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(xiàn)有的公園長椅，大多數(shù)是木制或者鐵制，設(shè)有扶手槽和座椅底板供放置物品，或?qū)⑻柲馨灏惭b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(zhuǎn)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(xiàn)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(shè)計了一款基于土壤微熱能供電的多功能長椅設(shè)計，通過利用土壤微熱能供電，在傳統(tǒng)長椅的基礎(chǔ)上增設(shè)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(zhì)量。該設(shè)計有一定的創(chuàng)新性和實用性，推廣前景與應(yīng)用十分廣闊。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

課題組主要利用土壤微熱能溫差發(fā)電模塊供電，設(shè)計了一款性能優(yōu)良、運行可靠的戶外多功能長椅，如圖1 所示。其結(jié)構(gòu)主要由土壤微熱能溫差發(fā)電模塊、USB 充電模塊、智能折疊傘、儲物結(jié)構(gòu)和LED 顯示模塊等組成，如圖2 所示。該系統(tǒng)的設(shè)計原理為：當土壤微熱能溫差發(fā)電模塊檢測到其熱電轉(zhuǎn)換元件TEG 兩端的溫差不一致時，將溫度差轉(zhuǎn)化為電勢差，傳輸至USB 充電模塊、智能折疊傘、儲物結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2 系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)實現(xiàn)存取一體化，按壓存物按鈕后信號經(jīng)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(yīng)儲物柜柜門打開，存儲完成后手動關(guān)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(yīng)儲物柜門打開，用戶取出物品后需手動關(guān)閉儲物柜門。儲物柜內(nèi)設(shè)置內(nèi)USB 插口，控制器變壓后電流流經(jīng)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(jīng)充電設(shè)備，發(fā)揮供電作用，當有持續(xù)強烈沖擊時，防盜柜門內(nèi)部的震蕩感應(yīng)器將報警信息傳遞至控制器，經(jīng)過控制器識別處理后傳遞至報警裝置，報警裝置發(fā)出警報。當通過鑰匙將門鎖打開或鎖上時，會將防盜系統(tǒng)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(shè)計，所有工作流程均采用軟件控制，當控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)工作，縮短控制失靈時的維修時間，可實現(xiàn)高精度、高可行性。此外，控制系統(tǒng)可自動適應(yīng)3.2 V、6 V、12 V 和24 V 系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)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(yīng)急保障，同時設(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)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(qū)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(shù)研發(fā)設(shè)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(shè)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(zāi)。另外，該長椅還可以檢測空氣質(zhì)量并在LED 顯示屏上實時播報，提醒人們當天的空氣質(zhì)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(fā)生率。產(chǎn)品真正實現(xiàn)了座椅、供電蓄電、應(yīng)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(shù)設(shè)計的長椅成本較低，適合大量普及使用。節(jié)能長椅性能參數(shù)見表1。

2 部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 土壤微熱能發(fā)電模塊設(shè)計

本發(fā)電模塊裝置選用熱傳導材料鋁銅，是利用塞貝克效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)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(gòu)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(jīng)電路，進而得到了將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電器[3]。模塊外觀設(shè)計為長方體型，設(shè)埋深度為30 cm，利用熱電溫差發(fā)電片（TEG）進行能量轉(zhuǎn)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(xiàn)土壤溫度與外界環(huán)境的溫差能量轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)電裝置性能參數(shù)

圖3 溫差發(fā)電裝置實物及原理圖

2.2 智能折疊傘結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能折疊傘結(jié)構(gòu)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(shè)計外觀新穎，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

2.3 儲物充電結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲物系統(tǒng)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(guān)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(jié)構(gòu)，連接于儲物柜左側(cè)，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(guān)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(guān)正下方；儲物柜門把手位于儲物柜門右側(cè)位置。單側(cè)為3 門，雙排長椅兩側(cè)儲物系統(tǒng)相同。本儲物系統(tǒng)共6門，單箱容積：高280mm×寬300 mm×深420 mm，柜體采用優(yōu)質(zhì)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(nèi)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(tǒng)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(jié)構(gòu)圖

圖6 USB 充電及LED 顯示屏結(jié)構(gòu)圖

3 仿真與實驗驗證

在仿真實踐應(yīng)用中往往需要分析溫度場、應(yīng)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(shè)計采用Creo 軟件設(shè)計了座椅椅面和儲物柜門的3D 模型，進行應(yīng)力場求解，并通過實驗測定分析了土壤微熱能溫差發(fā)電模塊的發(fā)電效率，根據(jù)分析結(jié)果驗證了該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。

3.1 座椅椅面、儲物柜門應(yīng)力場分析

根據(jù)人體工程學設(shè)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(yīng)力，如圖7 所示，受到壓力座椅椅面產(chǎn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定；擬定280 mm×300 mm×1 mm 長板為儲物柜門，取材料為優(yōu)質(zhì)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(yīng)力如圖8 所示，受到?jīng)_擊力所產(chǎn)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(fā)電實驗

在熱電轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)電裝置插入30 cm 深的土壤當中，測量產(chǎn)生的電壓。經(jīng)實驗測定，實驗結(jié)果如下：通過記錄TEG 兩端的溫度變化，以及相應(yīng)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(shù)據(jù)處理圖

實驗結(jié)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(lián)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(jié)論

目前戶外長椅已遍布廣場、公園等場所，但現(xiàn)存的長椅大多功能單一占地面積大且性價比不高。本文設(shè)計的長椅區(qū)別于市面上的普通長椅具有供電蓄電、應(yīng)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(shè)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(yè)發(fā)展前景和推廣應(yīng)用價值。