Le problème de caractérisation non-intrusive des usages dans des conditions réelles à partir de l'unique observation de la courbe de charge (CdC) générale résidentielle et tertiaire disponible (puissance moyenne quotidienne disponible en sortie du compteur) a été peu étudié. L'objectif de la thèse est d'explorer les possibilités et les méthodes permettant une caractérisation aveugle des composantes du mélange observé. Plus précisément, il s'agit d'extraire des descripteurs temporels, énergétiques ou encore événementiels à partir d'un mélange unique de sources non-stationnaires de nombre inconnu. Nous considérons quatre sous-problématiques sous-jacentes à la caractérisation de la CdC : la détection des usages, la classification des signaux de la CdC, l'estimation des paramètres des usages (énergie, amplitude, etc.) et la séparation des sources du mélange observé. Les algorithmes mis en œuvre sont évalués sur les données réelles. Les performances obtenues sont satisfaisantes. Outre les contributions de formalisation et algorithmiques, un des apports marquants de cette étude est une solution non-intrusive pour la segmentation automatique la CdC générale résidentielle et pour la cartographie de l'énergie quotidienne consommée en quatre composantes : le chauffage électrique, le chauffe-eau, le froid alimentaire et les autres usages. Au delà des améliorations algorithmiques et de l'étude de performance à poursuivre, nous proposons en perspective de cette thèse une approche générique pour décomposer une CdC quelconque fondée sur une modélisation stochastique de la série des événements de la CdC.

La problématique développée dans la thèse est d'estimer, dans une démarche prospective et dans un but d'anticipation, les impacts en puissance induits par les ruptures technologiques et comportementales qui ne font pas aujourd'hui l'objet de mesures dans les panels. Pour évaluer les modifications sur les appels de puissance du parc résidentiel engendrées par ces profondes transformations,un modèle paramétrique, bottom-up, techno-explicite et agrégatif est donc nécessaire. Celui-ci serait donc destiné à la reconstitution, de manière non tendancielle, de la courbe de charge électrique résidentielle. Il permettrait ainsi de conduire la simulation de différents scénarios d'évolution contrastés. L'élaboration d'un tel modèle constitue le sujet de ce doctorat.Pour répondre à cette problématique, nous proposons une méthode conceptuelle originale de reconstitution de courbe de charge. Sa mise en application centrée sur la génération de foisonnement d'origine comportementale a conduit à la modélisation d'un certain nombre de concepts. Ce travail a abouti à l'élaboration d'un algorithme stochastique destiné à représenter le déclenchement réalistedes appareils domestiques. Différents cas d'application ont pu être testés et les résultats en puissance ont été étudiés. Plus particulièrement pour analyser le foisonnement visible à un niveau agrégé, nous avons mis en place une méthodologie nouvelle basée sur une distance adaptée aux courbes de charge. Finalement, nous avons cherché à identifier des comportements réels d'usage des appareils. Pour cela, nous avons conduit différents travaux de classification de courbes de charge.

Le réseau de distribution et de transport de l’électricité se modernise dans plusieurs pays dont le Canada. La nouvelle génération de ce réseau que l’on appelle smart grid, permet entre autre l’automatisation de la production, de la distribution et de la gestion de la charge chez les clients. D’un autre côté, des appareils domestiques intelligents munis d’une interface de communication pour des applications du smart grid commencent à apparaître sur le marché. Ces appareils intelligents pourraient créer une communauté virtuelle pour optimiser leurs consommations d’une façon distribuée. La gestion distribuée de ces charges intelligentes nécessite la communication entre un grand nombre d’équipements électriques. Ceci représente un défi important à relever surtout si on ne veut pas augmenter le coût de l’infrastructure et de la maintenance. Lors de cette thèse deux systèmes distincts ont été conçus : un système de communication peer-to-peer, appelé Ring-Tree, permettant la communication entre un nombre important de nœuds (jusqu’à de l’ordre de grandeur du million) tel que des appareils électriques communicants et une technique distribuée de gestion de la charge sur le réseau électrique. Le système de communication Ring-Tree inclut une nouvelle topologie réseau qui n’a jamais été définie ou exploitée auparavant. Il inclut également des algorithmes pour la création, l’exploitation et la maintenance de ce réseau. Il est suffisamment simple pour être mis en œuvre sur des contrôleurs associés aux dispositifs tels que des chauffe-eaux, chauffage à accumulation, bornes de recharges électriques, etc. Il n’utilise pas un serveur centralisé (ou très peu, seulement lorsqu’un nœud veut rejoindre le réseau). Il offr une solution distribuée qui peut être mise en œuvre sans déploiement d’une infrastructure autre que les contrôleurs sur les dispositifs visés. Finalement, un temps de réponse de quelques secondes pour atteindre l’ensemble du réseau peut être obtenu, ce qui est suffisant pour les besoins des applications visées. Les protocoles de communication s’appuient sur un protocole de transport qui peut être un de ceux utilisés sur l’Internet comme TCP ou UDP. Pour valider le fonctionnement de de la technique de contrôle distribuée et le système de communication Ring-Tree, un simulateur a été développé; un modèle de chauffe-eau, comme exemple de charge, a été intégré au simulateur. La simulation d’une communauté de chauffe-eaux intelligents a montré que la technique de gestion de la charge combinée avec du stockage d’énergie sous forme thermique permet d’obtenir, sans affecter le confort de l’utilisateur, des profils de consommation variés dont un profil de consommation uniforme qui représente un facteur de charge de 100%.

La problématique développée dans la thèse est d'estimer, dans une démarche prospective et dans un but d'anticipation, les impacts en puissance induits par les ruptures technologiques et comportementales qui ne font pas aujourd'hui l'objet de mesures dans les panels. Pour évaluer les modifications sur les appels de puissance du parc résidentiel engendrées par ces profondes transformations,un modèle paramétrique, bottom-up, techno-explicite et agrégatif est donc nécessaire. Celui-ci serait donc destiné à la reconstitution, de manière non tendancielle, de la courbe de charge électrique résidentielle. Il permettrait ainsi de conduire la simulation de différents scénarios d'évolution contrastés. L'élaboration d'un tel modèle constitue le sujet de ce doctorat.Pour répondre à cette problématique, nous proposons une méthode conceptuelle originale de reconstitution de courbe de charge. Sa mise en application centrée sur la génération de foisonnement d'origine comportementale a conduit à la modélisation d'un certain nombre de concepts. Ce travail a abouti à l'élaboration d'un algorithme stochastique destiné à représenter le déclenchement réalistedes appareils domestiques. Différents cas d'application ont pu être testés et les résultats en puissance ont été étudiés. Plus particulièrement pour analyser le foisonnement visible à un niveau agrégé, nous avons mis en place une méthodologie nouvelle basée sur une distance adaptée aux courbes de charge. Finalement, nous avons cherché à identifier des comportements réels d'usage des appareils. Pour cela, nous avons conduit différents travaux de classification de courbes de charge. / In this dissertation, we focus on the estimation of the impacts in terms of power demand caused by the technological and behavioural breaks that will affect the domestic sector in the future. These deep changes are not measured in the existing panels and the estimation is required for prospective (long-term) studies. To evaluate the very likely modifications of the domestic power demand that will follow previous influences, a bottom-up, technically-explicit and aggregative model is needed. This one aims at reconstituting the electric residential load curve according to a non-trending manner. Thanks to it, various evolution scenarios can be simulated. The purpose of this PhD is the elaboration of such a model.A functional analysis was carried out to build up a new method to reconstitute the domestic electric load curve. Since the clarifying of the diversity represents one of the key points of our research, we decided to begin the modelling task with focus on it. More precisely, we elaborated a stochastic algorithm whose purpose is the realistic starting of domestic appliances. Some application cases have been tested. We studied the diversity affecting aggregated power demand and we propose a new methodology able to visualise and to analyse it. This method is based on a distance adapted to the load curve. Finally we tried to identify human behaviour concerning the use of appliances thanks to load curve classifications.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude des facteurs qui influent l'efficacité de collecte des médias non-tissés chargés par décharge couronne, utilisés pour la filtration de l'air. Les recherches se sont focalisées sur les techniques faisant appel à la décharge couronne en configuration fil-plan et en configuration triode (électrode duale + grille + plan de masse). L'étude s'est déroulée en trois phases : (1) mise au point de dispositifs expérimentaux pour générer la décharge couronne et mesurer le potentiel électrique à la surface des échantillons chargés ; (2) caractérisation de l'état de charge des médias ; (3) évaluation de l'efficacité de collecte, en corrélation avec les résultats des mesures de charge. La distribution de charges a été plus homogène en configuration triode et le niveau de charge a été meilleur en polarité positive. Le déplacement de l'échantillon dans la zone de décharge électrique permet de mieux uniformiser la distribution de la charge. L'augmentation du courant de décharge et du potentiel de grille permet d'amplifier le niveau de charge des médias, suite à l'intensification du champ électrique moyen entre l'électrode active et le plan de masse (en configuration fil – plan), ou entre la grille et le plan de masse (en configuration triode). L'efficacité de la collecte est meilleure si la charge est uniformément déposée, sous l'action d'un champ électrique plus intense. Elle est plus élevée pour les configurations dites « multicouches » où la captation des particules est améliorée par l'association de plusieurs mécanismes physiques, mettant en jeux des forces électriques et mécaniques. / The experimental approach undertaken in this thesis was aimed at the study of the factors affecting the collection efficiency of nonwoven media charged by corona discharge, used for air filtration. Research was focused on techniques using the corona discharge generated by wire-plane and triode configurations (dual electrode + grid + ground plane). The study was conducted in three phases: (1) development of experimental devices to generate corona discharge and measure the electrical potential on the surface of charged samples; (2) characterization of the electrostatic charge state of the media; (3) evaluation of the collection efficiency, correlated with the results of charge measurements. The charge distribution was more homogeneous in triode configuration and the charge level was higher in positive polarity. The sample movement in the electric discharge zone allowed for more uniform distribution of the charge. The increase of the discharge current and gate voltage amplifies the charge level of the media, due to the intensification of the average electric field between the active electrode and the ground plane (configuration wire - plane) or between the gate and the ground plane (in triode configuration). The collection efficiency is better when the charge is uniformly deposited, under the action of a strong electric field. It is higher for the so-called "multi-layer" configurations where the capture of the particles is improved by the combination of several physical mechanisms, involving electrical and mechanical forces.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d'une large gamme de mélanges de matériaux pulvérulents provenant du recyclage des déchets (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrène) ou de l'industrie agro-alimentaire (paille, copeaux de bois, semoule). Les recherches se sont focalisées sur des techniques faisant appel à trois mécanismes physiques différents pour la charge des matériaux : la décharge couronne, l'induction électrostatique et l'effet tribo-électrique. Deux nouvelles installations ont été conçues et réalisées, permettent de faciliter la compréhension des phénomènes physiques rencontrés lors de la séparation des particules sous-millimétriques, dont les trajectoires sont difficile à contrôler, en raison des importantes forces aérodynamiques en jeu. La première installation, le séparateur électrostatique multifonctions à électrode-convoyeur, donne la possibilité d'étudier un ou plusieurs des trois mécanismes de charge, en rapport avec les propriétés électriques des matériaux à traiter. La deuxième installation, le séparateur tribo-aéro-électrostatique à électrodes-disques-tournantes, utilise seulement l'effet tribo-électrique pour la charge des matériaux isolants dans un lit fluidisé. Le système de mesures simultanées et continues de la masse et de la charge électrique des produits collectés a facilité l'analyse des phénomènes. Les recherches ont permis de confirmer la séparabilité électrostatique des mélanges de matériaux pulvérulents, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences pour identifier les facteurs influents et trouver le point de fonctionnement optimal. / The experimental approach undertaken in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range mixtures of powdery materials originating from the recycling of waste electric and electronic equipment (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrene), or processed in the food industry (straw, wood chips, meal). Researches were focused on techniques using three different physical mechanisms for electrical charging of the materials: corona discharge, electrostatic induction and triboelectric effect. Two new installations have been designed end engineered to facilitate the understanding of the physical phenomena involved in the separation of powdery particles, the trajectories of which are difficult to control, as strongly affected by the aerodynamic forces. The first installation, the belt-type multifunction electrostatic separator, offers the possibility to study one or several of the three charging mechanisms, in relation with the electrical properties of the materials to be processed. The second installation, two-rotating-disks-type tribo-aero-electrostatic separator uses only the triboelectric effect for charging mixtures of insulating materials in a fluidized bed. A system of simultaneous and continuous measurement of mass and electric charge of collected products facilitated the investigation of the physical phenomena. These researches confirm the feasibility of the electrostatic separation of powdery materials, by taking advantage of the design of experiments methodology to identify the influential factors and find the optimum operation conditions.

L'objectif de cette thèse a été d'explorer la possibilité d'utiliser la charge électrostatique pour améliorer les conditions de contact glissant sec ou lubrifié (deux huiles avec viscosités différentes et de l’eau distillée) entre matériaux polymériques (PP, PE, PS, ABS et deux types de PVC). Trois nouvelles installations expérimentales ont été conçues et réalisées. La première installation est un tribomètre linéaire qui permet le réglage de quatre variables de contrôle du processus de charge (la force normale, la vitesse, la durée et l’amplitude du mouvement de glissement) et la mesure de trois caractéristiques du régime de frottement (la force tangentielle, la variation de la force normale et le déplacement relatif entre les éprouvettes). La deuxième installation est un dispositif pour mesurer la distribution de la charge électrique de surface et la corréler avec des cartographies de température. Une troisième installation est destinée à l'étude de l’influence de la charge électrique sur l’angle de contact de gouttelettes déposées en surface. Les expériences réalisées ont montré que le niveau de la charge généré par frottement sec dépend du temps de frottement, de l’usure, de la pression de contact et de la rugosité des surfaces. Une charge générée par effet triboélectrique ou par décharge couronne peut augmenter le frottement à sec. En revanche, la présence d’une charge électrique à la surface du polymère améliore le frottement lubrifié. Les mesures d’angles de contact ont mis en évidence que celui-ci dépend de la nature du liquide et du polymère étudiés, ainsi que de l’état de charge électrique des échantillons. / The approach undertaken in this thesis is to explore the possibility of using the electrostatic charge to improve the dry or lubricated (two oils with different viscosity and distilled water) sliding contacts between polymeric materials (PP, PE, PS, and ABS, two types of PVC). Three experimental benches were designed and built. The first installation is a linear tribometer designed to study the sliding contacts between solids with dry or lubricated friction. It allows the adjustment to four control variables of the tribocharging process: normal force, sliding speed, time and stroke, and the measurement of three characteristics of the friction regime: the tangential force, the variation of the normal force and the relative displacement between the specimens. The second installation is a device for measuring the distribution of the surface electrical charge, and for correlating it with the temperature mappings. A third installation is designed to study the influence of the electric charge on the contact angle of droplets deposited on the surface. The experiments showed that the level of the charge generated by dry friction depends on the friction time, the wear, the contact pressure and the roughness. A charge generated by friction or by corona discharge can increase dry friction. On the other hand, the presence of electric charge on the surface of polymers can improve a lubricated contact. The contact angle measurements pointed out the influence of the nature of both solid and liquid materials involved in the contact, as well as of the electric charge of the samples.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques. / Several types of mechanical devices (vibratory trays, rotating drums, fluidized beds) make use of the triboelectric effect for electrically charge the constituents of insulating materials granular mixtures, in view of their separation in a high-intensity electric field. The non-uniformity of granule charge at the exit of these devices adversely affects the separation efficiency, justifying the researches aimed at the development of novel electrostatic processes, mainly for applications in the field of waste recycling. Simultaneous usage of the triboelectric effect, the Coulomb force and the electric image force is an innovative technical solution according to which four fluidized bed devices were built or improved within the framework of this thesis. The performances of these devices could be evaluated by setting up complex measurement systems that enable the continuous and simultaneous recording of the charges and masses of the separated products. Thus, the experimental design methodology could be used for modeling the separation process and identify the optimum values of the control variables of each device, such as the high voltage level of the speed of the fluidization air. The results obtained on laboratory devices as well on an semi-industrial pilot installation recommend this class of tribo-aero-electrostatic separation processes as the solution of choice for the selective sorting of plastics from waste electric and electronic equipment.