基于土壤微热能供电的多功能长椅设计

王 新，赵小刚，王文娟*，黄冠杰

（1.陕西科技大学机电工程学院，西安 710021；2.陕西省石油化工学校，西安 710061）

随着全民运动的兴起，越来越多的人愿意参与各种户外活动，然而，长时间的运动活动后，人们需要一个合适的休息场所来放松身心、恢复体力。长椅的存在不仅满足了人们休息的需求，也为人们提供了一个社交娱乐的平台，使人们更加愿意参与全民运动[1]。

当前，现有的公园长椅，大多数是木制或者铁制，设有扶手槽和座椅底板供放置物品，或将太阳能板安装在长椅靠背上，且扶手装置限制休息容量，储物板、太阳能板放置与翻转以及手机充电等功能，安全性、可靠性不高，制造成本昂贵，并不能满足现今人们的多样化需求[2]。

本课题兼顾了人们户外运动休息与社交娱乐的需求，设计了一款基于土壤微热能供电的多功能长椅设计，通过利用土壤微热能供电，在传统长椅的基础上增设了自动收缩的折叠伞、手机充电、储物等功能，有效提高了人们整体的户外运动和休闲娱乐的生活质量。该设计有一定的创新性和实用性，推广前景与应用十分广阔。

1 总体结构设计

课题组主要利用土壤微热能温差发电模块供电，设计了一款性能优良、运行可靠的户外多功能长椅，如图1 所示。其结构主要由土壤微热能温差发电模块、USB 充电模块、智能折叠伞、储物结构和LED 显示模块等组成，如图2 所示。该系统的设计原理为：当土壤微热能温差发电模块检测到其热电转换元件TEG 两端的温差不一致时，将温度差转化为电势差，传输至USB 充电模块、智能折叠伞、储物结构，进而实现储物充电，供座休息，智能折叠伞收缩与撑开等功能。

图1 整体结构设计图

图2 系统总体框架原理图

当长椅工作时，光湿度检测器将检查到的光湿度信息传递至控制器，经过控制器识别加工后传递至LED 显示屏实时显示空气光湿度。储物系统实现存取一体化，按压存物按钮后信号经导线传输至控制器，控制器输出命令，出码口输出码条的同时对应储物柜柜门打开，存储完成后手动关闭储物柜柜门。用户取物品时将码条放在条码识别装置扫描，信号传递至控制器，控制器控制对应储物柜门打开，用户取出物品后需手动关闭储物柜门。储物柜内设置内USB 插口，控制器变压后电流流经导线至USB 插口，连接充电端与USB 插口，电流通过插口导体流经充电设备，发挥供电作用，当有持续强烈冲击时，防盗柜门内部的震荡感应器将报警信息传递至控制器，经过控制器识别处理后传递至报警装置，报警装置发出警报。当通过钥匙将门锁打开或锁上时，会将防盗系统重置或解除。

该新型多功能长椅融入了智能元素，保证长椅使用更便捷、更安全。长椅的控制器采用智能机设计，所有工作流程均采用软件控制，当控制系统出现故障时可立即判断并锁定故障源头，直接从软件端操作停止部分系统工作，缩短控制失灵时的维修时间，可实现高精度、高可行性。此外，控制系统可自动适应3.2 V、6 V、12 V 和24 V 系统，以保证系统在不同供电条件或供电条件有所变化时仍能保持正常工作，提高工作效率和应急保障，同时设置光强度传感器和湿度传感器，在光强度高、湿度高的情况下，传感器会将光强度信息、高湿度转化为电信号传递至控制器，再由控制器控制自动折叠伞的电流，从而使遮阳伞打开；检测出低光强、低湿度则闭合。

储物系统由储物柜、条码识别装置、出码口以及储物按钮组成，条码取物的灵感来源于超市携带物寄存体系。公共区域人们往往因为不放心放置私人物品选择将物品携带在身上从而造成休息阻碍，而本技术研发设计的长椅采用一码一柜制，存取物品，充分保证物品存放过程中的安全性的同时也让人们安心休息。USB 插口的设计既满足了人们充电的需求又合理限制了功率，避免了因输出大功率电流造成的火灾。另外，该长椅还可以检测空气质量并在LED 显示屏上实时播报，提醒人们当天的空气质量是否适合出行或锻炼，一定程度上降低了人们长期在空气不佳的天气下锻炼造成的肺部及其他可能疾病发生率。产品真正实现了座椅、供电蓄电、应急充电、遮阳避雨、储物防盗和光、湿度检测一体化，综合了满足人们休息时的多种需求，做到便民利民，且本技术设计的长椅成本较低，适合大量普及使用。节能长椅性能参数见表1。

2 部分结构设计

2.1 土壤微热能发电模块设计

本发电模块装置选用热传导材料铝铜，是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。将一个p 型温差电元件和一个n 型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别连接冷端电极，就构成一个温差电单体或单偶。在温差电单体开路端接入电阻为RL 的外负载，如果温差电单体的热面输入热流，在温差电单体热端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，进而得到了将热能直接转换为电能的发电器[3]。模块外观设计为长方体型，设埋深度为30 cm，利用热电温差发电片（TEG）进行能量转化，其型号选择商用TEG12708，物理尺寸为40 mm×5 mm。并在TEG 的另一平面上安装合适大小的散热片，可实现土壤温度与外界环境的温差能量转化为电能，提高整体的工作效率，见表2。将计划在长椅周围排布6 个温差发电装置，当温差的取值范围为0~30 ℃时，输出电压约为0~660mV，输出电功率约为0～80.3mW，如图3 所示。

表2 温差发电装置性能参数

图3 温差发电装置实物及原理图

2.2 智能折叠伞结构设计

智能折叠伞结构由可折叠伞骨、圆形伞面和立杆组成。该圆形伞面位于座椅立杆中上部位置。所述立杆位于两排座椅中间底部固定在底架上，立杆中下部与靠背连接，中部与可折叠伞骨连接，可折叠伞骨支撑圆形伞面。自动折叠遮阳伞外形呈半球体，4 个顶点使用圆弧过渡，边框为铝合金边框，如图4 所示。该设计外观新颖，结构巧妙，可以吸收太阳光的热量从而使伞下温度远低于太阳直射地面温度，在烈阳暴雨下仍可达到遮阳避雨效果。

图4 智能折叠伞结构图

2.3 储物充电结构设计

储物系统包括6 个双排储物柜、储物柜门及把手、红外条码扫描装置、存储物开关以及条码输出端。该储物柜位于座椅下方为上宽下窄双层结构，连接于储物柜左侧，红外条码扫描装置位于前方中间并排两储物柜之间空余位置；存储物开关位于红外条码扫描装置正下方；条码输出端位于存储物开关正下方；储物柜门把手位于储物柜门右侧位置。单侧为3 门，双排长椅两侧储物系统相同。本储物系统共6门，单箱容积：高280mm×宽300 mm×深420 mm，柜体采用优质进口冷轧钢板，板厚度1 mm，具有较强的刚度，如图5 所示。座椅底部内部自带1 000 mAh 的可充电锂电池，配备标准Micro USB 充电口，通过接入土壤微热能供电系统进行充电[4]。光湿度检测器配有LED 显示屏，实时清晰地显示污染物浓度和天气情况，如图6 所示。

图5 储物柜结构图

图6 USB 充电及LED 显示屏结构图

3 仿真与实验验证

在仿真实践应用中往往需要分析温度场、应力场等多种物理场进行的综合分析问题，并通过实验进行测定[5]。本设计采用Creo 软件设计了座椅椅面和储物柜门的3D 模型，进行应力场求解，并通过实验测定分析了土壤微热能温差发电模块的发电效率，根据分析结果验证了该部分结构设计的安全性和可靠性。

3.1 座椅椅面、储物柜门应力场分析

根据人体工程学设计，确定座椅尺寸，椅面长度2 000 mm，宽度500 mm，厚度为2 mm；储物柜门高度280 mm，宽度300 mm，深度420 mm。拟定2 000 mm×500 mm×2 mm 长板为座椅椅面，取材料为钢镀锌，并建立3D 模型，利用Creo 软件对于座椅椅面进行施加3 000 N（人均体重50 kg，以6 人体重代入）的均布载荷得到应力，如图7 所示，受到压力座椅椅面产生的最大受力值为804.16 Pa，本座椅椅面最大可承受10 kPa，可保证椅面结构稳定；拟定280 mm×300 mm×1 mm 长板为储物柜门，取材料为优质进口冷轧钢板，并建立3D模型，利用Creo 软件对于储物柜门进行施加100 N 的均布载荷得到应力如图8 所示，受到冲击力所产生的最大受力值约为2 Pa，柜门最大可承受10 Pa 的冲击力，可保证柜门的安全性。

图7 座椅椅面受力图

图8 储物柜门受力图

3.2 土壤微热能温差发电实验

在热电转换元件TEG 两端分别连上热电偶，将一端放置在陶瓷加热片上，通过线路连接给定相应的电压对其进行加热，为热端；在另一端放上散热器，为冷端。将该土壤微热能发电装置插入30 cm 深的土壤当中，测量产生的电压。经实验测定，实验结果如下：通过记录TEG 两端的温度变化，以及相应时刻的输出电压，拟合随温差变化的输出电压变化图，如图9 所示。

图9 实验测定及数据处理图

实验结果：随给定电压值的不断增大，TEG 两端的温差不断增大，同时输出电压也随之增大，温差达到30 ℃时，输出电压可达到600 mV。因此，如果串联多个TEG，输出电压也可以随之增加，达到所需要的电压值。

4 结论

目前户外长椅已遍布广场、公园等场所，但现存的长椅大多功能单一占地面积大且性价比不高。本文设计的长椅区别于市面上的普通长椅具有供电蓄电、应急充电、扫码储物、遮阳避雨等功能，通过仿真验证和实验测定可得出该设备功能丰富、便民、可操作性强、安全可靠及成本低。不论在智能化上还是在能源利用等方面都具备良好的行业发展前景和推广应用价值。