Piezoelectric Vibration Energy Harvesting from HVAC Equipment for Self-Powered IoT Sensors. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdelrahem Mahgoub - (Eprint) .pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 15 June 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُمثّل الاهتزازات الميكانيكية الناتجة عن أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) مصدراً متاحاً باستمرار، ولكنه غير مستغل بالشكل الكافي، من مصادر الطاقة المحيطة داخل المباني. ونظراً لأن مكونات مثل المراوح والمضخات والضواغط تعمل عادةً ضمن نطاق الترددات المنخفضة من 10 إلى 250 هرتز، فإنها تتيح إمكانية تشغيل أجهزة استشعار منخفضة الاستهلاك للطاقة المستخدمة في تطبيقات المباني الذكية. هدفت هذه الدراسة إلى تصميم ونمذجة وتحسين وتصنيع والتحقق التجريبي من حصّاد طاقة اهتزازية كهرضغطية مستوحى من الطبيعة ومخصص لبيئات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. شمل هذا العمل تقييماً عددياً مقارناً للأشكال التقليدية للعتبات الكابولية، ومواد الركيزة، والتصميمات المستوحاة من الطبيعة، تلاه تطوير حصّاد متعدد الأجنحة مستوحى من الفراشة، يدمج غشاءً كهرضغطياً من نوع PVDF مع ركيزة من مادة PLA مصنّعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. كما تم إنشاء نموذج كهروميكانيكي مقترن باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics لتقييم السلوك النمطي، والاستجابة التوافقية، وتوزيع الانفعال، وجهد الخرج، والقدرة الكهربائية المحصودة تحت تأثير إثارة القاعدة. كذلك جرى فحص طوبولوجيات التوصيل الكهربائي بهدف تحديد التهيئة المناسبة المطابقة للحمل. أظهرت النتائج أن الحصّاد المقترح كان فعّالاً عند الترددات المنخفضة لاهتزازات أنظمة HVAC، ويمكن استخدامه لتوليد خرج كهربائي بمستويات قابلة للقياس تحت ظروف تشغيل واقعية. كما جرى التحقق من جدوى الفكرة عملياً من خلال اختبار النموذج الأولي المصنّع باستخدام إثارة ناتجة عن مروحة عادم. وكشفت النتائج التجريبية أيضاً أن الهندسة الإنشائية، وخصائص الركيزة، واستراتيجية التوصيل الكهربائي تؤدي دوراً مهماً في التأثير على أداء الحصّاد. وبوجه عام، يُعدّ الحصّاد المقترح المعتمد على PVDF حلاً خفيف الوزن ومنخفض التكلفة لتطبيقات الاستشعار فائقة الانخفاض في استهلاك الطاقة في مجال مراقبة أنظمةHVAC والمباني الذكية.

English Abstract

Mechanical vibrations produced by heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems represent a continuously available but underutilized source of ambient energy in buildings. Since components such as fans, pumps, and compressors commonly operate within the low-frequency range of 10 to 250 Hz, they offer potential for powering low-power sensing devices used in smart building applications. This study investigated the design, modelling, optimization, fabrication, and experimental validation of a bio-inspired piezoelectric vibration energy harvester for HVAC-related environments. The work involved comparative numerical assessment of conventional cantilever geometries, substrate materials, and bio-inspired planforms, followed by the development of a butterfly-inspired multi-wing harvester incorporating PVDF piezoelectric film and a 3D-printed PLA substrate. A coupled electromechanical model was established in COMSOL Multiphysics to evaluate modal behaviour, harmonic response, strain distribution, voltage output, and harvested power under base excitation. Electrical interconnection topologies were also examined in order to identify a suitable load-matched configuration. The findings indicated that the proposed harvester was effective at low frequency of HVAC vibration and could be used to generate electrical output at measurable levels under realistic conditions. The viability of the idea was tested by experimental testing of the fabricated prototype with exhaust-fan excitation. The experiment also revealed that structural geometry, substrate properties, and electrical interconnection strategy play a significant role in influencing the harvester performance. In general, the proposed PVDF-based harvester is a low-weight, low-cost solution to ultra-low-power sensing in HVAC monitoring and smart buildings.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Muhammad Hawwa,
Thesis Committee Members:	Mustafa Al Shaqaq, Zayd Leseman,
Depositing User:	ABDELRAHEM MAHGOUB
Date Deposited:	16 Jun 2026 04:50
Last Modified:	16 Jun 2026 04:50
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144588