一种基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地垫

1.本发明涉及一种基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地垫，属于绿色环保技术领域。


背景技术：

2.地垫，主要应用于各类装潢(如家庭室内装潢)、景区铺路、高速公路、大型输水水管等流体管道内等，随着应用场景的智能化发展和绿色环保的要求，传统地垫也需作相应的改进以迎合功能和环境方面的需求。
3.比如，常见的地毯主要由羊毛、丙烯、尼龙、锦纶、涤纶、丙纶等材料组成，其中羊毛属于天然纤维，降解需要3到4个月且造假昂贵，其余材料价格低廉但是降解周期极长，往往可以达到20至30年，不具备环保的内涵。为了实现绿色环保的目的，通常情况下人们致力于研究如何优化地垫材质，比如采用壳聚糖纤维来制作地毯(张宝杰.壳聚糖纤维在乘用车地毯上的应用[j].时代汽车,2019(04):163-164.)。然而，即便通过优化材质达到了绿色环保的目的，地垫往往仅仅具有观赏价值，并不具备其他功能，无法满足智能化应用场景。
[0004]
现有的多功能智能地毯如日本的发电地毯、荷兰的跳舞发电地毯(肖萍,谢中原,王会华,张超凡,拉扎提
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合里木哈孜.发电地毯的分析研究[j].价值工程,2017,36(27):93-94.doi:10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2017.27.040.)，该方案基于pvdf的地板压力发电系统，可通过设计好的整体地毯进行压电材料进行发电、储能。然而该地毯是设计好的一整块地毯，不具有自由拼接的功能，只能适用于室内装潢，无法应用于室外(景区铺路、高速公路、管道等)场景；此外，该方案中，电路规模庞大，使用过程中电路元件易损坏，且电路的某一部分受到破坏即不可再使用，因此不便大规模使用。


技术实现要素：

[0005]
为了解决目前存在的智能地垫无法拼接、无法大规模铺设且电路规模庞大易损坏等问题，本发明提供了一种基于压电陶瓷发电的可拼接环保地垫，其特征在于，所述可拼接环保地垫包括：地垫主体、电路模块和分布在所述地垫主体边缘的拼接件，所述可拼接环保地垫之间通过所述拼接件实现拼接，所述电路模块分别与所述地垫主体和所述拼接件连接；
[0006]
所述地垫主体包括：表面弹性材质层、压电陶瓷层、绝缘层；所述表面弹性材质层覆盖于所述可拼接环保地垫的上下表面，所述压电陶瓷层位于所述表面弹性材质层之间；所述压电陶瓷层之间设有绝缘层；
[0007]
所述拼接件包括：磁铁和接有常闭干簧管的照明设备；两块地垫拼接时，地垫边缘的磁铁与另一块地垫的常闭干簧管相互配合，所述磁铁控制所述常闭干簧管的开闭；
[0008]
所述电路模块包括：整流储能模块和光敏运放模块；所述整流储能模块用于将所述压电陶瓷层产生的交流电转化成直流电并储存电能；所述光敏运放模块用于根据光照亮度控制所述整流储能模块与所述拼接件的照明设备之间的电路是否导通。
[0009]
可选的，所述地垫主体还包括：六边形拼接pla板层，位于所述表面弹性材质层与所述压电陶瓷层之间。
[0010]
可选的，所述整流储能模块包括依次连接的全桥整流电路模块、负载电阻、电压放大芯片和储能电池；
[0011]
所述全桥整流电路模块用于整流，所述负载电阻用于产生直流电压，所述电压放大芯片用于稳压，所述储能电池用于储能。
[0012]
可选的，所述光敏运放模块包括：正亮度系数光敏电阻和npn三极管；所述正亮度系数光敏电阻根据光照强度变化阻值，控制所述npn三极管是否导通，从而控制所述照明设备是否通电。
[0013]
可选的，所述电路模块设于所述地垫主体内部，与所述压电陶瓷层之间通过所述绝缘层实现绝缘。
[0014]
可选的，所述照明设备为led灯带。
[0015]
可选的，所述可拼接环保地垫的形状为长方形，所述拼接件设于长方形的四边。
[0016]
可选的，所述光敏运放电路模块和所述整流储能模块之间通过逻辑电路连接。
[0017]
可选的，所述电压放大芯片为mp2307dn芯片。
[0018]
可选的，所述储能电池为锂聚合电池。
[0019]
可选的，所述表面弹性材质层为地毯材质，包括：化纤材质层、纯毛材质、混纺材质、尼龙材质、真丝材质等。
[0020]
可选的，所述表面弹性材质层为弹性地板。
[0021]
可选的，所述光敏运放模块中不使用单个npn三极管来放大信号而使用阻容耦合放大电路等其他放大电路进行信号放大。
[0022]
可选的，所述led灯带被替换为其他可以消耗锂聚合电池中储存的电能的负载，如电控灯，声控灯等。
[0023]
本发明有益效果是：
[0024]
1、本发明通过智能地垫边缘拼接件和小型电路模块的设计，利用常闭干簧管遇磁铁断开的特性，设计出地毯拼接方案，相比于现有技术中的整体设计的地毯，本发明可根据铺设场景的规模，自由选择拼接地毯的数量，不仅可以应用于室内装潢之类的小规模铺设，也可以灵活应用于道路铺设、管道内铺设等大规模场景，解决了智能地垫应用场景规模受限的问题。
[0025]
2、本发明通过压电陶瓷压电效应的特性，解决了普通绿色环保地垫不能发电的问题；特别是铺设在室外公共场景时，可以将行人、车辆等移动人、物产生的无用压力转化为电能并进行储存和利用，充分实现绿色能源的利用。
[0026]
3、本发明通过正亮度系数光敏电阻的电阻值与外界光强成正比的特性，可以根据自然光照的强度来实现储能电池和照明设备之间电路的通断，解决了目前可发电可储能地毯只能将电能立即用于发光或者一直储存电能，无法选取工作状态的问题，实现了地垫根据外界光强选择是否消耗已存储的电能用于外接设备，有效地避免了能源的浪费。
[0027]
4、本发明可以利用六边形拼接pla板层等材料可降解的特性，解决了尼龙等常见地毯材质不易降解的问题，达到了绿色环保的效果。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明实施例的一种基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地毯的示意图。
[0030]
图2为本发明实施例的一种基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地毯的层状结构简图。
[0031]
图3为本发明实施例的一种电路模块层的电路结构图。
[0032]
图4为本发明实施例的一种六边形拼接pla板层的结构图。
[0033]
图5为本发明实施例的一种压电陶瓷层的结构图。
[0034]
图6为本发明实施例的两块基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地毯的拼装前示意图。
[0035]
图7为本发明实施例的两块基于压电陶瓷发电的可储能可拼接绿色环保地毯的拼装后示意图。
[0036]
图中：1-地毯；2-化纤材质层；3-六边形拼接pla板层；4-压电陶瓷层；5-橡胶薄层；6-压电陶瓷层；7-橡胶薄层；8-电路模块层；9-六边形拼接pla板层；10-化纤材质层；11-全桥整流电路模块；12-mp2307dn芯片；13-锂聚合电池；14-整流储能模块；15-正亮度系数光敏电阻；16-npn三极管；17-干簧管led模块；18-led灯带；19-常闭干簧管；20-玻璃窗；21-小磁铁；22-光敏运放模块。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0038]
本发明涉及到的部分技术有关的基本理论知识如下：
[0039]
1、压电陶瓷：压电陶瓷，是一种具有压电效应的陶瓷材料，所谓压电效应，即受到外界施加的压力后材料自身会产生电荷的累积，从宏观上来说就是压力被转换成电力。
[0040]
2、全桥整流电路：全桥整流电路，是全波整流电路的一种，结构中有四只相同的整流二极管，接成电桥形式。电路利用二极管的导引作用将交流电转换为直流电。
[0041]
3、mp2307dn芯片：mp2307dn芯片，是一款单片同步降压稳压芯片，具有稳压功能，属于集成芯片。
[0042]
4、正亮度系数光敏电阻：光敏电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻。正亮度系数光敏电阻的电阻值跟入射光的强弱成正比，入射光强，电阻增大；入射光弱，电阻减小。
[0043]
5、npn三极管：npn三极管，是由2块n型半导体夹着1块p型半导体组成。npn三极管具有在达到它开启电压的前提下放大电流的作用。
[0044]
6、常闭干簧管：常闭干簧管具有当永久磁铁靠近常闭干簧管时，簧片的接点就会感应出极性相同的磁极，由于磁极极性相同而相互排斥，当排斥的磁力超过簧片的吸力时，
闭合的接点就会分开。
[0045]
实施例一：
[0046]
本实施例提供一种基于压电陶瓷发电的可拼接环保地垫，所述可拼接环保地垫包括：地垫主体、电路模块和分布在所述地垫主体边缘的拼接件，所述可拼接环保地垫之间通过所述拼接件实现拼接，所述电路模块分别与所述地垫主体和所述拼接件连接；
[0047]
所述地垫主体包括：表面弹性材质层、压电陶瓷层、绝缘层；所述表面弹性材质层覆盖于所述可拼接环保地垫的上下表面，所述压电陶瓷层位于所述表面弹性材质层之间；所述压电陶瓷层之间设有绝缘层；
[0048]
所述拼接件包括：磁铁和接有常闭干簧管的照明设备；两块地垫拼接时，地垫边缘的磁铁与另一块地垫的常闭干簧管相互配合，所述磁铁控制所述常闭干簧管的开闭；
[0049]
所述电路模块包括：整流储能模块和光敏运放模块；所述整流储能模块用于将所述压电陶瓷层产生的交流电转化成直流电并储存电能；所述光敏运放模块用于根据光照亮度控制所述整流储能模块与所述拼接件的照明设备之间的电路是否导通。
[0050]
实施例二：
[0051]
本实施例提供一种基于压电陶瓷发电的可拼接环保地毯，参见图2，所述可拼接环保地毯包括：
[0052]
地毯1，地毯1第一层为化纤材质层2，第二层为六边形拼接pla板层3，第三层为压电陶瓷层4，第四层为橡胶薄层5，第五层为压电陶瓷层6，第六层为橡胶薄层7，第七层为电路模块层8，第八层为六边形拼接pla板层9，第九层为化纤材质层10。
[0053]
其中：化纤材质层2、化纤材质层10作为表层保护内部部件；六边形拼接pla板层3、六边形拼接pla板层9用于将行人的压力传递给压电陶瓷层，同时选材pla作为可降解材料能够保护环境，六边形镂空拼接可以大大减轻装置整体重量；压电陶瓷层4、压电陶瓷层6通过导线并联增大电流后与电路模块层8连接，受到形变后产生电流传送到电路模块层8；橡胶薄层5、橡胶薄层7作为绝缘层夹在压电陶瓷层4与压电陶瓷层6之间、压电陶瓷层6与电路模块层8之间防止短路。
[0054]
电路模块层8中整流储能模块14包括一个全桥整流电路模块11，一个mp2307dn芯片12和一个锂聚合电池13，其中：全桥整流电路模块11用于整流压电陶瓷层4、压电陶瓷层6受到形变后产生的交流电流，mp2307dn芯片12用于放大电压以获得可以给锂聚合电池13充电的开启电压，锂聚合电池13用于储蓄压电陶瓷层4、压电陶瓷层6产生的电能。整流储能模块14连在压电陶瓷层4、压电陶瓷层6后。
[0055]
电路模块层8中光敏运放模块22包括一块阻值随光强增大而减小的正亮度系数光敏电阻15和一个用于增强信号的npn三极管16。四个光敏运放模块22以并联的形式连在整流储能模块14后。
[0056]
电路模块层8中干簧管led模块17由led灯带18与常闭干簧管19串联构成，四个干簧管led模块17分别串联在四个光敏运放模块22后组成一组，共有4组(图3中用乘4表示)。
[0057]
一个光敏运放模块22和一个干簧管led模块17组成一组，位于正方形地毯1的一边，光敏运放模块22位于玻璃窗20内，常闭干簧管19控制的led负载模块17中常闭单簧管19位于磁铁21关于玻璃窗20的对称位置。
[0058]
正方形地毯1四周的led灯带18左侧各接有一块小磁铁21，用于控制常闭单簧管19
的开合。
[0059]
本实施例的工作原理是：
[0060]
使用时，将正方形地毯1拼接在一起，两块正方形地毯1相贴的一面上的常闭干簧管19控制的干簧管led模块17中的常闭干簧管19由于对方的小磁铁21靠近而断开，导致相贴的一面的led灯带18一直断路从而失去作用，不会黑夜发光。
[0061]
白天储能时，玻璃窗20中光敏运放模块22的正亮度系数光敏电阻15因为大光强的作用阻值变大导致npn三极管16截止，所有的led灯带18均被断路不会发光。
[0062]
当有行人踩踏时，压力通过六边形拼接pla板层3、六边形拼接pla板层9转化为不均匀压力作用于压电陶瓷层4、压电陶瓷层6，并联的压电陶瓷层4、压电陶瓷层6产生交流电通过导线通往电路模块层8中的整流储能模块14，由于全桥整流电路11的作用变成直流电，流过负载产生直流电压，直流电压被mp2307dm芯片12放大到大于锂聚合电池13的开启电压，锂聚合电池13开始充电，由于led灯带18断路的关系不会消耗电能。
[0063]
黑夜放电时，玻璃窗中光敏运放模块22的正亮度系数光敏电阻15因为小光强的作用阻值变小导致npn三极管16被导通。
[0064]
当有行人踩踏时，压力通过六边形拼接pla板层3、六边形拼接pla板层9转化为不均匀压力作用于压电陶瓷层4、压电陶瓷层6，并联的压电陶瓷层4、压电陶瓷层6产生交流电通过导线通往电路模块层8中的整流储能模块14，由于全桥整流电路11的作用变成直流电，流过负载产生直流电压，直流电压被mp2307dm芯片12放大到大于锂聚合电池13的开启电压，锂聚合电池13开始充电，同时锂聚合电池13作为电源使得npn三极管16导通，由于常闭单簧管19没有磁铁21影响一直处于导通状态，所以led灯带18发光。
[0065]
本实施例通过四边形智能地垫边缘拼接件和小型电路模块的设计，利用常闭干簧管遇磁铁断开的特性，设计出地毯拼接方案，相比于现有技术中的整体设计的地毯，本实施例可根据铺设场景的规模，自由选择拼接地毯的数量，不仅可以应用于室内装潢之类的小规模铺设，也可以灵活应用于道路铺设、管道内铺设等大规模场景，解决了智能地垫应用场景规模受限的问题。
[0066]
本实施例通过压电陶瓷压电效应的特性，解决了普通绿色环保地垫不能发电的问题；特别是铺设在室外公共场景时，可以将行人、车辆等移动人、物产生的无用压力转化为电能并进行储存和利用，充分实现绿色能源的利用。
[0067]
本实施例通过正亮度系数光敏电阻的电阻值与外界光强成正比的特性，可以根据自然光照的强度来实现锂聚合电池和led灯带之间电路的通断，解决了目前可发电可储能地毯只能将电能立即用于发光或者一直储存电能，无法选取工作状态的问题，实现了地垫根据外界光强选择是否消耗已存储的电能用于led灯带，有效地避免了能源的浪费。
[0068]
本实施例利用六边形拼接pla板层可降解的特性，解决了尼龙等常见地毯材质不易降解的问题，达到了绿色环保的效果。
[0069]
总之，本实施例的可拼接环保地毯，不仅在材料上选择了可降解的环保材料，也实现了绿色能源的转化、储存和利用，在材料、能源、智能化等方面均符合绿色环保的要求，且更要的是可以大规模铺设，灵活度好，相比现有的智能地毯，本实施例的地毯应用更为广泛。
[0070]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可
读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0071]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。