能量收集背包的設(shè)計挑戰(zhàn)

能量收集背包的想法已經(jīng)存在了一段時間。 2005年，賓夕法尼亞大學(xué)的拉里·羅馬（Larry Rome）首次嘗試設(shè)計一種僅依靠人類運(yùn)動的能量。羅馬的研究主要集中在肌肉的設(shè)計及其在運(yùn)動過程中的使用。他關(guān)于動物運(yùn)動背后生理學(xué)的研究促使羅馬思考如何簡單行走中的運(yùn)動規(guī)律性對于彈簧上質(zhì)量的振蕩是一個很好的輸入。他設(shè)計了他的系統(tǒng)，將垂直質(zhì)量的運(yùn)動轉(zhuǎn)換為帶有齒條齒輪齒輪組的旋轉(zhuǎn)軸。羅馬的能量傳感器是一個簡單的發(fā)電機(jī)。從那時起，可穿戴式能量清除裝置的大部分動力都來自軍方。 2007年，國防研究與工程總監(jiān)啟動了可穿戴電力獎（WPP）計劃，這是有史以來第一個以服務(wù)為基礎(chǔ)的三重服務(wù)研發(fā)計劃。 D比賽。美國國防部希望利用該獎項(xiàng)來激勵設(shè)計師創(chuàng)建一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減輕或消除21世紀(jì)步兵攜帶的電子設(shè)備所需的電池內(nèi)容。國防部發(fā)言人在宣布該獎項(xiàng)時表示，“我們的地面操作的一個更重要的限制是可用的電力?！边@個限制主要是可以合理地預(yù)期多少額外的電池負(fù)載士兵可以背負(fù)。根據(jù)軍方使用的數(shù)據(jù)，每更換一小時的電池將節(jié)省大約10克的質(zhì)量。

當(dāng)時能源采集仍然是一個新興領(lǐng)域，國防部獎項(xiàng)已經(jīng)公布。早期的可穿戴電力獎項(xiàng)是基于燃料電池的設(shè)計?，F(xiàn)在不難想象未來的設(shè)計將依賴能量清除來滿足步兵士兵為便攜式裝備提供動力的需求，因?yàn)榧词乖趹?zhàn)場上，可再生能源也很豐富。與Larry Rome一樣，其他研究人員已經(jīng)探索使用擺動質(zhì)量概念作為背包系統(tǒng)的核心，因?yàn)樗峁┝朔浅８叩膭恿敵觯⑶铱梢栽O(shè)計到背包框架中以避免過多的貨物體積。然而，佩戴者必須走路以便清除運(yùn)動的能量，這種方案在佩戴者靜止不動時（或者蹲下以避開火線）不會有效。

尋找能量收集系統(tǒng)來取代軍用背包中的標(biāo)準(zhǔn)一次性電池現(xiàn)在是一項(xiàng)國際努力，其重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向太陽能。在加拿大，國防部（DND）對他們稱為綜合士兵電力系統(tǒng)原型（ISSP）的系統(tǒng)進(jìn)行公開招標(biāo)。同樣，澳大利亞軍方與其自己的澳大利亞國立大學(xué)（ANU）簽訂了230萬美元的合同，為其步兵開發(fā)便攜式太陽能發(fā)電（圖1）。

澳大利亞國立大學(xué)表示，其可穿戴太陽能電池板的關(guān)鍵是該大學(xué)開發(fā)的一種名為“SLIVER”的技術(shù)，該技術(shù)目前正被光伏組件供應(yīng)商Transform Solar（Boise，ID）用于商業(yè)應(yīng)用。使用具有相同厚度的紙張的柔性單元允許實(shí)現(xiàn)高功率重量比。電池也是雙面的，允許模塊構(gòu)造，允許光從兩個面吸收，這有助于SLIVER模塊在部分遮陽條件下比傳統(tǒng)的單晶技術(shù)電池保持更高的功率產(chǎn)量;根據(jù)Transform的說法，當(dāng)陰影發(fā)生時，傳統(tǒng)的太陽能模塊會出現(xiàn)與陰影區(qū)域數(shù)量不成比例的功率損失，其中SLIVER模塊具有接近線性的部分陰影響應(yīng)。

圖1：澳大利亞軍方的可穿戴太陽能。 （由澳大利亞國立大學(xué)提供。）

設(shè)計因素

長期以來，士兵的背包提供了大面積的陽光照射。此外，在炎熱的氣候中，太陽能電池板也理想地與活動模式匹配，因?yàn)槭勘ǔＰ枰谥形鐣r間休息更多，以避免在最強(qiáng)烈的太陽輻射期間中暑。在R＆amp; D實(shí)驗(yàn)室，基于紡織的光伏電池經(jīng)常被吹捧為這些應(yīng)用。由于其良好的效率和透明性，在聚合物基太陽能電池中用作普通透明電極的氧化銦錫（ITO）非常昂貴，并且通常太脆而不能用于柔性基板，例如用于織物的柔性基板。相反，研究人員正在探索由納米聚合物基有機(jī)化合物組成的活性光伏纖維。在一大堆化學(xué)配方中失去讀者的風(fēng)險，正在考慮的PV光纖太陽能電池的光活性層由MDMO-PPV組成：PCBM - 聚（2-甲氧基-5-（3‘，7’-二甲基 - 辛基氧基）） - 對亞苯基亞乙烯基，（MDMO-PPV），作為電子給體，和（6，6） - 苯基-C61-丁酸（PCBM）作為電子受體。

幸運(yùn)的是，設(shè)計工程師不必轉(zhuǎn)向異國情調(diào)的技術(shù)來開發(fā)易于融入能量收集背包設(shè)計的可行解決方案。例如，三洋的非晶硅太陽能電池非常適合背包平臺。考慮到背包設(shè)計的立方體，我們有一個頂部，兩個側(cè)面和我們可以使用的大背面。頂部翻蓋提供最佳的太陽能接收器區(qū)域，可容納至少兩個面板，如Sanyo AM-5902CAR，150 x 37.5 mm（圖2）。同樣，包裝的每一面都允許增加兩個AM-5902CAR單元。背包的主要區(qū)域可包括10個這樣的面板?？傆?6個面板，每個面板提供7.7 V開路電壓和30 mA短路電流。這些面板在50，000 lux的光照條件下每個產(chǎn)生150 mW，在適度的直射陽光下，太陽能電池背包外殼可能具有2.4 W的收獲功率。

圖2：Sanyo Energy AM-5902CAR太陽能電池。 （由Sanyo Energy提供。）

任何在任何一段時間內(nèi)都帶著適度負(fù)載包裝的人都會知道，肩帶上會有很大的壓力。為什么讓這種能量浪費(fèi)掉？壓電換能器可方便地將其轉(zhuǎn)換為有用的電能。正如研究小組所指出的那樣，仍然需要一些定制來最大化這個來源。廣泛用于應(yīng)變傳感以及基于應(yīng)變的收獲的材料是聚偏二氟乙烯或PVDF。盡管將PVDF從惰性聚合物轉(zhuǎn)化為極化壓電薄膜的過程是復(fù)雜的，但是應(yīng)該理解為足以處理非常有用的應(yīng)變采集換能器。楊氏模量為8.3 GPa，PVDF在高應(yīng)變水平下會發(fā)生顯著變形。由于電荷產(chǎn)生是壓電材料變形的結(jié)果，因此PVDF對于該應(yīng)用中的掃氣功率非常有用。然而，當(dāng)在諸如肩帶的系統(tǒng)中使用材料時，PVDF的電觸點(diǎn)證明是有問題的，其中人們希望最大化允許的應(yīng)變，從而最大化能量產(chǎn)生。

接觸PVDF的常規(guī)方法通常取決于使用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或銀漆。不幸的是，這些方法沒有充分利用PVDF的靈活性。楊氏模量PVDF與其他高密度聚合物相當(dāng)。一個研究小組意識到，不那么靈活的接觸是生產(chǎn)有效的應(yīng)變采集器的瓶頸。亞利桑那州立大學(xué)和密歇根理工大學(xué)的合作集中精力尋找更靈活的聯(lián)系方案。他們求助于低模量導(dǎo)電片的開發(fā)商N(yùn)anoSonic（Blacksburg，VA）。這種NanoSonic材料被稱為“金屬橡膠”，這是有充分理由的。當(dāng)材料拉伸至其原始長度的10倍時，材料保持其導(dǎo)電性。這種極低模量的導(dǎo)體與肩帶收割機(jī)的需求非常匹配。該團(tuán)隊設(shè)計了背包帶，可產(chǎn)生約45 mW的功率（以3英里/小時的速度行走，100磅的包裝）。通過將徒步旅行者的痛點(diǎn)作為潛在的動力源，研究人員聲稱他們的設(shè)備可以為LED頭燈或iPod Nano供電。

還有一種能源可以添加到一體化能量收集背包設(shè)計的混合物中。由于我們一直在談?wù)撛诶щy的地形和壓力條件下運(yùn)輸大約數(shù)百磅的包裹，例如面對敵方戰(zhàn)斗員，經(jīng)驗(yàn)豐富的徒步旅行者無疑熟悉背部和背包之間發(fā)生的熱量積聚。熱傳感器或熱電發(fā)電機(jī)可以將這種能量添加到背包的微型網(wǎng)格系統(tǒng)中，而不會累積額外的重量。

熱電發(fā)電機(jī)通常是Peltier模塊。這些模塊有多種尺寸可供選擇。一些較大的功率輸出裝置可以結(jié)合到包的背板或腰墊中。 CUI的CPM-2F為70 x 70 mm，在50°C時提供46 W功率。通過創(chuàng)建許多較小模塊的網(wǎng)格可以提供更好的輪廓和靈活性，例如15 x 15 mm CP60140（圖3），也來自CUI，在27°C時輸出功率僅為7 W。

圖3：CUI Inc. CP60140 Peltier模塊。 （由CUI提供。）