發(fā)布時間：2020-06-25 12:28

【摘要】：微生物燃料電池(MFC)技術(shù)可以為分布式電力系統(tǒng)和廢水處理提供可持續(xù)的解決方案,近年來受到越來越多國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛青睞。但由于MFCs產(chǎn)電功率密度過低且不穩(wěn)定,目前還處于實驗室研究的初級階段。MFC系統(tǒng)中的生物電化學(xué)反應(yīng)是一個高度復(fù)雜、嚴重非線性的動態(tài)過程,給相關(guān)實驗方面的研究帶來極大的挑戰(zhàn)。本文采用理論與實驗相結(jié)合的方法分別對微生物燃料電池動態(tài)性能、能量采集技術(shù)以及反硝化脫氮方面進行研究。首先建立一個連續(xù)流MFC數(shù)學(xué)模型,研究其中幾種可控動力學(xué)參數(shù)對MFC產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明,陽極反應(yīng)是影響MFC性能的主要機制,陰極反應(yīng)是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。通過增加進水乙酸鹽和生物量濃度以及周期性調(diào)節(jié)進水流量可以提高MFC的產(chǎn)電性能,另外增加陰極進水流量是提高系統(tǒng)輸出可靠性和穩(wěn)定性的有效措施。該研究為優(yōu)化實驗設(shè)計和過程控制提供了理論依據(jù)。在數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上,針對MFC的嚴重非線性特點,提出小腦模型關(guān)節(jié)控制器(CMAC)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊PID并行控制的優(yōu)化控制策略,在不同負載擾動下使MFC保持恒定的電壓輸出。仿真結(jié)果表明所提出的方案相比于模糊PID具有響應(yīng)速度更快,控制效果更好,抗干擾能力更強的特點。其次,考慮到MFC的實際應(yīng)用,研究各種適用于微生物燃料電池的能量采集技術(shù)來合理利用MFC系統(tǒng)的低能量輸出,包括電化學(xué)電容系統(tǒng)、電荷泵系統(tǒng)、升壓轉(zhuǎn)換器和最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù),其中最大功率點跟蹤可以保持MFC最大功率輸出,是最有效的一種能量收集技術(shù)。在能量收集技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,以實驗室搭建的沉積物型MFC(SMFC)作為數(shù)學(xué)模型參數(shù)選擇的基礎(chǔ),針對SMFC電壓及功率輸出的特點,提出一種自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量算法來快速跟蹤SMFC的最大功率點。通過仿真驗證該算法在SMFC系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性,因此這種優(yōu)化算法可以作為控制程序嵌入到SMFC最大功率點跟蹤能量采集系統(tǒng)中,以及其他的低功率能量采集電路中。最后,為了模擬天然的水體結(jié)構(gòu),將沉積物微生物燃料電池作為研究對象,以一定濃度的硝酸鹽溶液作為陰極的電子受體,研究外接電阻及硝酸鹽初始濃度對SMFC處理生活污水的影響。實驗結(jié)果表明,采用小電阻的SMFC對于較高濃度的污染源具有較好的除污效果,為除污過程的在線監(jiān)測和實時控制提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：齊魯工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

1.1 課題研究背景及意義1.1.1 能源危機能源是一個國家的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是未來社會發(fā)展的根基和源泉。2017 年 6 月發(fā)布《BP 世界能源統(tǒng)計 2017》，如圖 1.1 所示，在 2016 年能源消費結(jié)構(gòu)中，石油、煤炭和天然氣占總消費量的 84.9%，且其主導(dǎo)地位在未來一段時間很難被動搖[1-2]。在未來展望中指出 2015 至 2035 年，全球能源需求預(yù)期增長 30%左右，年均增長 1.3%[3]。與全球 GDP 年均 3.4%的預(yù)期增長速度相比有所下降，由此看出技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保意識增強的優(yōu)勢有所成效。未來 20 年可再生能源年均增長率為 7.6%，將是所有能源中增長最快的燃料來源。全球能源需求不斷增長，而化石燃料儲備量有限且在使用和開采過程中會對環(huán)境造成嚴重的污染，引發(fā)的全球能源危機日益嚴重，開發(fā)新能源和可再生能源是可持續(xù)發(fā)展的重要前提，也是未來能源發(fā)展的必然趨勢。目前正值能源低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，因此我們必須正面能源危機，助力加快推進能源轉(zhuǎn)型，并構(gòu)筑可持續(xù)發(fā)展的新能源體系[4-5]。

圖 1.2 MFC 論文文獻發(fā)表趨勢圖于德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovation Index，簡稱 DII）對池國際專利進行深入分析，系統(tǒng)客觀地揭示了微生物燃料電池技術(shù)狀。DII 是世界上最大的專利文獻數(shù)據(jù)庫，從 2003 年截至到 201icrobial fuel cell"為主題，以共檢索到專利文獻 849 篇（圖 1.3）。顯示微生物燃料電池相關(guān)專利從 2007 年之后申請量開始逐年增長項排名前三位的國家依次是日本、美國和中國。

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本文編號：2729131