基于微生物燃料电池的电源管理系统的研究文献综述

 2022-10-28 14:41:14

文献综述(或调研报告):

随着社会经济的发展和国民生活水平的提高,人们对能源的需求越来越大,作为人类社会的主要能源,传统的化石能源正面临着资源枯竭的残酷现实,同时其燃烧产物对环境的污染也越来越严重。在这种情况下,研究和开发清洁、高效的新能源对缓解能源危机和减轻环境污染具有重要的现实意义。Fan Yang等人通过构建电源管理系统,用两个电容作为储能器。当电容一的电压达到340mV的时候开始对电容二充电,循环往复,这个过程直到电容以两端的电压降低到一定值的时候才停止。等到电容二两端的电压达到3.3V的时候,即可以对负载电路供电。这种充放电过程一直处于一种周期性的过程之中,因此可认为利用微生物燃料电池作为可再生能量源远距离监测是可行的。Donovan等人还将微生物燃料电池用在了潜水艇超声波检测的过程中。

微生物燃料电池作为可再生能源很有前景,但也有着限制其发展的屏障。其中,低能量密度和高内阻导致的低输出电压输出功率是已公布的两项操作中的挑战。主要两点缺陷是输出电压值很小和内阻很大。因此,不能直接在微生物燃料电池后面接上负载,一种可以调节微生物燃料电池的输出并且整合其能量的电源管理系统应运而生。

电源管理系统一般采取间歇供电的方式,间歇方式供电是指在一个周期内的某一段时期内,以传感器为代表的负载器件以全功率模式运行,而在其余时间内均可以调整至休眠或者低功耗模式。通过间歇供电的模式,能够有效地降低敷在平均消耗的功率。Zhang在他的文献中介绍了一种无线传感器MDA300和MICAz,温度和湿度传感器的MDA300可以测量环境中的温度和湿度信息。MICAz用于将MDA300收集到的数据无线传感出去。总的传输功率包括MICAz在0dBm下的传输功率65毫瓦和MDA300的30毫瓦。预想的电源管理系统存储微生物燃料电池中的能量并将其电压放大到3.3V以驱动无线传感器的端口。考虑到生态监测一般不需要实时进行,只需要将固定时间间隔内的数据发送到主机就好,如此间歇供电,即合理利用了微生物燃料电池所产生的能量,又可以符合野外环境数据监测的特征。

国际上关于PMS(电源管理系统)的研究有很多,但大体可分为三种模式:电容-转换器【1】、电容-charge pump-转换器、电容-transformer-转换器。第一种模式(如下图所示)即是直接将微生物燃料电池的输出接在电容上,因此微生物燃料电池输出电压所需大概在在0.7v左右,很显然一般情况下达不到这种电压值,因此后续的升压器不会工作,即使升压器可以工作,可能剩余的能量也不足以驱动负载。

采用charge pump的电路设计【2】的中心思想是,在一个充电周期里,超级电容负责存储MFC的能量,待到放电周期将能量传输给DC/DC转换器。而charge pump的作用在于,charge pump可以在短时间内存储比普通电容大得多的能量密度,charge pump的一端与MFC相连,另一端则连接一个超级电容与DC/DC转换器之间的开关。等到charge pump的两端电压达到一个阈值电压,这个开关就会被打开,此时超级电容就进入到了放电周期并对DC/DC放电。

另外,也有一些文献采用了transformer(变压器)的设计,此中心思想是用transformer(变压器)将微生物燃料电池的输出电压提升到一定的水平之后,再将其接入直流-直流转换器。典型的案例是【1】中,采用了型号为LTC3108的transformer(变压器),并在电路的一头一尾分别添加了一个超级电容。第一个超级电容作为充电器,第二个超级电容作为存储器,两者配合进行,经过一段时间的循环,可以在第二个超级电容中存储足够多的能量,以供负载使用。

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