基于微生物燃料电池的串并联与电源管理系统的研究

摘要

随着人们生活水平提高，传统能源濒临枯竭，对清洁高效的新型能源的研究迫在眉睫。而沉积物-微生物燃料电池作为新型能源的一种，既对环境污染的治理有益，也可以作为传统能源的替代品为电子器件提供电能。然而，微生物燃料电池输出的开路电压在0.6V左右，输出功率小于1mW，所以一般来说微生物燃料电池通常不能够直接驱动目前已有的电路。针对沉积物-微生物燃料电池存在的上述问题，本课题的研究内容主要有:(1)将沉积物-微生物燃料电池以进行不同的串联或并联方式，研究电池组的输出电压与产电能力;(2)研究微生物燃料电池的电源管理系统，分析研究微生物燃料电池驱动小功率器件的可能性。
　　该课题首先分别研究了不同的连接方式、电池组内部电池数目对电池组输出电压和电池组的最大功率密度的影响。将沉积物-微生物燃料电池分别多个串联或并联分析电池组的输出电压。串联电池组和并联电池组都表现出内部拥有的电池个数越多，电池组的输出电压越高。在同样的连接电池数目下，并联连接的电池组比串联连接的电池组的最大输出功率更高。而电池组内部连接电池数目越多，串联连接电池组与并联连接电池组的最大输出功率都会提高。对于六个串联电池组中，输出电压在开始启动时约为0.9V左右，随着运行时间的增加，电压逐渐减小至0.3V到0.4V之间。而对六个并联电池组的研究发现，其输出电压在开始启动时约为0.3V，随着运行时间的增加，输出电压逐渐增大至0.8V。六个串联微生物燃料电池组的最大功率密度为4.6mW/m2，六个并联微生物燃料电池的最大功率密度为6.8mW/m2。
　　其次，该课题研究了微生物燃料电池电源管理系统研究。设计了以高性能、同步升压型转换器L6920DB和5.5V/3.0F超级电容为主要元件的电源管理系统的驱动电路。理论上分析了微生物燃料电池电源管理系统可以驱动小功率器件，该系统的能量存储效率约为26.6％。并验证了微生物燃料电池电源管理系统可以驱动LED阵列，其中使用存储电容(3F)使其充电电压达到2.2V，该系统开始对负载放电，灯亮维持时间约10秒。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微生物燃料电池

1．2．1 微生物燃料电池的原理

1．2．2 沉积物-微生物燃料电池

1．2．3 沉积物-微生物燃料电池电压的主要影响因素

1．2．4 沉积物-微生物燃料电池的应用

1．3 微生物燃料电池的串并联

1．4 沉积物-微生物燃料电池的电源管理系统

1．5 论文主要工作

第二章 沉积物-微生物燃料电池的串联与并联的研究

2．1 微生物燃料电池的串并联

2．2 实验材料、装置及方法

2．2．1 实验原材料

2．2．2 沉积物-微生物燃料电池的底质

2．2．3 模拟湖水

2．2．4 反应器及组件

2．2．5 启动与运行

2．2．6 微生物燃料电池的串联与并联的研究

2．2．7 产电能力的研究

2．3 实验数据分析

2．3．1 沉积物-微生物燃料电池的串联

2．3．2 沉积物-微生物燃料电池的并联

2．3．3 基于不同的串联或并联的沉积物-微生物燃料电池的输出电压对比

2．3．4 电池电流密度及功率密度

2．4 本章小结

第三章 微生物燃料电池的电源管理系统研究

3．1 电源管理系统基础

3．1．1 典型能量收集框架结构

3．1．2 能量存储介质

3．1．3 电荷泵

3．1．4 同步升压直流转换器

3．1．5 开关

3．2 电源管理系统设计

3．3 印刷电路板的设计

3．4 电源管理系统可行性分析

3．5 数据分析

3．5．1 超级电容

3．5．2 电能采集数据

3．6 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 课题工作总结

4．2 存在的问题与下—步工作建议

参考文献

致谢

作者简介