Doctoral Thesis

Tunability of nonlinear energy harvesting system

Final Thesis 5.84 MB

Author of thesis: Ing. Petr Sosna

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.

Reviewers: prof. Ing. Dušan Maga, Ph.D., Ing. Ivo Stachiv, Ph.D.

Abstract:

Nonlinear and hybrid vibration energy harvesters are often presented as promising concepts for autonomous power supply, yet without uncertainty-aware modeling, they remain difficult to tune, compare, and deploy reliably.
This dissertation focuses on the tunability of nonlinear energy harvesting systems under industrial conditions, where manufacturing tolerances, material variability, and changing excitation are unavoidable. While much of the current research concentrates on increasing peak power or proposing new nonlinear designs, less attention is given to how these systems can be deliberately adapted to maintain stable and predictable operation.
The main aim of the thesis is to develop tuning approaches that help compensate for the effects of uncertainty. Magnetic stiffness nonlinearity was experimentally and numerically verified as a practical way to reshape the dynamic behavior and adjust operating regimes. Hybrid piezoelectric–electromagnetic systems were analyzed using sensitivity and uncertainty methods to understand how parameter variability influences harvested power. To complete the analysis, geometric and material uncertainties in strongly nonlinear electromagnetic harvesters were investigated, revealing how small parameter changes can lead to significant shifts in system response.
The results show that tunability should be understood as the ability to adapt and counteract uncertainty, not only to shift resonance. The thesis proposes an uncertainty-aware tuning framework that supports reliable and robust industrial deployment of nonlinear energy harvesting systems.

Keywords:

vibration energy harvesting, nonlinear dynamics, tunability, magnetic stiffness, hybrid energy harvester, uncertainty analysis, sensitivity analysis, industrial deployment

Date of defence

14.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Komise se shodla, že předložená dizertační práce je velmi kvalitní s dobrým metodologickým základem a silným potenciálem pro praktické využití. Vědeckou úroveň dokládá i počet publikací, kde je Ing. Sosna spoluautorem - 4 články v impaktovaných časopisech a 4 příspěvky v mezinárodních konferencích. Komise doporučuje revizi textu dizertační práce, odstranění překlepů atd.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Applied Mechanics (D-IME-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (předseda)
doc. Ing. Jiří Šremr, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Dušan Maga, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Leuchter, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (člen)
Ing. Miroslav Mrlík, Ph.D. (člen)
Ing. Ivo Stachiv, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.

Ing. Petr Sosna je absolventem Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Do prezenční formy doktorského studia nastoupil v zimním semestru 2021 a na SDZ v roce 2023 se na základě jeho výsledků specifikovalo téma disertační práce "Ladění nelineárního energy harvesting systému“. Toto aktuální téma navazuje na vývoj řešený v rámci pracoviště a spadá do tématu řešených projektů, hlavně v mezinárodním projektu GAČR.

Během doktorandského studia úspěšně absolvoval všechny předepsané zkoušky i státní doktorskou zkoušku. V rámci studia absolvoval i stáž na pracovišti v Polsku – Silesian University of Technology, které se dlouhodobě věnuje oblasti nelineárních systémů nejen s využitím v energy harvesting zařízeních. Na základě i této stáže byl úspěšně podán projekt GAČR s polskými partnery, který je v řešení od roku 2025 a má název "Advanced techniques for effective kinetic nonlinear energy harvesting technologies". 

Téma disertační práce představuje problematiku v současnosti intenzivně studovanou a rozvíjenou. Zejména s vývojem IoT technologií je nutné efektivně zajistit zdroj energie pro bezdrátové prvky i na odlehlých místech. V práci jsou uvedeny zásadní výsledky nutnosti efektivity chování a odezvy nelineárních energy harvesting zařízení. Z pohledu ladění nelineárních parametrů je zásadní část disertační práce o neurčitostech jednotlivých parametrů harvesterů. V rámci publikace byly vyhodnoceny zásadní poznatky ladění, především pro hybridní elektromagnetické a piezoelektrické energy harvesting systémy. Významnou částí práce je i popis vlivu geometrických a materiálových tolerancí v procesu ladění nelineárního energy harvesting systému, kdy jsou systematicky analyzovány zásadní konstrukční prvky elektromagnického harvesteru.

Ing. Sosna své výsledky shrnul ve 3 článcích v impaktovaných časopisech i řadě konferenčních příspěvků. Je spoluautorem i dalšího článku v impaktovaném časopisu.

Doktorand přistupoval ke své práci odpovědně, stal se erudovaným odborníkem v této oblasti, dlouhodobě prokázal schopnost řešit problematiku samostatně a komplexně.  Během studia se aktivně zapojil do vědecké práce na pracovišti, především se účastnil projektů TAČR a GAČR. Doktorand byl rovněž zapojen do pedagogické činnosti, kdy vedl cvičení předmětu Dynamika a zapojil se do výuky předmětu Alternativní zdroje energie v mechatronice.

Vzhledem k uvedenému konstatuji, že Ing. Petr Sosna se během studia stal vyzrálým vědeckým pracovníkem a splnil požadavky kladené na studenty doktorandského studijního programu. Jeho výsledky mají zásadní vliv na stav poznání v této oblasti a je v rámci dalších projektů se na ně navazuje.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Dušan Maga, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 139,88 kB

Reviewer’s report
Ing. Ivo Stachiv, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 232,33 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová