This thesis focuses on the limitations of degradation mechanisms of Lead-Acid batteries, which significantly contributes unequal distribution of current (and therefore internal resistance, charge passed and power loss) on the surface of the electrodes of Lead-Acid battery. The unevenness of distribution of these parameters significantly influences the distribution of current tabs on the electrodes. In this work it was developed realistic model of Lead-Acid battery cell with plate electrodes with different variants of the distribution of current tabs. Measured results obtained in this model were compared with the results found out from the mathematical simulations. Through these simulations, it was possible to take a look deeply into the processes and changes in the electrodes of Lead-Acid batteries during discharge. Goal of this work was for predefined variants of positioning of the current tabs to simulate distribution of current, internal resistance, charge passed and power loss during discharge. Another goal was to compare the different variants and to find the optimal variant of current tabs positioning based on minimizing of unevenness of examined variables distribution.

<p>U radu je pokazano da frekvencijski zavisna impedansa<br />zemlje kao povratnog provodnika, pri proizvoljnoj<br />učestanosti može veoma tačno da se odredi pomoću<br />fluksa kompleksnog Pointingovog vektora. Za<br />izračunavanje kompleksnog Pointingovog vektora,<br />neophodno je prethodno odrediti raspodelu struje u<br />zemlji, kao i raspodelu magnetskog polja i u zemlji i u<br />vazduhu iznad povr&scaron;i zemlje. Obe ove raspodele takođe<br />su značajne za analizu elektroenergetskih sistema.</p> / <p>The thesis shows that the Earth return impedance at<br />arbitrary low frequency can be accurately determined<br />from the complex Poynting vector flux. For the complex<br />Poynting vector calculation, first it is necessary to<br />determine the current distribution inside the ground, as<br />well as the magnetic field distribution both inside the<br />ground and in the air above the ground surface. Both<br />distributions are also significant for power electrical<br />systems analysis.</p>

Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen von Stromverteilungen an Solarzellen und Solarmaterial durch magnetische, elektrische und optische Messmethoden gezeigt. Die neue magnetfeldtopographische Messmethode CAIC wird hierbei erläutert und deren Stromverteilungen mit Ergebnissen der IR-Durchlichtmikroskopie, der LBIC- und der LIT-Methode verglichen und ausgewertet. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen und der Annahme des Vorhandenseins einer Korngrenzendekoration werden die Stromverlaufsmodelle einer elektrisch aktiven Korngrenze für eine Probe mit pn-Übergang sowie für eine Probe ohne pn-Übergang gezeigt. Anhand von CAIC-Messungen können die Position und die Orientierung leitfähiger und oberflächennaher SiC- und Si₃N₄-Ausscheidungen in mc-Silizium ohne pn-Übergang ermittelt werden. Hierfür wird ein Stromverlaufsmodell gezeigt. Weiterhin werden Zellmikrobrüche, Fehler in der Kontaktstruktur und Layoutunterschiede der Kontaktstruktur durch CAIC-Messungen an Solarzellen eindeutig nachgewiesen.

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This thesis concerns biogas-operated fuel cells. Fuel cell technology may contribute to more efficient energy use, reduce emissions and also perhaps revolutionize current energy systems. The technology is, however, still immature and has not yet been implemented as dominant in any application or niche market. Research and development is currently being carried out to investigate whether fuel cells can live up to their full potential and to further advance the technology. The research of thesis contributes by exploring the potential of using fuel cells as energy converters of biogas to electricity. The work includes results from four different experimental test facilities and concerns experiments performed at cell, stack and fuel cell system levels. The studies on cell and stack level have focused on the influence of CO, CO2 and air bleed on the current distribution during transient operation. The dynamic response has been evaluated on a single cell, a segmented cell and at stack level. Two fuel cell systems, a 4 kW PEFC system and a 5 kW SOFC system have been operated on upgraded biogas. A significant outcome is that the possibility of operating both PEFCs and SOFCs on biogas has been established. No interruptions or rapid performance loss could be associated with the upgraded biogas during operation. From the studies at cell and stack level, it is clear that CO causes significant changes in the current distribution in a PEFC; air bleed may recover the uneven current distribution and also the drop in cell voltage due to CO and CO2 poisoning. The recovery of cell performance during air bleed occurs evenly over the electrode surface even when the O2 partial pressure is far too low to fully recover the CO poisoning. The O2 supplied to the anode reacts on the anode catalyst and no O2 was measured at the cell outlet for air bleed levels up to 5 %. Reformed biogas and other gases with high CO2 content are thus, from dilution and CO-poisoning perspectives, suitable for PEFC systems. The present work has enhanced our understanding of biogas-operated fuel cells and will serve as basis for future studies. / QC20100708

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Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes aiguilles) pourrait conduire à des outils d'analyse fiables capables d'assurer la reproductibilité de mesures en spectroscopie RMN haute résolution. Leur emploi deviendra ainsi envisageable pour des applications in vivo. A notre connaissance, aucune étude in vivo utilisant ces micro-bobines "high-tech" n’a été rapportée. Le principal avantage de ce type de dispositifs est la possibilité d’observer une micro région d'intérêt bien définie, noyée dans un grand volume. A l’inverse, le principal inconvénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d'inductance par rapport à l'inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon...etc.). Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N. Baxan (2008) (http://www.spectroscopynow.com) et de A. Kadjo (2011), ne peut être mis en œuvre in vivo sans un travail complémentaire important. C’est d’une importance capitale car dans ce cas le signal RMN est si petit qu’il est comparable au bruit thermique. Une façon "simple", mais non moins aisée, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une maîtrise des paramètres géométriques conditionnant les propriétés physiques et électriques. La partie principale des "micro-antennes aiguilles" implantables est la bobine aux bornes de laquelle la tension est induite. Elle est décrite schématiquement par une résistance et une inductance dont les valeurs impactent directement et fortement sur les principaux critères de performances en RMN: le rapport signal sur bruit (SNR) et les limites de détection (LOD). La fabrication de ces micro-antennes (500x1000µm2), est réalisée à l’aide de techniques de microélectroniques fort coûteuses. La modélisation et la simulation numériques s’avèrent des outils essentiels amplement justifiés. La majeure partie de ce travail est consacré à l’optimisation de ces microantennes. Les résultats de principes physiques visant à optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits à travers la prédiction des paramètres électriques: la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues à l’effet de peau et de proximité. L’originalité de ce travail, à la fois théorique et expérimental réside, dans: (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le développement d’un "Logiciel maison" qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre à d'autre configuration plus complexes de micro-antennes ou d'antennes RMN et cibler au mieux les besoins des "RMN’iste-Antenn-istes" tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeables. / The concept of NMR microsensors (named also microantennas or needle coils) could lead to reliable analysis tools able to ensure the reproducibility of high resolution spectroscopic measurements, making possible to consider their use for in vivo applications. To the best of our knowledge, no in vivo study has been done with such "high-tech micro coils". The main advantage of this device kind is the possibility to observe a well-defined micro region of interest in a large volume. On the opposite, the main drawback resides in the poor sensitivity of the device since the efficiency of presently designed microcoils suffers from several misadjustments (small inductance value of the useful wires compared to the inductance of connecting wires, strong coupling noise with sample ...etc.). Our initial approach carried out in vitro that presented in (http://www. spectroscopynow.com) and in thesis of N. Baxan (2008) and A. Kadjo (2011), cannot be realized in vivo without a very important complementary work. This is of crucial importance, because the source signals are so small as to be comparable to the thermal noise. The simplest approach to increase antennas efficiency is a careful design and accuracy of geometric parameters influencing the physical and electrical properties. The main part of the implantable "needle antenna" is the loop where the voltage is induced. It is schematically described by a resistance and inductance that modify directly and strongly the NMR performance criteria: signal to noise ratio (SNR) and the limits of detection (LOD). The design of such micro-antennas (500x1000µm2) is performed using microelectronic techniques that are very expensive. Thus modeling and numerical simulation are essential tools amply justified. The bulk of this work dedicates to the optimization of these microantennas, describes the results of the applied physical principles to improve their geometric parameters through the prediction of their electrical parameters: the self-inductance, mutual inductance and the additional losses caused by skin effect and proximity. The originality of this work is: (i) the conversion of technological point in question to fundamental issues, (ii) The development of a "homemade software" which, no pretend to compete with commercial software, can be extended to design of more complex configuration of NMR antennas or microantennas. It could also better target specific needs of designers of NMR antennas and users, providing them a time gain and a cost reduction.

Les objectifs de la thèse sont d’élaborer des systèmes d’instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l’état d’intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l’aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l’effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d’une part de suivre le vieillissement, mais aussi d’autre part afin de comprendre l’effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d’instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l’estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d’évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s’est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l’analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de « transformateur analogique » modélisant capteurs à CF ou bien d’inversion de modèle semi-analytique dans le cas l’estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d’une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi « in situ » de l’intégrité des composants. / This thesis is dedicated to develop electronic instrumentation systems that allow to analyse the ageing process and to make a diagnosis the failure mechanisms of power semiconductor device. The research objectives were to evaluate the electrical conductivity variation of metallization layer using the eddy current technique but also to estimate the ageing effect of the semiconductor dies and their module packaging on the current distribution in the die, to better understand the mechanism failures. The specimens simplified and the power semiconductor modules were aged by thermal cycles. The various sensors have been used (eddy current sensor, Hall sensor), to follow the ageing process, and to understand the ageing effect on the power semiconductor die. The experimental instrumentation system has been developed and used, to realize the non destructive evaluation by the eddy current technique on the metallization layer and to measure the map of magnetic field induced above the die by the magnetic sensor, the potential distribution. In the first time, this system allowed to evaluate the relevance and the performance of different type sensors used for the local measure on the electrical conductivity by eddy current sensors and on the currents distribution by Hall sensors or the potential distribution of the source metallization layer. This work was also supported by the signal processing techniques. To estimate quantitatively the electrical conductivity of metallization layer by the eddy current sensors, a model using the two-winding transformer analogy simulate the electromagnetic interaction between the sensor and the conducting plate. And, the current distribution from the measured data is given by inverting a mesh-free modeling of the induced magnetic field. The results obtained from these models can allow us to firstly understand certain failure mechanisms, but also to propose the integrated circuit with the sensors for monitoring "in situ" the state ageing of power semiconductor device.

Les procédés électrochimiques présentent beaucoup d’avantages dans le domaine du traitement et de la récupération de matière d’effluents industriels. Cependant, dans le cas de solutions diluées en ions métalliques, les électrodes classiques sont fortement limitées par leur efficacité ainsi que par leur taille. Dès lors, les électrodes poreuses, de par leur surface spécifique importante et de par leur structure particulière qui améliore le transport de matière et donc l’efficacité de l’électrode, représentent une alternative très intéressante aux électrodes classiques.<p><p>Parmi les électrodes poreuses, celles constituées de fibres métalliques semblent les plus prometteuses. L’objectif de ce travail est de donner les relations utiles pour dimensionner une cellule contenant ce type d’électrodes en vue du traitement d’effluents industriels contenant des ions métalliques. <p>Les électrodes étudiées ont été caractérisées par différentes techniques :microscopie électronique, méthode électrochimique, mesure de la perte de charge, conductimétrie, porosimétrie,… Cette caractérisation a permis de connaître la porosité, les surfaces spécifiques (géométrique, dynamique et électrochimique) et la tortuosité des électrodes. <p>Ensuite, le coefficient de transport de matière moyen a été étudié par une nouvelle méthode basée sur la mesure d’un rendement électrochimique. Cette méthode présente l’avantage de pouvoir travailler avec des vitesses de circulation de l’électrolyte compatibles avec celles utilisées industriellement. Pour cela, une cellule d’électrolyse à circulation forcée a été mise au point. <p><p>Afin de comprendre comment la géométrie d’une électrode poreuse de ce type influence le transport de matière local et la densité de courant et donc l’efficacité de l’électrode, le transport de matière et la densité de courant locale ont été modélisés autour d’un cylindre (représentatif d’une fibre) et validés par des mesures expérimentales. La modélisation s’est ensuite étendue à un réseau de fibres cylindriques représentatif des électrodes poreuses étudiées. Cette modélisation a permis d’obtenir une relation générale liant les nombres de Sherwood, de Reynolds et de Schmidt à des nombres sans dimension caractérisant la géométrie du réseau de fibres. Cette relation donne des résultats concordants avec ceux obtenus expérimentalement pour les électrodes poreuses étudiées.<p><p>Le volume utile d’une électrode poreuse dépend fortement des conditions expérimentales (concentration de l’électrolyte, vitesse de circulation, intensité du courant appliquée,…) et de la structure de l’électrode (porosité, surface spécifique,…). Ces paramètres influencent la distribution du potentiel et de la densité de courant dans l’électrode. Différents modèles de distribution sont comparés et appliqués aux électrodes poreuses étudiées. Cette distribution de courant influence le colmatage progressif de l’électrode poreuse en cours d’électrolyse. Il s’avère que l’électrode en contrôle diffusionnel (avec un rendement électrochimique faible) optimise la distribution du courant dans l’électrode et, de ce fait, ralenti son colmatage. De plus, travailler avec une solution diluée et une vitesse de circulation de l’électrolyte importante améliore la distribution du courant. Il en est de même si l’électrode poreuse présente une grande porosité et une faible surface spécifique.<p><p>Ce travail aura donc permis de proposer des relations indispensables pour le dimensionnement d’une cellule à électrodes poreuses (constituées de fibres métalliques) ainsi que les conditions opératoires idéales dans le cas du traitement d’effluents industriels contenant des ions métalliques./<p>Electrochemical techniques offer many advantages for the prevention of pollution problems in the industrial processes. However, flat electrodes are not ideal to treat dilute solutions containing metallic ions. With their high specific surface and open structure, which enhance mass transfer, porous electrodes are a good alternative for the treatment this kind of effluent. Fibre materials are particularly well suited as material for the production of porous electrodes. <p><p>The aim of this thesis is to study an electrochemical cell with a porous electrode in order to treat dilute metallic ions solutions and to provide dimensionless equations suited to scale-up the electrode for industrial application. <p><p>The porous electrodes, used in this thesis, are made of a stainless steel fibre network. The main properties and characteristics of these electrodes are studied by means of several techniques :electron microscopy, electrochemical methods (voltammetry, limiting current density measurerment), conductivity measurement, porosimetry, pressure drop measurement,… The obtained parameters are :porosity, specific surfaces (geometric, dynamic and electrochemical), fibres' diameter, tortuosity and the geometric disposition of the fibres in the electrodes. Mass transfer inside the porous electrodes is studied experimentally by a new developed method, linked to the measurement of the faradic yield as a function of different electrolysis parameters. For these measurements, an experimental electrolysis cell with high electrolyte flow rate has been designed and builds.<p><p>To understand how the geometry of the porous electrode influences the local and mean mass transfer coefficients and current densities, numerical studies and simulations have been performed. <p>The first type of simulation deals with a single wire (representative of a fibre from the porous electrode). <p>The second type of simulation deals with the integration of individual fibres in a fibre network. A correlation between dimensionless numbers such as Sherwood's, Reynolds' and Schmidt's numbers together with numbers characteristic of the electrode’s geometry has been established for Reynolds’s numbers ranging from 0,02 to 1,4. A good agreement between simulation and experimental measurements of mass transfer is observed.<p><p>The real effective electrochemical volume of the porous electrode depends on experimental conditions (current, concentration, flow velocity…) and electrode’s geometry (porosity, specific surface,…). These parameters influence the potential and current distribution inside the porous electrode. Several models of current distribution are applied to these electrodes and the theoretical simulations are compared with experimental measures. <p>As a result of these simulations, an electrode under diffusion control with a small faradic yield appears to be the best choice in order to homogenise the current density inside the porous electrodes. Dilute solutions, high flow velocity and electrodes with high porosity improve also the current density penetration inside the electrode. These observations are confirmed by an electrode’s plugging study.<p><p>In conclusion, this thesis provides mathematical relationships to scale-up a cell with porous electrodes of metallic fibre, and provides guidelines to treat, in an efficient manner industrial effluents containing metallic ions.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Energy from solar photovoltaic (PV) are generated as direct current (DC) and almost all of today’s electrical loads in residential buildings, household appliances and HVAC system (Heating Ventilation and Air-conditioning) are operated on DC. For a conventional alternating current (AC) distribution system this requires the need for multiple conversion steps before the final user-stage. By switching the distribution system to DC, conversion steps between AC to DC can be avoided and, in that way, losses are reduced. Including a battery storage–the system’s losses can be reduced further and the generated PV energy is even better utilised. This thesis investigates and quantifies the energy savings when using a direct current distribution topology in a residential building together with distributed energy generation from solar photovoltaic and a battery storage. Measured load and PV generation data for a single-family house situated in Borås, Sweden is used as a case study for the analysis. Detailed and dynamic models–based on laboratory measurements of the power electronic converters and the battery–are also used to more accurately reflect the system’s dynamic performance. In this study a dynamic representation of the battery’s losses is presented which is based on laboratory measurements of the resistance and current dependency for a single lithium-ion cell based on Lithium iron phosphate (LFP). A comparative study is made with two others, commonly used, loss representations and evaluated with regards to the complete system’s performance, using the PV and load data from the single-family house. Results show that a detailed battery representation is important for a correct loss prediction when modelling the interaction between loads, PV and the battery. Four DC system topologies are also modelled and compared to an equivalent AC topology using the experimental findings from the power electronic converters and the battery measurements. Results from the quasi-dynamic modelling show that the annual energy savings potential from the suggested DC topologies ranges between 1.9–5.6%. The DC topologies also increase the PV utilisation by up to 10 percentage points, by reducing the associated losses from the inverter and the battery conversion. Results also show that the grid-tied converter is the main loss contributor and when a constant grid-tied efficiency is used, the energy savings are overestimated.