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Greenhouse gas emissions from world energy generation in 2010 were the highest in history, according to the latest estimates from the International Energy Agency, released on May 30th, 2011. In addition, the demand for food, feed, fiber and fuel increases to meet the needs of a growing global population, making soil fertility management increasingly important. In this context Biochar has proved itself to be a potential and practical solution in combating these issues. In this present study, influence of various process parameters on the pyrolysis of the five different types of ligno cellulosic biomasses into biochar was investigated. The operational parameters for pyrolysis were optimized using response surface methodology individually based on the temperature of operation and the time of residence. The independent process parameters for pyrolysis such as operational time and residence time were evaluated using a central composite design to access their effects and their interactions on the yield of biochar from lignocellulosic biomass. Optimal temperatures for a desirability function of 0.5 for maple, balsa, bamboo, pine and ebony are 345°C, 334°C, 326.7°C, 325.8°C and 340.8°C respectively with the corresponding residence times of 22, 43.75, 28, 24.8 and 21.75 minutes respectively. All the biomass data fitted the proposed model very well. The least fit was observed in balsa wood biomass. Temperature was the major influential factor compared to time. Density analysis was done to compare the changes in density before and after pyrolysis. It was observed that the density of biochar was 0.8 times the density of the wood from which it was originally made. Proximate analysis was performed to compare the fuel and optimal biochar properties. Characterization of biochar revealed important details: Hyperspectral imaging analysis which measured the mean reflectances of the biochar disclosed that porosity which is inversely proportional to the porosity decreased as the temperature increased. Thus higher temperature indicated greater porosity compared to average and low temperatures. Pycnometry analysis suggested that the severity of the pyrolysis hiked the degree of porosity as well. This result was further substantiated with the scanning electron microscope images which showed larger sized pores at greater temperatures. / Émissions de gaz à effet de serre de la production d'énergie mondiale en 2010 étaient les plus élevés dans l'histoire, selon les dernières estimations de l'Agence internationale de l'énergie, publié le 30 mai 2011. En outre, la demande augmente aliments, la nourriture, fibres et combustible pour répondre aux besoins d'une population mondiale croissante, ce qui rend la fertilité des sols en plus important. Dans ce contexte biochar s'est avéré être une solution potentielle et pratique dans la lutte contre ces problèmes. Dans la présente étude, l'influence des paramètres du processus différents sur la pyrolyse des cinq différents types de biomasses ligno cellulosique en biochar a été étudiée. Les paramètres opérationnels pour la pyrolyse ont été optimisés en utilisant la méthodologie de surface de réponse individuelle basée sur la température de fonctionnement et le temps de résidence. Les paramètres de processus indépendant pour la pyrolyse comme le temps de fonctionnement et le temps de séjour ont été évalués en utilisant un plan composite central pour accéder à leurs effets et leurs interactions sur le rendement de biochar à partir de biomasse lignocellulosique. Les températures optimales pour une fonction de désirabilité de 0,5 pour l'érable, balsa, le bambou, le pin et l'ébène sont 345 ° C, 334 ° C, 326,7 ° C, 325,8 ° C et 340,8 ° C, respectivement avec le temps de séjour correspondant de 22, 43,75, 28 , 24,8 et 21,75 minutes respectivement. Toutes les données sur la biomasse équipé le modèle proposé très bien. Le moins bon a été observée dans la biomasse bois de balsa. La température était le principal facteur d'influence par rapport au temps. Analyse de la densité a été faite pour comparer les changements dans la densité avant et après pyrolyse. Il a été observé que la densité de biochar a été 0,8 fois la densité du bois à partir de laquelle il a été initialement faite. L'analyse immédiate a été effectuée pour comparer les propriétés du carburant et optimale du biochar. Caractérisation de biochar a révélé des détails importants: l'analyse d'imagerie hyperspectrale qui a mesuré la réflectance moyenne de la biochar a révélé que la porosité qui est inversement proportionnelle à la porosité diminué lorsque la température augmente. Ainsi plus la température indiquée plus grande porosité par rapport aux températures moyennes et basses. Analyse Pycnométrie suggéré que la sévérité de la pyrolyse a haussé le degré de porosité ainsi. Ce résultat a été étayé par les images microscope électronique à balayage montrant des pores plus grands de taille à des températures plus élevées.

An understanding of the fundamental combustion properties of alternative fuels is essential for their adoption as replacements for non-renewable sources. In the aviation industry, a promising candidate is hydrotreated renewable jet fuel (HRJF). HRJF can be synthesized in a sustainable and economically viable manner from long chain fatty-acid methyl esters found in jatropha and camelina seed, and the laboratory-scale characterization of the combustion properties of HRJF is an active area of research. Such research is motivated, in part, by the chemical complexity of biojet fuels which are composed of hundreds of hydrocarbon species, similar to conventional aviation grade fuels. The laminar flame speed has been identified as an important combustion parameter for many combustion applications, and is especially relevant to the aviation community. The laminar flame speed is also an important parameter in the validation of chemical kinetic mechanisms, as it is representative of the chemical reactivity of the fuel. In this study, laminar, atmospheric pressure, premixed stagnation flames were used to determine the laminar flame speed of HRJF blended in varying ratios with Jet A-1 aviation fuel, requiring a combination of experimental and numerical methods. Jet A-1 was also studied to allow for comparative benchmarking of the biojet blends. Experiments were carried out in a jet-wall stagnation flame geometry at a pre-heated temperature of 400 K. Centerline velocity profiles were obtained using particle image velocimetry, from which the strained reference flame speeds were determined. Simulations of each experiment were carried out using the CHEMKIN-PRO software package together with a detailed chemical kinetic mechanism, with the specification of necessary boundary conditions taken entirely from experimental measurements. A direct comparison method was used to infer the true laminar flame speed from the experimental and numerical strained reference flame speeds. In order to model the chemical kinetics of Jet A-1 and the biojet blends, it was necessary to identify a surrogate blend that emulates the reactivity of the biojet fuels, while consisting of a much smaller number of pure compounds. Published data shows significant discrepancies for many jet fuel surrogate components, motivating their inclusion in this study. Thus, laminar flame speeds were also obtained for three candidate jet fuel surrogate components: n-decane, methylcyclohexane and toluene, which are representative of the alkane, cycloalkane and aromatic components of conventional aviation fuel, respectively. Results for the pure surrogate components were used to generate a suitable surrogate blend for the biojet blends. The results form this work resolve conflicting laminar flame speed data for the surrogate components, which is essential for the further development of chemical kinetic mechanisms and contributes to the surrogate modelling of jet fuel combustion. The laminar flame speeds of the biojet blends are compared to the Jet A-1 benchmark over a wide range of equivalence ratios. The biojet blends are found to behave similarly to Jet A-1 for low to moderate levels of blending, but show a marked disagreement otherwise. / La comprehension des proprietes de combustion fondamentales des carburants alternatifs est essentielle pour leur adoption en remplacement des sources non renouvelables. Dans le secteur de l'aviation, un candidat encourageant est le carburant d'avion renouvelable hydrotraite (HRJF). HRJF peuvent etre synthetiser de maniere durable et economique en utilisant des esters methyliques a longue cha^ne procure de gras trouves dans les grains de jatropha et de cameline, et la caracterisation a l'echelle laboratoire des proprietes de combustion du HRJF est un domaine de recherche actif. Cette recherche est motivee, en partie, par la complexite chimique des combustibles d'avion biologiques qui sont composees de centaines d'especes d'hydrocarbures conventionnels, semblables a des combustibles d'aviation conventionnel. La vitesse de flamme laminaire a ete identie comme un parametre de combustion important pour de nombreuses applications de combustion, et est particulierement pertinent pour la communaute aeronautique. La vitesse de flamme laminaire est egalement un parametre important dans la validation des mecanismes de cinetiques chimiques, car il est representatif de la reactivite chimique du combustible. Dans cette etude, les flammes laminaire en stagnation, sous la pression atmospherique, et premelangees ont ete utilises pour determiner la vitesse de flamme laminaire de HRJF melanges dans des proportions variables avec du carburant de l'aviation Jet A-1, ce qui exigeait une combinaison de methodes experimentales et numeriques. Jet A-1 a egalement ete etudie pour permettre une analyse comparative des melanges de carburants. Des experiences ont ete menees dans une geometrie de vjet-mur flamme de stagnation a une temperature prechauee de 400 K. Des prols de vitesse centrales ont ete obtenus en utilisant la velocimetrie par image de particules, qui ont permit de determiner les vitesses de flammes de reference tendues. Simulations de chaque experience ont ete realisees en utilisant le logiciel CHEMKIN-PRO en conjunction avec un mecanisme chimique cinetique detaille, avec la specication de conditions aux limites necessaires prises entierement des mesures experimentales. Une methode de comparaison directe a ete utilisee pour deduire la vrai vitesse de flamme laminaire en utilisant les vitesses de flamme de reference tendues experimentales et numeriques. Pour modeliser la cinetique chimique du Jet A-1 et les melanges biologiques, il etait necessaire d'identier un melange de substitution qui emule la reactivite des carburants, tout en comprenant un nombre beaucoup plus restreint de combustibles purs. Les donnees publiees montrent des ecarts importants pour nombreux de ces composants de carburant de substitution, motivant leur inclusion dans cette etude. Ainsi, la vitesse de flamme laminaire a ete egalement obtenus pour trois candidats de composants substitutus pour la carburant d'aviation: n-decane, methylcyclohexane et toluene, qui sont representatifs des composants d'alcane, cycloalcane et aromatiques du carburant d'aviation conventionnel, respectivement. Les resultats pour les composants purs de substitution ont ete utilises pour generer un melange adequat de substitution pour les melanges de carburant biologiques. Les resultats de ce travail resout les conflits entre les donnees de vitesse de flamme laminaire pour les composants de substitution, qui est essentiel pour le developpement des mecanismes de cinetiques chimiques et contribue a la modelisation des carburants vide substitution de la combustion. Les vitesses de flamme laminaire des melanges de carburants biologiques sont comparees a Jet A-1 a dierents rapports d'equivalence. Les melanges biologiques comportent de facon similaire a Jet A-1 pour les niveaux de melange faible a modere, mais montrent un important ecart autrement.

In the present research, the onset of detonation downstream of a perforated plate subsequent to the reflection of a Chapman-Jouguet (CJ) detonation upstream was investigated. Single-frame schlieren photography was used together with pressure and velocity measurements to examine the phenomena in detail. Experiments were performed with two different mixtures: C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar and C3H8 + 5O2. The former is known to have a piecewise laminar structure with a regular cellular structure while the latter has a much more irregular transverse wave pattern. Upon reflection of the CJ detonation upstream, a turbulent reaction front propagates downstream at a quasi-steady velocity which corresponds to about the sound speed of the detonation products and half the CJ detonation velocity. There is found to be a critical value of the initial pressure in which the detonation is re-initiated downstream of the perforated plate. Below the critical initial pressure, the quasi-steady reaction front decays into a deflagration after a certain period of propagation. For the high argon diluted mixtures, the onset of detonation is found to always occur in the vicinity downstream of the perforated plate, when the turbulence generated by the plate has not yet decayed. In contrast, for the propane-oxygen mixtures at critical condition, the quasi-steady reaction front is found to propagate for relatively long distances from the plate prior to the onset of detonation. Thus it is concluded that high argon diluted mixtures may not be able to self-generate the critical conditions that are required for the transition to detonation. / Dans cette recherche, des détonations Chapman-Jouguet (CJ) sont réfléchies par une plaque perforée afin d'étudier le phénomène de la formation des détonations en aval. Pour ce faire, la photographie schlieren ultra-rapide est utilisée et combinée à des mesures de pressions et de vitesses. Les expériences sont réalisées avec deux mixtures explosives différentes: C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar et C3H8 + 5O2. La première est connue pour avoir une structure cellulaire laminaire et régulière, tandis que la seconde possède un tracé cellulaire bien plus irrégulier. Lorsque la détonation CJ est réfléchie par la plaque en amont, une zone de réaction turbulente est propagée enaval à une vitesse plus ou moins constante correspondant à la vitesse du son dans les produits de détonation ainsi qu'à environ la moitié de la vitesse CJ de détonation. Cette étude démontre qu'il existe une valeur critique de la pression initiale pour laquelle la détonation est ré-initiée en aval de la plaque perforée. Sous cette pression critique, la zone de réaction turbulente décroît en une déflagration après une certaine période de propagation. Pour la mixture diluée d'argon, la formation de la détonation se fait toujours à proximité de la plaque, avant que la turbulence générée par la plaquene se soit complètement dissipée. Pour les mixtures de propane-oxygène à pression critique, il apparaît que la zone de réaction turbulente peut se propager sur une distance relativement longue avant que la formation de la détonation débute. Cette recherche démontre donc que les mixtures hautement diluées d'argon pourraient ne pas être en mesure de générer par elles-mêmes les conditions critiques requises pour la transition en une détonation.

Biomass pyrolysis at temperatures above 300°C, with the biochar being returned to the soil is a possible strategy for climate change mitigation and reducing fossil fuel consumption. In this study, an attempt has been made to develop a finite element model (FEM) in order to couple thermal heating and heat and mass transfer phenomena during pyrolysis. This numerical modelling and simulation approach helped the visualization of the process and optimized the production of biochar. In this work, cylindrical sections of birch wood biomass were pyrolysed in a laboratory-scale thermal desorption unit. The influences of final pyrolysis temperature, heating rate, and pyrolysis atmosphere on the product yields were investigated. Results showed that the yield of pyrolysis products was reduced with increasing time and temperature. On the other hand, the char content in the wood increased together with increasing pyrolysis temperature as well as time for both slow and fast pyrolysis. A technique to maximize the amount of char in the product was also identified through this study and optimized along with the yield. The resulting biochar was tested through proximate analysis and differential scanning calorimetry to determine its thermodynamic qualities, which were analysed and compared according to their physical characteristics like porosity and reflectance. / La pyrolyse de biomasse à des températures excédant 300°C, suivi d'un retour au sol du produit de carbonisation de matériel biologique, s'avère une stratégie permettant de possiblement atténuer le changement climatique et réduire la consommation de combustibles fossiles. Dans la présente étude, nous tentâmes de créer un modèle d'éléments finis (MEF) permettant de coupler le réchauffement thermique et les phénomènes de transfert de chaleur et de masse opérant durant la pyrolyse. Cette démarche de modélisation et simulation numérique améliora notre habilité à visualiser le procédé et à optimiser la production de biochar. Des sections cylindriques de biomasse de bois de bouleau furent soumises à une pyrolyse dans un désorbeur thermique de laboratoire. L'influence de la température finale de pyrolyse, la vitesse d'élévation de température, et l'atmosphère de pyrolyse fut investiguée. Les résultants démontrèrent que tandis que le rendement en produits de pyrolyse diminua avec une augmentation de la température et du temps de la pyrolyse, le contenu en charbon du bois augmenta avec une augmentation ces paramètres, tout autant pour une pyrolyse lente qu'une pyrolyse rapide. A travers cette démarche, nous identifiâmes une technique permettant de maximiser la quantité de charbon dans les produits de pyrolyse ainsi que le rendement global du procédé. Le biochar ainsi généré fut testé par analyse immédiate et analyse calorimétrique à compensation de puissance afin de déterminer ses propriétés thermodynamiques, qui furent analysées et comparées selon les caractéristiques physiques des différents biochars, soit leur porosité et leur réflectance. fr

Biodiesel (BD) is conventionally produced by the transesterification of vegetable oils or animal fats with a monohydric alcohol and base catalyst, and known for its many technical and environmental advantages over petrodiesel. However, these oils are not economically viable feedstock due to their value as edible oils. Alternative, inexpensive feedstocks with minimal to no food value such as the large quantities of fishery and animal processing by-products which are often discarded as waste were explored in this project. Lipase was investigated as an alternative to chemical catalyst due to the tolerance of the former to a wide variety of feedstocks and simpler post-production processes among other advantages. Approximately 23.32-61.53% (on dry weight basis) of salmon skin oil (SSO) was recovered by the various solvent extraction systems evaluated. The quality of SSO stored at 25, 4, -18, and -80oC were assessed over time (1- 45 days) with respect to changes in the fatty acid profile, free fatty acid (FFA) content, peroxide value, and thiobarbituric acid reactive substances. A Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopic method was assessed as an alternative to the conventional AOCS titrimetric method for the determination of FFA content. With modifications, the new method was found to be capable of responding linearly to oleic acid (0-6.5%) addition, producing a FFA calibration equation with a S.D. of ±0.014% FFA. Based on the results from the initial assessment of the effects of temperature (25-65oC), oil:alcohol molar ratio (1:1-1:6), alcohol type (ethanol/methanol), and time (8-120 h) on Lipozyme®-IM-catalyzed transesterification of the recovered SSO, a commercial blend of yellow grease and rendered animal fat, and olive oil to fatty acid ethyl ester (FAEE) for use as BD, the process was considered for optimization. In three experiments, the linear, quadratic, and bilinear effects of the reaction variables on FAEE yield were assessed with response surface methodology (RSM) based on central composite rotatable design (CCRD). In each experiment, second-order polynomial models fitted to FAEE yield provided response surfaces at the various reaction times (8-48 h). These models were generally significant and produced reliable and stable predictions. The optimum conditions were found to be close to the centre point of the reaction variables. A high performance liquid chromatography unit equipped with a size exclusion column, and a refractive index detector was used for the simultaneous separation, identification, and quantitation of the reaction components; FAEE, unreacted triacylglycerol, residual diacyl- and monoacylglycerol, and alcohol as well as FFA. The transesterified oils were also tested for various fuel properties. To expand the uses of lipase recovered from fish processing discards to include catalyst for BD production, lipase from crude preparations of delipidated grey mullet (Mugil cephalus) viscera were isolated on para-aminobenzamidine agarose and immobilized on octyl Sepharose CL-4B (o-Sep). A signal in the amide I absorption region of the FTIR spectrum was attributed to the protein layer on o-Sep. Immobilized grey mullet lipase (GMLi) had a 10°C higher optimum temperature compared to the free enzyme (GML) for the hydrolysis of para-nitrophenyl palmitate. Immobilization lowered the enthalpy of activation (ΔH*), and free energy of activation (ΔG*) by more than 313 and 1315 cal/mol, respectively, while it enhanced the reusability, thermal, storage, and organic solvent stabilities of GML. / Le biodiesel (BD), ou des esters d'alkyle, est classiquement produit par la transestérification d'huiles végétales ou de graisses animales avec un monoalcool et un catalyseur de base, et est également connu pour ses nombreux avantages techniques et environnementaux par rapport au pétrodiesel. Toutefois, ces huiles BD ne sont pas des matières premières économiquement viables en raison de leur valeur principale en tant qu'huiles comestibles. Ce projet a exploré des matières premières de substitution, peu coûteuses avec peu ou pas de valeur alimentaire telle que les grandes quantités de sous-produits detransformation du poisson et de sous-produits animaux qui sont souvent jetés avec les déchets. La lipase a été étudiée comme une alternative aux catalyseurs chimiques en raison de la tolérance de la lipase à une grande variété de matières premières ainsi que son processus de post-production beaucoup plus simple entre autres avantages. Environ 23,32 et 61,53% (sur la base du poids sec) de l'huile de peau de saumon (SSO) a été récupéré selon les différents systèmes de solvants évalués. Pour la détermination de la teneur en FFA, une méthode de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a été évaluée comme une alternative au procédé AOCS conventionnel. Avec des modifications, la nouvelle méthode a été jugée capable de répondre de façon linéaire à l'addition d'acide oléique (0 à 6,5%), avec la production d'une équation d'étalonnage FFA avec une SD de ±0,014% FFA. Sur la base des résultats de l'évaluation initiale des effets de la température de réaction (25-65°C), un rapport l'huile:alcool molaire (1:1-1:6), le type d'alcool (éthanol ou méthanol), et le temps de réaction (8-120 h) sur du la transestérification catalysée Lipozyme®-IM, un mélange commercial de graisse animale jaune et de graisses fondues (RC), et d'huile d'olive (OO) à ester éthylique d'acide gras (EEAG) pour une utilisation comme BD, le procédé a été considéré pour optimisation. Dans trois expériences, les effets linéaires, quadratiques et bilinéaires des variables de la réaction sur le rendement EEAG ont été évalués avec la méthode de réponse de surface (RSM) basée sur la conception centrale composite rotative (CCRD). Dans chaque expérience, des modèles polynomiaux du second ordre équipés d'EEAG ont modelé le rendement des surfaces de réponse fournis aux divers temps de réaction (8-48 h). Ces modèles sont généralement importants et produisent des prévisions fiables et stables. Les conditions optimales ont été trouvées être proche du point de centre des variables de réaction (50°C, charge de l'enzyme 39.06 U, et l'huile:rapport molaire de l'alcool 1:2), et simultanément identifiés, et quantifiés. Les différents composants de la réaction (par exemple: EEAG, triacylglycérol n'ayant pas réagi (TAG), diacyle et résiduelle monoacyle-glycérol (DAG et MAG), et l'alcool ainsi que la FFA), ont été séparés, identifiés et quantifiés en utilisant la chromatographie liquide à haute performance équipé d'unité de colonne d'exclusion de taille, et un détecteur par indice de réfraction. Pour élargir les usages de la lipase récupérée à partir de rejets de transformation du poisson pour inclure un catalyseur pour la production de BD, de la lipase à partir de préparations brutes de délipidé mulet (Mugil cephalus) les viscères ont été isolées sur le para-aminobenzamidine agarose (p-ABA) et immobilisées sur Sepharose CL-octyle 4B (o-Sep). Un signal dans la région d'absorption amide I du spectre FTIR a été attribué à la couche de protéine sur o-Sep. La lipase de mulet immobilisée (GMLi) a eu une température optimale de 10°C plus élevée par rapport à l'enzyme libre (GML) pour l'hydrolyse de para-nitrophényl palmitate (p-NPP). L'immobilisation a abaissé l'enthalpie d'activation (AH*), et l'énergie libre d'activation (AG*) de plus de 313 et 1315 cal/mol, respectivement, alors qu'alla améliorer la capacité thermique, la, réutilisabilité, et la stabilité des solvants des GML.

During the past two decades, thermal microfluidic chips have significantly been investigated. Due to their high capacity of heat transport, an increasing number of studies on different aspects of thermal microfluidic chips have been conducted. However, a comprehensive investigation on the geometry of microfluidic chips using state of the art finite element software is absent from the literature. In this thesis, geometric parameters of thermal microfluidic chips have been optimized, using finite element software. Consequently, micro and macro phenomena were investigated in different models. The micro modelling approach investigated single microchannels and optimized the microchannel cross-section. Furthermore, two-phase flows in the microchannel were modelled, using finite element software ANSYS CFX. Liquid accumulation in the sharp corners of the microchannel was captured in the model and the phase change phenomenon was observed. The results of the finite element analysis were compared to the literature and a good correlation was observed. The configuration of microchannels in a microfluidic chip was studied through the macro modelling approach. Dimensionless design charts were presented in this section to be employed for all kinds of thermal microfluidic chips with different boundary conditions. Based on the validity of the finite element software, two-phase flows in the optimized three-dimensional network of microchannels were modelled. The results showed the circulation of the two phases in the microchannels and demonstrated the proper operation of the thermal microfluidic chip. / Au cours des deux dernières décades, les puces thermiques micro-fluidiques ont été considérablement examinées. Du fait de leur haute capacité pour le transport de chaleur, de nombreuses études ont été réalisées sur différents aspects de leurs propriétés. Cependant, une étude de la géométrie des puces micro-fluidiques utilisant un logiciel d'analyse par éléments finis est absente de la littérature. Dans cette thèse, des paramètres géométriques des puces thermiques micro-fluidiques ont été optimisés en utilisant un logiciel d'analyse par éléments finis. Ainsi, les phénomènes micro et macro ont été étudiés dans différents modèles. L'approche micro a consisté à étudier les micro-canaux seuls, et à optimiser la géométrie de leur section transverse. De plus, deux phases d'écoulement ont été modélisées en utilisant le logiciel d'élément fini ANSYS CFX. L'accumulation de liquide dans les coins saillants a été saisie par le modèle et le phénomène de changement de phase a pu être également observé. Les résultats de l'analyse par élément finis ont été comparés à ceux trouvés dans la littérature, et une bonne corrélation a été observée. La configuration des micro-canaux dans la puce micro-fluidique a été étudiée par l'approche macro. Des graphes adimensionnels ont été présentés dans cette section afin d'être employés pour toutes sortes de puces ayant différentes conditions aux frontières. En se basant sur la validité du modèle micro, élaboré par élément finis, l'écoulement des deux phases dans un réseau tridimensionnel de micro-canaux avec une géométrie optimisée a été modélisé. Les résultats montrent une circulation des deux phases dans les micro-canaux et démontrent le bon fonctionnement des puces thermiques micro fluidiques.

This dissertation identifies and proposes mitigating solutions for some of the adverse economical and technical impacts of integrating wind generation into existing power systems. The main focus is on the short-term operation looking seconds to hours ahead, and on day-ahead scheduling looking 12 to 36 hours ahead. First a thorough review illustrates how wind power uncertainty affects the operation of power systems composed of conventional fossil, nuclear and hydro power sources. Then, the impact of wind power variability is studied in the short-term operations (with a time frame of less than an hour) by estimating: 1) The probability distribution of power systems frequency deviations caused by the residual demand variability; 2) The additional operational cost of following the intra-hour wind power variability through existing centralized Automatic Generation Control mechanisms. The main innovative parts of this thesis develop a hybrid deterministic/probabilistic Unit Commitment which models the day-ahead prediction of wind power and demand as random quantities. This formulation guarantees that the scheduled reserve and generation levels meet the demand with a probability above a minimum threshold, while satisfying all conventional generation and transmission constraints. The new hybrid UC schedules less reserve than the conventional deterministic method while keeping its solution less computationally intensive than a formulation based on stochastic programming. The case studies illustrate the effects of integrating wind generation in power systems dominated by nuclear and fossil fuel generation. The evolution of long-term economical and operational quantities such as costs, energy incremental costs, $\mrm{CO_2}$ emissions, reserve levels, and wind curtailment are estimated for different levels of installed wind power by simulating the operation of a realistic power system over one year. / Cette thèse identifie des solutions atténuant certaines des difficultés technico-économiques relatives à l'intégration de production éolienne dans les réseaux électriques existants. L'emphase est mise sur l'exploitation court-terme - de l'ordre des secondes aux heures - et la planification de l'opération des unités de production 12 à 36 heures à l'avance. D'abord une revue littéraire détaillée illustre comment la puissance éolienne affecte l'exploitation des réseaux électriques où sont présentes des sources de production fossiles, nucléaires et hydro-électriques. Ensuite, nous étudions l'impact de la variabilité de la puissance éolienne sur l'exploitation court terme - horizon inferieur à 1 heure – en évaluant: 1) La distribution de probabilités des déviations de fréquence des réseaux électriques causées par la variabilité résiduelle de la demande; 2) Le coût additionnel d'exploitation par des mécanismes de Contrôle Automatique de Production suivant une variabilité dans l'heure de puissance éolienne. Le principal aspect novateur de cette thèse est le développement d'un méthode de planification d'opération des unités de production hybride déterministe/probabiliste modélisant la prévision un jour à l'avance de la puissance éolienne et de la demande en tant que quantités aléatoires. Cette formulation garantie que les niveaux de réserve et de production planifiés rencontrent la demande avec une probabilité au-delà d'un seuil, tout en satisfaisant les contraintes conventionnelles de production et transport. Les études de cas illustrent les effets d'intégrer la production éolienne dans des réseaux électriques dominés par la production nucléaire et combustibles fossiles. L'évolution long-terme des quantités économiques et d'exploitation, comme les coûts de production, les coûts incrémentaux de l'énergie, les émissions de CO2, les niveaux de réserve et le déversement d'énergie éolienne sont estimés par simulation d'une année d'exploitation d'un réseau électrique réaliste pour différents niveaux de puissance éolienne installée.

Solar energy is an intermittent supply source of energy. To efficiently utilize this free renewable energy source some form of thermal energy storage devices are necessary. Phase change materials (PCMs), because of their high energy density storage capacity and near isothermal phase change characteristics, have proven to be promising candidates for latent heat thermal energy storage (LHTES) devices. Among the various LHTES devices for low temperature residential heating and cooling applications, the shell-and-tube type heat exchanging devices are the most simple to operate and can be easily fabricated. This work numerically investigates the buoyancy driven heat transfer process during melting (charging) of a commercial paraffin wax as PCM filling the annulus of a horizontal double pipe heat exchanger. The heated working fluid (water) is passing through the central tube of the annulus at a sufficiently high flow-rate and thereby maintaining an almost isothermal wall temperature at the inner pipe which is higher than the melting temperature of the PCM. The transient, two-dimensional coupled laminar momentum and energy equations for the model are suitably non-dimensionalized and are solved numerically using the enthalpy-porosity approach. Time-wise evolutions of the flow patterns and temperature distributions are presented through velocity vector fields and isotherm plots. In this study, two types of PCM filled annuli, a plain annulus and a strategically placed longitudinal finned annulus, are studied. The total energy stored, the total liquid fraction and the energy efficiency at different melting times are evaluated for three different operating conditions and the results are compared between the plain and finned annuli. The present study will provide guidelines for system thermal performance and design optimization of the shell-and-tube LHTES devices. / L'énergie solaire est une source d'alimentation d'énergie intermittente. Pour utiliser efficacement cette source gratuite d'énergie renouvelable, une certaine forme de dispositifs de stockage d'énergie thermique est nécessaire. Les matériaux à changement de phase (PCMs) en raison de leur capacité d'énergie à haute densité de stockage et les caractéristiques quasi isothermes de changement de phase se sont révélés être des candidats prometteurs pour les dispositifs de stockage de la chaleur latente de l'énergie thermique (LHTES). Parmi les différents dispositifs LHTES pour le chauffage résidentiel à basse température et les utilisations possibles comme refroidissant, les dispositifs d'échange de chaleur du type à tubes et calandre et les dispositifs de type à tubes sont les plus simples à faire fonctionner et peuvent être facilement fabriqués. Ce travail étudie numériquement le processus de flottabilité piloté par le transfert de chaleur lors de la fusion (stockage de la chaleur) d'une cire de paraffine commerciale utilisée comme PCM remplissant l'espace annulaire d'un échangeur de chaleur horizontal à double conduit. Le fluide chauffé (de l'eau) faisant action passe par le conduit central de l'espace annulaire à un débit suffisamment élevé et maintient ainsi une température quasi isotherme de la paroi du conduit intérieur qui est supérieure à la température de fusion du PCM. La dynamique laminaire couplée à deux dimensions et les équations énergétiques transitoires du modèle sont convenablement dédimensionnées et sont résolues numériquement en utilisant l'approche enthalpie-porosité. Les évolutions selon le facteur temps des modèles d'écoulement et des distributions de température sont présentées par des champs vectoriels de vitesse et des courbes isothermiques. Dans cette étude, deux types d'espaces annulaires remplis de PCM, un espace annulaire simple et un espace annulaire longitudinal à ailettes s

Wind energy, increasing its share in the generation mix, is intended to replace fossil fuel plants in order to reduce green house gas emissions. However, the replacement of conventional synchronous units by wind generators reduces the number of online Power Systems Stabilizers (PSS) and may therefore deteriorate the damping of critical swing modes, leading to a reduction of the power transfer capacity in transmission corridors. Several reports indicate that angular instability, due to insufficient damping and inadequate tuning or disabling of power system stabilizers, is one of the major events that lead and/or contributed to wide area blackouts. / Variable speed wind turbine generators are capable of fast decoupled real and reactive power control. A damping torque can be generated by modulating a fraction of the real and reactive power output of the wind farm. Supplementary active and reactive power control loops are designed and integrated in the wind turbine controls. Operating limits are added to restrict the kinetic energy exchange of the supplementary control loop within a specified turbine speed. An analytical method is developed in order to assess the effectiveness of real and reactive power modulation in damping inter-area oscillations and to justify the use and commissioning of wind based PSS. A wide area measurement based power system stabilizer suitable for wind farms is designed and integrated in the global and local controls of wind turbines. Feedback signals are selected based on an observability index of the selected mode(s). The proposed stabilizer transfer function is derived via a constrained H∞ optimization. / The controller is tested in time domain simulations using a two area four generators benchmark suffering from interarea oscillatory mode within the range of 0.4-0.6Hz. Testing scenarios show the resiliency and effectiveness of the wind based PSS in damping angular oscillations and stabilizing the power system. The damping contribution of the wind stabilizer is found to be comparable to two conventional PSS. / Possédant un taux de croissance important, la filière éolienne est supposée remplacer des centrales électriques polluantes. La réduction du nombre de machines synchrones entraîne une diminution du nombre de stabilisateurs de réseau conventionnels menant à une dégradation de l'amortissement des oscillations angulaires critiques d'un réseau ce qui pourra limiter la capacité de transfert de puissance des lignes de transports. Plusieurs rapports indiquent que des oscillations angulaires excessives, causées par un manque d'amortissement, ont contribué ou même étaient à l'origine des pertes de charges, déconnection des alternateurs et des blackouts. / La génératrice éolienne, équipée par un contrôleur d'entraînement à vitesse variable, est capable de réguler précisément et rapidement sa puissance active et réactive d'une façon découplée. L'amortissement des oscillations angulaires peut être amélioré en modulant une fraction de la puissance active et/ou réactive des génératrices éoliennes. Des boucles de commandes supplémentaires sont introduites dans la structure de control des éoliennes. Des limites de modulation de puissance active sont ajoutées pour respecter les contraintes opérationnelles de vitesse rotationnelle des turbines. Une méthode analytique est développée pour évaluer le potentiel d'amortissement des oscillations de puissances à travers les interconnections, étant donné le placement d'une ferme éolienne dans un réseau électrique ainsi que le type de modulation. Des indices d'observabilité sont utilisés pour sélectionner les signaux d'entrée du stabilisateur. La fonction de transfert du stabilisateur est dérivée via une optimisation H∞. / Le contrôleur est testé dans un réseau qui consiste de 4 alternateurs séparés en deux zones. Le réseau possède un mode oscillatoire critique qui varie entre 0.4-0.6 Hz. Les scenarios comprennent des tests pour différents placements du parc éolien, niveaux de puissance du parc, et opérations du réseau. Les résultats démontrent l'efficacité des stabilisateurs des éoliennes à amortir les oscillations angulaires et à contribuer à la stabilisation du réseau.