A power management system for isolated operation of microbial fuel cells with voltage protection

Résumé

Les sources d’énergie renouvelables se développent rapidement dans le monde. En 2020, elles représentaient 29% de toute l'énergie électrique produite. La pile à combustible microbienne (PCM) est une source d'énergie à fort potentiel dans cette catégorie. Elle aide à éliminer les contaminants environnementaux tels que ceux présents dans les eaux usées, à réduire le dioxyde de carbone dans l'atmosphère et à convertir les substrats organiques en électricité par une réaction bioélectrochimique. Cependant, en raison d’une faible densité de puissance, une seule PCM ne suffit pas pour alimenter la plupart des applications électroniques courantes. Une solution pour augmenter la puissance consiste à utiliser plusieurs PCM et à les connecter en parallèle ou en série. Toutefois, ces types de configurations de circuit peuvent engendrer une perte générale d’efficacité de puissance dû à l’instabilité et l’imprévisibilité des PCM. Cette étude vise à concevoir un système de gestion de l'alimentation (PMS) conçu pour récupérer le maximum d'énergie de chaque PCM dans la pile. Le PMS contrôle la connexion et la déconnexion des PCM de manière à ce que chaque PCM fonctionne indépendamment. Par conséquent, en cas de déconnexion d'une PCM en raison d'une défaillance, le processus de récupération d'énergie à partir des autres PCM se poursuit sans interruption. Le PMS est développé pour tenir compte de la limitation biochimique des micro-organismes afin d'étendre leur durée de vie. Ceci a été accompli en utilisant un algorithme de protection de la santé du PCM. Cet algorithme empêche une faible PCM de participer au processus de récupération d'énergie. Des techniques de commande telles que le contrôle de l'hystérésis et le suivi du point de puissance maximale (MPPT) sont mises en œuvre pour obtenir ces contributions. Un convertisseur CC-CC à haut rendement est sélectionné comme convertisseur élévateur principal pour augmenter la sortie de tension à un niveau désiré. Le contrôleur à mode glissant (SMC), qui est une technique de régulation de tension (VReg), est appliqué au contrôle de la commutation du convertisseur. Le contrôleur proposé maintient la tension de sortie du convertisseur dans des limites appropriées, quelque soient les volatilités de la tension d'entrée causées par la non-linéarité du système. Une référence de tension à deux niveaux a été appliquée à la technique de régulation de tension pour obtenir un niveau de tension et de puissance plus élevé à la charge. Une procédure de test a été élaborée pour évaluer les performances du PMS en fonction des caractéristiques réelles des PCM. Pour ce faire, de nombreuses expériences en laboratoire sur quatre PCM réelles ont été menées et les données extraites ont été classées en trois points de référence. Chaque benchmark reproduit les caractéristiques électriques des PCM basés sur un modèle en fonction de leur large gamme de conditions ambiantes et opérationnelles. Ces repères ont été appliqués à une approche comparable d'une étude précédente et ses avantages et inconvénients ont été comparés au PMS proposé. La puissance de charge moyenne (Ploadave) de 5.16 mW a été obtenue en utilisant le VReg à deux niveaux, soit 3.44 fois de plus qu'en utilisant le VReg à un niveau (1.5 mW). Selon les résultats de la comparaison des PMS, le PMS proposé pourrait alimenter avec succès la charge résistive sans interruption alors que de multiples perturbations de l'alimentation de la charge ont été observées dans une étude précédente. Par conséquent, il a été rapporté que le PMS proposé avait une Ploadave supérieure de 41% dans cette comparaison en cas de défaillance multiple de PCM. Une amélioration supplémentaire de cette étude peut consister à inclure un circuit de démarrage au convertisseur pour un fonctionnement autonome du système, une caractéristique nécessaire pour l'utilisation du PCM dans des zones éloignées.

Date	16 déc. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ghyslain Gagnon (Directeur(-trice)) & Lyne Woodward (Codirecteur(-trice))