能量收集背包的想法已經存在了一段時間。 2005年，賓夕法尼亞大學的拉里·羅馬（Larry Rome）首次嘗試設計一種僅依靠人類運動的能量。羅馬的研究主要集中在肌肉的設計及其在運動過程中的使用。他關于動物運動背后生理學的研究促使羅馬思考如何簡單行走中的運動規律性對于彈簧上質量的振蕩是一個很好的輸入。他設計了他的系統，將垂直質量的運動轉換為帶有齒條齒輪齒輪組的旋轉軸。羅馬的能量傳感器是一個簡單的發電機。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啟動了可穿戴電力獎（WPP）計劃，這是有史以來第一個以服務為基礎的三重服務研發計劃。 D比賽。美國國防部希望利用該獎項來激勵設計師創建一個系統，該系統可以減輕或消除21世紀步兵攜帶的電子設備所需的電池內容。國防部發言人在宣布該獎項時表示，“我們的地面操作的一個更重要的限制是可用的電力。”這個限制主要是可以合理地預期多少額外的電池負載士兵可以背負。根據軍方使用的數據，每更換一小時的電池將節省大約10克的質量。

當時能源采集仍然是一個新興領域，國防部獎項已經公布。早期的可穿戴電力獎項是基于燃料電池的設計。現在不難想象未來的設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，因為即使在戰場上，可再生能源也很豐富。與Larry Rome一樣，其他研究人員已經探索使用擺動質量概念作為背包系統的核心，因為它提供了非常高的動力輸出，并且可以設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。

尋找能量收集系統來取代軍用背包中的標準一次性電池現在是一項國際努力，其重點已轉向太陽能。在加拿大，國防部（DND）對他們稱為綜合士兵電力系統原型（ISSP）的系統進行公開招標。同樣，澳大利亞軍方與其自己的澳大利亞國立大學（ANU）簽訂了230萬美元的合同，為其步兵開發便攜式太陽能發電（圖1）。

澳大利亞國立大學表示，其可穿戴太陽能電池板的關鍵是該大學開發的一種名為“SLIVER”的技術，該技術目前正被光伏組件供應商Transform Solar（Boise，ID）用于商業應用。使用具有相同厚度的紙張的柔性單元允許實現高功率重量比。電池也是雙面的，允許模塊構造，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的單晶技術電池保持更高的功率產量;根據Transform的說法，當陰影發生時，傳統的太陽能模塊會出現與陰影區域數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。

圖1：澳大利亞軍方的可穿戴太陽能。 （由澳大利亞國立大學提供。）

設計因素

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，因為士兵通常需要在中午時間休息更多，以避免在最強烈的太陽輻射期間中暑。在R＆amp; D實驗室，基于紡織的光伏電池經常被吹捧為這些應用。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化合物組成的活性光伏纖維。在一大堆化學配方中失去讀者的風險，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。

幸運的是，設計工程師不必轉向異國情調的技術來開發易于融入能量收集背包設計的可行解決方案。例如，三洋的非晶硅太陽能電池非常適合背包平臺。考慮到背包設計的立方體，我們有一個頂部，兩個側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。背包的主要區域可包括10個這樣的面板。總計16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都帶著適度負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掉？壓電換能器可方便地將其轉換為有用的電能。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。廣泛用于應變傳感以及基于應變的收獲的材料是聚偏二氟乙烯或PVDF。盡管將PVDF從惰性聚合物轉化為極化壓電薄膜的過程是復雜的，但是應該理解為足以處理非常有用的應變采集換能器。楊氏模量為8.3 GPa，PVDF在高應變水平下會發生顯著變形。由于電荷產生是壓電材料變形的結果，因此PVDF對于該應用中的掃氣功率非常有用。然而，當在諸如肩帶的系統中使用材料時，PVDF的電觸點證明是有問題的，其中人們希望最大化允許的應變，從而最大化能量產生。

接觸PVDF的常規方法通常取決于使用導電環氧樹脂或銀漆。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。一個研究小組意識到，不那么靈活的接觸是生產有效的應變采集器的瓶頸。亞利桑那州立大學和密歇根理工大學的合作集中精力尋找更靈活的聯系方案。他們求助于低模量導電片的開發商NanoSonic（Blacksburg，VA）。這種NanoSonic材料被稱為“金屬橡膠”，這是有充分理由的。當材料拉伸至其原始長度的10倍時，材料保持其導電性。這種極低模量的導體與肩帶收割機的需求非常匹配。該團隊設計了背包帶，可產生約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作為潛在的動力源，研究人員聲稱他們的設備可以為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計的混合物中。由于我們一直在談論在困難的地形和壓力條件下運輸大約數百磅的包裹，例如面對敵方戰斗員，經驗豐富的徒步旅行者無疑熟悉背部和背包之間發生的熱量積聚。熱傳感器或熱電發電機可以將這種能量添加到背包的微型網格系統中，而不會累積額外的重量。

熱電發電機通常是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。通過創建許多較小模塊的網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。）