樓梯自動(dòng)發(fā)電和照明裝置的研制*

王君明 佘加禹 張樹凱 曾 志

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 湖北武漢430000)

目前，我國(guó)大部分低層樓梯照明采用民用電，有的徹夜常明。在自動(dòng)發(fā)電方面，胡世軍提出的一種基于低頻的新型樓梯壓電發(fā)電裝置[1]，收集和利用密集人群對(duì)樓梯的踩踏能量,可用于樓梯燈照明；石京提出能源穩(wěn)定型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在道路照明中的應(yīng)用[2],將風(fēng)能和太陽能同時(shí)利用起來用于路燈及公共區(qū)域的照明，可長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，節(jié)能環(huán)保；李彩霞提出的多功能救援發(fā)電照明系統(tǒng)[3]，利用人走路時(shí)，壓電裝置上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電能，可供救援帽的照明；在智能照明控制方面，李素平提出的聲光控制延時(shí)開關(guān)電路設(shè)計(jì)[4],采用聲、光雙重控制的電子開關(guān)及控制電路組成，解決了樓梯照明自動(dòng)化的問題，具有成本低、自動(dòng)延時(shí)熄滅的特點(diǎn)；王靖絢提出的 LED智能間歇照明在建筑物內(nèi)公共場(chǎng)所的節(jié)能應(yīng)用[5]，采用LED智能燈從根本上解決了白熾燈退市后走廊、樓梯間及地下車庫(kù)的照明節(jié)能；趙繼帆提出的基于TX982節(jié)能LED樓梯過道燈設(shè)計(jì)[6]，采用微波雷達(dá)傳感器TX982對(duì)人體信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)人走燈熄，是新型的樓梯燈自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的樓梯照明裝置仍然存在以下問題：絕大多數(shù)采用民用供電方式，通常由聲控開關(guān)或延遲開關(guān)控制樓道照明，聲響過大則會(huì)給其他住戶產(chǎn)生影響，也會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)樓層同時(shí)亮燈的現(xiàn)象，造成不必要的浪費(fèi)；有些壓電發(fā)電裝置設(shè)備復(fù)雜、成本高。

針對(duì)上述情況，以創(chuàng)建節(jié)約型社區(qū)為理念，結(jié)合胡珊提出的踩踏壓電技術(shù)的應(yīng)用研究[7]，本文設(shè)計(jì)了一種樓梯自動(dòng)發(fā)電照明裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1 樓梯自動(dòng)照明裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

該照明裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)由踩踏機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電裝置組成，如圖1所示。該裝置可把人上下樓梯的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)能，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。發(fā)電裝置與儲(chǔ)能裝置、照明裝置以及控制系統(tǒng)相連，從而智能控制夜間樓梯照明。

圖1 樓梯自動(dòng)照明裝置整體結(jié)構(gòu)

1.2 踩踏復(fù)位機(jī)構(gòu)

踩踏復(fù)位機(jī)構(gòu)由發(fā)電踏板、直連桿、復(fù)位彈簧、F型曲柄組成，如圖 2所示。其中，發(fā)電踏板一端與樓梯臺(tái)階鉸接相連，另一端設(shè)有鉸接相連的直連桿，直連桿自由穿過樓梯臺(tái)階表面與單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，直連桿與樓梯臺(tái)階之間設(shè)有復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧保證人在離開該踏板后可以復(fù)位。F型曲柄的作用是將人踩踏時(shí)產(chǎn)生的力由兩根桿同時(shí)作用于棘輪，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在F型曲柄上安裝了另一組復(fù)位彈簧，可保證棘輪不會(huì)反轉(zhuǎn)，從而保證多人踩上不同的踏板時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉。

圖2 踩踏復(fù)位機(jī)構(gòu)

1.3 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、增速機(jī)構(gòu)及主傳動(dòng)軸組成，如圖3所示。由于每個(gè)從動(dòng)齒輪都是通過單向棘輪與主傳動(dòng)軸連接，可保證各個(gè)臺(tái)階間的傳動(dòng)互不干擾，將每個(gè)踏板的運(yùn)動(dòng)傳遞到發(fā)電裝置。主傳動(dòng)軸與發(fā)電機(jī)間裝有齒輪增速機(jī)構(gòu)，保證發(fā)電機(jī)有效工作，整個(gè)裝置傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，節(jié)約空間。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由蓄電池、控制器和LED照明燈等部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖4 發(fā)電蓄電系統(tǒng)框圖

發(fā)電機(jī)采用545永磁直流發(fā)電機(jī)[8]，且有齒輪加速機(jī)構(gòu)，采用的 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的目的是把發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成適合蓄電池充電用的恒定電壓。蓄能裝置采用普通（12V 4Ah）的鉛酸蓄電池，而且有 DC-DC直流轉(zhuǎn)換器的作用，使得以恒定電壓充電，有利于蓄電池的長(zhǎng)期使用。照明裝置采用 （12V 5W） LED照明燈，該燈采用高亮發(fā)光二極管，是一種新型的綠色照明光源，光效高、效率高、壽命長(zhǎng)，而且壽命不受開關(guān)次數(shù)的影響，LED燈有兩個(gè)供電來源，一個(gè)來自蓄電池的放電，另一個(gè)則是通過變壓器與民用電路接通。

2.2 控制系統(tǒng)

該樓梯自動(dòng)照明裝置用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，如圖5所示。

該裝置裝有壓力傳感器和光電傳感器，當(dāng)光照度小于設(shè)定值時(shí)，接通控制電路，系統(tǒng)開始工作，在踏板上設(shè)定有壓力傳感器，一旦踏板感受到壓力，系統(tǒng)開啟相應(yīng)樓層的照明燈，延時(shí)電路同時(shí)接通，啟動(dòng)定時(shí)器 ，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，切斷電源，并復(fù)位定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)樓梯自動(dòng)照明。充電控制電路用來防止電池充電過飽和而損壞。

圖5 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)查閱資料[8]，直流發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，由電壓平衡方程，經(jīng)轉(zhuǎn)化得到：

其中：Ea為輸入電壓；Ia為電樞電流；Ra為電樞回路總電阻；EaIa為電磁功率；PCu為包括電樞回路串聯(lián)各繞組中的銅損耗和各電刷接觸電阻損耗的總損耗功率，簡(jiǎn)稱銅耗；P2是發(fā)電機(jī)的輸出功率。再由受力平衡方程，經(jīng)轉(zhuǎn)化得到：

其中：P1為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率；Tα為電磁功率；P0是發(fā)電機(jī)空載損耗功率。

由以上公式得：

經(jīng)查閱電機(jī)型號(hào)及參數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[9]得到電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率η為60%~80%。

在能量轉(zhuǎn)化的過程中，作以下的假設(shè)：人平均作用在踏板上的力為500 N；踩踏板的旋轉(zhuǎn)角度為10° ，踩下一塊踏板的時(shí)間為1.5 s，取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率為60%，經(jīng)查閱資料[9]有：

取轉(zhuǎn)化效率η為60%，η0為齒輪折算效率，取為0.8，齒輪增速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為5，則：

當(dāng)發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，一個(gè)人通過一塊踏板所產(chǎn)生的有效發(fā)電功率P2=33 W，假設(shè)在一個(gè)樓道里，每層樓梯安裝10個(gè)踏板，每層都裝上該照明裝置，取充電效率為λ=80%，則一名50 kg人上一層樓梯可發(fā)的電能為：

由此產(chǎn)生的電能，可供一盞5W的節(jié)能燈持續(xù)工作79.2 s。

4 結(jié)語

本文對(duì)樓梯自動(dòng)發(fā)電照明進(jìn)行了研究，充分利用了人體上下樓梯自動(dòng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了樓梯照明發(fā)電自動(dòng)化。樓梯自動(dòng)發(fā)電照明裝置可廣泛應(yīng)用于各類高校的教學(xué)樓樓梯照明以及一些地下通道等人流量較大的場(chǎng)所，安全可靠，節(jié)能環(huán)保。

[1]胡世軍,陳玉榮,侯劍波,等.低頻樓梯壓電發(fā)電裝置的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)[J].科技導(dǎo)報(bào),2015(5):62-65.

[2]石京,陳天琦,孟杰,等.能源穩(wěn)定型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在道路照明中的應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(2):139-143.

[3]李彩霞.多功能救援發(fā)電照明系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2012 (6):180-182+186.

[4]李素平.聲光控制延時(shí)開關(guān)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2016 (13):197-199.

[5]王靖絢.LED智能間歇照明在建筑物內(nèi)公共場(chǎng)所的節(jié)能應(yīng)用[J].智能建筑,2015 (5):26-27.

[6]趙繼帆.基于TX982的節(jié)能LED樓梯過道燈控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015(7):12-14.

[7]胡珊.踩踏壓電技術(shù)于旅游導(dǎo)識(shí)終端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].中外建筑,2015 (7):144-146.

[8]馬艷潔.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(6):282-284.

[9]馮清秀,鄧星鐘.編著機(jī)電傳動(dòng)控制[M].5版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.