CN117717223A - 一种基于摩擦生电的能量收集背包系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出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、背包上板、背包下板及连接于背包上板、下板之间的减振发电装置；减振发电装置的减振部分包括减振缓冲单元和一对单轴直线导杆单元，发电部分包括由减振部分同步驱动的两摩擦供电单元，连接于两摩擦供电单元之间的两个电路管理单元，及连接于第二摩擦供电单元与负载之间的两固定电容器；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；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、第二极板组件，及与两极板组件形成往复式滑移摩擦的公共极板组件，两极板组件分别与公共极板组件构成两可变电容器。本背包系统结构紧凑且能提高电能输出效率。

Description

一种基于摩擦生电的能量收集背包系统

技术领域

本公开涉及箱包应用技术领域，具体为一种基于摩擦生电的能量收集背包系统。

背景技术

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。

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。

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，本申请人的课题组在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，本申请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。

现有技术：

[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/nn405175z

[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/c6tc05282g

[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.

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07498

[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.

https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v＝kxaUMs6x7-4I2jr5WTdXti3zQ9F92xu0jPYZ-6FemR80TpIUx9Y4vqcnVsRAJxFmz1ks88kUfuL7errdukqwr6aLd9xBRYrm&uniplatform＝NZKPT

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

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。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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。

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。

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。

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。

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。

本公开具有如下有益效果：

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。

附图说明

图1为本公开实施例提供的能量收集背包系统的整体结构示意图；

图2为图1所示能量收集背包系统中部分结构的爆炸示意图；

图3为图1所示能量收集背包系统的整体结构爆炸示意图；

图4为图1所示的能量收集背包系统中减振缓冲单元的结构示意图；

图5中(a)和(b)分别为图4所示减振缓冲单元中棘轮组件的整体结构示意图和爆炸示意图；

图6为图1所示能量收集背包系统中单轴直线导杆单元的结构示意图；

图7为图1所示能量收集背包系统中第一摩擦供电单元的结构爆炸示意图；

图8为图1所示能量收集背包系统中第二摩擦供电单元的结构爆炸示意图；

图9为图1所示能量收集背包系统中发电部分的基本工作原理示意图；

图10为图1所示能量收集背包系统中发电部分的具体工作电路结构示意图；

图11为图1所示能量收集背包系统中发电部分的电能输出电路结构示意图；

图12中(a)和(b)分别为图11中所示的电能输出调整BUCK电路在放电管导通与断开时的电流流向示意图；

图13中(a)和(b)分别为图1所示能量收集背包系统在锁紧和非锁紧状态下的振动幅度及背负作用力曲线图；

图14中(a)和(b)分别为图1所示能量收集背包系统在不同负载和不同驱动周期或频率作用下的振动幅度及背负作用力曲线图；

图15中(a)和(b)分别为图1所示能量收集背包系统中第一摩擦供电单元在不同驱动频率下导电电极两端的输出电压曲线与电流曲线图；

图16中(a)和(b)分别为图1所示能量收集背包系统中第二摩擦供电单元在不同驱动频率下导电电极两端的输出电压曲线与电流曲线图；

图17中(a)和(b)分别为图11所示的电能输出电路中开关S与A₁和A₂连接采用直接输出时的电流曲线图及局部A的放大电流曲线图；

图18中(a)和(b)分别为图11所示的电能输出电路中开关S与A₁和A₂连接采用直接输出时的电压曲线图及局部A的放大电流曲线图；

图19为图11所示的电能输出电路中开关S与B₁和B₂连接采用间接输出供能低压电子器件时的输出电压曲线图。

在图中：

10.背包本体；11.背包上板；15.背包下板；16.背带；20.减振发电装置；100.第一摩擦供电单元；101.电极基板；102.电极；103.摩擦层a1；104.摩擦层a2；105.第一驱动板；200.第二摩擦供电单元；201.第一缓冲层；202.电极一；203.摩擦层b1；204.摩擦层b2；205.电极二；206.基座；207.第二缓冲层；208.第二驱动板；209.连接件；310.减振缓冲单元；311.滑轮组；312.滑轮组基座；313.弹性绳；314.棘轮组件；3140.长螺栓；3141.棘轮件；3142.棘轮卡槽；3143.吊耳；3144.棘轮弹簧；315.支撑板；320.单轴直线导杆单元；321.动子连接件；322.滑块；323.直线导杆；324.导杆基座；410.第一电路管理单元；411.电容；412.二极管；413.稳压二极管；420.第二电路管理单元；510.第一固定电容器；520.第二固定电容器；600.BUCK电路单元；601.放电管；602.二极管；603.电感；604.电容。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

请参阅图1～图7，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10、背带16、与背包本体10可拆卸连接的背包上板11(本实施例中将背包本体10通过螺栓连接于背包上板11，可将背包本体10的尺寸更改为合适的尺寸大小以满足需求)、与背带16配合连接的背包下板15以及通过螺栓连接安装于背包上板11和背包下板15之间的减振发电装置20。其中，背包本体10用以盛装物品，背带16优选为双肩带形式。通常情况下，背包本体10、背带16和减振发电装置20组成一体联合使用。

所述减振发电装置20包括减振部分和发电部分两部分，减振部分用于约束背包本体10的运动自由度，使得背包上板11和背包下板15之间产生沿直线导杆轴向的相对滑动，并实现背包上板11和背包下板15之间的运动解耦以减轻人体负重，同时，减振部分还作为发电部分的驱动组件将背包本体10的惯性作用力作为动力输入至发电部分；发电部分基于摩擦生电原理将减振部分输入的动力转换为电能供外部的用电器件使用。其中：

减振部分由均关于背包下板15左右对称设置的减振缓冲单元310和一对单轴直线导杆单元320组成。减振缓冲单元310包括一对左右对称安装的滑轮组311，与各滑轮组311配套设置的滑轮组基座312、弹性绳313和棘轮组件314，以及用于将各滑轮组311和棘轮组件314与背包下板15进行安装固定的支撑板315；各滑轮组311均包括分别固定于相应滑轮组基座312和支撑板315且上下错位设置的两个定滑轮，弹性绳313(每个滑轮组中配有一根弹性绳313)一端缠绕于棘轮组件314上，另一端依次相切绕过滑轮组311中的两个定滑轮后固定连接于发电部分(具体为第二摩擦供电单元200内第二驱动板208的上板)。一对单轴直线导杆单元320固定装配于背包下板15的左右两侧，两侧单轴直线导杆单元320左右对称布置且具有相同的机械结构，均分别包括固定于背板下板15面向背包上板11一侧的导杆基座324、装配于导杆基座324上的直线导杆323、装配于直线导杆323上的滑块322和固定于滑块322上的动子连接件321，该动子连接件321与发电部分的动子固定连接；通过单轴直线导杆单元320约束背包本体10的运动自由度，使得背包上板11和背包下板15之间产生沿直线导杆轴向的相对滑动，并与减振缓冲单元310互相配合实现背包上板11和背包下板15之间的运动解耦，同时，减振部分还作为发电部分的驱动组件将背包本体10的惯性作用力作为动力输入至发电部分。

发电部分包括由减振部分同步驱动的第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200，连接于第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200之间的第一电路管理单元410和第二电路管理单元420，以及连接于第二摩擦供电单元200与负载之间的第一固定电容器510和第二固定电容器520；第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200分别与背包下板15和背包上板11通过螺栓连接，背包本体10与背包上板11、第二摩擦供电单元200的动子部分(更为具体的是第二驱动板208)和第一摩擦供电单元100的动子部分(更为具体的是第一驱动板105)一同与动子连接件321固定连接；第一摩擦供电单元100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；第二摩擦供电单元200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，以及在减振部分的驱动下与第一极板组件和第二极板组件形成往复式滑移摩擦的公共极板组件，第一极板组件与公共极板组件构成第一可变电容器，第二极板组件与公共极板组件构成第二可变电容器；当人体背负该背包行走时，背包本体10通过背包上板11和减振缓冲单元310将背包本体10的惯性作用力传递给第一摩擦供电单元100的动子部分，第一摩擦供电单元100的动子部分带动第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200中的各摩擦组件进行滑动摩擦并产生相应电荷，通过第一电路管理单元410将第一摩擦供电单元100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，输送至第二摩擦供电单元200的第一可变电容器和第一固定电容器510，实现对第一可变电容器和第一固定电容器510的充电过程，通过第二电路管理单元420将第一摩擦供电单元100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，输送至第二摩擦供电单元200的第二可变电容器和第二固定电容器520，实现对第二可变电容器和第二固定电容器520的充电过程；同时，第二摩擦供电单元200的公共极板组件在往复滑移的过程中，第一可变电容器和第二可变电容器分别存储来自于第一固定电容器510和第二固定电容器520的电荷，从而使得电荷在第一可变电容器与第一固定电容器510的同极性极板间形成的导电通路内来回流动，并在第二可变电容器与第二固定电容器520的同极性极板间形成的导电通路内来回流动。

本公开实施例提供的能量收集背包系统中除了减振发电装置20以外的组成部件皆与普通背包无异，因此，下文主要对减振发电装置20的具体实现方式做详细说明。

在一些实施例中，参见图4，减振缓冲单元310包括一对滑轮组311、与各滑轮组配套设置的一根弹性绳313和一个固定于背包下板15顶部的棘轮组件314，各滑轮组311包括固定于背包下板15且上下错位设置的两个滑轮311，各上滑轮分别通过相应的一个滑轮组基座312与固定于背包下板15上部的支撑板315固连(本实施例中，各滑轮组基座312分别通过螺钉固接于支撑板315上)，各下滑轮分别通过相应的一个滑轮组基座与背包下板15的下部固连。各弹性绳313依次相切穿过相应滑轮组311中的各滑轮槽，且滑轮组311与弹性绳313处于同一平面内，保证弹性绳313不受端面拉力；弹性绳313的材料可为弹性橡胶或尼龙。参见图5中(a)、(b)，各棘轮组件314包括由通过螺钉间隔固接于支撑板315端部的两吊耳3143组成的棘轮基座、通过长螺栓3140连接于该棘轮基座的棘轮件3141以及套设于长螺栓3140上的棘轮弹簧3144；棘轮件3141由共轴设置的棘轮盘和棘轮杆固定连接组成，棘轮盘和棘轮杆的中轴线处设有供长螺栓3140穿过的通孔，在棘轮基座的一个吊耳3143上成型有棘轮卡槽3142，该棘轮卡槽3142和棘轮盘具有相啮合的齿部并将棘轮件3141的棘轮盘内嵌于棘轮卡槽3142，通过长螺栓3140的松紧调整棘轮盘和棘轮卡槽3142之间的接触状态为彼此啮合或可相对旋转，弹性绳313的一端缠绕于棘轮件3141的棘轮杆上，通过转动棘轮件3141改变弹性绳313的工作长度，进而改变背包上板11与背包下板15之间的相对位置。本实施例提供的棘轮组件314采用棘轮盘内嵌于棘轮卡槽3142的形式，具有较高的安全可靠度；同时此棘轮组件314的受力平面与弹性绳313所在平面重合，不存在力偏心作用，增加了安全性；另外，此棘轮组件314结构集成度也相对较高，仅通过长螺栓3140的松紧实现弹性绳313长度刚度的调节，操作相对简单；最后，棘轮组件314的结构容易制造，且制作成本低。

在一些实施例中，参见图6，为位于背包下板15一侧的单轴直线导杆单元320，直线导杆323的两端分别通过一个导杆基座324固定安装于背包下板15上。第二驱动板208的面积较大，为了使得第二驱动板208能够沿着直线导轨323在同一平面内滑动，无端面位移，以保证第二摩擦供电单元200内的平板型电极一202和电极二205平整接触，直线导杆323上设有两个滑块322，每个滑块322上固定设有一个动子连接件321，通过该动子连接件321同时将第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200内的动子部分连接于滑块322上，实现对两摩擦供电单元的同步驱动。本实施例中采用直线滑杆结构可使得第一驱动板105和第二驱动板208可移动的行程更长，减小冲击；另外，直线滑杆结构中的滑块322有效保证背包不存在侧倾危险，且滑杆的刚度较好，有效保证第一驱动板105和第二驱动板208在平面内运动，从而保证其界面滑移情况；最后，直线滑杆具有结构简单，安装拆卸方便，设计制造成本低的优点。

可以理解的是，减振缓冲单元310中的弹性绳313一端连接背包上板11，另一端通过上下定滑轮组311连接于与背包下板15固定连接的支撑板315；背包上板11同时通过滑块322连接于直线导杆323，因此背包上板11可带动背包本体10一起在直线导杆323上滑动，产生相对于背包下板15的相对滑动，此相对滑动进而驱动发电部分进行电荷泵式的人体运动能量收集，完成机械能向电能的转化。

在一些实施例中，参见图7，第一摩擦供电单元100为对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机结构，包括动子部分和对称设置于动子部分两侧的定子部分，定子部分包括依次设置的电极基板101、电极102和摩擦层a1103，且摩擦层a1相较于电极基板101更靠近动子部分设置，摩擦层a1应完全覆盖电极102；动子部分包括通过连接件209与动子连接件321连接的第一驱动板105，在第一驱动板105面向定子部分的两侧分别固定设有摩擦层a2104，为了满足摩擦纳米发电机的发电原理，摩擦层a1和摩擦层a2为两种不同电负性的薄膜材料。具体地，电极基板101上面向动子部分的一侧蒸镀有一层不相连的金属导电电极作为电极102，且电极102为栅格形式分布，以此来提高第一摩擦供电单元100的电荷输出效率，电极基板101、电极102和摩擦层a1组成一个整体固定于第二摩擦供电单元内基座206的一面作为第一摩擦供电单元100内的固定组件即定子部分；第一驱动板105面向定子部分的两侧设有相同的栅格式凸起结构，优选地，该格栅式凸起结构与电极102的格栅形式的布设方式保持一致，两侧凸起结构表面皆设有一层摩擦层a2，第一驱动板105和摩擦层a2组成第一摩擦供电单元100的运动组件即动子部分，电极基板101的尺寸应覆盖第一驱动板105的运动范围。当第一驱动板105在随滑块322滑动的过程中，摩擦层a2和摩擦层a1相互接触摩擦，接触界面由于材料电负性不同而带上等量异种电荷，在两摩擦层界面中形成静电场，基于静电感应原理，电极102表面的电荷跟随第一驱动板105的运动而重新分布并持续不断进行，一块电极基板101上不相连的电极102的两个输出端作为第一摩擦供电单元的第一交流输出端从而对外输出等量的异种电荷，同样的，另一块电极基板101上不相连的电极102的两个输出端作为第一摩擦供电单元的第二交流输出端从而对外输出等量的异种电荷。

在一些实施例中，参见图8，第二摩擦供电单元200采用接触滑移式摩擦纳米发电机，第二摩擦供电单元200同时也可作为两个平行板可变电容器，自身作为摩擦纳米发电机输出电能的同时，也可储存来自第一摩擦供电单元100输出的电荷。第二摩擦供电单元200的组成包括定子部分和动子部分，定子部分包括与背包上板11固定连接的基座206以及固定设置在基座206上背向第一摩擦供电单元100一侧且保持彼此独立的第一极板组件和第二极板组件，第一极板组件和第二极板组件均分别包括依次设置的第一缓冲层(如海绵)201、电极一202和摩擦层b1 203，且第一缓冲层201相对于摩擦层b1更靠近基座206设置；公共极板组件作为第二摩擦供电单元200的动子部分包括依次设置的第二驱动板208、第二缓冲层(如海绵垫)207、电极二205和摩擦层b2204，且摩擦层b2相对于第二驱动板208更靠近摩擦层b1设置，为了实现摩擦纳米发电机的工作，摩擦层b1和摩擦层b2采用两种不同电负性的薄膜材料，薄膜材料同时也可隔绝上下电极一202和电极二205，此外，为了使得电极一202与电极二205彼此隔绝分离形成等效平行板电容器，摩擦层b1与摩擦层b2的面积要大于或等于其对应覆盖的电极面积，所以电极一202、电极二205、摩擦层b1、和摩擦层b2的尺寸均相等，在本实施例中均为等尺寸的矩形片状结构。具体地，第二摩擦供电单元200中电极一202和电极二205皆采用金属导电材料作为第二摩擦供电单元200的导电电极。第二摩擦供电单元200的组成中，依次叠层的第一缓冲层201、电极一202和摩擦层b1固定在基座206上作为第二摩擦供电单元200的固定组件，该固定组件在基座206上设有两组，两组固定组件之间设有一定间隙以免彼此接触；依次叠层的第二缓冲层207、电极二205和摩擦层b2204固定于第二驱动板208上作为第二摩擦供电单元200的运动组件即动子部分，其中第一缓冲层201和第二缓冲层207的作用为减震缓冲，以减少运动组件在往复滑动过程中的振动，同时确保第二摩擦供电单元200的摩擦层b1和摩擦层b2平面之间紧密接触，提高自身作为可变电容器的电容容量和作为摩擦纳米发电机的电荷产生效率。第二驱动板208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，该箱型结构中的上板与背包上板11通过螺栓固定连接。第二驱动板208一方面起连接背包上板11和第二摩擦供电单元200的作用，同时提供一定的垂直空间(指沿背板上板11和背包下板15间距方向的尺寸)，使得弹性绳313可以有伸长和缩短的空间，使得发电单元的垂直厚度具体为第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200的厚度加上第二驱动板208的厚度与直线导杆323和动子连接件321的厚度之和相当，使背包的核心功能结构在背包上板11和背包下板15之间，增加集成度，结构更加紧凑。

可以理解的是，本实施例中的第二摩擦供电单元200相对于第一摩擦供电单元100更靠近背包上板11设置，由于第一摩擦供电单元100的主要作用是产生电荷，需要介电材料间具有较好的摩擦，第一摩擦供电单元100在背包下板15上并靠近背部，有利于动子平稳较好的滑动，而第二摩擦供电单元200的主要作用是可变电容器，用于存储电荷，其对于接触情况要求不高。此外，可在第二驱动板208、背包上板11、背包下板15和基座206上设计镂空结构，以减轻背包系统的自重。

在一些实施例中，参见图10，第一电路管理单元410和第二电路管理单元420均为升压整流电路，其分别连接于第一摩擦供电单元100和第二摩擦供电单元200之间，具体地，第一电路管理单元410的交流输入端与第一摩擦供电单元100的第一交流输出端连接，第一电路管理单元410的直流正极输出端同时与第一固定电容器510的正极端和第二摩擦供电单元200中的第一极板组件连接，第一电路管理单元410的直流负极输出端同时与第一固定电容器510的负极端和第二摩擦供电单元200中的公共极板组件连接，第二电路管理单元420的交流输入端与第一摩擦供电单元100的第二交流输出端连接，第二电路管理单元420的直流正极输出端同时与第二固定电容器520的正极端和第二摩擦供电单元200中的第二极板组件连接，第二电路管理单元420的直流负极输出端同时与第二固定电容器520的负极端和第二摩擦供电单元200中的公共极板组件连接。当第一驱动板105连同第二驱动板208在背包上板11的带动下开始沿直线导杆323轴向同步滑动后，第一摩擦供电单元100由于摩擦纳米发电机的发电机理会向外输出交流电流，此时各电路管理单元将第一摩擦供电单元100产生的交流电流转化为直流电流输入第二摩擦供电单元200。第一电路管理单元410和第二电路管理单元420的结构相同，现以第一电路管理单元410为例进行说明。第一电路管理单元410由至少两个二极管412和与之相同数量的电容411组成，其中二极管之间依次同向串联进行连接，各个电容411交错串联于两个二极管412之间，故该升压整流电路可根据输出电路需求增添或删减一定数量的二极管和电容，但实际使用前须确保二极管和电容的数量相等，由于二极管的电流单向导通特性，与串联二极管正极方向同侧的电容极板也同为正极。为了稳定输出电压，在电路的两个输出端并联一个稳压二极管413，同时由于第一电路管理单元410中多个电容的串并联特性，使得第一电路管理单元410实现升压和整流的双重作用。

在一些实施例中，第一固定电容510和第二固定电容器520均为瓷片电容，第一固定电容510连接于第一电路管理单元410与第二摩擦供电单元200的第一可变电容器之间，第二固定电容520连接于第二电路管理单元420与第二摩擦供电单元200的第二可变电容器之间，经由两个电路管理单元输出的电荷在相应的固定电容与可变电容器之间来回流动，第二摩擦供电单元200作为两个平行板可变电容器。当第一驱动板105开始沿直线导杆的轴向滑动后，在第一摩擦供电单元100内部产生电荷，在连接件209作用下，第二摩擦供电单元200中的第二驱动板208也随着第一驱动板105一起进行同步运动，第二摩擦供电单元200中电极一202与电极二205的极板间的有效重合覆盖面积随着电极二205沿直线导杆323轴向的往复滑动不断变化，其电容容值也在不断增加与减小，故第二摩擦供电单元200的电荷储存能力也随之不断增加与减小。当第二摩擦供电单元200中第一可变电容器的电荷储存能力变弱(即第一可变电容器的电极一202与电极二205间的覆盖重合面积减小)时，原先位于第一可变电容器内的电荷将转移到第一固定电容器510中，而第二可变电容器的电荷储存能力变强，原先位于第二固定电容器520内的电荷将转移到第二可变电容中。反之，当第二摩擦供电单元200中第一可变电容器的电荷储存能力变强(第一可变电容器的电极一202与电极二205间的覆盖重合面积增大)时，位于第一固定电容器510中的电荷将流入或转移到第一可变电容器中，而第二可变电容器的电荷储存能力变弱，原先位于第二可变电容器内的电荷将转移到第二固定电容器520中，以此产生周期性的交变电流，当在相应的可变电容器与固定电容器的导电通路中接入负载时，将会有电能输出，以此实现电能的收集与存储。这样单个电极(即公共极板组件内的电极二205)的移动将驱动左右四个导电通路(具体指在第二摩擦供电单元200的公共极板组件与第一固定电容器510的一个极板间形成的电流通路、在第二摩擦供电单元200的第一极板组件与第一固定电容器510的另一个极板间形成的电流通路、在第二摩擦供电单元200的公共极板组件与第二固定电容器520的一个极板间形成的电流通路、以及在第二摩擦供电单元200的第二极板组件与第二固定电容器520的另一个极板间形成的电流通路)中的电荷流动以输出电能，较传统模式成倍增加了电流通路数，进而成倍增加了电能输出。

进一步地，参见图11，本公开实施例的能量收集背包系统还包括第一开关S₁、第二开关S₂和BUCK电路600，两开关均具有两个触点，用于控制发电部分的对外输出模式。当本公开实施例的发电部分对外输出电能时，将第一固定电容器510与第二固定电容器520的同极性极板进行相连作为整个发电部分的两个输出端，以实现电能的并联输出，输出模式分为高压小电流输出和低压大电流输出。具体为，将第一固定电容器510与第二固定电容器520的正极极板共同接入第一开关S₁，将第一固定电容器510与第二固定电容器520的负极极板共同接入第二开关S₂，并将第一开关S₁和第二开关S₂分别接入BUCK电路600的两端。当开关S₁、S₂分别与触点A₁、A₂接触时，BUCK电路600未接入系统中，此时的电能输出模式为高压小电流输出，以供能需要高压的用电器件如LED和荧光灯管等；当开关S₁、S₂分别与触点B₁、B₂接触时，BUCK电路600接入系统中，在BUCK电路600调节下电能输出模式为低压大电流输出，以供能需要低压的用电器件如温湿度传感器和电子表等。

进一步地，参见图12(图12中虚线示出的器件为未接入系统的器件，实线示出的器件为接入系统的器件)，BUCK电路600电路使用放电管来作为LC振荡电路的快速开关，包括放电管601、二极管602和LC振荡电路，发电部分的正极输出端通过开关S₁的触点B₁连接放电管601的一端，二极管602的正极与LC振荡电路中电感603的一端共同连接放电管601的另一端，电感603的另一端连接LC振荡电路中电容604的正极，电容604的负极与二极管602的正极共同通过开关S₂的触点B₂连接发电部分的负极输出端，负载的正极与电容604的正极连接，负载的负极与电容604的负极连接。BUCK电路600具有降低和稳定电压以及提高输出电流的作用。BUCK电路600的具体工作原理为：当放电管601导通时，参见图12中(a)，电流通过电感603给电容604充电以供能负载如电阻，此时二极管602不导通；当放电管601不导通时，参见图12中(b)，因为电感603的自感效应，电流瞬间的减小使得电感603自身变为一个有正负极性的电源，此时因为电容604里存有电荷自身也变为一个有正负极性的电源，在二极管602通路的作用下，一起供能负载如电阻；因此，无论放电管601是否导通，在BUCK电路600作用下，用负载都能有电能供给以支持其工作。

参见图13中(a)和(b)，本实施例的背包系统可以工作在锁紧(Lock)和非锁紧(Unlock)两种状态下，在锁紧状态下本背包系统和普通背包一样，只有在非锁紧状态下才会有减振省力作用。从图13中(a)可以得到在非锁紧状态下的负载振幅(L₂)小于锁紧状态下的负载振幅(L₁)；从图13中(b)可以得到在非锁紧状态下的背负力(F_unlock)小于锁紧状态下的背负力(F_lock)，因此可以得到，本实施例的背包系统可以实现减小负载振幅和背负力即减振省力作用。

参见图14中(a)和(b)，本实施例的背包系统在非锁紧状态下时，负载振幅随着负载质量的增加而减小，且背负力也有同样的趋势，这是因为越重的负载能够越容易克服摩擦发电过程中介电薄膜间的摩擦力，使得两者间的相对位移增大，负载的绝对位移变小，减小了振动与受力，如图14中(a)所示。当驱动频率越快(周期越小)即步频越快时，负载振动幅度减小但相同质量的背负力变大，这是因为负载振动越快，滑动摩擦力越小，振幅越小，但人体受到的冲击力越大，作用力就变大，如图14中(b)所示。

参见图15中(a)和(b)，本实施例中第一摩擦供电单元100的输出电压并不随着驱动频率或驱动周期的增加而增加(周期约小驱动频率越大)，而输出电流随着驱动频率的增加而增加，且输出电流存在负向电流，说明电流有正反向流动现象。参见图16中(a)和(b)，第二摩擦供电单元200的输出电压随着驱动频率的增加(周期减小)而增加，同时其电压稳定性较第一摩擦供电单元100的输出电压较稳定，其稳定电压的波动很小，曲线下降部分为停止驱动放电的过程。同时，第二摩擦供电单元200的输出峰值电流随着驱动频率的增加有略微的增加，但其电流幅值较第一摩擦供电单元的输出电流有显著的提升，证明该电荷泵结构不仅可以有效增加输出电压稳定性，而且对电流的增益作用显著。参见图17中(a)和(b)，当本实施例中发电部分采用高压小电流模式(参见图10)输出电能时，输出电流中存在脉冲放电现象，且随着驱动频率的增加，输出电流峰值随之而增加，较第二摩擦供电单元200的输出有更进一步的增益作用。参见图18中(a)和(b)，当本实施例中发电部分采用高压小电流模式输出电能时，输出电压中存在放电现象，且输出电压峰值随着驱动频率的增加而增加，同时，电压波动的最低电压在数千伏左右，最高电圧能达到万伏，显示了本实施例中发电部分的超高输出电压特性，增加其应用范围。参见图19，当本实施例中发电部分采用低压大电流模式输出电能时，因调节电路BUCK电路600中存在储能电容而呈现充放电现象，而在其稳定工作阶段时，电压曲线呈一种锯齿状的升高降低的循环现象，以此来支持用电器件持续工作。

本公开实施例的工作原理，叙述如下：

使用该背包系统时，将重物放入背包本体10，根据背包本体10内装有重物的质量来调整棘轮组件314，改变弹性绳313的松紧程度以适配对应的背负重量，达到减振缓冲的目的。具体为，若背负质量过大而导致背包本体10过于下垂，说明弹性绳313的收缩力不足以承受所背负的质量，此时需要调整棘轮组件314以增加弹性绳313的预紧力，从而使弹性绳313的收缩力足以承受当前的背负质量，使得背包本体10悬浮在中间平衡位置，此时，单轴直线导杆单元320的滑块322基本位于直线导杆323的有效工作长度的中点位置。

随后，人的双臂伸入背包的背带16以正常使用背包，当人背着背包进行行走或奔跑时，由于人体运动机制，人体的重心会在垂直于地面方向上产生上下往复波动，此时背包本体10在滑轮组311、弹性绳313和单轴直线导杆单元320的协同作用下与人体运动解耦，从而实现背包本体10相对于背包下板15进行相对滑动，背包本体10相对于地面的绝对位移则较小或几乎没有。具体为，当人在向前行走时，由双直立支撑状态变为双交叉支撑状态，人体重心会在行走跨步的瞬间下降，人体重心会先于背包相对地面降低。又由于背包本体10固定于背包上板11上，背包上板11通过第二驱动板208固定在动子连接件321上，动子连接件321跟随滑块322进行直线运动，同时又由于弹性绳313依次绕过上下两个定滑轮的滑轮槽，定滑轮皆通过螺栓连接于滑轮组基座312上，滑轮组基座312分别通过螺栓连接设置在背包下板15和支撑板315上，弹性绳313一端缠绕于棘轮组件314上，另一端则绕过滑轮组311后固定于第二驱动板208上，于是背包本体10可以通过单轴直线导杆单元320相对于背包下板15进行相对滑动。当人向前行走跨步时，人体重心下降的同时通过背带16带动背包下板15共同下降，弹性绳313随之被拉伸，滑块322同时与直线导杆323发生相对滑动，最终通过弹性绳313被拉伸延长的长度来实现背包本体10与背包下板15的相对位移，从而使背包本体10相对于地面的绝对位移较小或者几乎为零，而人体重心上升的过程则与下降的过程相似。因此，当人体行走或奔跑时，人体重心产生上下位移，背包本体10与背包下板15产生相对滑动，同时背包本体10相对地面呈现为“悬浮”状态，使得背包的重物质量对人体的冲击作用减少，实现减振缓冲、省力以及缓解人体肩部压力的效果。

第一摩擦供电单元100中的第一驱动板105与第二摩擦供电单元200中的摩擦层b2204、电极二205和第二驱动板208共同连接于动子连接件321，而第二驱动板208又与背包上板11固定，因此当人体行走或奔跑时，背包本体10与背包下板15产生相对滑动，同时将使第一摩擦供电单元100的运动组件与第二摩擦供电单元200的运动组件产生同步移动，其中第一摩擦供电单元100的运动组件包括摩擦层a2104和第一驱动板105，第二摩擦供电单元200的运动组件包括第二驱动板208、第二缓冲层207、电极二205和摩擦层b2204。在运动组件往复运动的过程中，第一摩擦供电单元100的摩擦层a1103和摩擦层a2104由于摩擦材料电负性不同，使得两个接触摩擦层带上等量异种电荷，同时在摩擦层之间会形成静电场，基于静电感应原理，第一摩擦供电单元内的电极102表面电荷跟随第一驱动板105的运动而重新分布并持续进行，不相连的电极102的两个输出端从而对外输出等量的异种电荷。

进一步地，第一摩擦供电单元100输出的交流电流分别经过第一电路管理单元410和第二电路管理单元420的升压整流作用后变为直流电或电荷，输出电荷随后流入第二摩擦供电单元200的两个可变电容器中，可变电容器收集由第一摩擦供电单元100输出的等量异种电荷，同时将残余电荷存储到左右两端相连的固定电容器510、520中，给第二摩擦供电单元200和两个固定电容器充电。当第一驱动板105开始运动后，系统内部产生电能，此时由于第二摩擦供电单元200内的第二驱动板208在连接件209作用下，也随着第一驱动板105进行同步滑动；第二摩擦供电单元200的电极二205与左或右侧电极一202的板间覆盖有效面积在不断增加或减小，其等效电容容值也在不断增加或减小，故第二摩擦供电单元200的电荷储存能力也随之不断增加或减小。当第二摩擦供电单元200的电荷储存能力变弱时，原先位于电极一202与电极二205表面的电荷可流入到左右的固定电容器510或520中；反之，当第二摩擦供电单元200的电荷储存能力变强时，固定电容器510或520中的电荷将返回流入到第二摩擦供电单元200中，以此在第二摩擦供电单元200与固定电容器间的导电通路中形成来回流动的振荡电荷，当其间接入电阻或电器时将会输出电能。

综上所述，本公开实施例提出一种基于摩擦生电的能量收集背包系统，包括背包本体、背包上板、背包下板、背带以及通过螺栓连接于背包上板和背包下板之间的减振发电装置；其中，减振发电装置包括第一摩擦供电单元、第二摩擦供电单元、关于背包下板左右对称装配的减振缓冲单元以及单轴直线导杆单元。使用该背包时，将重物放入背包本体，根据背包本体所装重物的质量来调整棘轮组件，改变弹性绳的松紧程度以适配不同的背负重量，随后，人的双臂伸入背带以正常使用背包，当人背着背包行走或奔跑时，由于人体的运动机制，人体的重心会上下往复位移，而背包本体通过减振部分可以相对地面呈现为“悬浮”状态，使得负载对人体的冲击作用大大减小，实现减振缓冲、省力以及缓解人体肩部压力的效果。采用直线导杆及其连接件，扩大了两个滑动子的垂直滑动范围，减小冲击力且摩擦阻力更小，故而减振省力效果更好。采用新型棘轮组件，更易实现调节弹性绳刚度，便于平衡负载重物质量，且锁紧效果更稳定。进一步，背包本体与背包下板产生的相对滑动将同时带动第一、第二摩擦供电单元的运动组件进行垂直往复运动，在运动组件滑动的过程中，由于摩擦材料电负性的不同，使得两个接触摩擦层带上等量异种电荷，同时采用新型电荷泵技术，利用第二摩擦供电单元中单个导电极板的运动同时驱动四个导电通路中电荷流动，较传统发电模式，既增加了导电极板的表面电荷密度又增加了导电通路数，显著增加了背包的电能输出和能量收集效率。此外，发电部分呈现沿背包下板至背包上板方向的“三明治”式垂直层叠平板状结构，产生初始电荷的第一摩擦供电单元位于背包下板一侧，输出电能的第二摩擦供电单元位于背包上板一侧，且两个供电单元的驱动件进行彼此同步联动。这种层叠式平板状结构，不仅节约了安装空间与面积，同时缩短了驱动件间的传动链，较传统分离式安装模式，结构更加紧凑，传动链更短，传动效率更高。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

在本公开实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“上下”、“左右”“共面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“固连”、“固接”、“粘附”、“胶接”、“粘结”、“涂覆”、“锁紧”等术语应做广义理解，例如，可以是固连连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连等，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于摩擦生电的能量收集背包系统，其特征在于，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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的能量收集背包系统，其特征在于，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；

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。

7.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。

10.根据权利要求9所述的能量收集背包系统，其特征在于，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。