基于风致振动机理的MEMS微型风力发电机研究中文摘要

针对现有MEMS微型风力发电机输出功率过低等问题，提出基于风致振动机理的MEMS微型风力发电机新结构，该发电机同时利用压电效应和电磁感应实现机电转换以提高机电转换效率，利用发电机表面微突起/沟槽来改变流场以提高环境风能获取效率。该发电机同时从风能获取效率和机电转换效率两个方面入手提高能量转换效率，有望大幅提高MEMS微型风力发电机的输出性能，促进其应用。通过对新型MEMS微型风力发电机相关的风致振动机理、理论模型、设计方法、加工工艺、管理电路和封装测试方法等开展深入研究，突破相关基础理论与关键技术，研制出具有较高输出功率的MEMS微型风力发电机原理样机，完成发电机性能测试，为MEMS微型风力发电机的研究与应用奠定一定的理论与技术基础。本项目提出的新型MEMS微型风力发电机具有小体积、低成本、长寿命和易集成等诸多优点，在环境监测、国土安全监测等领域具有广阔应用前景。

针对现有MEMS微型风能采集器输出功率低，难以无线传感网络和其他自供能微系统的用电需求等问题，研究了提高风能采集器能量采集效率和机电转换效率的方法与结构。根据口琴的构造，提出并研制出了带谐振腔的微型风能采集器，提高了风能的采集效率；提出并研制了电磁/压电复合的微型风能采集器，其同时利用压电效应和电磁感应实现机电转换，以提高机电转换效率。 建立了MEMS压电能量采集器的集总参数模型和分布参数模型，考虑了逆压电效应对运动微分方程的影响，在集总参数模型中还考虑了逆压电效应对耦合电路方程的影响，得到了MEMS压电能量采集器固有频率、输出电压等参数的解析表达式，根据集总参数模型，以在同样大的加速度激励下输出功率最高为目标，对MEMS压电能量采集器的质量块长度、电极长度进行了优化设计，得到了MEMS压电能量采集器的优化结构。 设计并研制出一个操作方便、低运行成本、易维护的小型风洞，并基于该风洞建立了微型风能采集器测试平台，为开展MEMS风能采集器基础理论研究和性能测试与评价方法研究，以及高性能MEMS风能采集器的开发提供了良好的实验平台。 基于反应溅射，对（0 0 2）择优取向氮化铝压电薄膜的制备工艺开展了系统研究，对气体流量比、真空度、溅射功率、温度和靶距等工艺参数进行了优化，分析了下电极材料、种子层等对薄膜性能的影响，得到了高性能氮化铝薄膜的优化工艺。研究了电极材料、氮化铝薄膜等的湿法腐蚀兼容性，研究了基于干法深刻蚀工艺的柔性结构释放工艺，形成了硅基MEMS压电能量采集器的工艺流程，研制出高性能MEMS压电能量采集器芯片。 提出并研制出基于MEMS能量采集单元的碰撞式微型风能采集器，通过引入碰撞，实现了利用高频硅基MEMS压电能量采集单元采集速度较低的风能的目的。在小型风洞内对研制出的MEMS压电能量采集器芯片进行了测试，实验结果表明，其输出电压和输出功率远高于目前文献报道的MEMS压电风能采集器。 2100433B

桥梁跨度大幅度增长带来的主要问题是结构刚度的急剧下降，这就使得风致振动对桥梁安全性的影响更加重要。在各种风致振动中对桥梁稳定、安全和使用性能影响最大的是自激振动。要澄清桥梁自激振动的发生机理就必须深入理解风与桥梁结构间的相互作用和能量传递原理，而这正是目前风振机理研究方面所欠缺和亟待解决的问题。.本项目采用桥梁风振能量分析和CFD数值分析，同PIV流场显示和节段模型试验相结合的方法，建立宏观和细观层面的桥梁风振能量分析方法，研究大跨度桥梁典型断面的自激振动能量在各自由度间的传递和分配规律，以及非定常自激力的做功规律，揭示桥梁结构与绕流气流之间的能量传递和转化规律，并从系统能量分析入手研究大跨度桥梁风振气动控制方法的控制原理。目的是获取对桥梁风致自激振动发生内在机理以及桥梁风振气动控制原理的深入认识，从而提升抗风研究的层次和水平，为我国跨海大跨度桥梁建设的安全性和经济性提供必要的理论支撑。 2100433B

桥梁风致振动的经典理论体系是在40年代－70年代发展起来的。主要适用于悬索桥结构。80年代以来作了一些改进，使之基本适用于斜拉桥的抗风研究。但是经典抗风理论已越来越不能适应现代桥梁结构的发展，并且也出现了一些新的抗风课题。因此，有必要开展能适用于现代桥梁结构的风致振动与控制的现代理论体系研究。现代理论的核心是要摆脱只计主梁气动力作用等经典理论基本假定的限制，研究其它重要构件的气动力荷载的特性、表达方式与测定方法，进而建立计及全部主要构件（梁、索、塔）气动力荷载的改进的桥梁颤振与抖振理论。现代理论研究也包括紊流效应以及现代控制理论的深入研究。如同经典抗风理论促进了轻柔大跨悬索桥的发展一样，现代抗风理论将会对超大跨度桥梁以及复合材料轻型桥梁的发展起到巨大促进作用。