楼梯自动发电和照明装置的研制*

王君明 佘加禹 张树凯 曾 志

(湖北工业大学 机械工程学院 湖北武汉430000)

目前，我国大部分低层楼梯照明采用民用电，有的彻夜常明。在自动发电方面，胡世军提出的一种基于低频的新型楼梯压电发电装置[1]，收集和利用密集人群对楼梯的踩踏能量,可用于楼梯灯照明；石京提出能源稳定型风光互补发电系统在道路照明中的应用[2],将风能和太阳能同时利用起来用于路灯及公共区域的照明，可长期持续运行，节能环保；李彩霞提出的多功能救援发电照明系统[3]，利用人走路时，压电装置上下运动产生的电能，可供救援帽的照明；在智能照明控制方面，李素平提出的声光控制延时开关电路设计[4],采用声、光双重控制的电子开关及控制电路组成，解决了楼梯照明自动化的问题，具有成本低、自动延时熄灭的特点；王靖绚提出的 LED智能间歇照明在建筑物内公共场所的节能应用[5]，采用LED智能灯从根本上解决了白炽灯退市后走廊、楼梯间及地下车库的照明节能；赵继帆提出的基于TX982节能LED楼梯过道灯设计[6]，采用微波雷达传感器TX982对人体信号进行采集，实现人走灯熄，是新型的楼梯灯自动控制设计。

现有的楼梯照明装置仍然存在以下问题：绝大多数采用民用供电方式，通常由声控开关或延迟开关控制楼道照明，声响过大则会给其他住户产生影响，也会出现几个楼层同时亮灯的现象，造成不必要的浪费；有些压电发电装置设备复杂、成本高。

针对上述情况，以创建节约型社区为理念，结合胡珊提出的踩踏压电技术的应用研究[7]，本文设计了一种楼梯自动发电照明装置，该装置结构简单，易于实现。

1 楼梯自动照明装置的机械结构

1.1 总体方案设计

该照明装置机械结构由踩踏机构、复位机构、传动机构、发电装置组成，如图1所示。该装置可把人上下楼梯的势能转化为机械传动的动能，再通过传动机构，带动发电机旋转发电。发电装置与储能装置、照明装置以及控制系统相连，从而智能控制夜间楼梯照明。

图1 楼梯自动照明装置整体结构

1.2 踩踏复位机构

踩踏复位机构由发电踏板、直连杆、复位弹簧、F型曲柄组成，如图 2所示。其中，发电踏板一端与楼梯台阶铰接相连，另一端设有铰接相连的直连杆，直连杆自由穿过楼梯台阶表面与单向传动机构相连，直连杆与楼梯台阶之间设有复位弹簧，复位弹簧保证人在离开该踏板后可以复位。F型曲柄的作用是将人踩踏时产生的力由两根杆同时作用于棘轮，带动棘轮转动，从而带动锥齿轮转动。在F型曲柄上安装了另一组复位弹簧，可保证棘轮不会反转，从而保证多人踩上不同的踏板时不会发生干涉。

图2 踩踏复位机构

1.3 主传动机构

主传动机构由锥齿轮传动机构、增速机构及主传动轴组成，如图3所示。由于每个从动齿轮都是通过单向棘轮与主传动轴连接，可保证各个台阶间的传动互不干扰，将每个踏板的运动传递到发电装置。主传动轴与发电机间装有齿轮增速机构，保证发电机有效工作，整个装置传动平稳、噪声小，节约空间。

2 控制系统设计

2.1 系统总体方案设计

控制系统由蓄电池、控制器和LED照明灯等部分构成，如图4所示。

图3 传动机构

图4 发电蓄电系统框图

发电机采用545永磁直流发电机[8]，且有齿轮加速机构，采用的 DC-DC转换电路的目的是把发电机所产生的电压转换成适合蓄电池充电用的恒定电压。蓄能装置采用普通（12V 4Ah）的铅酸蓄电池，而且有 DC-DC直流转换器的作用，使得以恒定电压充电，有利于蓄电池的长期使用。照明装置采用 （12V 5W） LED照明灯，该灯采用高亮发光二极管，是一种新型的绿色照明光源，光效高、效率高、寿命长，而且寿命不受开关次数的影响，LED灯有两个供电来源，一个来自蓄电池的放电，另一个则是通过变压器与民用电路接通。

2.2 控制系统

该楼梯自动照明装置用单片机实现自动控制，如图5所示。

该装置装有压力传感器和光电传感器，当光照度小于设定值时，接通控制电路，系统开始工作，在踏板上设定有压力传感器，一旦踏板感受到压力，系统开启相应楼层的照明灯，延时电路同时接通，启动定时器 ，达到设定值时，切断电源，并复位定时器，实现楼梯自动照明。充电控制电路用来防止电池充电过饱和而损坏。

图5 控制系统简图

3 计算结果及分析

经查阅资料[8]，直流发电机在稳态运行过程中，由电压平衡方程，经转化得到：

其中：Ea为输入电压；Ia为电枢电流；Ra为电枢回路总电阻；EaIa为电磁功率；PCu为包括电枢回路串联各绕组中的铜损耗和各电刷接触电阻损耗的总损耗功率，简称铜耗；P2是发电机的输出功率。再由受力平衡方程，经转化得到：

其中：P1为原动机输入的机械功率；Tα为电磁功率；P0是发电机空载损耗功率。

由以上公式得：

经查阅电机型号及参数，由经验计算公式[9]得到电机的转化效率η为60%~80%。

在能量转化的过程中，作以下的假设：人平均作用在踏板上的力为500 N；踩踏板的旋转角度为10° ，踩下一块踏板的时间为1.5 s，取发电机转化效率为60%，经查阅资料[9]有：

取转化效率η为60%，η0为齿轮折算效率，取为0.8，齿轮增速机构的传动比为5，则：

当发电机正常工作时，一个人通过一块踏板所产生的有效发电功率P2=33 W，假设在一个楼道里，每层楼梯安装10个踏板，每层都装上该照明装置，取充电效率为λ=80%，则一名50 kg人上一层楼梯可发的电能为：

由此产生的电能，可供一盏5W的节能灯持续工作79.2 s。

4 结语

本文对楼梯自动发电照明进行了研究，充分利用了人体上下楼梯自动发电，实现了楼梯照明发电自动化。楼梯自动发电照明装置可广泛应用于各类高校的教学楼楼梯照明以及一些地下通道等人流量较大的场所，安全可靠，节能环保。

[1]胡世军,陈玉荣,侯剑波,等.低频楼梯压电发电装置的数学模型和实验[J].科技导报,2015(5):62-65.

[2]石京,陈天琦,孟杰,等.能源稳定型风光互补发电系统在道路照明中的应用[J].清华大学学报(自然科学版),2012(2):139-143.

[3]李彩霞.多功能救援发电照明系统的研究设计[J].中国农机化,2012 (6):180-182+186.

[4]李素平.声光控制延时开关电路系统设计[J].电子世界,2016 (13):197-199.

[5]王靖绚.LED智能间歇照明在建筑物内公共场所的节能应用[J].智能建筑,2015 (5):26-27.

[6]赵继帆.基于TX982的节能LED楼梯过道灯控制器设计[J].电子设计工程,2015(7):12-14.

[7]胡珊.踩踏压电技术于旅游导识终端设计中的应用研究[J].中外建筑,2015 (7):144-146.

[8]马艳洁.永磁直驱风力发电机结构发展研究[J].机械设计与制造,2012(6):282-284.

[9]冯清秀,邓星钟.编著机电传动控制[M].5版.武汉:华中科技大学出版社,2011.