Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'exploitation de l'énergie éolienne est à l'heure actuelle en pleine expansion et plusieurs sites exploités sont situés dans régions où les conditions climatiques hivernales sont extrêmes. Les données fournies par les anémomètres, qui sont indispensables au bon fonctionnement des éoliennes, sont souvent inutilisables à cause de la formation de glace sur les instruments. Le bureau de design du département de génie mécanique de l'université Laval s'est donc intéressé à la conception d'un nouvel anémomètre antiglace. L'objectif spécifique au présent travail était de développer un système de contrôle du chauffage de ce nouvel anémomètre anti-glace lui permettant de rester libre de glace tout en minimisant le chauffage nécessaire pour y parvenir. La conception d'une chambre de simulation des conditions climatiques s'est tout d'abord avérée nécessaire. Il s'agit d'une enceinte réfrigérée comprenant une section d'essai balayée par un écoulement d'air généré par un ventilateur. Un atomiseur d'eau situé à l'intérieur de l'enceinte permet de simuler les précipitations. En faisant varier les paramètres dans la chambre, comme la température, différents types de glace peuvent être formés. Par la suite, un algorithme de reconnaissance du type de glace sur les coupoles a été développé. Une image de l'anémomètre est prise en synchronisme avec le mouvement du rotor afin de visualiser les coupoles dans la même orientation sur chaque prise de vue. Cette image est ensuite traitée par un réseau de neurone qui détermine le type de glace présent sur les coupoles. Par la suite, un deuxième paramètre, soit la proportion de glace recouvrant les coupoles, est déterminé en fonction du type de glace reconnu. Finalement, les données fournies par le système de reconnaissance du type de glace sont utilisées pour le contrôle du chauffage de l'anémomètre. Le système comprend un contrôleur neuronique qui détermine la puissance à envoyer aux coupoles pour conserver l'instrument libre de glace. La décision est basée sur l'état de glace actuel ainsi que sur l'historique de l'état de glace ct du chauffage appliqué. L'un des avantages du contrôleur neuronique utilisé est la poursuite de la phase d'apprentissage en cours d'utilisation, permettant au réseau d'adapter sa réponse aux nouvelles situations rencontrées. Des essais comparatifs ont permis de conclure que le contrôleur développé permet une économie d'énergie moyenne de 40% par rapport à des contrôleurs traditionnels pour un comportement anti-glace équivalent.

Les régions froides sont à la recherche de méthodes plus efficaces pour déneiger les voies de circulation et les espaces publiques afin de diminuer les accidents, la pollution et la dégradation des milieux environnants, tout en diminuant leurs budgets annuels de déneigement. Plusieurs universités et centres de recherche, pendant ces 20 dernières années ont développé des mélanges de béton électriquement conducteurs (BEC) et certains ont poussé la recherche jusqu'au développement et à l'installation de ces systèmes afin de tester leur viabilité. C'est dans l'optique d'apporter sa contribution, que L'Université Laval s'est lancée dans le projet béton chauffant dont la première phase s'est terminée en 2018 avec la création d'un système déglaçant, automatisé, en béton électriquement conducteur. Ce mémoire marque la fin de la seconde partie du projet sur les bétons chauffants à l'Université Laval lors de laquelle le système développé dans la phase 1 a été mis à l'échelle et amélioré afin de le préparer à la commercialisation. Cette mise à l'échelle s'est traduite par l'installation d'un espace de 4m² en dalles électriquement conductrices, avec un banc et un caniveau eux aussi électriquement conducteurs. L'étude de ce système a eu lieu pendant l'hiver 2019-2020 et s'est couronné par une analyse statistique des performances du système. Il est important de souligner que le mobilier et les canalisations en BEC étudiés font de ce projet le premier à proposer des applications autres que les chaussées pour un système en BEC. De plus, une formulation d'un béton conducteur ultra performant (BCUP) a été développée afin d'étendre la technologie à ce type de béton pour multiplier les options d'utilisation de ce système. Même si le mélange proposé requiert de plus amples analyses afin d'être amélioré et caractérisé, cela constitue un pas important pour l'utilisation d'un BCUP dans un système déglaçant. / Cold regions are looking for more efficient and cost-effective methods to clear snow from roads and public spaces to reduce accidents, pollution, and degradation of the surrounding environment. Over the past 20 years, several universities and research centers have developed electrically conductive concrete mixes (ECC). Some have even pushed their research to the point of developing and installing these systems to test their sustainability. With a desire to contribute to this field of research, Université Laval embarked on the heated concrete project, the first phase of which ended in 2018 with the creation of an automated de-icing system made of electrically conductive concrete. This submission marks the end of phase 2 of that heating concrete project. The system developed in phase 1 was scaled up and improved to be ready for commercialization. This scale-up phase prompted the realization of three slabs, one bench, and one gutter, all electrically conductive. The study of these ECC elements occurred during the 2019-2020 winter, more precisely from the end of January to the beginning of March and was crowned by a statistical analysis of the system's performance. It is essential to point out that this project's ECC furniture and drainage channel makes it the pioneer in proposing applications other than pavements for ECC systems. In addition, an Electrically Conductive high-performance concrete (EC-UHPC) formulation was developed to extend the technology to this type of concrete and multiply the range of options for the applications of the system. Although the proposed mix requires further analysis to be improved and characterized, this work is essential to using EC-UHPC in a de-icing system.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / L’utilisation de systèmes de béton chauffant électriquement conducteur en conditions hivernales constitue une alternative intéressante pour prolonger la durée de vie des structures et pour assurer la mobilité et la sécurité des usagers de la route. En remplaçant certaines composantes conventionnelles du béton, il est possible d’augmenter suffisamment sa conductivité électrique pour que ce dernier dégage de la chaleur lors du passage d’un courant électrique. L’utilisation de ce type de système dans des zones à grande sensibilité hivernale est une option pour remplacer les techniques présentement utilisées pour le déneigement et le déglaçage souvent mauvaises pour l’environnement, inefficaces, endommagent les structures en plus d’être très coûteuses. Néanmoins, le succès d’un tel système demande une bonne élaboration du mélange de béton électriquement conducteur et une configuration d’électrodes permettant un dégagement de chaleur uniforme. L’automatisation par des capteurs augmente l’efficacité énergétique du système en activant ce dernier seulement quand le besoin se manifeste, c’est-à-dire en conditions de chute de neige, de pluie verglaçante ou de brouillard givrant. L’objectif principal de ce projet de recherche est de développer un système automatisé de fonte de neige et de glace en optimisant les recettes de béton et la position des électrodes précédemment mentionnés vers des solutions économiques et efficaces. Dans ce mémoire, le développement de mélanges de bétons et de mortiers électriquement conducteurs sera développé, en plus de l’élaboration d’une configuration d’électrodes rencontrant des critères de sécurité et de consommation énergétique. Ces réalisations par étapes en laboratoire seront suivies par des essais en conditions réelles hivernales sur un prototype de 1.1m² installé sur le campus de l’Université Laval. Les succès de ce travail de recherche présentent des résultats et confirment le côté innovateur et le potentiel commercial du système élaboré. / The use of electrically conductive heated concrete systems in winter conditions is an interesting alternative to extend the life of structures and to ensure the mobility and safety of road users. By replacing some conventional components of concrete, it is possible to increase its conductivity sufficiently to release heat when electric current passes through it. Using this type of system in strategic points can be an option to replace techniques currently used for snow and ice removal, which are bad for the environment, are not effective, cause damage to structures and are very expensive. Nevertheless, the success of such a system requires a good elaboration of the electrically conductive concrete mix design and a configuration of electrodes that releases heat uniformly. Sensor automation increases the energy efficiency of the system by activating the latter only when the need arises, i.e. under snowfall, freezing rain or freezing fog conditions. The main objective of this research project is to develop an automated snow and ice melting system using the previously mentioned concrete and electrodes. In this thesis, the development of electrically conductive concrete and mortars mix designs will be presented, in addition to the development of an electrode configuration that meets criteria of safety and energy consumption previously established by the searchers. These laboratory steps will be followed by tests in real winter conditions on a 1.1m² prototype installed on Laval University’s campus. The successful results confirm the innovative side and commercial potential of the developed system.

Le but de la présente recherche est le développement d'un instrument de mesure du vent adapté aux conditions climatiques froides et à la présence de glace en milieux nordiques. Dans le cadre de ce projet, plusieurs prototypes adaptés aux climats nordiques ont été conçus, développés, mis en service et testés sous des conditions contrôlées et sur des sites réels d'exploitation éolienne. La thèse qui suit présente la méthodologie utilisée ainsi que les travaux qui ont été réalisés lors du développement de cet anémomètre anti-glace chauffant. Les prototypes développés dans le cadre de ce projet sont des anémomètres à coupoles dont certains éléments sont chauffés. Les endroits critiques où la formation de glace affecte la mesure de la vitesse du vent ont été identifiés à l'aide d'essais expérimentaux. Les différents aspects de la mesure et du contrôle de l'instrument ont été étudiés et ont conduit à un prototype optimisé (prototype de 4eme génération). Le dernier prototype présenté dans cette thèse inclut l'intégration d'un microprocesseur permettant la mesure de différentes quantités. Les données recueillies en temps réel permettent de faire un contrôle sans précédent du chauffage, une compensation dynamique du signal de vitesse du vent pour diminuer la survitesse (« overspeeding ») et permettent de fournir une indication sur la présence et l'intensité des conditions propices à la formation de glace. Cette thèse démontre la nécessité d'utiliser des instruments chauffants développés adéquatement par des essais expérimentaux et une étude théorique de leur fonctionnement.