- TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG TỪ TẾ BÀO NHIÊN LIỆU VI KHUẨN. - Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã có những sự quan tâm lớn đến tế bào nhiên liệu vi khuẩn bởi vì chúng sử dụng nhiên liệu từ nhiều chất nền phân hủy sinh học khác nhau và tế bào nhiên liệu vi khuẩn được xem như là một nguồn năng lượng tái tạo. - Tuy nhiên, năng lượng thu được từ tế bào nhiên liệu là rất nhỏ. - Do đó, việc thu và sử dụng nguồn năng lượng này vẫn đang là một thử thách lớn đối các nhà khoa học. - Vì thế, những hệ thống thu năng lượng từ tế bào nhiên liệu vi khuẩn là rất cần thiết cho những ứng dụng thực tiễn. - Nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật thu và tích trữ năng lượng từ tế bào nhiên liệu vi khuẩn đã được thực hiện. - Do đó, bài báo giúp cho các nhà khoa học có một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật thu năng lượng từ tế bào nhiên liệu vi khuẩn và khả năng phát triển thành một nguồn năng lượng thương mại.. - Tổng quan các kỹ thuật thu năng lượng từ tế bào nhiên liệu vi khuẩn. - Nguồn năng lượng được phân thành ba loại: nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo. - (Akdeniz et al., 2002). - Trong đó, việc tiêu thụ điện từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và năng lượng hạt nhân chiếm tỷ trọng đáng kể (Rahimnejad et al., 2009). - Do đó, các quốc gia trên thế giới đã cố gắng để tìm ra nguồn năng lượng thay thế, tiêu biểu là. - nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng nước. - Trong những năm gần đây, một nguồn năng lượng mới được phát hiện, đó là năng lượng từ tế bào nhiên liệu vi khuẩn (MFC). - Loại tế bào nhiên liệu này sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi năng lượng hóa học lưu trữ trong chất phân hủy sinh học trực tiếp thành điện. - Do đó, MFC có những ưu thế hơn so với các loại máy phát năng lượng khác như không phát ra khí thải ô nhiễm môi trường (SO x , NO x , CO 2 và CO), không có bộ phận chuyển động nên sẽ không gây ra ô nhiễm tiếng ồn,… (Peighambardoust et al., 2010). - Vì thế, điện áp giữa hai điện cực là 1,1 V (Logan et al., 2006. - Du et al., 2007;. - Điểm công suất này được gọi là điểm công suất cực đại (Degrenne et al., 2012;. - Các kỹ thuật thu năng lượng từ MFC truyền thống chỉ chứng minh được rằng tế bào nhiên liệu sẽ phát ra được công suất điện mà không phải là năng lượng có thể sử dụng vì năng lượng thu được sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt thông qua điện trở. - Do đó, để thu được năng lượng từ MFC và sử dụng năng lượng đó cho các thiết bị điện đòi hỏi phải thay thế điện trở ngoài bằng các. - bộ thu và tích trữ năng lượng. - Công suất phát ra từ các MFC nằm trong khoảng mW/m 2 và điện áp trong khoảng 700 - 800 mV (Erbay et al., 2014). - Donovan et al., 2011).. - Vì thế, việc phát triển các bộ thu và tích trữ năng lượng cho MFC là cần thiết. - Một bộ thu năng lượng từ MFC cơ bản sẽ bao gồm tụ điện, pin sạc, bộ tăng áp và các linh kiện điện tử công suất.. - Trong quá khứ đã có rất nhiều nghiên cứu và các kỹ thuật thu năng lượng từ MFC, nhưng các nghiên cứu đó chỉ dừng lại ở khía cạnh riêng lẻ. - Do đó, bài báo này sẽ giúp cho các nhà khoa học có một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật thu năng lượng từ MFC và khả năng phát triển thành một nguồn năng lượng thương mại.. - Ghasemi et al., 2013. - Xia et al., 2018). - Đường cong điện áp và công suất của một MFC được thể hiện như trong Hình 2 (Wang et al., 2015). - Điện áp và công suất phát ra của MFC là rất thấp. - Trong mạch điện, tụ điện là một phần tử tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường. - Khi tụ được nạp năng lượng thì điện áp giữa hai đầu tụ sẽ tăng, đồng thời dòng điện qua tụ sẽ giảm. - Khi tụ xả năng lượng thì điện áp giữa hai đầu tụ sẽ giảm và dòng điện qua nó cũng giảm theo. - Khi tụ điện được nối trực tiếp với MFC thì tụ sẽ nạp và tích trữ năng lượng từ MFC (Dewan et al., 2009;. - Dewan et al., 2010). - Như được thể hiện trong Hình 3, một MFC cung cấp năng lượng cho một cảm biến không dây. - Đầu tiên, tụ sẽ nạp năng lượng từ MFC và điện áp tăng dần. - Khi điện áp giữa hai đầu. - Năng lượng tích trữ trong tụ điện được tính bởi phương trình (3):. - W là năng lượng tích trữ trong tụ điện (W);. - U là điện áp giữa hai đầu tụ điện (V).. - Trong hệ thống thu năng lượng, điện áp và dòng điện ngõ ra của MFC là rất thấp. - Hiện tại, có năm kỹ thuật nạp/xả đã từng được nghiên cứu: nạp trực tiếp, thu năng lượng không liên tục (nạp không liên tục), nạp/xả luân phiên, nạp tụ song song trong khi xả tụ nối tiếp và nạp điện cực điện dung (Dewan et al., 2009. - Kim et al., 2011. - Liang et al., 2011;. - Grondin et al., 2012. - Deeke et al., 2012).. - Mạch thu năng lượng sử dụng tụ điện có ưu điểm là cấu tạo đơn giản và dễ dàng sử dụng. - Điện áp ngõ ra của tụ điện sẽ bằng điện áp của MFC (Zhang et al., 2012). - Bằng cách áp dụng kỹ thuật thu năng lượng tương tự, những nghiên cứu khác cũng đã được thực hiện. - Walters et al., 2013).. - Phương pháp thu năng lượng không liên tục (nạp không liên tục) thu năng lượng từ MFC vào tụ điện và xả năng lượng đến tải. - Chế độ làm việc này phát công suất dưới dạng các xung không liên tục khi nguồn không có khả năng để cung cấp năng lượng liên tục cho tải. - So sánh với phương pháp thu năng lượng liên tục truyền thống, một nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp thu năng lượng không liên tục thu được 152 µW từ 500 mL của MFC hai buồng ngăn, cao hơn 111% so với việc thu năng lượng liên tục (72 µW) (Dewan et al., 2009). - Trong chế độ nạp/xả luân phiên, trước tiên MFC sẽ nạp tụ và sau đó tụ sẽ xả năng lượng cho tế bào điện phân vi khuẩn (MEC) hoạt động. - Điện áp ngõ ra có thể tăng lên khi nạp một dãy tụ điện kết nối song song và xả năng lượng khi kết nối nối tiếp. - Bằng cách sử dụng hai nhóm tụ điện sạc xả luân phiên, điện áp ngõ ra có thể tăng từ 0,7 V lên 2,5 V (Kim et al., 2011). - Phương pháp này không yêu cầu ngưỡng điện áp nhỏ nhất và nó cũng làm giảm một cách hiệu quả điện áp ngược khi bỏ qua tổn thất năng lượng trong mạch. - Bơm điện tích sử dụng tụ điện để tích trữ và truyền tải năng lượng để phát ra điện áp cao hơn hoặc thấp hơn. - Với dòng điện sạc nhỏ như thế thì thời gian sạc/xả sẽ dài hơn và hiệu suất thu năng lượng cũng thấp hơn (Wang et al., 2012. - Yang et al., 2012). - Vì thế, bơm điện tích có thể thích nghi với các MFC có điện áp ngõ ra thấp và được sử dụng cho các tải yêu cầu việc cung cấp năng lượng không liên tục. - Karra et al., 2014). - Giả sử tụ điện, C, được nạp đầy năng lượng ở trạng thái ban đầu.. - Khi MOSFET đóng: cuộn dây, L, tích trữ năng lượng. - tụ điện, C, giải phóng năng lượng cung cấp cho tải. - Khi MOSFET ngắt: cuộn dây, L, giải phóng năng lượng. - tụ điện, C, nạp năng lượng. - Điện áp ngõ ra của mạch tăng áp DC/DC có thể điều chỉnh được theo phương trình:. - U o : điện áp ngõ ra của mạch tăng áp DC/DC (V);. - U i : điện áp ngõ vào của mạch tăng áp DC/DC (V);. - Một trong những ứng dụng đó là mạch thu năng lượng từ MFC. - Điện áp của MFC sau khi qua mạch tăng áp có thể được điều khiển để đạt được mức điện áp yêu cầu của tải điện, thường là 3,3 V hoặc 5 V (Shantaram et al., 2005. - Donovan et al., 2008).. - Đây là ưu điểm của mạch tăng áp so với việc chỉ sử dụng đơn thuần tụ điện hoặc bơm điện tích để thu năng lượng từ MFC (Meehan et al., 2011). - Điện áp của MFC sẽ bị giảm trong quá trình thu năng lượng. - Các tụ điện hoặc pin sạc này sẽ thu và tích trữ năng lượng từ MFC, sau đó sẽ tăng áp thông qua mạch tăng áp (Shantaram et al., 2005). - Để đạt được hiệu suất cao hơn, hệ thống thu năng lượng từ MFC có thể kết hợp cả hai bơm điện tích và mạch tăng áp, hệ thống này được ứng dụng trong MFC sử dụng vi sinh vật ở đáy biển (BMFC) (Nielsen et al., 2009. - Donovan et al., 2011. - et al., 2014). - Trước tiên, bơm điện tích sẽ thu năng lượng từ BMFC với dòng điện rất thấp, sau đó điện áp sẽ được tăng lên thông qua mạch tăng áp để cung cấp công suất không liên tục cho các sensor không dây hoặc các hệ thống viễn trắc (Donovan et al., 2008. - Meehan et al., 2011).. - Với việc sử dụng mạch tăng áp, mạch tăng áp kết hợp với tụ điện, pin sạc và bơm điện tích sẽ thu được năng lượng phát ra từ MFC và sử dụng được trong thực tiễn. - Tuy nhiên, năng lượng thu được từ MFC theo các phương pháp trên chưa phải là năng lượng cực đại vì đặc tính hoạt động của MFC phụ thuộc vào điều kiện môi trường. - Điện áp phát ra từ MFC cũng sẽ dao động tùy theo điều kiện môi trường, để thu được năng lượng cực đại từ MFC, có thể áp dụng các thuật toán MPPT trên và nguyên tắc hoạt động của mạch thu năng lượng cũng giống như mạch tăng áp trong hệ thống điện mặt trời (Woodward et al., 2010. - Pinto et al., 2011;. - Degrenne et al., 2012). - Khi MOSFET đóng, mạch hoạt động ở chế độ sạc, năng lượng của MFC được tích trữ trong cuộn dây. - Khi MOSFET ngắt, mạch hoạt động ở chế độ xả, năng lượng từ cuộn cảm được nạp vào tụ điện và tụ điện sẽ cung cấp năng lượng cho tải. - Kỹ thuật thu năng lượng cực đại MPPT dựa trên mạch tăng áp sẽ thu được năng lượng từ MFC một cách chủ động, có thể sử dụng được và không có vấn đề của điện áp ngược. - Đối với mạch thu năng lượng dựa trên điện trở ngoài, mạch này chỉ chứng minh được rằng MFC có thể phát công suất cực đại nhưng công suất này không sử dụng được. - Sử dụng kỹ thuật MPPT kết hợp với mạch tăng áp, năng lượng thu được gấp 76 lần so với bơm điện tích Seiko và hiệu suất chuyển đổi tăng 21 lần (Wang et al., 2012).. - Bài báo đã trình bày được tổng quan các kỹ thuật thu năng lượng từ MFC. - giản dễ thực hiện nhưng mang lại hiệu quả thu năng lượng thấp, điện áp phát ra không đạt yêu cầu hoặc gặp những vấn đề của điện áp ngược như kỹ thuật thu năng lượng sử dụng tụ điện hay sử dụng bơm điện tích. - Để cải thiện được các vấn đề này thì các kỹ thuật thu năng lượng phức tạp hơn được sử dụng như kỹ thuật thu năng lượng sử dụng mạch tăng áp hay là kết hợp mạch tăng áp với kỹ thuật MPPT. - Bởi vì điện áp và công suất phát ra từ MFC là rất nhỏ, do đó vấn đề được đặt ra là phải thu được năng lượng lớn nhất, có thể sử dụng được và tổn thất trên mạch phải nhỏ nhất. - Bên cạnh đó, việc chế tạo các MFC và các mạch thu năng lượng có thể hoạt động độc lập cũng là một yêu cầu rất cần thiết nhằm để cấp năng lượng cho những sensor, những cảm biến đo lường ở những nơi xa xôi không có nguồn cung cấp điện.. - Trong MFC, ngoài việc tổn thất trên mạch thu năng lượng thì công suất cung cấp cho mạch điều khiển của mạch thu năng lượng cũng là một vấn đề đáng quan tâm. - Ghasemi, M., Wan, W.R., Ismail, M., et al., 2013.