A two-layer capacitor-based power management system for a stack of microbial fuel cells

Résumé

Alors que le taux de pénétration des énergies renouvelables et durables augmente chaque jour, la demande de nouvelles sources et d'une récolte d'énergie plus efficace ne cesse de croître. Les piles à combustible microbiennes (MFC), en tant que source d'énergie durable, ont récemment attiré l'attention des scientifiques dans différents domaines. Cette source d'énergie alternative peut utiliser toute matière organique, y compris les eaux usées urbaines ou industrielles, comme combustible pour produire de l'énergie sans émettre de gaz à effet de serre comme sous-produit. Compte tenu de la faible densité de puissance des MFC, il est très important de concevoir des systèmes de gestion de la puissance (PMS) efficaces et adaptatifs. Ces systèmes produiront une puissance et une tension utilisables pour la charge tout en gérant les fluctuations élevées des MFC. Cette étude vise à concevoir un nouveau PMS qui augmentera la puissance moyenne de sortie d’une pile du MFC en détectant celles qui sont défectueuses et à faible rendement ainsi qu’en les déconnectant de la pile. Dans cette approche, la puissance de sortie moyenne de diverses combinaisons d'états de commutation prospectifs et actuels est estimée et l'état de commutation qui donne une puissance de sortie plus élevée est sélectionné par le PMS. Bien que le retrait des MFC de l’empilement entraîne de faibles pertes potentielles sur une courte période après la déconnexion, il est important d'évaluer le fonctionnement du PMS à long terme. Afin de contrôler la fréquence, la précision et la robustesse du PMS ainsi que d'éviter les pertes potentielles, une méthode de contrôle par hystérésis, une approche de moyenne mobile simple et une période de repos ont été mises en oeuvre. Ces méthodes de contrôle supplémentaires aident le PMS à ajuster sa tolérance aux MFC à faible rendement, à baser sa décision sur plusieurs cycles pour éliminer l'effet du bruit de mesure et à éviter les connexions et déconnexions répétitives. L'énergie récoltée est envoyée à un convertisseur élévateur pour fournir une tension utilisable à la charge. Ce convertisseur survolteur aidera le PMS à augmenter l'amplitude de la tension de sortie et à réguler cette dernière à l'aide d'un contrôleur proportionnel intégral (PI). Pour évaluer la performance de ce PMS, plus de 100 mesures ont été prises sur quatre MFC dans le laboratoire et deux cas de test ont été construits pour reproduire leur comportement par un simple modèle électrique équivalent basé sur ces mesures. Ces mesures ont été prises dans différentes conditions ambiantes et opérationnelles, de sorte que les cas de test peuvent représenter une grande variété de comportements des MFC. Ces cadres de test ont été générés dans MATLAB Simulink ® et le PMS proposé a été testé dans ce cadre de test. Bien que le PMS puisse gérer un nombre infini de MFC dans une pile, pour des raisons pratiques, une pile de quatre MFC a été choisie comme exemple. Les résultats montrent que le PMS proposé est capable de détecter et de déconnecter avec succès les MFC défectueux et peu performants de la pile, il est également résistant au perturbation électrique et qu'il parvient à augmenter le puissance de sortie moyenne par rapport à un PMS similaire proposé dans une étude antérieure (Nguyen, Tartakovsky, & Woodward, 2019). Le PMS proposé présente une augmentation de puissance de sortie moyenne jusqu'à 67% sans régulation de tension et une augmentation jusqu'à 23% avec régulation de tension par rapport à l'étude précédente (Nguyen et al., 2019).

Date	18 nov. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Lyne Woodward (Directeur(-trice))