基於風致振動機理的MEMS微型風力發電機研究

《基於風致振動機理的MEMS微型風力發電機研究》是依託重慶大學，由賀學鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於風致振動機理的MEMS微型風力發電機研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賀學鋒
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

針對現有MEMS微型風力發電機輸出功率過低等問題，提出基於風致振動機理的MEMS微型風力發電機新結構，該發電機同時利用壓電效應和電磁感應實現機電轉換以提高機電轉換效率，利用發電機表面微突起/溝槽來改變流場以提高環境風能獲取效率。該發電機同時從風能獲取效率和機電轉換效率兩個方面入手提高能量轉換效率，有望大幅提高MEMS微型風力發電機的輸出性能，促進其套用。通過對新型MEMS微型風力發電機相關的風致振動機理、理論模型、設計方法、加工工藝、管理電路和封裝測試方法等開展深入研究，突破相關基礎理論與關鍵技術，研製出具有較高輸出功率的MEMS微型風力發電機原理樣機，完成發電機性能測試，為MEMS微型風力發電機的研究與套用奠定一定的理論與技術基礎。本項目提出的新型MEMS微型風力發電機具有小體積、低成本、長壽命和易集成等諸多優點，在環境監測、國土安全監測等領域具有廣闊套用前景。

結題摘要

針對現有MEMS微型風能採集器輸出功率低，難以無線感測網路和其他自供能微系統的用電需求等問題，研究了提高風能採集器能量採集效率和機電轉換效率的方法與結構。根據口琴的構造，提出並研製出了帶諧振腔的微型風能採集器，提高了風能的採集效率；提出並研製了電磁/壓電複合的微型風能採集器，其同時利用壓電效應和電磁感應實現機電轉換，以提高機電轉換效率。 建立了MEMS壓電能量採集器的集總參數模型和分布參數模型，考慮了逆壓電效應對運動微分方程的影響，在集總參數模型中還考慮了逆壓電效應對耦合電路方程的影響，得到了MEMS壓電能量採集器固有頻率、輸出電壓等參數的解析表達式，根據集總參數模型，以在同樣大的加速度激勵下輸出功率最高為目標，對MEMS壓電能量採集器的質量塊長度、電極長度進行了最佳化設計，得到了MEMS壓電能量採集器的最佳化結構。 設計並研製出一個操作方便、低運行成本、易維護的小型風洞，並基於該風洞建立了微型風能採集器測試平台，為開展MEMS風能採集器基礎理論研究和性能測試與評價方法研究，以及高性能MEMS風能採集器的開發提供了良好的實驗平台。 基於反應濺射，對（0 0 2）擇優取向氮化鋁壓電薄膜的製備工藝開展了系統研究，對氣體流量比、真空度、濺射功率、溫度和靶距等工藝參數進行了最佳化，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最佳化工藝。研究了電極材料、氮化鋁薄膜等的濕法腐蝕兼容性，研究了基於乾法深刻蝕工藝的柔性結構釋放工藝，形成了矽基MEMS壓電能量採集器的工藝流程，研製出高性能MEMS壓電能量採集器晶片。 提出並研製出基於MEMS能量採集單元的碰撞式微型風能採集器，通過引入碰撞，實現了利用高頻矽基MEMS壓電能量採集單元採集速度較低的風能的目的。在小型風洞內對研製出的MEMS壓電能量採集器晶片進行了測試，實驗結果表明，其輸出電壓和輸出功率遠高於目前文獻報導的MEMS壓電風能採集器。