نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع علوم کاربردی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

2 مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

چکیده

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 لایة فعال پیزوالکتریک در این نانوژنراتور، مواد پروسکایت PZT، PMN-PT و 3MAPbI به کار برده شد. همچنین با الکترودگذاری اینتردیجیتال برای بهره‌گیری از ضریب پیزوالکتریک طولی 33d در حین ارتعاش خمشی، سازة نانوژنراتور استفاده شده است. این نانوژنراتور متشکل از بستر منعطف پلیمر PET، یک لایة پیزوالکتریک بر روی آن و الکترود طلا ‌است که در ادامه با پلیمر اپوکسی 8  SU-کپسوله 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 وسیلة اعمال ولتاژ بالا به صفحة پیزوالکتریک از طریق الکترودها، توزیع پتانسیل الکتریکی در لایة پیزوالکتریک بعد از اعمال تنش مکانیکی، ولتاژ و توان الکتریکی خروجی در بسامد‏ ارتعاشی و رفتار وابسته به شتاب ( g2-25/0) در پاسخ به بسامد‏ تشدید‏ ارتعاشی شبیه‌سازی شد. بسامد‏ تشدید‏ محاسبه‌شده برای سه مادة پیزوالکتریک پروسکایت PZT، PMN-PT و 3MAPbIبه ترتیب 549 ، 5/560 و 631 هرتز به دست آمد. نتایج محاسبات در این سیستم نشان داد که مادة پیزوالکتریک PZT با الکترودگذاری اینتردیجیتال، بهترین عملکرد نسبت به سایر مواد پیزوالکتریک در پاسخ بسامد‏ی زیر کیلوهرتز برای برداشت انرژی ارتعاشی محیط را دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • H Nikbakht Kashkooli 1
  • A Assadi 2
  • P Boroojerdian 1

1 Department of Applied Science, Malek‎‏ ‏Ashtar University of Technology (MUT), Shahin Shahr‎‎, Iran

2 Faculty of Mechanics, Malek‏ ‏Ashtar University of Technology (MUT), , Iran

چکیده [English]

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, PMN-PT 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 SU-8 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 (0.25-2g) of the nanogenerator at resonance ‎frequency are investigated. The resonance frequency of the PZT, PMN-PT, 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 sub-kilohertz ambient vibration‎.‎‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • perovskite piezoelectric nanogenerator
  • interdigitated electrodes
  • high output power
  • fem ‎electromechanical simulation
  • vibration response
1-      K I Park, C K Jeong, et al., Nano Convergence 3 (2016) 1.
2-      Z Yang, S Zhou, et al., Joule 2 (2018) 642.
3-      K l Park, J H Son, et al., Advanced materials 26 (2014) 2514.
4-      M Safaei, H A Sodano, and S R Anton, Smart Materials and Structures 28 (2019) 113001.
5-      J Hao, W Li, J Zhai, and H Chen, Materials Science and Engineering: R: Reports 135 (2019) 1.
6-      A Assadi, and V S Nasrabad, IEEE transactions on nanotechnology 12 (2013) 775.
7-      V Jella, S Ippili, et al., Nano Energy 57 (2019) 74.
8-      S Nagakalyan, K L Narayana, and B R Kumar, ARPN journals 11 (2016) 9171.
9-      R Ding, H Liu, et al., Advanced Functional Materials 26 (2016) 7708.
10-  H Nikbakht, A E Shalan, et al., Energy Technology (2019) 1900728.
11-  V Jella, S Ippili, et al., Nano Energy 53 (2018) 46.
12-  M S Lee, C I Kim, et al., Energy 179 (2019) 373.
13-  M Ma, S Xia, et al., Applied Physics Letters 105 (2014) 043905.
14-  K F Wang and B L Wang, Composite Structures 153 (2016) 253.
15-  A Jemai, F Najar, et al., Composite Structures 135 (2016) 176.
16-  H Cho, J Park, and J Yeong Park, Micro and Nano Systems Letters 5 (2017) 1.
17-  Y B Jeon, et al., Sensors and Actuators A: Physical 122(2005) 16.
18-  A E Cohen and R R Kunz , Sensors and Actuators B: Chemical 62(2000) 23.
19-  E Choi, S Q Lee, et al., 5th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, (2010) 680.
20-  Y B Jeon, R Sood, et al., Sensors and Actuators A: Physical 122 (2005) 16.
21-  A M Alsaad, A A Ahmad, et al., Open Journal of Applied Sciences 9 (2019) 181.
22-  H Li, C Tian, and Z D Deng, Applied Physics Reviews 1 (2014) 041301.
23-  R Zhang, W Jiang, et al., In AIP conference proceedings 626 (2002) 188.
24-  S Liu, F Zheng, et al., The journal of Physical Chemistry Letters 7 (2016) 1460
25-  M S Lee, J Yun, et al., Japanese Journal of Applied Physics 56 (2017) 127101