基于風(fēng)致振動機(jī)理的MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究中文摘要

針對現(xiàn)有MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率過低等問題，提出基于風(fēng)致振動機(jī)理的MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)新結(jié)構(gòu)，該發(fā)電機(jī)同時利用壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換以提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，利用發(fā)電機(jī)表面微突起/溝槽來改變流場以提高環(huán)境風(fēng)能獲取效率。該發(fā)電機(jī)同時從風(fēng)能獲取效率和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率兩個方面入手提高能量轉(zhuǎn)換效率，有望大幅提高M(jìn)EMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出性能，促進(jìn)其應(yīng)用。通過對新型MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)的風(fēng)致振動機(jī)理、理論模型、設(shè)計(jì)方法、加工工藝、管理電路和封裝測試方法等開展深入研究，突破相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有較高輸出功率的MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理樣機(jī)，完成發(fā)電機(jī)性能測試，為MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究與應(yīng)用奠定一定的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目提出的新型MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有小體積、低成本、長壽命和易集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、國土安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

針對現(xiàn)有MEMS微型風(fēng)能采集器輸出功率低，難以無線傳感網(wǎng)絡(luò)和其他自供能微系統(tǒng)的用電需求等問題，研究了提高風(fēng)能采集器能量采集效率和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的方法與結(jié)構(gòu)。根據(jù)口琴的構(gòu)造，提出并研制出了帶諧振腔的微型風(fēng)能采集器，提高了風(fēng)能的采集效率；提出并研制了電磁/壓電復(fù)合的微型風(fēng)能采集器，其同時利用壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，以提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。 建立了MEMS壓電能量采集器的集總參數(shù)模型和分布參數(shù)模型，考慮了逆壓電效應(yīng)對運(yùn)動微分方程的影響，在集總參數(shù)模型中還考慮了逆壓電效應(yīng)對耦合電路方程的影響，得到了MEMS壓電能量采集器固有頻率、輸出電壓等參數(shù)的解析表達(dá)式，根據(jù)集總參數(shù)模型，以在同樣大的加速度激勵下輸出功率最高為目標(biāo)，對MEMS壓電能量采集器的質(zhì)量塊長度、電極長度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了MEMS壓電能量采集器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)并研制出一個操作方便、低運(yùn)行成本、易維護(hù)的小型風(fēng)洞，并基于該風(fēng)洞建立了微型風(fēng)能采集器測試平臺，為開展MEMS風(fēng)能采集器基礎(chǔ)理論研究和性能測試與評價方法研究，以及高性能MEMS風(fēng)能采集器的開發(fā)提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺。 基于反應(yīng)濺射，對（0 0 2）擇優(yōu)取向氮化鋁壓電薄膜的制備工藝開展了系統(tǒng)研究，對氣體流量比、真空度、濺射功率、溫度和靶距等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，分析了下電極材料、種子層等對薄膜性能的影響，得到了高性能氮化鋁薄膜的優(yōu)化工藝。研究了電極材料、氮化鋁薄膜等的濕法腐蝕兼容性，研究了基于干法深刻蝕工藝的柔性結(jié)構(gòu)釋放工藝，形成了硅基MEMS壓電能量采集器的工藝流程，研制出高性能MEMS壓電能量采集器芯片。 提出并研制出基于MEMS能量采集單元的碰撞式微型風(fēng)能采集器，通過引入碰撞，實(shí)現(xiàn)了利用高頻硅基MEMS壓電能量采集單元采集速度較低的風(fēng)能的目的。在小型風(fēng)洞內(nèi)對研制出的MEMS壓電能量采集器芯片進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其輸出電壓和輸出功率遠(yuǎn)高于目前文獻(xiàn)報(bào)道的MEMS壓電風(fēng)能采集器。 2100433B

橋梁跨度大幅度增長帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的急劇下降，這就使得風(fēng)致振動對橋梁安全性的影響更加重要。在各種風(fēng)致振動中對橋梁穩(wěn)定、安全和使用性能影響最大的是自激振動。要澄清橋梁自激振動的發(fā)生機(jī)理就必須深入理解風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)間的相互作用和能量傳遞原理，而這正是目前風(fēng)振機(jī)理研究方面所欠缺和亟待解決的問題。.本項(xiàng)目采用橋梁風(fēng)振能量分析和CFD數(shù)值分析，同PIV流場顯示和節(jié)段模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立宏觀和細(xì)觀層面的橋梁風(fēng)振能量分析方法，研究大跨度橋梁典型斷面的自激振動能量在各自由度間的傳遞和分配規(guī)律，以及非定常自激力的做功規(guī)律，揭示橋梁結(jié)構(gòu)與繞流氣流之間的能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律，并從系統(tǒng)能量分析入手研究大跨度橋梁風(fēng)振氣動控制方法的控制原理。目的是獲取對橋梁風(fēng)致自激振動發(fā)生內(nèi)在機(jī)理以及橋梁風(fēng)振氣動控制原理的深入認(rèn)識，從而提升抗風(fēng)研究的層次和水平，為我國跨海大跨度橋梁建設(shè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供必要的理論支撐。 2100433B

橋梁風(fēng)致振動的經(jīng)典理論體系是在40年代－70年代發(fā)展起來的。主要適用于懸索橋結(jié)構(gòu)。80年代以來作了一些改進(jìn)，使之基本適用于斜拉橋的抗風(fēng)研究。但是經(jīng)典抗風(fēng)理論已越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并且也出現(xiàn)了一些新的抗風(fēng)課題。因此，有必要開展能適用于現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動與控制的現(xiàn)代理論體系研究?，F(xiàn)代理論的核心是要擺脫只計(jì)主梁氣動力作用等經(jīng)典理論基本假定的限制，研究其它重要構(gòu)件的氣動力荷載的特性、表達(dá)方式與測定方法，進(jìn)而建立計(jì)及全部主要構(gòu)件（梁、索、塔）氣動力荷載的改進(jìn)的橋梁顫振與抖振理論?，F(xiàn)代理論研究也包括紊流效應(yīng)以及現(xiàn)代控制理論的深入研究。如同經(jīng)典抗風(fēng)理論促進(jìn)了輕柔大跨懸索橋的發(fā)展一樣，現(xiàn)代抗風(fēng)理論將會對超大跨度橋梁以及復(fù)合材料輕型橋梁的發(fā)展起到巨大促進(jìn)作用。