CN106247273A - 一种压力智能供电的楼道应急照明设施 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，电压检测模块判断楼房电力输送出现故障，智能开启应急照明设施，主电路压电换能结构将人行荷载产生的机械能转化为电能后，通过两级能量降压式DC‑DC变换电路变换电信号，再依次传入稳压整流电路进行稳压整流和变压输出电路进行电压调节，最后供给照明灯具使用，当电压检测模块判断电力输送恢复正常时，智能切换为常规电路。优点：为电路故障或灾害发生时提供楼道照明的应急设施，可为楼内行人指引逃生路径，扩大视野范围，降低人员的逃生风险；设施开闭、灯具明灭均智能切换；利用智能压电材料收集行人踩踏产生的机械能并即时转化成电能，有效解决应急照明设施的能源供给。

Description

一种压力智能供电的楼道应急照明设施

技术领域

本发明涉及一种压力智能供电的楼道应急照明设施，属于利用压电智能材料进行电能转化的技术领域。

背景技术

随着科技的进步和社会化功能的需要，单体建筑的面积扩大，建筑高度逐渐增加，聚集的人员也越来越多。发生灾害如风暴、火灾、地震等使发电厂及电力设施停止电力传送时，照明系统随之瘫痪。缺少事故照明灯具，受困人员由于对事故场所的陌生导致无法找到安全出口，逃生者自身的恐慌心理等众多因素也有可能在最后一刻使逃生者错失逃生的机会，人员疏散甚至会发生拥挤、碰撞、摔倒、踩踏等人员伤亡现象，后果不堪设想。反之，灾害发生时持续运作的照明设施将有效降低人员的恐慌心理，使人员能动避开危险因素，向出口有规律地进行疏散，大大增加逃生者的生存机会。

目前高层建筑楼道和楼梯间的应急照明系统一般设置应急电源、应急照明配电箱和专用回路，采用树干式供电。与常规供电系统类似，这类应急照明系统的分支线路容易在火灾或地震等自然灾害下发生断路，造成紧急时刻下楼道局部照明失效。

为在电力传输停止、照明系统瘫痪的时刻满足对逃生照明的需要，本发明利用压电换能原理，使智能压电材料实时采集人群踩踏所产生的机械能，将将其转化为电能即刻供给照明灯具使用，无需消耗多余能源，能量即产即放，为应急时获取能源提供全新思路。

本发明关键在于能量来源人行荷载与转化环节压电材料——人行进过程将会产生人行荷载，正常行走时，每迈一步行人的重心都会高低起伏一次，对地面产生周期性的竖向动力荷载，该过程对地面的踩踏冲击力大，分布密度大，作为能量来源较为合理；压电材料由于自身组成晶格中原子的特殊排列方式，材料的应力应变场能够与电场耦合，具备压电效应，基于压电效应的压电供能，即在外力作用下，将机械能转化为电势能，是种行之有效的能量转化途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种压力智能供电的楼道应急照明设施，适用于灾害发生时楼房停止电力传送导致照明系统瘫痪的问题。该应急照明设施充分收集人群经过楼道时踩踏产生的机械能，并转化为电能及时供给照明灯具使用，有效解决灾害时的能量来源问题。应急照明设施的开闭、照明灯具的明灭均无需人为操作，实现智能控制的目的。。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力智能供电的楼道应急照明设施，包括照明灯具和应急供电系统，其特征是，所述应急供电系统包括电压检测模块、若干组压电换能结构、两级能量降压式DC-DC变换电路、稳流整压电路和变压输出电路；所述电压检测模块通过采样、比较，判断楼房电力输送故障时启动应急照明设施；此时，扬声器发出警示，所述压电换能结构将人行荷载产生的机械能转化为电能后，通过两级能量降压式DC-DC变换电路调节电压，把高电压小电流电信号转换成低电压大电流电信号；该低电压大电流电信号由稳压整流电路和变压输出电路分别进行稳压整流和输出电压调节之后，通过电路传导至照明灯具，提供楼道应急照明，提示疏散方向；当电压检测模块采样、比较判断电力输送恢复正常时，关闭应急照明设施和扬声器，楼道恢复常规照明。

进一步的，所述电压检测模块，主要由传感器、8031单片机、AD574、控制开关K和扬声器组成；其中8031单片机收到AD574传来的电压信号并判断电路电压是否正常，当楼房停止电力传送时，则向控制开关K发出启动信号，使K通电，启动应急照明设施，并触发扬声器发出警示的蜂鸣声；当楼道电力供给恢复正常时，8031单片机向控制开关K发出关闭信号使其断电，恢复常规电路。基于采样、比较的工作原理，在单片机上运行软件实现对电源状况的判断并进行相应的控制，实现智能切换。

进一步的，所述压电换能结构主要由智能压电材料为核心的压电换能单元构成，均匀布设在楼道瓷砖底部，向照明灯具供电。

进一步的，所述压电换能单元，主要由正六边形承重结构和正六边形压电片层组成；所述承重结构包括上层顶板、第一中层固定压板、第二中层固定压板、第三中层固定压板和下层底板，所述压电片层包括第一压电片层和第二压电片层；所述压电换能单元由上到下依次设置上层顶板、第一中层固定压板、第一压电片层、第二中层固定压板、第二压电片层、第三中层固定压板和下层底板；所述上层顶板中间上部分设有一圆形浅槽，槽底固定有压缩螺旋弹簧，该弹簧上端与一圆形活动盖板相连；所述活动盖板，中心钻孔，与圆柱形振动凸梁螺纹连接；所述圆柱形振动凸梁，中部、尾部设有球形凸起，两处球形凸起分别位于第一和第二压电片层的上方，受压时两处球形凸起会使压电片层产生变形。

进一步的，所述承重结构采用六角钻孔攻丝，以光敏树脂为原料，通过SLA快速成型工艺加工生产而成；所述第一压电片层和第二压电片层均由六片正三角形压电片环绕布置，固定在中层固定压板之间，并以并联方式接出，及时将机械能转化的电能传递到两级能量降压式DC-DC变换电路；所述中层固定压板中空，横边由螺钉固定压电片，为压电片提供足够变形空间；所述压电片为正三角形压电悬臂梁结构，该悬臂梁结构由PZT-5H压电材料粘贴于磷青铜基板制作而成，其中，考虑到实际水分对压电陶瓷材料常温介电性能的影响，压电陶瓷片表面以高粘高弹沥青包裹。

进一步的，所述两级能量降压式DC-DC变换电路，包括整流桥、放大电路T、动态电容C1、静态电容C2、储存电容C3、电感L、负载R和电源；电源P与整个电路串联；储存电容C3、动态电容C1、静态电容C2、负载R相互并联；动态电容C1与储存电容C3之间串联有放大电路T，储存电容C3与静态电容C2间串联电感L；其中，电源P是压电换能结构，负载R是稳压整流电路。

进一步的，所述照明灯具，为布设在楼道地砖十字接缝处的节能散射地灯，分别是功率1w、带颗粒防护灯罩的LED灯珠，其中，蓝黄两色的LED灯珠成条状均匀分布，两种散射光线混合，共同为逃生人员提供明亮视野，指引疏散通道。

本发明所达到的有益效果：

灾害发生时提供持续运作的照明设施，有效降低人员的恐慌心理和逃生风险，大大增加逃生者的生存机会；通过传感器和AD转换器对电压信号的采样分析，及时判断电路情况并自动控制系统的开闭，照明灯具的明灭则根据是否有行人踩踏提供能源实现，无需人为控制，实现智能切换的目的；利用压电材料特性，无需多余能量来源，将行人踩踏的机械能合理利用并及时转化成电能供给使用，成为应急时获取能源的有效途径；每个压电换能结构与照明灯具之间的电路联系独立且不互相干扰，避免因部分线路破坏影响应急照明设施的运作，便于设备维护。

附图说明

图1是电压检测模块工作示意图；

图2是压电换能结构常规剖面图；

图3a是压电换能结构立体图；

图3b是上层顶板和活动盖板结构爆炸图；

图4是压电换能结构俯视图；

图5是压电换能结构变形剖面图；

图6是压电换能结构单体布设示意图；

图7是照明灯具布设示意图；

图8是两级能量降压式DC-DC变换电路示意图；

图9是压电应急楼道照明设施电路图。

图中的11是上层顶板、12是中层固定压板、13是压电片层，14是下层底板，151是圆形活动盖板，152是圆柱形振动凸梁，153是压缩螺旋弹簧,1521是球形凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，电压检测模块是基于采样、比较的工作原理，在单片机上运行软件实现对电源状况的判断并进行相应的控制，实现应急照明设施的智能开闭。工作时，向AD574和单片机供电并启动，AD574将常用电路中的电压信号传递给8031单片机，8031单片机接受电压信号并判断电路电压是否正常，当检测到主电路停止电力输送时，8031向控制开关发射启动信号，使控制开关K通电，启动应急照明设施，同时触发楼道扬声器，扬声器发出警示的蜂鸣声；当楼房供电恢复正常，8031单片机向控制开关K发出关闭信号使其断电，扬声器警示声停止，恢复常规照明。

如图2、3a、3b、4所示，启动应急照明设施后，压电换能结构将行人产生的机械能能转化为电能作为能量来源，供照明灯具使用，每块楼道地砖下均匀布设压电换能结构单元。压电换能结构单体包括斜边长30mm的正六边形承重结构和12片边长29mm的正三角形压电片。正六边形承重结构由上层顶板（11）、中层固定压板（12）、下层底板（14）组成：上层顶板，中心有直径20mm的圆形浅槽，槽底固定外径18mm的压缩螺旋弹簧（153），并与直径18mm的圆形活动盖板（151）相连，活动盖板中心钻孔，与直径2mm的圆柱形振动凸梁（152）螺纹连接，以传递荷载，圆柱形振动凸梁中部、尾部有直径3mm的球形凸起，受压时使压电片产生变形；中层固定压板中空，横边由两个M3螺钉固定压电片，为压电片提供足够变形空间。正六边形承重结构六角钻孔攻丝，以光敏树脂为原料，通过SLA快速成型工艺加工生产而成。压电片（13）是正三角形压电悬臂梁结构，由厚度0.2mm的PZT-5H压电材料粘贴于厚度0.3mm的磷青铜基板制作而成，其中，考虑到实际水分对压电陶瓷材料常温介电性能的影响，压电陶瓷片表面以高粘高弹沥青包裹，六片压电片环绕布置，以螺钉固定在中层固定压板和下层底板之间，并以并联方式接出，及时将机械能转化的电能传递到两级能量降压式DC-DC变换电路。

如图5所示，工作时，行人经过楼道踩踏地砖，顶板直接承受荷载作用，其产生的挠曲通过圆形凸起传递给压电片，对其产生支座位移荷载，压电片产生变形引起压电材料应变而激发压电感应现象，压电片内部的正负电荷发生规律性相对位移，从而导致其表面出现异性激发电荷，形成电位移，从而实现将机械能转化为电能。最后，通过焊接在电极上的导线将电能输出，传递到两级能量降压式DC-DC变换电路。

如图6所示，压电换能结构单元依次排列、均匀布设在楼道底部，所需数量由实际环境需要决定，每个独立单元长60mm，宽52mm，高22mm，所占空间小，布设方式多样，实际使用方便，可及时转化人行荷载供应急照明使用。

如图7所示，楼道底部瓷砖十字接缝布置有功率1w的LED灯珠，LED灯珠通过颗粒防护灯罩形成均匀的散射光，其中，蓝色和黄色的LED灯珠成条状均匀分布，散发的黄蓝散射光为逃生人群提供明亮的视野，各灯珠相互并联，避免电路局部损坏造成照明设施停用。压电换能结构产生的电能向逃生出口前方的LED灯域输送，达到指引正确疏散方向的目的。

在水平地面上人行走的重心高度变化约为2cm，平均步距0.5m。某一体重60kg的成年人路过布设有压电换能结构的楼道，每在地面踩踏一次，重心起伏一次，其克服重力所做功为 ，能够使单个LED灯珠持续点亮至少10秒，当6-10颗LED灯珠组成LED灯域时，单次踩踏使灯域点亮1-2秒。实际生活中，由于同时段通过楼道的人流量远大于一，且在跑动情况下的人行荷载更大，因此尽管不同个体间的步距、体重等数据存在较大波动，应急照明时间依然远大于估算值。

如图8所示，两级能量降压式DC-DC变化电路由二极管串联组成的整流桥与储存电容C3并联，在整流桥和储存电容C3之间串联放大电路T，以及在动态电容C1和静态电容C2之间串联电感L，同时将负载R与动态电容C1、静态电容C2相并联，提高能量转换效率。当机械能转化为电能时，储存电容C3充电，收集电量，通过电路供电到稳压整流电路C上，该电路通过自适应调节占空比，使其与照明设施阻抗匹配。

如图9所示，电路回路将压电换能系统、两级能量降压式DC-DC变换电路、稳压整流电路、变压输出电路、照明灯具、电压检测模块互相串联。电压检测模块控制应急照明设施的开闭，当设施开启进行工作时，压电换能结构及时将机械能转换为电能，两级能量降压式DC-DC变换电路是能量接口电路，连接压电换能结构和稳压整流电路，稳压整流电路通过整流、稳压、后续放大等步骤再连接变压输出电路，变压输出电路根据照明灯具所需要的电压进行调节输出电压，传递给楼道底部的照明灯具，达到应急照明的目的，当行人离开照明区域，照明灯具因能量来源停止自动熄灭。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压力智能供电的楼道应急照明设施，包括照明灯具和应急供电系统，其特征是，所述应急供电系统包括电压检测模块、若干组压电换能结构、两级能量降压式DC-DC变换电路、稳流整压电路和变压输出电路；所述电压检测模块通过采样、比较，判断楼房电力输送故障时启动应急照明设施；此时，扬声器发出警示，所述压电换能结构将人行荷载产生的机械能转化为电能后，通过两级能量降压式DC-DC变换电路调节电压，把高电压小电流电信号转换成低电压大电流电信号；该低电压大电流电信号由稳压整流电路和变压输出电路分别进行稳压整流和输出电压调节之后，通过电路传导至照明灯具，提供楼道应急照明，提示疏散方向；当电压检测模块采样、比较判断电力输送恢复正常时，关闭应急照明设施和扬声器，楼道恢复常规照明。

2.根据权利要求1所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述电压检测模块，主要由传感器、8031单片机、AD574、控制开关K和扬声器组成；其中8031单片机收到AD574传来的电压信号并判断电路电压是否正常，当楼房停止电力传送时，则向控制开关K发出启动信号，使K通电，启动应急照明设施，并触发扬声器发出警示的蜂鸣声；当楼道电力供给恢复正常时，8031单片机向控制开关K发出关闭信号使其断电，恢复常规电路，基于采样、比较的工作原理，在单片机上运行软件实现对电源状况的判断并进行相应的控制，实现智能切换。

3.根据权利要求1所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述压电换能结构主要由智能压电材料为核心的压电换能单元构成，均匀布设在楼道瓷砖底部，以组为单位向照明灯具供电。

4.根据权利要求3所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述压电换能结构单元，主要由正六边形承重结构和正六边形压电片层组成；所述承重结构包括上层顶板、第一中层固定压板、第二中层固定压板、第三中层固定压板和下层底板，所述压电片层包括第一压电片层和第二压电片层；所述压电换能结构单元由上到下依次设置上层顶板、第一中层固定压板、第一压电片层、第二中层固定压板、第二压电片层、第三中层固定压板和下层底板；所述上层顶板中间上部分设有一圆形浅槽，槽底固定有压缩螺旋弹簧，该弹簧上端与一圆形活动盖板相连；所述活动盖板，中心钻孔，与圆柱形振动凸梁螺纹连接；所述圆柱形振动凸梁，中部、尾部设有球形凸起，两处球形凸起分别位于第一和第二压电片层的上方，受压时两处球形凸起会使压电片层产生变形。

5.根据权利要求4所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述承重结构采用六角钻孔攻丝，以光敏树脂为原料，通过SLA快速成型工艺加工生产而成；所述第一压电片层和第二压电片层均由六片正三角形压电片环绕布置，固定在中层固定压板之间，并以并联方式接出，及时将机械能转化的电能传递到两级能量降压式DC-DC变换电路；所述中层固定压板中空，横边由螺钉固定压电片，为压电片提供足够变形空间；所述压电片为正三角形压电悬臂梁结构，该悬臂梁结构由PZT-5H压电材料粘贴于磷青铜基板制作而成，其中，考虑到实际水分对压电陶瓷材料常温介电性能的影响，压电陶瓷片表面以高粘高弹沥青包裹。

6.根据权利要求1中所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述两级能量降压式DC-DC变换电路，包括整流桥、放大电路T、动态电容C1、静态电容C2、储存电容C3、电感L、负载R和电源；电源P与整个电路串联；储存电容C3、动态电容C1、静态电容C2、负载R相互并联；动态电容C1与储存电容C3之间串联有放大电路T，储存电容C3与静态电容C2间串联电感L；其中，电源P是压电换能结构，负载R是稳压整流电路。

7.根据权利要求1中所述的一种压力智能供电的楼道应急照明设施，其特征是，所述照明灯具，为布设在楼道地砖十字接缝处的节能散射地灯，分别是功率1w、带颗粒防护灯罩的LED灯珠，其中，蓝黄两色的LED灯珠成条状均匀分布，两种散射光线混合，共同为逃生人员提供明亮视野，指引疏散通道。