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

Kazemmanesh, Alireza (2022). A power management system for isolated operation of microbial fuel cells with voltage protection. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Renewable energy sources are growing rapidly in the world. In 2020, they made up 29% of all the electric power generated. Microbial fuel cell (MFC) is a high-potential energy source in this category. It helps remove environmental contaminants such those in wastewater, decrease carbon dioxide in the atmosphere, and convert organic substrates to electricity through a bioelectrochemical reaction.

However, due to its low power density, a single MFC cannot power most of common electronic applications. One solution to increase the power is to use multiple MFCs and connect them in parallel or series. However, these types of circuit configurations can result in overall lower power efficiency due to the unpredictable and unstable nature of MFCs.

This study aims to design a power management system (PMS) for harvesting the maximum energy from the MFCs in the stack. The PMS controls the connection and disconnection of the MFCs such that each MFC operates independently. Consequently, should there be an MFC failure leading to unwanted MFC disconnection, the energy harvesting process from the other MFC(s) continues without interruption. The PMS is developed to consider the biochemical limitation of microorganism in order to expand their lifetime. This was accomplished by employing an MFC health protection algorithm. This algorithm prevents the weak MFC to participate in the energy harvesting process. Control techniques such as hysteresis control and the maximum power point tracking (MPPT) are executed to achieve these contributions.

A high-efficiency DC-DC converter is selected as the back-end upconverter to boost the output voltage to a desirable level. The sliding mode controller (SMC), which is a voltage regulation (VReg) technique, is applied to the control of converter switching. The proposed controller maintains the output voltage of the converter within acceptable limits, regardless of the input voltage volatilities caused by the system nonlinearity. A two-level voltage reference was applied to the VReg technic to obtain higher levels of voltage and power at the load.

A testing procedure was constructed to evaluate the PMS performance based on the real-world MFCs characteristics. To make this happen, numerous lab experiments on four real MFCs were conducted and the extracted data was classified into three benchmarks. Each benchmark replicates the electrical characteristics of model-based MFCs according to their wide range of ambient and operational conditions. These benchmarks were applied to a comparable approach from a previous study and its pros and cons were compared to the proposed PMS.

The average load power (Ploadave) of 5.16 mW was obtained using the two-level VReg, which is 3.44 times more than utilizing the single-level VReg (1.5 mW). According to the PMS’s comparison results, the proposed PMS could successfully power the resistive load without interruption while multiple load power disruptions were observed in the previous study. Hence, the proposed PMS was reported to have a 41% higher Ploadave in this comparison in the case of multiple MFC failure

Further improvement upon this study can be including a start-up circuit to the converter for autonomous operation of the system, a necessary feature for using MFCs in remote areas.

Titre traduit

Système de gestion d'alimentation pour le fonctionnement isolé de piles à combustible microbiennes avec protection de tension

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 95-103).
Mots-clés libres:	sources d’énergie renouvelable, pile à combustible microbienne (PCM), système de gestion de l'énergie (PMS), suivi du point de puissance maximale (MPPT), commande en mode glissant (SMC)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, Ghyslain
Codirecteur:	Codirecteur Woodward, Lyne
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	15 févr. 2023 15:49
Dernière modification:	15 févr. 2023 15:49
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3172

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