射时，两处的电平会出现正差或负差变化，该电平的变化值送入控制单元的a/d口进行处理。同理，光敏电阻rs和rn构成竖直感光部，将反映太阳光线是否处于高度角直射位置的电平变化值送入控制单元的a/d口。
测风单元7检测环境当前风速，输出电平信号送入控制单元的a/d口。当风速超过一定值时，若光伏电池处于非水平位置，可能会造成光伏电池因风力过大而受损，因此需要实时检测当前环境风速。测风单元选用风速传感器fc-2a3，输出0～5v电压，测量风速范围0～30m/s，输出的电压幅值与风速值相对应。
感光单元输出电平变化值，送入控制单元的a/d口进行模数转换，控制单元输出pwm脉冲信号，与驱动单元的输入端相连接。控制单元选用单片机msp430f148，其工作电压为3.3v，是一款带10位a/d转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7ma，空闲时电流＜1ma。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的外部晶振的频率，从而降低电磁干扰。msp430f148具有引脚少、体积小、价格低、使用方便等特点，可降低开发成本，缩短开发周期。
如图4所示，驱动单元包括光电耦合器u1和u2、电机驱动器u3、水平电机m1和俯仰电机m2，其中光电耦合器u1和u2选用tlp521-4，电机驱动器u3选用八路npn达林顿管驱动器uln2803，水平电机m1为57byg007，俯仰电机m2为gsp-24rw-046。水平电机57byg007和俯仰电机gsp-24rw-046皆为四相八拍型步进电机，当msp430f148输出的控制信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4依次取高电平，电机驱动器uln2803的1c脚～4c脚依次为高电平，这样就给水平电机57byg007正转一步的脉冲信号；反之，pwm4、pwm3、pwm2和pwm1依次取高电平，水平电机57byg007反转一步。pwm5～pwm8为俯仰电机gsp-24rw-046的控制信号，驱动原理与水平电机57byg007相同。驱动单元接收msp430f148的驱动信号，分别控制水平电机m1和俯仰电机m2正反转，从而实现光伏电池6正反转。
由于系统所采用的光伏电池6正常工作电压10～14v，工作电流1a左右，而所采用的蓄电池为12v-7ah，12v的蓄电池一般需要13～15v的电压为之充电，因此光伏电池6如果不经过dc-dc变换处理，无法保证为蓄电池稳压充电。如图5所示，dc-dc变换单元包括二极管d1～d3、电感l1、电容c1和c2、电阻r5和r6，其中电容c2为电解电容。电池e1为光伏电池6，通过boost升压电路将光伏电池e1电压升高到14v，为蓄电池稳压充电。
如图6所示，充放电控制单元包括稳压器u4、光电耦合器u5a和u5b、继电器s1和s2、二极管d4和d5、电感l2、电容c3～c5和电阻r7～r9，其中稳压器u4选用三端稳压器7805，光电耦合器u5a和u5b为tlp521-2，电容c3和c4为电解电容，电池e2为蓄电池。白天，光伏电池6需要为蓄电池e2充电，以便蓄电池e2能够晚间对led负载供电，并且水平电机2和俯仰电机5的工作电压也需要由光伏电池6提供(若光伏电池6的功率不足以带动电机，说明日照极差，无需转动电机)，同时控制电路板也必须连续供电。充放电控制电路需要用到两个继电器s1和s2，继电器s1控制蓄电池e2充电和放电，继电器s2控制由光伏电池6还是蓄电池e2提供控制电路板的供电电压。白天，继电器s1和s2皆为常开状态(打到上端)，光伏电池6通过稳压器7805降压到5v，为水平电机2、俯仰电机5和控制电路板供电，并为蓄电池e2充电，蓄电池e2正极接反相截止二极管d5，保证充电过程同时不放电。夜间或日照极差，msp430f148控制继电器s1和s2被吸合到下端，水平电机2和俯仰电机5停止工作，蓄电池e2为控制电路板供电，并带动led负载工作。
rs485通信单元与rs485接口8电连接，msp430f148通过rs485通信单元与上位机进行数据交换，对装置运行参数进行修改和设定，如风速阈值、采样参考电平、电机步进角度等。rs485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10mbps，与上位机之间的连线只需简单的用一对双绞线将“a”、“b”端连接起来即可实现通信，非常方便，完全满足离线测量系统远距离传输的要求。rs485通信单元选用rs485驱动器max487，将max487的re和de两个使能端接在一起，使max487处于某一确定的状态即可工作，也节约了msp430f148的i/o口。
本发明提供了一种安全高效的小型太阳能发电装置，通过水平和竖直的两组光敏电阻分别追踪太阳的方位角和高度角，调整水平电机和俯仰电机使光伏电池始终面向太阳光线最强的方向，同时白天由光伏电池为系统供电并为蓄电池充电，而晚上和阴天由蓄电池放电供电并带动led负载，有效提高了光伏电池的转换效率，并且在当前环境风速较强的情况下控制水平电机使光伏电池保持水平位置，提升了光伏电池的安全性，延长了光伏电池的使用寿命，其结构简单，体积小巧，安装方便，价格低廉，系统功耗低，追踪精度高，稳定性和可靠性好，可扩展性强，使用灵活，适用于光伏交通警示灯、小型光伏电站等太阳能发电系统中。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。