【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(lái)受到越來(lái)越多國(guó)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(guò)低且不穩(wěn)定,目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究的初級(jí)階段。MFC系統(tǒng)中的生物電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)高度復(fù)雜、嚴(yán)重非線性的動(dòng)態(tài)過(guò)程,給相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面的研究帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。本文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分別對(duì)微生物燃料電池動(dòng)態(tài)性能、能量采集技術(shù)以及反硝化脫氮方面進(jìn)行研究。首先建立一個(gè)連續(xù)流MFC數(shù)學(xué)模型,研究其中幾種可控動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明,陽(yáng)極反應(yīng)是影響MFC性能的主要機(jī)制,陰極反應(yīng)是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。通過(guò)增加進(jìn)水乙酸鹽和生物量濃度以及周期性調(diào)節(jié)進(jìn)水流量可以提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能,另外增加陰極進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過(guò)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(duì)MFC的嚴(yán)重非線性特點(diǎn),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(fù)載擾動(dòng)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(qiáng)的特點(diǎn)。其次,考慮到MFC的實(shí)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(lái)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(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù),其中最大功率點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)SMFC電壓及功率輸出的特點(diǎn),提出一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量算法來(lái)快速跟蹤SMFC的最大功率點(diǎn)。通過(guò)仿真驗(yàn)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(diǎn)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(duì)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(duì)SMFC處理生活污水的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用小電阻的SMFC對(duì)于較高濃度的污染源具有較好的除污效果,為除污過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.4
【圖文】：

1.1 課題研究背景及意義1.1.1 能源危機(jī)能源是一個(gè)國(guó)家的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的根基和源泉。2017 年 6 月發(fā)布《BP 世界能源統(tǒng)計(jì) 2017》，如圖 1.1 所示，在 2016 年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油、煤炭和天然氣占總消費(fèi)量的 84.9%，且其主導(dǎo)地位在未來(lái)一段時(shí)間很難被動(dòng)搖[1-2]。在未來(lái)展望中指出 2015 至 2035 年，全球能源需求預(yù)期增長(zhǎng) 30%左右，年均增長(zhǎng) 1.3%[3]。與全球 GDP 年均 3.4%的預(yù)期增長(zhǎng)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(shí)增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)有所成效。未來(lái) 20 年可再生能源年均增長(zhǎng)率為 7.6%，將是所有能源中增長(zhǎng)最快的燃料來(lái)源。全球能源需求不斷增長(zhǎng)，而化石燃料儲(chǔ)備量有限且在使用和開(kāi)采過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，引發(fā)的全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重，開(kāi)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(lái)能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前正值能源低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，因此我們必須正面能源危機(jī)，助力加快推進(jìn)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(xiàn)發(fā)表趨勢(shì)圖于德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(kù)（Derwent Innovation Index，簡(jiǎn)稱 DII）對(duì)池國(guó)際專(zhuān)利進(jìn)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(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從 2003 年截至到 201icrobial fuel cell"為主題，以共檢索到專(zhuān)利文獻(xiàn) 849 篇（圖 1.3）。顯示微生物燃料電池相關(guān)專(zhuān)利從 2007 年之后申請(qǐng)量開(kāi)始逐年增長(zhǎng)項(xiàng)排名前三位的國(guó)家依次是日本、美國(guó)和中國(guó)。

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本文編號(hào)：2729131