Details

Object of study is MEMS-based piezoelectric cantilever energy harvester.  The aim is to investigate the output characteristics of energy harvesting devices.The following tasks were solved: 1.Literature review on energy harvesting systems. 2.Design a 3D model of the MEMS piezoelectric sensing element and calculate its output characteristics. 3.Construct equivalent circuits for bimorph cantilevers (parallel and series connections) based on the 3D model. 4.Model and calculate the output characteristics (voltage, power, energy) of the sensing element as a function of frequency under parallel and series connections, with an input mechanical pressure of 50 Pa, based on the bimorph cantilever. 5.Investigate the influence of the physical properties of piezoelectric materials (deformation, dielectric constant) on the output power. 6.Comparison analysis of the results As a result of the study, we developed a simulation model of a piezoelectric cantilever energy harvester: applying 50 Pa normal pressure at the free end alongside electrical constraints. The frequency-domain and load-dependency analyses were conducted to quantify output characteristics including voltage, mechanical power, and electrical power. All the simulation are based on the COMSOL Multiphysics platform.

Работа посвящена исследованию пьезоэлектрический консольный сборщик энергии на основе МЭМС. Цель работы – исследовать выходные характеристики устройств сбора энергии. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Разработать 3D-модель пьезоэлектрического чувствительного элемента МЭМС и рассчитать его выходные характеристики на основе литературы по системам сбора энергии; 2. Построить эквивалентные схемы для биморфных кантилеверов (параллельное и последовательное соединение) на основе 3D-модели; 3. Смоделировать и рассчитать выходные характеристики (напряжение, мощность, энергия) чувствительного элемента в зависимости от частоты при параллельном и последовательном соединении, с входным механическим давлением 50 Па, на основе биморфного кантилевера; 4. Исследовать влияние физических свойств пьезоэлектрических материалов (деформация, диэлектрическая проницаемость) на выходную мощность, сравнительный анализ результатов. В результате исследования мы разработали имитационную модель пьезоэлектрического консольного сборщика энергии: приложение нормального давления 50 Па к свободному концу наряду с электрическими ограничениями. Все моделирование основано на платформе COMSOL Multiphysics.