本公开涉及箱包应用，具体为一种基于摩擦生电的能量收集背包系统。
背景技术：
：：1、背包，作为一种便携式储物装置，在人们的日常生活中带来诸多便利。然而，传统背包都有一个共性的问题，即背包会随着人体走路或跑步等运动一起耦合浮动，这会带来额外的无用功，消耗人体能量和积累背负疲劳。同时，野外活动如科考探险、远足旅行、军事训练和消防救援等中，对便携式可穿戴设备的持续供能也是一种技术挑战。传统电源如电池等，存在固有的不足，如有限的容量和寿命、需要频繁的充电和充电源、回收利用困难等。因此，探索一种能够解耦背包与人体耦合运动的悬挂机构，使其两者间产生相对滑动，以减小负载振动幅度，达到减振省力的效果；同时利用背包与人体间的相对运动驱动电能收集模块以进行人体运动能量收集，具有较大的现实应用与科学研究意义。2、人体运动能量是一种可持续、绿色的能量源，如走路、跑步、屈膝等，将其作为能量源，利用电能收集模块将机械能转化为电能以供能电子器件，构建自供能电源系统，对野外的电源持续供给具有重要意义。当前，一种摩擦纳米发电机(triboelectricnanogenerator,简称teng)技术的研究正在兴起，它是利用摩擦发电和静电感应耦合效应来进行机械能收集，同时非常适合低频能量如人体运动能量的收集，且能量收集效率较电磁、压电等技术较高。为了提高teng的电能输出，一种新兴的电荷泵技术研究正在兴起，该技术能够通过显著提高导电电极表面电荷密度来增加输出电能。因此，利用teng技术以构建电能收集模块，并融合电荷泵技术，以提高机械能向电能转换的能量转化效率，最后将其作为整体集成于背包的悬挂系统中，这样就能够构建既可以减振省力也可进行人体运动能量收集的新型背包系统，有助于解决野外活动中背负疲劳积累和电源持续供给的问题。3、当前典型的融合teng技术的背包系统，如2013年国际期刊《acs nano》第7卷第12期第11317-11324页中报道了一种放置于肩部带有菱形栅格式发电单元的背包系统，其利用teng技术收集人体运动机械能和多层菱形栅格式结构来增加发电面积以提高输出电能；2017年国际期刊《journal of materials chemistry c》第5卷第6期第1488-1493页中报道了一种放置于腰部来收集人体行走、跑步和腰弯曲等机械能的背包系统，其利用表面处理技术制造表面具有非规则结构的摩擦材料，以提高teng接触摩擦的面积，并以此增加输出电能；另外，本技术人的课题组在2021年国际期刊《acs nano》第15卷第2期第2611-2623页报道了一种基于teng技术的悬挂式能量收集背包系统，其利用悬挂系统实现减振省力和teng技术收集人体运动能量，同时申请了一项关于teng技术的背包系统国家发明专利(zl201910573414.6)。然而，这几种基于teng技术的背包系统存在以不足：第一，前两种背包技术并没有减振省力功能，无消减疲劳作用，且仅仅利用teng的基本工作模式来进行人体运动能量收集，发电功率较低；第二，前两种背包结构并不是实际意义上的背包系统，它们仅仅是构造了一个基于teng技术的发电模块并将其贴附在一个实际背包上，因此集成度不够，实用性不强。第三，本技术人课题组先前的背包系统，虽然实现了减振省力和人体运动能量收集，但其悬挂系统中的弹性体刚度调节棘轮机构操作困难、直线滑轨机构设计复杂安全性不高、实用性不强，且因过度使用亚克力板等材料导致整体结构笨重，增加佩戴负担；同时初代背包系统同样仅仅利用teng的基本工作模式，并没有融合电能提升如电荷泵等技术，因此发电功率和能量转化率较低。4、现有技术：5、[1]weiqing yang,jun chen,guang zhu,jin yang,peng bai,yuanjie su,qingsheng jing,xia cao,zhong lin wang.harvesting energy from the naturalvibration of human walking[j].acs nano,2013,7(12):11317-11324.https://doi.org/10.1021/nn405175z6、[2]arunkumar chandrasekhar,nagamalleswara rao alluri,venkateswaranvivekananthan,yuvasree purusothaman,sang-jae kim.a sustainable freestandingbiomechanical energy harvesting smart backpack as a portable-wearable powersource[j].journal of materials chemistry c,2017,5(6):1488-1493.https://doi.org/10.1039/c6tc05282g7、[3]ze yang,yiyong yang,fan liu,zhaozheng wang,yinbo li,jiahao qiu,xuan xiao,zhiwei li,yijia lu,linhong ji,zhong lin wang,jia cheng.powerbackpack for energy harvesting and reduced load impact[j].acs nano,2021,15(2):2611-2623.8、https://doi.org/10.1021/acsnano.0c074989、[4]程嘉,杨泽,季林红,路益嘉,李银波.一种基于摩擦生电的能量收集与减负背包[p].北京市:cn110269379b,2021-06-04.10、https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v＝kxaums6x7-4i2jr5wtdxti3zq9f92xu0jpyz-6femr80tpiux9y4vqcnvsrajxfmz1ks88kuful7errdukqwr6ald9xbryrm&uniplatform＝nzkpt技术实现思路1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。2、为此，本公开提供的一种基于摩擦生电的能量收集背包系统，本背包系统基于teng的电荷泵技术，既能够实现更轻型的减振省力，且能够显著提升背包系统的电能输出性能。3、为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：4、本公开提出的一种基于摩擦生电的能量收集背包系统，包括背包本体、背带、与所述背包本体连接的背包上板、与所述背带连接的背包下板以及连接于所述背包上板和背包下板之间的减振发电装置，所述减振发电装置包括减振部分和发电部分；5、所述减振部分，包括减振缓冲单元和一对单轴直线导杆单元；所述减振缓冲单元，包括一对滑轮组，与各滑轮组配套设置的滑轮组基座、弹性绳和棘轮组件，以及用于将各滑轮组和棘轮组件与所述背包下板进行固定的支撑板；各滑轮组均包括分别固定于相应滑轮组基座和所述支撑板且上下错位设置的两个定滑轮，所述弹性绳一端缠绕于所述棘轮组件上，另一端依次相切绕过所述滑轮组中的两个定滑轮后固定于所述发电部分；所述单轴直线导杆单元，包括固定于所述背板下板的导杆基座、固定于所述导杆基座上的直线导杆、装配于所述直线导杆上的滑块和固定于所述滑块上的动子连接件，所述动子连接件与所述发电部分连接；6、所述发电部分，包括由所述减振部分同步驱动的第一摩擦供电单元和第二摩擦供电单元，连接于所述第一摩擦供电单元和所述第二摩擦供电单元之间的第一电路管理单元和第二电路管理单元，以及连接于所述第二摩擦供电单元与负载之间的第一固定电容器和第二固定电容器；所述背包本体、所述背包上板、所述第二摩擦供电单元的动子部分和所述第一摩擦供电单元的动子部分一同固定在所述动子连接件上；所述第一摩擦供电单元采用对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机，具有第一交流输出端和第二交流输出端；所述第二摩擦供电单元采用接触滑移式摩擦纳米发电机，具有彼此独立的第一极板组件和第二极板组件，以及在所述减振部分的驱动下与所述第一极板组件和所述第二极板组件形成往复式滑移摩擦的公共极板组件，所述第一极板组件与所述公共极板组件构成第一可变电容器，所述第二极板组件与所述公共极板组件构成第二可变电容器；7、所述背包本体通过所述背包上板和所述减振缓冲单元将所述背包本体的惯性作用力传递给所述第一摩擦供电单元的动子部分和所述第二摩擦供电单元的动子部分，通过所述第一电路管理单元将所述第一摩擦供电单元的第一交流输出端输出的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至所述第一可变电容器和所述第一固定电容器，通过所述第二电路管理单元将所述第一摩擦供电单元的第二交流输出端输出的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至所述第二可变电容器和所述第二固定电容器；同时，所述公共极板组件在往复滑移的过程中，所述第一可变电容器和所述第二可变电容器分别存储来自于所述第一固定电容器和所述第二固定电容器的电荷，使得电荷在所述第一可变电容器与所述第一固定电容器的同极性极板间形成的导电通路内来回流动，并在所述第二可变电容器与所述第二固定电容器的同极性极板间形成的导电通路内来回流动。8、在一些实施例中，所述棘轮组件的受力平面与所述弹性绳所在平面重合，所述棘轮组件包括由间隔固定于所述支撑板端部的两吊耳组成的棘轮基座、通过长螺栓连接于所述棘轮基座的棘轮件以及套设于所述长螺栓上的棘轮弹簧；所述棘轮件由共轴且固定连接的棘轮盘和棘轮杆组成，所述棘轮盘和所述棘轮杆的中轴线处设有供所述长螺栓穿过的通孔，在所述棘轮基座的一个吊耳上成型有棘轮卡槽，所述棘轮卡槽和所述棘轮盘具有相啮合的齿部并将所述棘轮盘内嵌于所述棘轮卡槽，通过所述长螺栓的松紧调整所述棘轮盘和所述棘轮卡槽之间的接触状态为彼此啮合或可相对旋转，所述弹性绳的一端缠绕于所述棘轮杆上，通过转动所述棘轮件改变所述弹性绳的工作长度，进而改变所述背包上板与所述背包下板之间的相对位置。9、在一些实施例中，所述第一摩擦供电单元包括动子部分和对称设置于所述动子部分两侧的定子部分，所述定子部分包括依次设置的电极基板、电极和摩擦层a1，且所述摩擦层a1相较于所述电极基板更靠近所述动子部分设置；所述动子部分包括与所述动子连接件固定连接的第一驱动板，在所述第一驱动板面向所述定子部分的两侧分别固定设有摩擦层a2，所述电极基板的尺寸应覆盖所述第一驱动板的运动范围。10、在一些实施例中，设置在所述电极基板上的所述电极呈格栅形式布设，所述第一驱动板面向所述定子部分的两侧设有相同的栅格式凸起结构，所述凸起结构与所述电极的格栅形式的布设方式保持一致。11、在一些实施例中，所述第二摩擦供电单元包括定子部分和动子部分，所述定子部分包括与所述背包上板固定连接的基座以及固定设置在所述基座上背向所述第一摩擦供电单元一侧的所述第一极板组件和所述第二极板组件，所述第一极板组件和所述第二极板组件均分别包括依次设置的第一缓冲层、电极一和摩擦层b1，且所述第一缓冲层相对于所述摩擦层b1更靠近所述基座设置；所述公共极板组件作为第二摩擦供电单元的动子部分包括依次设置的第二驱动板、第二缓冲层、电极二和摩擦层b2，且所述摩擦层相对于所述第二驱动板更靠近所述摩擦层设置，所述第二驱动板与所述动子连接件固定连接。12、在一些实施例中，所述第二驱动板采用由上板、下板和连接于两板之间的腹板形成的箱型结构，使得所述第一摩擦供电单元、所述第二摩擦供电单元和所述第二驱动板的厚度之和与所述直线导杆和所述动子连接件的厚度之和相当，所述上板与所述背包上板固定连接；13、所述摩擦层b1、所述摩擦层b2、所述电极一与所述电极二的大小相同。14、在一些实施例中，所述第一电路管理单元的交流输入端与所述第一摩擦供电单元的第一交流输出端连接，所述第一电路管理单元的直流正极输出端同时与所述第一固定电容器的正极端和所述第一极板组件连接，所述第一电路管理单元的直流负极输出端同时与所述第一固定电容器的负极端和所述公共极板组件连接，所述第二电路管理单元的交流输入端与所述第一摩擦供电单元的第二交流输出端连接，所述第二电路管理单元的直流正极输出端同时与所述第二固定电容器的正极端和所述第二极板组件连接，所述第二电路管理单元的直流负极输出端同时与所述第二固定电容器的负极端和所述公共极板组件连接。15、在一些实施例中，各电路管理单元均分别包括由至少两个第一二极管和与之相同数量的第一电容连接构成的主电路，以及并联于所述主电路输入端和输出端之间的稳压二极管；各第一二极管依次首尾串联连接，各第一电容交错串联于相应的两个第一二极管之间。16、在一些实施例中，将所述第一固定电容器与所述第二固定电容器的同极性极板进行相连作为所述发电部分的第一输出端和第二输出端，实现电能的并联输出。17、在一些实施例中，在所述发电部分的第一输出端和第二输出端与负载之间设置开关和buck电路，使所述发电部分具有高压小电流输出模式和低压大电流输出模式。18、本公开具有如下有益效果：19、本公开实施例提供的一种基于摩擦生电的能量收集背包系统，包括背包本体、背包背带、背包上板、背包下板以及在背包上板与背包下板间的减振发电装置。其中，减振发电装置由减振部分和发电部分组成，减振部分由减振缓冲单元和单轴直线导杆单元组成；发电部分由第一摩擦供电单元、第二摩擦供电单元、电路管理单元和固定电容器组成。背包本体固定在背包上板上，背包上板通过连接件与减振发电装置相连接。在减振缓冲单元与单轴直线导杆单元的共同作用下，实现背包与人体间产生相对滑动，该相对滑动进而驱动发电部分实现由机械能向电能的转化，以此实现背包与人体之间的运动解耦合，从而达到减振省力和人体运动能量收集的目标。本公开采用基于电荷振荡式的电荷泵技术显著提升背包发电量和能量收集效率。该背包采用分离式组装设计，使背包本体和背负结构可以分离携带，主要功能实现模块包括减振部分和发电部分，使背包能够减轻背负重物对人体的冲击作用，实现缓震效果。同时，利用人体与背包间的相对滑动驱动发电部分进行人体运动能量收集。电荷泵技术的发电方式是较大面积的面面接触摩擦，运动过度平稳，且能够实现利用单个导电极板的运动同时驱动四个导电通路中的电荷流动，较传统发电模式成倍增加了导电通路数，成倍提升了输出电能。综上，本公开背包系统能显著提升减振省力效果。当前第1页12当前第1页12