垂直轴风力发电机风能利用率低的问题影响了其进一步的应用推广。能量利用率的提升依靠结构改进已难以取得突破,致使从流固协同作用的结构中获取振动能量并收集利用成为当前研究热点。利用压电效应俘获流固结构的振动能是一种比较高效、简洁的俘能方式,为提升风力发电机风能利用率提供了新的研究思路。因此,本文研究与风致振动引起的风轮叶片变形完全适应相合的一体化压电俘能器,最大程度的将变形能转变为电能。以压电效应能量收集理论和叶轮流场的复杂多维场的压力梯度分布为依据,提出俘能器分段电极优化方法,研究与叶片结构相匹配的压电元件布局方式,提高风力发电机整机的能量利用率。主要研究内容如下:首先,分析垂直轴风力发电机实际工况下复杂流场能量耗散规律。针对风力发电机俘能环境具有动态性和不确定性的问题,建立垂直轴风力发电机风轮内部能量流动模型,通过风轮内部非定常流场分析结果确定风轮叶片作为能量俘获结构,并研究叶片表面受力和能量梯度分布规律,为俘能器在风轮叶片上的布置奠定基础。其次,建立叶片风致振动能量俘获结构流-固-电多场耦合模型。针对以往模型研究中对俘能器环境耦合作用考虑不全面的问题,以俘能器机电耦合模型为基础,扩展叶素-动量理论添加流场三维效应,形成俘能结构多物理场协同作用的耦合分布参数模型。然后,结合能量梯度分布规律和多物理场协同作用分析中俘能结构起振风速5m/s,在叶片上进行能量转化最大化为目标的压电片最优布局,实现多压电片组成俘能网栅结构与叶片变形敏感区结构适应性匹配设计。此外,也研究了压电片厚度变化对风轮气动性能的影响情况。结果表明:当压电片厚度为0.2mm时,风力发电机功率系数比原型提升了16.7%。最后,设计了风力发电机风致振动压电能量俘获实验平台,进行不同风速5～12m/s下的俘能性能实验。实验结果表明:在10m/s的来流风速下,单个俘能器最大输出电压为3.8V。虽然由于实验条件限制,导致俘能器输出电压小于理论值,但也表现出较好的发电性能,从而验证了风致振动压电俘能器相关研究具有可行性和应用价值。综上,本文以压电效应能量收集理论和多学科交叉多场耦合模型为基础,提出以风致振动能量俘获技术来实现风轮耗散能量的收集方法,实现提高风能量利用率。基于压电效应的风轮变形适应性俘能器收集能量的新思路,可以更好地将俘能器结构与风轮结构变形区域进行适应性匹配设计,使气动荷载与压电输出响应特性良好地结合。以上内容为风致振动能量俘获器的理论研究和工程应用提供了一定的借鉴作用。