基于土壤微熱能供電的多功能長椅設計

王 新，趙小剛，王文娟*，黃冠杰

（1.陜西科技大學機電工程學院，西安 710021；2.陜西省石油化工學校，西安 710061）

隨著全民運動的興起，越來越多的人愿意參與各種戶外活動，然而，長時間的運動活動后，人們需要一個合適的休息場所來放松身心、恢復體力。長椅的存在不僅滿足了人們休息的需求，也為人們提供了一個社交娛樂的平臺，使人們更加愿意參與全民運動[1]。

當前，現有的公園長椅，大多數是木制或者鐵制，設有扶手槽和座椅底板供放置物品，或將太陽能板安裝在長椅靠背上，且扶手裝置限制休息容量，儲物板、太陽能板放置與翻轉以及手機充電等功能，安全性、可靠性不高，制造成本昂貴，并不能滿足現今人們的多樣化需求[2]。

本課題兼顧了人們戶外運動休息與社交娛樂的需求，設計了一款基于土壤微熱能供電的多功能長椅設計，通過利用土壤微熱能供電，在傳統長椅的基礎上增設了自動收縮的折疊傘、手機充電、儲物等功能，有效提高了人們整體的戶外運動和休閑娛樂的生活質量。該設計有一定的創新性和實用性，推廣前景與應用十分廣闊。

1 總體結構設計

課題組主要利用土壤微熱能溫差發電模塊供電，設計了一款性能優良、運行可靠的戶外多功能長椅，如圖1 所示。其結構主要由土壤微熱能溫差發電模塊、USB 充電模塊、智能折疊傘、儲物結構和LED 顯示模塊等組成，如圖2 所示。該系統的設計原理為：當土壤微熱能溫差發電模塊檢測到其熱電轉換元件TEG 兩端的溫差不一致時，將溫度差轉化為電勢差，傳輸至USB 充電模塊、智能折疊傘、儲物結構，進而實現儲物充電，供座休息，智能折疊傘收縮與撐開等功能。

圖1 整體結構設計圖

圖2 系統總體框架原理圖

當長椅工作時，光濕度檢測器將檢查到的光濕度信息傳遞至控制器，經過控制器識別加工后傳遞至LED 顯示屏實時顯示空氣光濕度。儲物系統實現存取一體化，按壓存物按鈕后信號經導線傳輸至控制器，控制器輸出命令，出碼口輸出碼條的同時對應儲物柜柜門打開，存儲完成后手動關閉儲物柜柜門。用戶取物品時將碼條放在條碼識別裝置掃描，信號傳遞至控制器，控制器控制對應儲物柜門打開，用戶取出物品后需手動關閉儲物柜門。儲物柜內設置內USB 插口，控制器變壓后電流流經導線至USB 插口，連接充電端與USB 插口，電流通過插口導體流經充電設備，發揮供電作用，當有持續強烈沖擊時，防盜柜門內部的震蕩感應器將報警信息傳遞至控制器，經過控制器識別處理后傳遞至報警裝置，報警裝置發出警報。當通過鑰匙將門鎖打開或鎖上時，會將防盜系統重置或解除。

該新型多功能長椅融入了智能元素，保證長椅使用更便捷、更安全。長椅的控制器采用智能機設計，所有工作流程均采用軟件控制，當控制系統出現故障時可立即判斷并鎖定故障源頭，直接從軟件端操作停止部分系統工作，縮短控制失靈時的維修時間，可實現高精度、高可行性。此外，控制系統可自動適應3.2 V、6 V、12 V 和24 V 系統，以保證系統在不同供電條件或供電條件有所變化時仍能保持正常工作，提高工作效率和應急保障，同時設置光強度傳感器和濕度傳感器，在光強度高、濕度高的情況下，傳感器會將光強度信息、高濕度轉化為電信號傳遞至控制器，再由控制器控制自動折疊傘的電流，從而使遮陽傘打開；檢測出低光強、低濕度則閉合。

儲物系統由儲物柜、條碼識別裝置、出碼口以及儲物按鈕組成，條碼取物的靈感來源于超市攜帶物寄存體系。公共區域人們往往因為不放心放置私人物品選擇將物品攜帶在身上從而造成休息阻礙，而本技術研發設計的長椅采用一碼一柜制，存取物品，充分保證物品存放過程中的安全性的同時也讓人們安心休息。USB 插口的設計既滿足了人們充電的需求又合理限制了功率，避免了因輸出大功率電流造成的火災。另外，該長椅還可以檢測空氣質量并在LED 顯示屏上實時播報，提醒人們當天的空氣質量是否適合出行或鍛煉，一定程度上降低了人們長期在空氣不佳的天氣下鍛煉造成的肺部及其他可能疾病發生率。產品真正實現了座椅、供電蓄電、應急充電、遮陽避雨、儲物防盜和光、濕度檢測一體化，綜合了滿足人們休息時的多種需求，做到便民利民，且本技術設計的長椅成本較低，適合大量普及使用。節能長椅性能參數見表1。

2 部分結構設計

2.1 土壤微熱能發電模塊設計

本發電模塊裝置選用熱傳導材料鋁銅，是利用塞貝克效應，將熱能直接轉換成電能的一種發電器件。將一個p 型溫差電元件和一個n 型溫差電元件在熱端用金屬導體電極連接起來，在其冷端分別連接冷端電極，就構成一個溫差電單體或單偶。在溫差電單體開路端接入電阻為RL 的外負載，如果溫差電單體的熱面輸入熱流，在溫差電單體熱端和冷端之間建立了溫差，則將會有電流流經電路，進而得到了將熱能直接轉換為電能的發電器[3]。模塊外觀設計為長方體型，設埋深度為30 cm，利用熱電溫差發電片（TEG）進行能量轉化，其型號選擇商用TEG12708，物理尺寸為40 mm×5 mm。并在TEG 的另一平面上安裝合適大小的散熱片，可實現土壤溫度與外界環境的溫差能量轉化為電能，提高整體的工作效率，見表2。將計劃在長椅周圍排布6 個溫差發電裝置，當溫差的取值范圍為0~30 ℃時，輸出電壓約為0~660mV，輸出電功率約為0～80.3mW，如圖3 所示。

表2 溫差發電裝置性能參數

圖3 溫差發電裝置實物及原理圖

2.2 智能折疊傘結構設計

智能折疊傘結構由可折疊傘骨、圓形傘面和立桿組成。該圓形傘面位于座椅立桿中上部位置。所述立桿位于兩排座椅中間底部固定在底架上，立桿中下部與靠背連接，中部與可折疊傘骨連接，可折疊傘骨支撐圓形傘面。自動折疊遮陽傘外形呈半球體，4 個頂點使用圓弧過渡，邊框為鋁合金邊框，如圖4 所示。該設計外觀新穎，結構巧妙，可以吸收太陽光的熱量從而使傘下溫度遠低于太陽直射地面溫度，在烈陽暴雨下仍可達到遮陽避雨效果。

圖4 智能折疊傘結構圖

2.3 儲物充電結構設計

儲物系統包括6 個雙排儲物柜、儲物柜門及把手、紅外條碼掃描裝置、存儲物開關以及條碼輸出端。該儲物柜位于座椅下方為上寬下窄雙層結構，連接于儲物柜左側，紅外條碼掃描裝置位于前方中間并排兩儲物柜之間空余位置；存儲物開關位于紅外條碼掃描裝置正下方；條碼輸出端位于存儲物開關正下方；儲物柜門把手位于儲物柜門右側位置。單側為3 門，雙排長椅兩側儲物系統相同。本儲物系統共6門，單箱容積：高280mm×寬300 mm×深420 mm，柜體采用優質進口冷軋鋼板，板厚度1 mm，具有較強的剛度，如圖5 所示。座椅底部內部自帶1 000 mAh 的可充電鋰電池，配備標準Micro USB 充電口，通過接入土壤微熱能供電系統進行充電[4]。光濕度檢測器配有LED 顯示屏，實時清晰地顯示污染物濃度和天氣情況，如圖6 所示。

圖5 儲物柜結構圖

圖6 USB 充電及LED 顯示屏結構圖

3 仿真與實驗驗證

在仿真實踐應用中往往需要分析溫度場、應力場等多種物理場進行的綜合分析問題，并通過實驗進行測定[5]。本設計采用Creo 軟件設計了座椅椅面和儲物柜門的3D 模型，進行應力場求解，并通過實驗測定分析了土壤微熱能溫差發電模塊的發電效率，根據分析結果驗證了該部分結構設計的安全性和可靠性。

3.1 座椅椅面、儲物柜門應力場分析

根據人體工程學設計，確定座椅尺寸，椅面長度2 000 mm，寬度500 mm，厚度為2 mm；儲物柜門高度280 mm，寬度300 mm，深度420 mm。擬定2 000 mm×500 mm×2 mm 長板為座椅椅面，取材料為鋼鍍鋅，并建立3D 模型，利用Creo 軟件對于座椅椅面進行施加3 000 N（人均體重50 kg，以6 人體重代入）的均布載荷得到應力，如圖7 所示，受到壓力座椅椅面產生的最大受力值為804.16 Pa，本座椅椅面最大可承受10 kPa，可保證椅面結構穩定；擬定280 mm×300 mm×1 mm 長板為儲物柜門，取材料為優質進口冷軋鋼板，并建立3D模型，利用Creo 軟件對于儲物柜門進行施加100 N 的均布載荷得到應力如圖8 所示，受到沖擊力所產生的最大受力值約為2 Pa，柜門最大可承受10 Pa 的沖擊力，可保證柜門的安全性。

圖7 座椅椅面受力圖

圖8 儲物柜門受力圖

3.2 土壤微熱能溫差發電實驗

在熱電轉換元件TEG 兩端分別連上熱電偶，將一端放置在陶瓷加熱片上，通過線路連接給定相應的電壓對其進行加熱，為熱端；在另一端放上散熱器，為冷端。將該土壤微熱能發電裝置插入30 cm 深的土壤當中，測量產生的電壓。經實驗測定，實驗結果如下：通過記錄TEG 兩端的溫度變化，以及相應時刻的輸出電壓，擬合隨溫差變化的輸出電壓變化圖，如圖9 所示。

圖9 實驗測定及數據處理圖

實驗結果：隨給定電壓值的不斷增大，TEG 兩端的溫差不斷增大，同時輸出電壓也隨之增大，溫差達到30 ℃時，輸出電壓可達到600 mV。因此，如果串聯多個TEG，輸出電壓也可以隨之增加，達到所需要的電壓值。

4 結論

目前戶外長椅已遍布廣場、公園等場所，但現存的長椅大多功能單一占地面積大且性價比不高。本文設計的長椅區別于市面上的普通長椅具有供電蓄電、應急充電、掃碼儲物、遮陽避雨等功能，通過仿真驗證和實驗測定可得出該設備功能豐富、便民、可操作性強、安全可靠及成本低。不論在智能化上還是在能源利用等方面都具備良好的行業發展前景和推廣應用價值。