能量收集背包的设计挑战

能量收集背包的想法已经存在了一段时间。 2005年，宾夕法尼亚大学的拉里·罗马（Larry Rome）首次尝试设计一种仅依靠人类运动的能量。罗马的研究主要集中在肌肉的设计及其在运动过程中的使用。他关于动物运动背后生理学的研究促使罗马思考如何简单行走中的运动规律性对于弹簧上质量的振荡是一个很好的输入。他设计了他的系统，将垂直质量的运动转换为带有齿条齿轮齿轮组的旋转轴。罗马的能量传感器是一个简单的发电机。从那时起，可穿戴式能量清除装置的大部分动力都来自军方。 2007年，国防研究与工程总监启动了可穿戴电力奖（WPP）计划，这是有史以来第一个以服务为基础的三重服务研发计划。 D比赛。美国国防部希望利用该奖项来激励设计师创建一个系统，该系统可以减轻或消除21世纪步兵携带的电子设备所需的电池内容。国防部发言人在宣布该奖项时表示，“我们的地面操作的一个更重要的限制是可用的电力。”这个限制主要是可以合理地预期多少额外的电池负载士兵可以背负。根据军方使用的数据，每更换一小时的电池将节省大约10克的质量。

当时能源采集仍然是一个新兴领域，国防部奖项已经公布。早期的可穿戴电力奖项是基于燃料电池的设计。现在不难想象未来的设计将依赖能量清除来满足步兵士兵为便携式装备提供动力的需求，因为即使在战场上，可再生能源也很丰富。与Larry Rome一样，其他研究人员已经探索使用摆动质量概念作为背包系统的核心，因为它提供了非常高的动力输出，并且可以设计到背包框架中以避免过多的货物体积。然而，佩戴者必须走路以便清除运动的能量，这种方案在佩戴者静止不动时（或者蹲下以避开火线）不会有效。

寻找能量收集系统来取代军用背包中的标准一次性电池现在是一项国际努力，其重点已转向太阳能。在加拿大，国防部（DND）对他们称为综合士兵电力系统原型（ISSP）的系统进行公开招标。同样，澳大利亚军方与其自己的澳大利亚国立大学（ANU）签订了230万美元的合同，为其步兵开发便携式太阳能发电（图1）。

澳大利亚国立大学表示，其可穿戴太阳能电池板的关键是该大学开发的一种名为“SLIVER”的技术，该技术目前正被光伏组件供应商Transform Solar（Boise，ID）用于商业应用。使用具有相同厚度的纸张的柔性单元允许实现高功率重量比。电池也是双面的，允许模块构造，允许光从两个面吸收，这有助于SLIVER模块在部分遮阳条件下比传统的单晶技术电池保持更高的功率产量;根据Transform的说法，当阴影发生时，传统的太阳能模块会出现与阴影区域数量不成比例的功率损失，其中SLIVER模块具有接近线性的部分阴影响应。

图1：澳大利亚军方的可穿戴太阳能。 （由澳大利亚国立大学提供。）

设计因素

长期以来，士兵的背包提供了大面积的阳光照射。此外，在炎热的气候中，太阳能电池板也理想地与活动模式匹配，因为士兵通常需要在中午时间休息更多，以避免在最强烈的太阳辐射期间中暑。在R＆amp; D实验室，基于纺织的光伏电池经常被吹捧为这些应用。由于其良好的效率和透明性，在聚合物基太阳能电池中用作普通透明电极的氧化铟锡（ITO）非常昂贵，并且通常太脆而不能用于柔性基板，例如用于织物的柔性基板。相反，研究人员正在探索由纳米聚合物基有机化合物组成的活性光伏纤维。在一大堆化学配方中失去读者的风险，正在考虑的PV光纤太阳能电池的光活性层由MDMO-PPV组成：PCBM - 聚（2-甲氧基-5-（3‘，7’-二甲基 - 辛基氧基）） - 对亚苯基亚乙烯基，（MDMO-PPV），作为电子给体，和（6，6） - 苯基-C61-丁酸（PCBM）作为电子受体。

幸运的是，设计工程师不必转向异国情调的技术来开发易于融入能量收集背包设计的可行解决方案。例如，三洋的非晶硅太阳能电池非常适合背包平台。考虑到背包设计的立方体，我们有一个顶部，两个侧面和我们可以使用的大背面。顶部翻盖提供最佳的太阳能接收器区域，可容纳至少两个面板，如Sanyo AM-5902CAR，150 x 37.5 mm（图2）。同样，包装的每一面都允许增加两个AM-5902CAR单元。背包的主要区域可包括10个这样的面板。总计16个面板，每个面板提供7.7 V开路电压和30 mA短路电流。这些面板在50，000 lux的光照条件下每个产生150 mW，在适度的直射阳光下，太阳能电池背包外壳可能具有2.4 W的收获功率。

图2：Sanyo Energy AM-5902CAR太阳能电池。 （由Sanyo Energy提供。）

任何在任何一段时间内都带着适度负载包装的人都会知道，肩带上会有很大的压力。为什么让这种能量浪费掉？压电换能器可方便地将其转换为有用的电能。正如研究小组所指出的那样，仍然需要一些定制来最大化这个来源。广泛用于应变传感以及基于应变的收获的材料是聚偏二氟乙烯或PVDF。尽管将PVDF从惰性聚合物转化为极化压电薄膜的过程是复杂的，但是应该理解为足以处理非常有用的应变采集换能器。杨氏模量为8.3 GPa，PVDF在高应变水平下会发生显着变形。由于电荷产生是压电材料变形的结果，因此PVDF对于该应用中的扫气功率非常有用。然而，当在诸如肩带的系统中使用材料时，PVDF的电触点证明是有问题的，其中人们希望最大化允许的应变，从而最大化能量产生。

接触PVDF的常规方法通常取决于使用导电环氧树脂或银漆。不幸的是，这些方法没有充分利用PVDF的灵活性。杨氏模量PVDF与其他高密度聚合物相当。一个研究小组意识到，不那么灵活的接触是生产有效的应变采集器的瓶颈。亚利桑那州立大学和密歇根理工大学的合作集中精力寻找更灵活的联系方案。他们求助于低模量导电片的开发商NanoSonic（Blacksburg，VA）。这种NanoSonic材料被称为“金属橡胶”，这是有充分理由的。当材料拉伸至其原始长度的10倍时，材料保持其导电性。这种极低模量的导体与肩带收割机的需求非常匹配。该团队设计了背包带，可产生约45 mW的功率（以3英里/小时的速度行走，100磅的包装）。通过将徒步旅行者的痛点作为潜在的动力源，研究人员声称他们的设备可以为LED头灯或iPod Nano供电。

还有一种能源可以添加到一体化能量收集背包设计的混合物中。由于我们一直在谈论在困难的地形和压力条件下运输大约数百磅的包裹，例如面对敌方战斗员，经验丰富的徒步旅行者无疑熟悉背部和背包之间发生的热量积聚。热传感器或热电发电机可以将这种能量添加到背包的微型网格系统中，而不会累积额外的重量。

热电发电机通常是Peltier模块。这些模块有多种尺寸可供选择。一些较大的功率输出装置可以结合到包的背板或腰垫中。 CUI的CPM-2F为70 x 70 mm，在50°C时提供46 W功率。通过创建许多较小模块的网格可以提供更好的轮廓和灵活性，例如15 x 15 mm CP60140（图3），也来自CUI，在27°C时输出功率仅为7 W。

图3：CUI Inc. CP60140 Peltier模块。 （由CUI提供。）