En el documento se encuentra el desarrollo de 6 diferentes sistemas de gestion de energía donde se acopla un arreglo de celdas de combustible microbianas con circuitos electrónicos de tipo DC-DC (flyback, oscilador de bloqueo y booster) y almacenadores de energía (supercapacitores y batería recargable) para seleccionar el acoplamiento de mayor eficiencia y capacidad de almacenamiento de energía

Alejandro Garita

Spanish

Repositorio Institucional de CIDETEQ  (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica)

Santiago de Querétaro, Qro. México, febrero del 2019. CENTRO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLÓGICO EN ELECTROQUÍMICA, S.C.      DESARROLLO DE UN SISTEMA DE GESTION DE ENERGIA ACOPLADO A UN ARREGLO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS   Tesis   QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE   Maestro en Ciencia y Tecnología en la Especialidad de Ingeniería Ambiental    PRESENTA    Manuel Alejandro Garita Meza     Este trabajo fue realizado en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C. (CIDETEQ) bajo la dirección de: Dra. Bibiana Cercado Quezada   Resumen Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son dispositivos bioelectroquímicos que realizan simultáneamente la generación de energía eléctrica y la remoción de agentes contaminantes mediante de la interacción de microorganismos electroactivos. Por tal motivo, esta tecnología es una opción viable para disminuir los efectos negativos del cambio climático causado por los métodos convencionales de generación de energía.  En las últimas décadas, las CCMs han sido un tema de investigación de gran relevancia, así como se demuestra en el creciente número de publicaciones científicas. Recientemente, en estas publicaciones se ha descubierto que al desarrollar arreglos de celdas se genera mayor cantidad de energía que al aumentar las dimensiones de las mismas, lo que permite evaluar diferentes métodos de recuperación para darle una aplicación práctica a la energía generada.  Los arreglos de CCMs se han evaluado en diferentes aplicaciones prácticas tal como energizar biosensores o microcontroladores, los cuales operan con voltajes en el orden de microvolts. Sin embargo, es posible escalar las aplicaciones prácticas de los arreglos de CCMs acoplando circuitos electrónicos de tipo DC-DC y dispositivos de almacenamiento de energía para recuperar y almacenar la energía proveniente de dichas celdas, a este acoplamiento se le llama sistema de gestión de energía (SGE).  En este documento se encuentra el desarrollo de 6 diferentes SGE donde se acopla un arreglo de CCMs con circuitos electrónicos de tipo DC-DC (flyback, oscilador de bloqueo y booster) y almacenadores de energía (supercapacitores y batería recargable) para seleccionar el acoplamiento de mayor eficiencia, es decir mayor recuperación de energía, y almacenamiento de energía. Adicionalmente, se presenta el diseño, construcción y caracterización de una CCM con diferente posición de electrodos la cual fue utilizada para desarrollar y caracterizar tres diferentes tipos de arreglos de CCMs (serie, paralelo y mixto) y seleccionar el de mayor eficiencia y generación de voltaje. También se realizó la caracterización de los circuitos electrónicos y los dispositivos de almacenamiento acoplados a estos SGE con técnicas electroquímicas como espectroscopia de impedancia electroquímica, cronoamperometría o cronopotenciometría entre otras. Estas caracterizaciones se aplicaron con el objetivo de conocer su resistencia total, ya que la eficiencia de recuperación de energía eléctrica proveniente de los arreglos de CCMs depende de este parámetro. Aunado a lo anterior, se encuentra un método para aumentar la eficiencia de recuperación de energía de los SGE modificando las características técnicas de los circuitos electrónicos, en el caso del oscilador de bloqueo se aumentó el número de espiras en el transformador y con respecto al flyback se disminuyó la resistencia total cambiando el diodo por un resistor.  Es decir, esta investigación aporta una propuesta para la obtención y aprovechamiento eficiente de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables de energía tal como las CCMs, de esta forma, es posible disminuir la contaminación ambiental provocada por la generación de energía eléctrica con métodos convencionales.   Abstract Microbial fuel cells (MFCs) are bioelectrochemical devices that perform both generation of electrical energy and removal of pollutants by electroactive microorganisms. For this reason, this technology is a viable option to reduce the negative effects of climate change caused by conventional methods of generating energy. In recent decades, the interest in MFCs has increased as is demonstrated by the growing number of scientific publications on this subject. Recently, the effectiveness in energy production has been proved for MFC stacks instead of increasing the volume of individual MFCs. This strategy allows to evaluate different energy recovery methods to give a practical application to the generated bioenergy. The MFC stacks have been evaluated in different practical applications such as energizing biosensors or microcontrollers, which operate with voltages in the order of microvolts. However, it is possible to scale the practical applications of the MFCs by coupling DC-DC electronic circuits and energy storage devices to recover and store the energy from MFCs; this type of coupling is called power management system (PMS). In this document is showed the development of 6 different PMS, MFC stacks are coupled with DC-DC electronic circuits (flyback, blocking oscillator and booster) and energy storage devices (supercapacitor and rechargeable battery) to select the PMS resulting in the highest efficiency (which means to harvest more energy from the MFCs array) and energy storage. In addition to the couplings, there is the design, construction and characterization of a MFC with different electrode position which was used to develop the MFCs array (series, parallel and mixed) coupled to the 6 different SGE. There is also the characterization of electronic circuits and storage devices coupled to these PMS was carried out using electrochemical techniques such as electrochemical impedance spectroscopy, chronoamperometry or chronopotentiometry, among others. These characterizations were applied in order to measure their total resistance, since the efficiency of the MFCs depends of this parameter. In addition to the above, it is also presented a method to increase the energy recovery efficiency of the PMS by modifying the technical characteristics of the electronic circuits, in the case of the blocking oscillator the number of windings in the transformer was increased and with respect to the flyback the total resistance was reduced by changing the diode for a resistor. This means, this research provides a proposal to obtain and to harvest efficient of electrical energy from renewable sources of energy such as MFCs, in this way, it is possible to reduce environmental pollution caused by the generation of electrical energy with conventional methods.          Estas páginas fueron eliminadas debido a que su contenido es información clasificada como confidencial de acuerdo con el Artículo 113 fracción II de la Ley Federal de Transparencia y Acceso a la Información Pública 2017, y con el Artículo 116 de la Ley General de Transparencia y Acceso a la Información Pública 2015.        71  10. Bibliografía Alaraj, M., Ren, Z. J., & Park, J. Do. (2014). Microbial fuel cell energy harvesting using synchronous flyback converter. Journal of Power Sources, 247, 636–642. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.017 Awad, O. I., Mamat, R., Ibrahim, T. K., Hammid, A. T., Yusri, I. M., Hamidi, M. A., … Yusop, A. F. (2018). Overview of the oxygenated fuels in spark ignition engine: Environmental and performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91(March), 394–408. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.107 Ayyaru, S., & Dharmalingam, S. (2011). 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Fig. 47 Segunda CPL aplicada a los arreglos en serie paralelo y mixto   Fig. 48 Segunda CPT aplicada a los arreglos en serie, paralelo y mixto 0501001502002503003504000 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16V arreglo (mV) I arreglo (mA) SerieParaleloMixto012345670 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16P arreglo (µW) I arreglo (mA) SerieParaleloMixtoArreglo Pmáx (µW) Imáx (mA) P (µW/m2) j (mA/m2) Serie 10 0.02 1,282 2.56 Paralelo 5.8 0.02 743 2.56 Mixto 4.5 0.02 576 2.56  74  Caracterización del transformador de 8 y 112 espiras. Para obtener la inductancia del transformador de 8 espiras se aplicó la ec. 5. 𝐿 = 𝜇𝑁2 𝛿𝑙= 1000(82)(0.000098216)0.021= 299 𝐻 ec. 5 Donde  L = Coeficiente de auto inducción (H) µ = Coeficiente de permeabilidad magnética (H/m) N2 = Número de espiras del transformador al cuadrado 𝜹 = Área transversal del núcleo (m2) 𝒍 = Longitud del conductor (m)  Posteriormente se aplicó la ec. 7 para conocer el voltaje de autoinducción de dicho transformador de 8 espiras. 𝑒𝑎𝑢𝑡𝑜 = 𝐿(𝑚𝐻)∆𝐼(𝐴)∆𝑡(𝑠𝑒𝑔)= (299) (0.00002118717120) = 8.84𝑥10−9 𝑉 ec. 7 Donde L (H) = Inductancia del transformador en henrios   ∆𝐼 = Corriente aplicada al transformador en amperes ∆𝑡 = Tiempo de aplicación de corriente en segundos  Y como se puede observar en la Tabla 26, la inductancia del transformador de 8 espiras fue de 299 mH y el voltaje de autoinducción fue de 8.84x10-9 V, así que para aumentar la inductancia del transformador al menos a un 50% se aplicó la ec. 7 cambiando el número de espiras; y se obtuvo que al aumentar las espiras de dicho transformador 8 a 112, se aumentó la inductancia a un 50%.  Tabla 26. Inductancia y voltaje auto inducido del transformador de 8 y 112 espiras. N l  L (mH) eauto (v) 8 0.021 299.324952 8.8405E-09 24 0.504 112.246857 3.31519E-09 32 0.672 149.662476 4.42025E-09 48 1.008 224.493714 6.63038E-09 56 1.176 261.909333 7.73544E-09 72 1.512 336.740571 9.94557E-09 80 1.68 374.15619 1.10506E-08 96 2.016 448.987429 1.32608E-08 104 2.184 486.403048 1.43658E-08 112 2.352 523.818667 1.54709E-08  75  12. Productividad  Congreso internacional MicroEchem 2016 – Energy Storage Discussions   Congreso nacional SMEQ 2017   76    Publicacion en la revista “Sustainable energy technologies and assessments” 12° Congreso Internacional de Ing. UAQ 2016 (1er lugar concurso carteles)  

Sistema de gestión de energía acoplado a un arreglo de celdas de combustible microbianas

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