La réforme du secteur de l'électricité du Nigeria a eu lieu en 2010-2013 mais a été jugée infructueuse par la plupart des parties prenantes. L'échec de la réforme est illustré par une myriade de défis économiques, institutionnels, techniques, financiers et sociopolitiques apparemment insurmontables. Cette thèse a pour objectif de proposer des solutions viables aux défis (ex post) auxquels fait face le secteur électrique du Nigéria, en empruntant aux approches de l'économie de l'énergie sur le market design et la régulation. Elle identifie les principales causes de l'échec de la dernière réforme du secteur : privatisation incomplète, intégration horizontale des opérations de transport et de réseau, infrastructure d'approvisionnement gazière sous-développée et cadre réglementaire faible et inefficace. Ainsi, elle recommande de renforcer le cadre réglementaire comme un bon point de départ pour résoudre les problèmes sectoriels (ex-post) de la réforme.Ensuite, cette thèse démontre que des enchères inversées bien conçues peuvent être un mécanisme de marché approprié à la situation du Nigéria, en précisant les variables importantes pour une implémentation réussie. Cette thèse affirme également que ces variables devraient être fondées sur un cadre institutionnel et réglementaire solide pour réussir. Elle recommande donc de concevoir des enchères inversées pour la technologie de stockage solaire photovoltaïque hors réseau /minigrid, en tant que solution potentielle pour accroître l'accès à l'électricité, attirer les investissements, et également discuté de la voie à suivre afin d’adapter la conception au cadre de marché discuter / réglementaire existant.Enfin, cette thèse comble certaines lacunes de l'état de l'art du secteur électrique nigérian en appliquant et combinant des systèmes d’informations géographiques (GIS), un outil d’optimisation de système énergétique et des connaissances du market design et de la régulation. Elle a identifié les clusters de consommateurs les plus peuplées sans accès à l'électricité, fait des projections de la demande de charge et déterminé les tailles de stockage PV et de batteries optimisées sur le plan techno-économique pour obtenir une alimentation de haute qualité d’électricité avec une certaine gestion de la demande. Également, elle a analysé les besoins en terrains / la disponibilité pour obtenir une liste restreinte de 233 clusters de 7,2 millions d'habitants, nécessitant un solaire photovoltaïque de 3 280 MW pour la vente aux enchères proposée. Enfin, cette thèse a examiné la voie à suivre pour adapter la conception proposée de la vente aux enchères de stockage d’énergie solaire photovoltaïque et de stockage au cadre de market design/réglementaire existant. / The Nigeria Power sector reform was performed in the year 2010-2013 but has been adjudged unsuccessful by most stakeholders. The failure of the reform is evidenced by a myriad of seemingly insurmountable economic, institutional, technical, financial and socio-political challenges. This thesis aims to propose workable solutions to the challenges in the Nigeria Power sector (ex-post) reform from the field of market design and regulation in energy economics. It finds incomplete privatization coupled with the horizontal integration of the transmission and network operations, underdeveloped gas supply infrastructure and the ineffective/weak regulatory framework as the root causes of the reform failure. Thus, it recommends strengthening the regulatory framework as a good starting point to resolve sectoral problems (ex-post) reform.Furthermore, it argues that reverse auction has the potential to be successful in Nigeria with well-designed market variables and provides the market design variables adaptable to the Nigeria case to achieve a successful auction run. It also argues that these variables should be built on a foundation of a robust institutional and regulatory framework to be successful. It thus recommends designing reverse auctions for offgrid/minigrid solar PV plus storage technology as a potential solution to increase power access and attract investment and also discussed the pathway to adapt the design to the existing market/regulatory framework. In addition, it applied and combined Geographical Information System (GIS), energy system optimization tool and market/regulation knowledge to bridge some knowledge gap in the Nigeria Power sector. It identified the most populated consumer clusters without electricity access, made load demand projections and determined the techno-economically optimized PV plus battery storage sizes to achieve high quality power supply with some demand side management. Furthermore, it analyzed the land requirements/availability to achieve a shortlist of 233 clusters with 7.2 million people that require 3,280 MW solar PV for the proposed auction. Finally, it discussed the pathway to adapt the proposed solar PV plus storage auction design to the existing market/regulatory framework.

La foudre est un phénomène naturel aléatoire impactant un avion de transport civil en moyenne une fois toutes les 1500 heures de vol. Les forts courants et impulsionnels pouvant parcourir la structure d'un aéronef peuvent induire des contraintes physiques aux conséquences sérieuses en ce qui concerne la sûreté. En particulier, quand un assemblage est parcouru par un courant de type foudre, des champs électriques ainsi des densités d'effet Joule importants peuvent engendrer différents phénomènes de décharge. Le risque d'étincelage est particulièrement critique au niveau des réservoirs de carburant, et différentes technologies de protection et procédures de certification sont employées pour maitriser ce risque. Les résultats expérimentaux laissent penser que la formation de ces décharges est due aux résistances électriques localisées aux interfaces entre les différentes pièces des assemblages. Le but de cette thèse a été de modéliser les phénomènes qui se produisent à une échelle microscopique au niveau de telles résistances de contact soumises à de forts courants impulsionnels de type foudre. / Lightning is a natural hazardous event that strikes a civil aircraft on average once per 1500 hours of flight. The corresponding high and impulsive currents that may flow along the structure of the aircraft can generate physical constraints with major consequences regarding safety. In particular, when a fastened assembly is crossed by a lightning current, important electric fields and Joule power densities may give birth to a variety of discharge phenomena. The sparking risk is particularly critical in fuel tanks, and different lightning protection technologies and certification procedures are employed to face it. The ignition of discharges is believed to be mostly due to the local electrical resistance at the interfaces between the parts of the assemblies. The aim of this thesis was to model to phenomena that occur at a microscopic scale of such contact resistances subject to high and impulsive currents.

Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'approche More-than-Moore constitue un facteur clé pour améliorer les performances du système, l'intégration et la diversification des applications. Dans le domaine des systèmes RF/hyperfréquences, il est essentiel de développer des fonctionnalités optimisées pour diverses exigences comme la linéarité, les pertes, la sensibilité, etc. Bien que la technologie silicium-sur-isolant (SOI) offre des solutions concurrentielles pour le marché des radiofréquences et des hyperfréquences, il a été démontré dans des études antérieures que l'ingénierie des substrats SOI permet d'améliorer encore les performances. Dans ce contexte, l'objet spécifique de ce travail de thèse a été d'étudier le traitement des substrats porteurs de tranches SOI (Silicium-sur-Isolant). L'objectif a consisté à enlever le substrat de silicium sous la zone active des fonctions RF pour obtenir des membranes SOI menant à des pertes RF réduites et une amélioration de la linéarité. Nous avons donc développé le procédé de micro-usinage et de gravure assistée par laser femtoseconde FLAME (Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch) pour suspendre en membrane les fonctions RF intégrées sur un substrat SOI. Un taux d'ablation spécifique élevé de 8,5 x 106 µm3 s-1 a été obtenu pour produire des membranes dont la surface varie de quelques centaines de µm2 à plusieurs mm2. La caractérisation RF a été réalisée sur différentes fonctions RF suspendues : commutateurs, inductances et amplificateurs à faible bruit (LNA). Une comparaison avec des substrats SOI à haute résistivité montre des performances supérieures pour les fonctions RF intégrées en membranes. Pour le commutateur, les mesures de distorsion harmonique ont montré une amélioration de 23 dB et 6 dB des secondes et troisièmes harmoniques, respectivement. Des mesures en régime petit signal d'inductance sur membranes ont révélé un quasi-doublement du facteur de qualité Q jusqu'à 3,2 nH. L'élimination du substrat de l'inductance d'adaptation d'entrée des LNA entraine une réduction du facteur de bruit de ~0,1 dB. Ces résultats mettent en évidence le potentiel important que constitue l’ingénierie des substrats pour l'amélioration des performances RF des technologies CMOS. De plus, pour les besoins d'analyse en boucle courte, la méthode FLAME permet de quantifier très rapidement l'influence du substrat sur les pertes et la linéarité sans avoir recours à des techniques d’élimination complète. Un autre avantage distinctif de cette méthode est la possibilité de quantifier l'effet du substrat sur un circuit complet en suspendant un composant spécifique sans affecter les autres. Les méthodes de fabrication développées sont également applicables aux capteurs en technologie SOI, ce qui apporte une valeur ajoutée globale en ligne avec le paradigme More-than-Moore. / In semiconductor industry, the More-than-Moore approach is a key enabler for enhanced system performance, better integration and improved diversity of applications. Within the focus area of RF/microwave systems, it is essential to develop different functionalities which are optimized for various requirements like linearity, losses, sensitivity etc. While Silicon-on-Insulator (SOI) technology offers competitive solutions for RF/microwave market, it has been demonstrated in previous studies that SOI substrate engineering results in further performance gains. In this context, the specific goal of our work is the investigation of substrate processing of SOI RF functions using femtosecond laser ablation. The objective is to remove silicon handler substrate under the active area of the RF functions to obtain SOI membranes which have reduced RF losses and improved linearity. In this work, we have developed the Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch (FLAME) process to suspend RF functions integrated on a SOI substrate. A high specific ablation rate of 8.5 x 106 µm3 s-1 has been achieved to produce membranes with a surface area ranging from few hundreds µm2 to several mm2. RF characterization has been performed on different suspended RF functions: switches, inductors and low noise amplifiers (LNA). A comparison with high-resistivity SOI substrates shows superior performance of RF functions integrated in suspended membranes. For the SP9T switch, harmonic distortion measurements showed an improvement of 23 dB and 6 dB of the second and third harmonic, respectively. Small signal measurements of inductors on membranes revealed a near doubling of the quality factor of inductors up to 3.2 nH. Substrate removal of input matching inductor on LNA resulted in reduction of noise figure by ~0.1 dB. These results highlight the great potential for use of substrate processing for improvement of RF performance in CMOS technology. In addition, for short loop analysis needs, the FLAME method allows to quantify the influence of the substrate on losses and linearity very quickly without the need for total substrate removal. Another distinctive advantage of this methodology is the ability to quantify the substrate effect on a full circuit by suspending a specific component while keeping other components unaffected. The developed fabrication methods are equally usable for sensor applications on SOI technology, which provides an overall added value in line with the More-than-Moore paradigm.

Le chapitre 1 introduit le sujet et son contexte. Les verrous sont identifiés.Le chapitre 2 fait l’état de l’art sur la topologie des enroulements constituants le transformateur.Les points forts et les points faibles des différentes topologies sont discutés. Les différents matériaux nécessaires à la réalisation de transformateurs (conducteur, magnétique et isolant) satisfaisant les exigences sur la haute température et la haute fréquence sont identifiés.Enfin, je présenterai la méthode de fabrication LTCC qui constitue une alternative à la technologie développée dans ce mémoire.Le chapitre 3 traite de la modélisation et de la conception des transformateurs en définissant la structure et ses degrés de libertés. L’utilisation des calculs analytiques et de simulations par la méthode des éléments finis permettent d’évaluer des transformateurs à enroulements entrelacés et à enroulements concentriques avec une bonne précision. Le chapitre 4 présente les procédés technologiques permettant la fabrication collective de transformateurs sur substrat magnétique. Il s’agit de l’isolation du substrat, de la croissance électrolytique des enroulements et de l’assemblage final du transformateur.Le chapitre 5 présente les méthodes de caractérisations de différentes propriétés du transformateur : résistance des enroulements en continu, inductances propres d’un enroulement et capacité d’isolement entre enroulements primaire et secondaire. Ces caractérisations permettent de confirmer les calculs analytiques et les hypothèses sur lesquelles ils reposent ainsi que les simulations magnétostatique et électrostatique par éléments finis.Le chapitre 6 permettra de conclure sur les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse et d’ouvrir des perspectives pour des travaux futurs / Chapter 1 introduces the topic and its associated context. Locks are identified.Chapter 2 is reviewing state of the art of winding topologies. Their strengths and weaknesses are discussed. Then, materials required for transformers microfabrication (conductors, magnetic material and insulation material) satisfying both high temperature and high frequency criteria are identified. Finally, LTCC fabrication process, an alternative to process used here, is presented.Chapter 3 discuss modelisation and design of transformers by defining the structures and its degrees of freedom. Analytical expressions and finite element analysis allows evaluation of interleaved transformer and tapped transformer within a good accuracy.Chapter 4 present technological process involved in batch-processed fabrication of transformers onto magnetic substrate. Processes are substrate insulation, conductors electrolytic growth of windings and final assembly of transformers.Chapter 5 present characterization methods of several properties of the transformers such as DC winding resistance, self-inductances of windings and isolation capacitance between primary and secondary winding. These characterizations confirm analytical expressions and their underlying hypothesis as well as magnetostatic and electrostatic finite element analysis.Chapter 6 concludes on work achieved during this PhD thesis and opens to further perspectives

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L'application de champ électrique est connue pour avoir la capacité d'améliorer significativement la stabilité des flammes. A ce sujet, un modèle mathématique permettant de modéliser la combustion en présence d'un champ électrique a été développé. Les équations de l'aérothermochimie sont couplées à des équations de bilan pour les densités des espèces chargées, et une équation de Poisson pour le potentiel électrique est résolue. Une situation principale est étudiée pendant la thèse ; elle concerne la stabilisation de flammes de diffusion par application d’un champ électrique continu ou alternatif.Les résultats obtenus montrent que la présence du champ électrique améliore significativement la stabilisation de la flamme. L’ampleur de cette amélioration dépend de l’intensité et de la polarité de la tension appliquée. Si la tension appliquée est alternative, un facteur supplémentaire s’ajoute pour influencer la stabilisation ; il s’agit de la fréquence. Une interprétation des mécanismes permettant la stabilisation est proposée. / The application of electric field is known to have the ability to improve significantly the flame stability. In this regard, a mathematical approach to model combustion in the presence of an electric field was developed. The Navier-Stokes equations along with transport equations for charged species and the electric potential Poisson’s equation are solved. A main situation, that concerns the stabilization of diffusion flames by applying a direct or alternating electric field, is studied. The results show that the presence of the electric field improves the flame stabilization. The magnitude of this improvement depends on the intensity and polarity of the applied voltage. If the applied voltage is alternating, an additional factor, which is the frequency of the electric current, influences also the extent of the flame stabilization improvement. An interpretation of the stabilization mechanisms is proposed.

Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique. / The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach.

Le travail de thèse portant sur « le rôle d’un champ électrique intense sur les phénomènes thermodynamiques et cinétiques mis en jeu au cours de la croissance cristalline d’oxydes », consiste à mettre en œuvre une nouvelle voie de croissance de monocristaux d’oxydes aux propriétés remarquables. A travers l’utilisation d’un champ électrique intense au cours du processus de solidification, nous souhaitons agir sur les équilibres thermodynamiques propres à la cristallisation ainsi que moduler les conditions cinétiques de formation des cristaux dans le but d’obtenir des phases nouvelles, des structures particulières et ainsi obtenir des matériaux aux propriétés nouvelles, exacerbées ou contrôlées. Pour cela, un dispositif spécifique a été conçu dans le but d’introduire, au sein d’un bâti de croissance existant (le four à image), une source de champ électrique intense (plusieurs kV/cm). Des études de modélisation, des observations in situ à la croissance et des analyses de la microstructure et des propriétés des matériaux ont été menées en vue d’appréhender les mécanismes d’influence du champ électrique sur les processus de germination-croissance des cristaux. Ces études soulèvent la grande complexité des interactions entre le champ électrique externe et les milieux ioniques solide et liquide portés à hautes température (conducteurs polarisables). Une influence particulière de l’énergie électrostatique sur les équilibres de phases a été démontrée, notamment à travers une élévation significative de la température de fusion des matériaux en présence du champ électrique [1]. Les résultats associés révèlent que les modèles établis jusqu’à présent [2-4], à savoir une perturbation de l’énergie libre à travers la polarisation des milieux, ne rendent pas compte de l’ensemble des mécanismes sous-jacents à la présence du champ électrique externe. Un modèle de double couche électrique à l’interface de croissance où un champ local intense est créé par des distributions surfaciques de charges semble correspondre au mieux à la description de la nouvelle organisation chimique induite sous champ électrique de manière à rétablir l’équilibre électrostatique. De fait, à l’interface de croissance, les potentiels chimiques des espèces sont principalement influencés par la différence de potentiel électrique locale, déterminée par la nature de la double couche. Par ailleurs, les analyses des microstructures de croissance, notamment ciblées sur l’étape de germination, révèlent que des mécanismes dynamiques de transport de charges couplés aux transferts de chaleur (effets thermoélectriques) agissent très certainement sur les conditions de formation des cristaux. Des analyses élémentaires de cristaux dopés formés sous champ électrique démontrent la capacité de ce dernier à agir sur la ségrégation des espèces et donc, sur les conditions d’équilibres électrostatiques à l’interface de croissance. On distingue ici la possibilité de contrôler, dans une certaine mesure, la stœchiométrie des cristaux formés ainsi que l’incorporation d’espèces qui confèrent aux matériaux des propriétés particulières. En outre, des effets observés sur des orientations de croissance privilégiées sous champ électrique ou encore la formation de défauts par la création de charges d’espace laissent à penser qu’une polarisation in situ de matériaux piézoélectriques ou ferroélectriques serait un objectif atteignable à terme. / This thesis work named “Role of an intense electric field on thermodynamic and kinetic conditions of oxides' crystal growth” lies on the elaboration of a novel way to conduct crystal growth of bulk functional oxides. With the use of an intense electric field during growth, we wish to act on the thermodynamic equilibria taking place during the solidification process and to modulate the kinetic conditions of crystals’ formation with the aim to achieve new crystal phases and structures in order to produce materials with novel, enhanced or controlled properties. Therefore, a specific device of intense electric field production (several kV/cm) that fits inside a mirror furnace has been conceived. The interactions between the external electric field and the ionic solid and liquid media have been investigated through modeling studies, growth in situ observations and analysis of materials’ structure that reveal a complex situation where multiple mechanisms of influence act on the nucleation and growth processes. A notable impact of the electrostatic energy on thermodynamic equilibria has been evidenced, especially on materials’ melting temperature [1]. Moreover, results suggest that the existing models that describe the shifts in thermodynamic equilibria due to displacements of phases’ free energies through a polarization mechanism [2-4] are not sufficient because of the variety of mechanisms that are in stake. The picture of an electric double layer formed at the growth interface where an intense local electric field is created by surface charge distributions seems to be the most reliable conceptualization of the induced chemical organization taking place in order to restore the electrostatic equilibrium under the influence of an external electric field. Thus, at the growth front, the chemical potential of species is mostly influence by the local electric potential that depends upon the electric double layer’s nature. Besides, analysis of the growth microstructures, especially during the nucleation process, reveal that coupling of dynamic charges and heat transports, therefore thermoelectric flux, act upon the growth conditions of crystals. Chemical analysis of doped crystals grown under electric field show that the latter is capable of influencing the segregation of species, which reveals its action on the electrostatic conditions of equilibrium at the interface. Herein, we notice the possibility to control, in a certain extent, the stoichiometry of crystals and the incorporation of chemical elements that impart crystals particular properties. Moreover, some observations of enhanced growth orientations under electric field or some defects formation creating space charges give insights on the possibilities to, at term, conduct in situ polarization of piezoelectric or ferroelectric materials throughout growth under electric field. Finally, an opening on hydrodynamic effects bound to the external electric field reveal the great potentials of the use of an external electric field as an additional parameter to the crystal growth of functional oxides.

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