APPLICATION OF KIRIGAMI AUXETIC MEMBRANES FOR ENHANCING THE RAINDROP ENERGY HARVESTER PERFORMANCE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Revised Thesis 3.pdf Restricted to Repository staff only until 20 January 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

مستخلص محمد أول الدين هاراهاف :الاسم الكامل استخدام أغشية كيريجامي المساعدة لتعزيز أداء حصادة طاقة قطرات المطر :عنوان الرسالة الهندسة الميكانيكية :المجال الرئيسي جمادى الأولى 1446هـ :تاريخ الحصول على الدرجة طاقة تأثير قطرات المطر باعتبارها أحد مصادر الطاقة الميكانيكية متاحة لتحويلها إلى طاقة كهربائية باستخدام عناصر كهرضغطية تعمل على تشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة التي يمكن أن تعمل في مناطق بعيدة دون الحاجة إلى استبدال البطارية أو أي صيانة أخرى مرتبطة بها. ومع ذلك، يصبح إنتاج الطاقة غير الكافي هو المشكلة الأساسية لنظام حصاد الطاقة من قطرات المطر. لقد حددنا هذا القيد ودرسنا الغشاء المساعد كيريجامي (KAM) لمعالجة المشكلة باستخدام الأساليب النظرية والتجريبية. يتكون KAM المقترح من نمط kirigami معقد يسمى KAM Type A و B و C ويمتلك نسبة بواسون سالبة (NPR) والتي تمكنهم من توسيع عنصر الضغط الانضغاطي المجهز في حصادة طاقة قطرة المطر بشكل أكثر فعالية في كلا الاتجاهين الطولي والعرضي. لوحظ أن فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) هو المادة المثالية للعنصر الانضغاطي في هذا البحث وتم اختيار حمض عديد اللبنيك (PLA) كمادة مكونة لأغشية كيريجامي المساعدة والركيزة والبنية الداعمة. بعد .ذلك، يتم تجميع المكونات بالكامل لإنشاء وحدة تجميع طاقة قطرات المطر توضح التجربة التي تم إجراؤها أن KAM Type B وC سيواجهان أكبر إزاحة بعد تلقي ضغط قطرة الماء عند 1.47 ميكرومتر و1.49 ميكرومتر. بمعنى آخر، سوف يقوم KAM Type B وC بنقل المزيد من تشوه الإجهاد إلى طبقة PVDF، وبالتالي سيتم تعزيز إنتاج الكهرباء. بعد ذلك، تمت دراسة واختبار تعزيز حصاد طاقة قطرات المطر المجهز بمجموعة من KAMs أيضًا. أظهرت النتائج أن الجمع بين KAMs وتكوين C + B + A سيعزز إنتاج الكهرباء بمضاعفة الطاقة حتى 3 عند 73.2 مللي فولت مقارنة بغشاء عادي مجهز بحصاد طاقة قطرات المطر والذي يمكنه توليد 24 مللي فولت فقط. يُعرف أيضًا مزيج KAM C+B+A بأنه التكوين الأكثر كفاءة ويشحن وحدة التخزين الكهربائية (المكثف) بشكل أسرع من المجموعات الأخرى لوميض لمبة صغيرة. إن الغشاء المساعد المرن لتجميع طاقة قطرات المطر المقترح في هذا البحث سوف يقدم فئة جديدة من التكنولوجيا النامية للتطبيقات الكهرضغطية. بالإضافة إلى ذلك، خاصة في المناطق التي تكثر فيها الأمطار، قد يعمل جهاز تجميع طاقة قطرات المطر المقترح على تشغيل العديد من المرافق العامة بما في ذلك الخيام .والأسقف المؤقتة والأغطية والأقمشة لتشغيل شاشات العرض الرقمية والإضاءة والاستشعار وميزات أخرى

English Abstract

Raindrop impact energy as one of the mechanical energy sources is available to be converted to electrical energy utilizing piezoelectric elements powering low-power devices that can operate in distant areas without the need for battery replacement or other associated maintenance. However, inadequate power production becomes the primary issue of the raindrop energy harvesting system. We identified that restriction and studied the kirigami auxetic membrane (KAM) to address the issue using theoretical and experimental methods. The proposed KAM is comprised of a complex kirigami pattern named KAM Type A, B, C and possesses negative Poisson’s ratio (NPR) which enables them to more effectively expand the piezo-element equipped in raindrop energy harvester in both longitudinal and transverse directions. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is observed to be the ideal material for the piezo-element in this research and polylactic acid (PLA) is chosen as the constituent material for the kirigami auxetic membranes, substrate, and supporting structure. Then, the whole components are assembled to create a raindrop energy harvester unit. The conducted experiment demonstrates that KAM Type B and C will experience the biggest displacement after receiving waterdrop pressure at 1.47 μm and 1.49 μm. In other words, the KAM Type B and C will transfer more stress deformation to the PVDF layer, and therefore the electricity output will be enhanced. Then, the raindrop energy harvester enhancement equipped with a combination of KAMs is studied and tested as well. The results showed that combining the KAMs with a C+B+A configuration will enhance the electricity output with a power multiplication up to 3 at 73.2 mV compared to the raindrop energy harvester equipped plain membrane that only can generate 24 mV. The combination of KAM C+B+A is also recognized as the most efficient configuration and charges the electrical storage (capacitor) faster than other combinations to flash a small bulb. The flexible auxetic membrane on raindrop energy harvesting proposed in this research will introduce a new class of developing technology for piezoelectric application. Additionally, especially in areas with a lot of rainfall, the suggested raindrop energy harvester might power various public facilities including tents, temporary roofs, coverings, and tarps to power digital displays, lighting, sensing, and other features.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	-, Dr. Muhammad A. Hawwa
Committee Members:	-, Dr. Abdulrahman Al-Ofi and -, Dr. Abubakar, Abba Abdulhamid
Depositing User:	MUHAMMAD HARAHAP (g202210180)
Date Deposited:	26 Jan 2025 06:00
Last Modified:	26 Jan 2025 06:00
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143265