L’objectif de cette thèse est l’étude des caractéristiques d’émission des aérosols terrigènes ou poussières minérales avec les conditions aérodynamiques en zone source. Ces particules de poussière sont produites par érosion mécanique des sols sous l’action du vent dans les environnements désertiques et semi-désertiques. Ils sont un vecteur important de nutriments (N, P, Fer..) entre les écosystèmes terrestres et marins et influencent le bilan climatique global de par leur aptitude à diffuser et/ou absorber les rayonnements solaires et telluriques lorsqu’ils sont en suspension dans l’atmosphère. Ce travail s’est déroulé en deux étapes avec dans un premier temps des mesures expérimentales en conditions naturelles dans un champ de mil au Niger lors de deux campagnes du programme de l’Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) en été 2006 et 2007. Dans un second temps ces mesures ont été confrontées au modèle de production de poussière minérale le DPM (Dust Production Model) développé au LISA à partir de considérations théoriques et d’études en soufflerie. Durant les deux campagnes de mesures, trois événements érosifs dont deux modérés de type ‘mousson’ et un très énergique de type système convectif, contraints au maximum ont pu être étudiés de manière détaillée. Les mesures expérimentales confirment d’une part que le sandblasting est bien le moteur de la génération des aérosols terrigènes. Et, d’autre part comme cela avait été montré par les études en soufflerie, les flux d’émission d’aérosols terrigènes sont enrichis en particules de plus en plus fines lorsque la contrainte exercée par le vent au niveau du sol augmente. Nos résultats expérimentaux ont par la suite été comparés aux prédictions du DPM qui reproduit d’une manière plutôt satisfaisante les flux totaux en masse à condition de réduire les énergies de cohésions, déduites des mesures en soufflerie, et liant les particules fines entre elles. En revanche, lorsqu’on regarde les flux résolu en tailles, le modèle a tendance à surestimer les populations de particules les plus grossières. Ceci a nécessité de développer une nouvelle paramétrisation des flux d’émission avec les conditions aérodynamiques. Cette dernière a été testée avec satisfaction sur un événement d’érosion indépendant de ceux utilisés pour établir la paramétrisation / The aim of this work is to link quantitatively the characteristics (intensity and sizedistribution) of the flux of fine mineral particles produced by wind-erosion in a Sahelian zone with the aerodynamic conditions prevailing during the erosion events. Achieving this goal is a prerequisite for quantifying accurately 1) the transfer of soil nutrients (N, P, Fe…) from the source areas to the deposition zones located downwind, and 2) the impact on climate of air-suspended mineral particles which are able to scatter and absorb solar and terrestrial radiation. An important part of this work has been dedicated to the collection of experimental data during the 2006 and 2007 summer campaigns of the « Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine » (AMMA) experiment. Measurements were carried out at Banizoumbou (60km east of Niamey, Niger) on a sandy agricultural field representative of the Sahelian wind erodible surfaces. After describing the original experimental set-up and associated methodology, a complete study of all the types of events monitored during the field campaigns is made. Very few transport cases accompanied by significant deposition were observed (only two over the whole measuring period), but many erosion cases were recorded. The latter could result either from the temporal strengthening of the south western monsoon winds prevailing in this season (‘monsoon events’) or to the passage of convective systems accompanied by strong surface winds and often followed by rain (‘convective events’). After rigorous cross examination of the quality of the data set 2 events of the monsoon type and one of the convective type are retained for the rest of the study. In good agreement with previous wind tunnel experiments, comparing the size distributions measured during the events confirms that the emission flux is richer in very fine particles during the energetic convective event than during the less violent monsoon ones. Then, these results are compared with the predictions of the Dust Production Model (DPM) based on the previous wind-tunnel studies. It is found that the DPM is able to simulate correctly the intensity of the emission mass flux provided adequate values are selected for the binding energies of the fine particle populations identified in the laboratory experiments. However, a more detailed analysis of the size-resolved fluxes reveals that the DPM tends to overestimate the production of particles larger than 10µm and underestimate the flux of particles with sizes between 2 and 8µm. This leads us to propose a new parameterization based on a detailed study of the 3 events selected previously. This parameterization allows prediction of the changes in emission flux intensity and sizedistribution with aerodynamic conditions. In a final step, the parameterization is tested successfully on an independent erosion event

Les îles sont à priori des lieux propices au développement de l’énergie éolienne. En premier lieu les coûts de production des moyens conventionnels sont plus élevés que sur les réseaux interconnectés. En deuxième lieu, il subsiste un potentiel éolien important à exploiter dans ces régions. Enfin, les éoliennes permettent de réduire la dépendance énergétique vis-à-vis de produits fossiles, de respecter les engagements en regard du protocole de Kyoto et d’assurer l’approvisionnement électrique futur de ces zones en pleine croissance.Il est donc logique que l’énergie éolienne soit actuellement en pleine croissance dans les réseaux insulaires. Ce phénomène inquiète les gestionnaires de ces réseaux car cette production est très différente de celles des sources conventionnelles. En plus, ces réseaux pourraient atteindre des niveaux de pénétration éolienne important très rapidement, compte tenu de leur faible taille. Or les réseaux insulaires sont plus fragiles que les réseaux interconnectés et l’insertion massive d’éoliennes s’accompagne de caractéristiques particulières pouvant dégrader le fonctionnement du système électrique.L’étude présentée dans ce mémoire a été réalisée afin d’analyser l’impact de l’augmentation de la production éolienne dans les réseaux insulaires et de proposer des solutions permettant le développement de ce moyen de production dans ces régions. Pour cela, plusieurs stratégies de contrôle ont été présentées. D’une part, deux stratégies de commande de la puissance réactive échangée entre les parcs éoliens et le réseau ont été comparées, afin de minimiser l’augmentation du niveau de tension dans les réseaux de distribution avec forte pénétration éolienne. D’autre part, deux stratégies de commande ont été implémentées en vue de faire participer la production éolienne au réglage de fréquence.Les stratégies de commande ont été implémentées sur Matlab-Simulink puis validées sur EUROSTAG. Elles ont été évaluées d’abord dans un réseau simplifié afin d’étudier plus précisément et de manière systématique l’influence du choix et du paramétrage de la commande sur le comportement dynamique d’un réseau faible. Puis, elles ont été étendues au cas de figure du réseau de distribution du Mont-Dore en Nouvelle Calédonie et du réseau de Guadeloupe / Islands are favourable places to the development of wind energy. Firstly, the production costs of the conventional generation are higher than on the interconnected grids. Secondly, there is an important wind potential in these regions. Finally, the wind energy makes possible to reduce the energy dependence of fossil products, to respect the Kyoto protocol and to ensure the future electricity supply of these regions with sustained growth.Currently, wind energy is fast-growing in the islands grids. This growth worries the grid operators because this production is very different from the conventional sources. Moreover, these grids could reach very quickly a high levels wind penetration because their low size. However, the insular grids are weak grids compare to the inter-connected grids. In this kind of grids, the massive insertion of wind turbines is accompanied by particular characteristics which might damage operation of the electric system. The present study was carried out in order to analyze the impact on increase wind energy penetration in the insular grids and to propose solutions allowing the development of this energy sources in these areas. In this respect, several strategies of control were proposed. Firstly, two control strategies of the reactive power exchanged by the wind farms with the grids were compared, in order to minimize the voltage increasing in the distribution grids with strong wind penetration. Secondly, two control strategies were implemented in order to regulate the grid frequency through wind turbines. The control strategies were implemented on Matlab-Simulink then validated on EUROSTAG. Initially, they were evaluated in a simplified network in order to study more precisely and in a systematic way the influence of the choice and parameter settings of control in the dynamic behaviour of a weak grid. Then, they were extended to the distribution grid of Mont-Dore in New Caledonia and to the Guadeloupe electric grid

La prise en compte de l’urgence environnementale est un fait acquis et le déploiement d’une politique ambitieuse en matière d’énergies renouvelables recueille ainsi un large consensus auprès de l’opinion. Cependant pour l’énergie éolienne plus particulièrement, cette volonté se heurte à un certain nombre de freins : doute sur l’efficacité réelle, impact paysager, partage équitable des retombées économiques, etc.Cette recherche s’attache à analyser comment une entreprise spécialisée dans le développement et l’exploitation de parcs éoliens peut, à travers sa stratégie de communication, participer à la construction de l’acceptabilité. Grâce à une observation prolongée de trois années sur le terrain, cette recherche s’est nourrie des échanges avec les différents groupes d’acteurs concernés par un parc ou un projet éolien : les développeurs, les élus, les riverains, les associations, etc.À travers trois études monographiques, il s’agit de comprendre au regard de l’entreprise, l’opposition des riverains et la construction de leurs opinions afin d’identifier les mécanismes de production de l’acceptabilité liés à un projet d’implantation. / The consideration of the environmental emergency is an established fact and the deployment of an ambitious policy on renewable energy has found a large acceptance within the public . However for wind energy in particular, this political will is confronted to a lot of obstacles : doubt on the effectiveness , impact on the landscape , equitable sharing of economic benefits , etc.This research seeks to analyze how a company specializing in wind farms can, through its communication strategy, participate to the construction of acceptability. Thanks to an extended three-year observation, this research included exchanges with various stakeholder groups concerned by a park or a wind project as developers, elected officials, residents, associations, etc.Through three monographic studies , the aim of this research is to understand to the company’s point of view, the opposition of local residents and the construction of their opinions in order to identify the mechanisms of production of acceptability associated with an industrial project.

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la commande non linéaire des structures éoliennes. Le premier objectif de cette thèse est la commande d’une éolienne standard fonctionnant à vitesse et angle de calage variables. Les stratégies de commande proposées permettant de commander l’éolienne dans des zones de fonctionnement différentes (optimisation et limitation de la puissance produite). Le deuxième objectif consiste en la conception de commande d’une nouvelle structure d’éolienne à double rotor. L’originalité de cette structure réside dans le fait qu’elle peut pivoter face au vent sans actionneur dédié, et ce grâce à la rotation libre du bras portant les deux éoliennes. Deux architectures de commande sont proposées afin d’orienter la structure face au vent : l’une crée un différentiel des angles de calage des pales des deux éoliennes, l’autre agissant via la différence de puissance produite par les deux génératrices. Étant donné que l’environnement est incertain et fortement perturbé (variations du vent, erreurs de modélisation, bruits de mesure), des lois de commande non linéaires robustes sont proposées. L’efficacité des stratégies de commande a été vérifiée selon différents scénarios. / This work deals the nonlinear control of wind turbine structures. The first objective is the design of control laws of a standard wind turbine with variable speed-variable pitch angle. The proposed control strategies allow controlling the wind turbine indifferent operating areas (optimization and powerlimitation).The second objective consists in controlling a new structure of twin wind turbines. The originality of this structure lies in the fact that it can rotate face the wind without using a dedicated actuator, thanks to the free rotation of the arm carrying the wind turbines. Two control architectures are proposed in order to ensure the structure face the wind : pitch angles differential and the produced power difference. Given that the environment is uncertain (windvariations, modeling errors, noise), robust nonlinear control laws are proposed for a multiple objectives. The efficiency of the control strategies have been carried out according to several scenarios.

L'intégration croissante de la production éolienne ne participant pas au réglage de fréquence induit de nouvelles difficultés de gestion des systèmes électriques. Ces problèmes sont d'autant plus significatifs que le réseau est faible. La présente thèse vise à évaluer la performance et la fiabilité du réglage de fréquence des éoliennes à l'échelle du système électrique. Les études sont appliquées sur un réseau insulaire.D'abord, l'impact d'un fort taux de pénétration de la production éolienne sur l'allocation de la réserve primaire et sur le comportement dynamique du réseau est caractérisé. Il est montré que la participation des éoliennes au réglage de fréquence est techniquement indispensable pour le maintien de la sûreté du système électrique à partir d'un certain taux de pénétration. Deux solutions permettant aux éoliennes de contribuer au réglage de fréquence sont ensuite étudiées par simulations dynamiques. La performance d'une inertie émulée est caractérisée en considérant l'impact du point de fonctionnement initial des éoliennes et des paramètres du contrôleur. La contribution de la réserve éolienne à l'amélioration de la performance dynamique du système est également identifiée.Afin d'évaluer le potentiel et la fiabilité de la réserve éolienne, la dernière partie de ce travail est consacrée aux études statistiques prenant en compte la variabilité et l'incertitude de la prévision de la production. Deux stratégies du placement de réserve sont proposées et comparées. L'impact des erreurs de prévision sur le potentiel de réserve éolienne est également mis en évidence. Enfin l'énergie réglante d'une ferme et la plage de réglage du statisme éolien sont caractérisées

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’étude de cas de l’« éolienne » est abordée au travers de quatre scènes techniques : moulins à huile à Lille à la fin du XVIIIe siècle, moulins électriques au Danemark au tournant du XXe siècle, aérogénérateurs en France dans les années 1950, éoliennes modernes à la fin du XXe siècle en Allemagne du Nord. Chacune de ces scènes techniques fait l’objet d’une analyse technique articulée autour de la connaissance du vent, de l’aérodynamique et de la mécanique des structures et d’une analyse socio-économique centrée sur le secteur d’activité dans lequel elles sont intégrées, pour comprendre ce que les gens font avec cet objet technique. Cette recherche montre que toutes les éoliennes ayant connu une large diffusion sont fondées sur une même architecture globale et sur un même principe physique permettant de définir des indicateurs de performance et de régularité sur une longue période. Envisagée comme machine de production et non comme convertisseur d’énergie, chaque éolienne est optimale dans le contexte technique et socio-économique de son époque. L’histoire des techniques proposée s’articule autour de la notion de fonction en relation d’une part avec le fonctionnement opératoire d’une combinaison de structures matérielles, d’autre part, l’intention de concepteurs et d’utilisateurs agissant suivant des normes sous-tendues par des valeurs morales, esthétiques et culturelles. / The case study of the "wind turbine" is analyzed through four technical scenes: oil mills in Lille at the end of the 18th century, electric mills in Denmark at the turn of the 20th century, aerogenerators in France in the 1950s, modern wind turbines in the late twentieth century in northern Germany. Each of these technical scenes is the subject of a technical analysis based on the knowledge of wind, aerodynamics and structural mechanics and a socio-economic analysis centered on the sector of activity in which they are integrated, to understand what people are doing with this technical object.This research shows that all wind turbines that have been widely distributed are based on the same global architecture and on the same physical principle allowing the definition of indicators of performance and regularity over a long period. Considered as a production machine and not as an energy converter, each wind turbine is optimal in the technical and socio-economic context of its time.The proposed history of the techniques revolves around the notion of function in relation, on the one hand, to the operation of a combination of material structures and on the other to the intention of designers and users acting according to standards underpinned by moral, aesthetic and cultural values.

La récupération d'énergie est un procédé très fréquent qui peut être observé sous de nombreuses formes dans la nature. Des espèces de poissons ou d'oiseaux sont par exemple connues pour exploiter leurs environnements afin d'accomplir une propulsion à moindre effort. L'objectif de ces travaux est de concevoir un concept d'hydro-éolienne oscillante basé sur des dynamiques similaires. La notion d'interaction fluide-structure est présentée pour expliquer le moyen d'alimentation utilisé dans le transfert énergétique de ce concept. Un mécanisme d'aile oscillante est spécialement modélisé théoriquement et numériquement pour analyser la dynamique de l'hydro-éolienne. L'asymétrie des oscillations, propre aux couplages multi-physiques, est particulièrement considérée pour maximiser le rendement du récupérateur d'énergie oscillant. On remarque que l'intégration de cette caractéristique des oscillations est présente dans la théorie de Couchet qui complète le modèle instationnaire de Theodorsen pour estimer les efforts aérodynamiques d'un profil d'aile oscillant non-symétriquement par rapport au sens de l'écoulement. L'analyse énergétique de l'oscillateur révèle de tellement bons rendements que la proximité avec la limite de Betz provoque un doute sur la définition de l'efficacité pour quantifier le transfert énergétique. En effet, l'optimisation d'un récupérateur d'énergie hydro-aéro-élastique est réalisée soit en maximisant la puissance dissipée par l'oscillateur soit au diminuant artificiellement la puissance disponible dans le fluide en adaptant la section de balayage de l'aile. Une autre définition de l'efficacité énergétique est développée sur la base de la théorie de Couchet pour lever cette incertitude. L'analyse de cet indicateur met en valeur l'importance du rôle du sillage du déplacement asymétrique de l'aile dans la récupération d'énergie. / Energy harvesting is a common process presents in so many ways in nature. Fishes and birds use for example their surroundings in order to produce propulsion without any effort. The focus of this thesis is to design a hydro-aéro-elastic harvester based on these dynamics. The fluid-structure interaction is introduced to explain the energy supply of the concept. An oscillating-wing-mechanism is theoretically and numerically developed in the aim to investigate the behavior of the marine-wind turbine. The energetic efficiency is then maximized by the asymmetric oscillations relative to the fluid-structure coupling. Note that the non-symmetric characteristic of the oscillation is included in the theory of Couchet which completes the unsteady aerodynamic theory of Theodorsen. Unusual high performances of the oscillating harvester suggest some apprehensions reading the efficiency’s definition. Indeed, the hydro-aéro-elastic harvester optimization can be achieved ether by increasing the power output or by decreasing the power available in the fluid artificially modified by the sweep section of the foil. These uncertainties are resolved by considering another definition of the energetic efficiency which is developed according to the theory of Couchet. The performance analysis of the new factor presents the contribution of the wake induced by the asymmetric oscillation of the foil on the energy harvesting quantities.

La thèse se décompose en deux parties. La première concerne l'utilisation du code de CFD atmosphérique Mercure Saturne pour estimer le potentiel éolien en terrain complexe. Une campagne de mesure a été menée par EDF pour disposer de données d'entrée et de validation. Une méthodologie a été développée utilisant des profils méso-échelle comme conditions limites du code CFD. Elle utilise la classification automatique pour réduire le nombre de simulations nécessaires au calcul du potentiel. La validation du code sur le cas connu de la colline d'Askervein, la méthodologie et les comparaisons avec les mesures sur le site complexe choisi sont présentées et discutées. La seconde partie concerne l'étude des sillages avec le code Mercure Saturne. Une méthode de représentation des efforts, exercés par les pales sur le vent, utilisant des termes sources a été implémentée. Ces derniers sont calculés par la méthode BEM. Deux comparaisons en soufflerie sont proposées pour la validation / This thesis is organized in two parts. The first part presents the use of the atmospheric CFD code Mercure Saturne to estimate the wind resource in complex terrain. A measurement campaign was led by EDF to obtain data for validation. A methodology was developed using meso-scale profiles as boundary conditions. Clustering of meteorological situations was used to reduce the number of simulations needed to calculate the wind resource. The validation of the code on the Askervein hill, the methodology and comparisons with measurements from the complex site are presented. The second part presents the modeling of wakes with the Mercure Saturne code. Forces, generated by the blades on the wind, are modeled by source terms, calculated by the BEM method. Two comparisons are proposed to validate the method : the first compares the numerical model with wind tunnel measurements from a small wind turbine, the second with measurements made on porous disks in an atmospheric boundary layer wind tunnel

Cette thèse est consacrée à l'étude des instabilités du sillage tourbillonnaire des rotors, largement utilisés dans l'industrie pour la conversion d'énergie mécanique. Leur sillage peut être modélisé par un ensemble de vortex hélicoïdaux entrelacés, au sein duquel de nombreuses instabilités peuvent émerger. Ces mécanismes ont un impact significatif sur l'évolution intermédiaire du sillage et peuvent influencer les performances du rotor. Ce travail, plus particulièrement dédié aux hélicoptères, s'est tout d'abord attaché à caractériser expérimentalement l'écoulement derrière trois rotors conçus pour des régimes de vols différents. Ces conditions de bases ont ensuite servi à étudier les différents modes instables de grande longueur d'onde pouvant apparaître dans le sillage. Une bonne correspondance est trouvée entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales des taux de croissance associés. Une rapide analyse de l'évolution spatio-temporelle de ces perturbations a permis d'étudier la propagation d'une perturbation localisée dans le plan rotor. Il est en effet envisagé que dans certaines configurations de vol de descente, les instabilités provoquent la transition du sillage vers un état spécifique connu sous le nom d'état d'anneau tourbillonnaire, potentiellement dangereux pour l'appareil. Il se caractérise par une stagnation du sillage au voisinage du plan rotor qui en dégrade les performances. / This work studies the instabilities associated with the wake of a rotor. These devices are used in many applications such as energy harvesting or propulsion,and their optimisation is crucial for both industry and the environment. The wakebehind a rotor is broadly defined as a system of interlaced helical vortices, whose dynamics governs the transition from the near-wake to the far-wake regime. In our first study, we investigate the wake behind different small-scale rotors in their design operating condition. We use the resulting flows in a subsequent linear stability analysis, aiming at predicting long-wavelength instability modes in the helical vortex. We find that the theoretical prediction of the modes growth-rates matches our experimental measurements. We also show that the dynamics of helical vortex filaments can be predicted from simple two-dimensional theory. In more critical flow configurations, instabilities are suspected to promote the transition to hazardous regimes such as the so called Vortex-Ring State, characterised by large-scale recirculating structures.The second part of this work is thus dedicated to the spatio-temporal evolution of localised perturbations in the rotor plane, and their potential tendency to propagate upstream in the flow.