شبیه سازی الکترومکانیکی و تحلیل نانوژنراتور کانتیلور تک لایۀ پیزوالکتریک پروسکایت با الکترودگذاری اینتردیجیتال در کاربرد برداشت انرژی ارتعاشی ‏

در این مقاله، نانوژنراتور کانتیلور تک‌لایۀ پیزوالکتریک با توانایی تولید ولتاژ خروجی بالا در پاسخ به ارتعاش مکانیکی با استفاده از روش المان محدود به صورت 3 بعدی شبیه‌سازی شد. برای لایۀ فعال پیزوالکتریک در این نانوژنراتور، مواد پروسکایت pmn-pt، pzt و mapbi3 به کار برده شد. همچنین با الکترودگذاری اینتردیجیتال برای بهره‌گیری از ضریب پیزوالکتریک طولی d33 در حین ارتعاش خمشی، سازۀ نانوژنراتور استفاده شده است. این نانوژنراتور متشکل از بستر منعطف پلیمر pet، یک لایۀ پیزوالکتریک بر روی آن و الکترود طلا ‌است که در ادامه با پلیمر اپوکسی 8-suکپسوله شده است. به ‌منظور صحت‌سنجی روش حل نرم‌افزاری نانوژنراتور، نتایج شبیه‌سازی حاضر با دو پژوهش تجربی مقایسه و سپس همگرایی نتایج ولتاژ خروجی با تغییر ابعاد المان‌بندی شبکه بررسی شد. قطبی‌شدگی به وسیلۀ اعمال ولتاژ بالا به صفحۀ پیزوالکتریک از طریق الکترودها، توزیع پتانسیل الکتریکی در لایۀ پیزوالکتریک بعد از اعمال تنش مکانیکی، ولتاژ و توان الکتریکی خروجی در بسامد‏ ارتعاشی و رفتار وابسته به شتاب ( g 0/2-25) در پاسخ به بسامد‏ تشدید‏ ارتعاشی شبیه‌سازی شد. بسامد‏ تشدید‏ محاسبه‌شده برای سه مادۀ پیزوالکتریک پروسکایت pzt، pmn-pt و mapbi3به ترتیب 549 ، 560/5 و 631 هرتز به دست آمد. نتایج محاسبات در این سیستم نشان داد که مادۀ پیزوالکتریک pzt با الکترودگذاری اینتردیجیتال، بهترین عملکرد نسبت به سایر مواد پیزوالکتریک در پاسخ بسامد‏ی زیر کیلوهرتز برای برداشت انرژی ارتعاشی محیط را دارد.

Electromechanical simulation and analysis of perovskite piezoelectric ‎unimorph cantilever nanogenerator with interdigitated electrodes in ‎vibration energy harvesting application

This paper addresses a unimorph cantilevered piezoelectric nanogenerator having high ‎output power through vibrational energy harvesting that is simulated using finite element ‎method (FEM). The simulations are done for three types of perovskite piezoelectric ‎materials including PZT, PMNPT and MAPbI3. The interdigitated electrodes were ‎exploited‏ ‏to obtain longitudinal vibration mode using d33 mode of piezoelectric layer during ‎the bending of nanogenerator structure. The presented structure consists of a piezoelectric ‎nanolayer with gold interdigitated electrodes on it, which is placed on a flexible PET ‎polymeric substrate. To encapsulate the piezoelectric layer, an SU8 epoxy is placed over ‎the surface. The poling process is also simulated by applying high voltage through IDs to ‎piezoelectric layer. Generally, the electric potential distribution of the piezoelectric layer ‎must be performed by applying mechanical loadings. Then the output voltage, ‎power for free vibrations and base excitation (0.252g) of the nanogenerator at resonance ‎frequency are investigated. The resonance frequency of the PZT, PMNPT, and MAPbI3 were ‎calculated to be 549 Hz, 560.5 Hz and 631 Hz, respectively. We found that PZT ‎piezoelectric materials yields maximum output voltage and electrical power values of 91.69 ‎V and 350 mW which shows better performance in vibrational energy harvesting ‎application. In comparison, the results of the simulation implied a good agreement with ‎other experimental studies. The unimorph piezoelectric energy harvester system generates ‎high voltage and output power in response to subkilohertz ambient vibration‎.‎‎