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

Azimi, Amirreza (2022). A two-layer capacitor-based power management system for a stack of microbial fuel cells. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

While the penetration rate of renewable and sustainable energies is growing daily, the demand for newer sources and more efficient energy harvesting has been growing. Microbial fuel cells (MFC), as a sustainable energy source, have gained a lot of attention recently from scientists in different fields. This alternative source of energy can use any organic matter including urban or industrial wastewater as fuel to produce energy and does not emit any greenhouse gas as a byproduct.

Given the low power density of MFCs, it is very important to design efficient and adaptive power management systems (PMS). These systems will produce usable power and voltage for load while managing high fluctuations of the MFCs. This study aims to design a new PMS that will increase the mean output power of the stack of MFCs by detecting faulty and lowperforming MFC(s) and disconnecting them from the stack. In this approach mean power output of various prospective actions is estimated and the action that results in higher output power is selected by the PMS. Although removing MFC units from the stack causes small potential losses over a brief period after disconnection, it is important to evaluate the PMS in long-term operation. To control the frequency, accuracy, and robustness of the PMS and avoid potential losses, a hysteresis control method, a simple moving average approach and a cooldown timer have been implemented. These additional control methods help the PMS to adjust its tolerance to low-performing MFCs, base its decision on multiple cycles to eliminate the effect of noise in measurement and avoid repetitive connections and disconnections.

The harvested energy is then sent to a boost converter to deliver a usable voltage to the load. This boost converter will help the PMS to increase the magnitude of the output voltage and regulate the voltage using a proportional integral (PI) controller.

To evaluate the performance of this PMS, more than 100 measurements were taken from four MFCs in the lab and two test cases were constructed to replicate their behavior by a simple electrical equivalent model based on the measurements. These measurements were taken in different ambient and operational conditions, so the test cases can represent a wide variety of MFC behavior. This testing framework was implemented in MATLAB Simulink® and the proposed PMS was tested under this testing framework. Although the proposed PMS can theoretically manage an infinite number of MFCs in a stack, for practical reasons a stack of four MFCs was chosen as an example. The results show that the proposed PMS is able to successfully detect and disconnect faulty and low-performing MFC from the stack, is resistant to electrical noise and disturbances and manages to increase the mean output power compared to a similar PMS proposed by a former study (Nguyen et al., 2019). The proposed PMS presents an increase in mean output power of up to 67% without voltage regulation and an increase of up to 23% with voltage regulation compared to the former study (Nguyen et al., 2019).

Titre traduit

Un système de gestion de l'énergie basé sur deux couches de condensateurs pour un empilement de piles à combustible microbiennes

Résumé traduit

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).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 87-92).
Mots-clés libres:	pile à combustible microbienne (PCM), maximum power point tracking (MPPT), système de gestion de l'énergie, convertisseur élévateur, régulation de la tension
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Woodward, Lyne
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:42
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3122

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