Numerical and Experimental Investigation of Coupled Beams Array for Vibration Energy Harvesting Applications. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Dissertation 201401700 Hammam eprint.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2024. Download (25MB)

Arabic Abstract

الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو استخدام مناهج ديناميكيات غير خطية لتصميم واستخدام هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد لحصاد الطاقة القائم على الاهتزاز. يمكن أن توسع اللاخطية التي يتم تقديمها بشكل طبيعي في العديد من الهياكل عرض النطاق الترددي لحاصدة الطاقة. هنا ، نستخدم الهياكل المقترنة الضعيفة المصممة باستخدام طريقة العناصر المحدودة ( FEM ) والمبنية باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. علاوة على ذلك ، تم دمج العناصر الكهروإجهادية في الهياكل لتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. تساهم هذه الدراسة في تقدم المعرفة في مجالات حصاد طاقة الاهتزاز والهندسة الإنشائية وتؤكد على أهمية النظر في الخصائص الديناميكية للهياكل في عملية التصميم. كشف التحقيق عن فائدتين أساسيتين للهياكل المقترنة لحصاد طاقة الاهتزاز: حدوث الرنين الداخلي والقدرة على تحقيق الرنين على ترددات متعددة في وقت واحد. وجد أن استخدام الحزم المتعددة في تكوين هيكل مقرن مفيد في تضخيم سعة الاهتزاز وتوسيع نطاق الترددات التي يمكن من خلالها حصاد الطاقة بشكل فعال. بشكل عام ، توفر هذه الدراسة رؤى قيمة حول تحسين الهياكل المقترنة لحصاد طاقة الاهتزاز ، مع آثار كبيرة على تطوير تقنيات الطاقة المستدامة. وأخيرًا ، يتم التحقيق في مفهوم الأنظمة الهجينة كوسيلة لتحسين أداء حصاد الطاقة من خلال دمج المواد الكهروحرارية. من خلال محاكاة باستخدام ( FEM ) ، يتم فحص فعالية ( Bismuth Telluride ) في تحسين حصاد الطاقة القائم على الاهتزاز ، مع إمكانية تطوير أجهزة حرارية مرنة وقابلة للتكيف ناتجة عن نتائج هذه الدراسة.

English Abstract

The main objective of this dissertation is to employ nonlinear dynamics approaches to design and employ 3d printed structures for vibration-based energy harvesters. Nonlinearities which are naturally presented in many structures can broaden the frequency bandwidth of the energy harvester. Here, we utilize weakly coupled structures designed using the finite element method (FEM) and built using 3D printing technology. Furthermore, piezoelectric elements were incorporated into the structures to transform kinetic energy into electrical energy. This study contributes to the advancement of knowledge in the fields of vibration energy harvesting and structural engineering and emphasizes the importance of considering the dynamic properties of structures in the design process. The investigation revealed two primary benefits of coupled structures for vibration energy harvesting: the occurrence of internal resonance and the capacity to achieve resonance at multiple frequencies simultaneously. The utilization of multiple beams in a coupled structure configuration was found to be beneficial in amplifying vibration amplitudes and expanding the range of frequencies over which energy can be effectively harvested. Overall, this study provides valuable insights into the optimization of coupled structures for vibration energy harvesting, with significant implications for the development of sustainable energy technologies. Finally, the concept of hybrid systems is investigated as a way to enhance the performance of energy harvesting by integrating thermoelectric materials. Through a simulation utilizing FEA, the efficacy of Bismuth Telluride in improving vibration-based energy harvesting is examined, with the possibility of developing flexible and adaptable thermoelectric devices resulting from this study's findings.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Hawwa, Muhammad
Committee Members:	Al-Athel, Khaled and Bashmal, Salem and Abdelrahman, Wael
Depositing User:	HAMMAM DARAGHMA (g201401700)
Date Deposited:	25 Dec 2023 08:40
Last Modified:	25 Dec 2023 08:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142680