Le travail présenté dans ce manuscrit concerne le développement d’un système de stockage thermique par chaleur latente pour les centrales solaires à concentration utilisant la génération directe de vapeur, et s’attache plus particulièrement la sélection et l’étude du matériau à changement de phase (MCP). Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) porté par le consortium composé d’AREVA Renouvelables, la société Hamon d’Hondt, l’institut CEA liten et les laboratoires IPNO, LPCS et LaTEP. Ce projet est accompagné par l’ADEME dans le cadre du programme énergies décarbonnées des investissements d’avenir.Le premier chapitre de ce manuscrit situe le contexte de l’étude en dressant un état de l’art des différents systèmes solaires à concentration existants et des différents moyens de stocker l’énergie pour ce type de technologie. Le projet STARS est ensuite présenté. Ce chapitre se termine par un descriptif des objectifs du travail de thèse. L’intégralité du processus de sélection du MCP, incluant le recensement des matériaux dans la littérature, la définition des critères de sélection et la caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage des candidats les plus pertinents, est détaillée dans le chapitre II. À l’issue de ce travail, le choix du consortium se porte sur le nitrate de sodium, un sel inorganique possédant une température de fusion adaptée à la technologie d’AREVA et une densité de stockage importante. La poursuite de l’étude, concernant la stabilité thermique du MCP durant son utilisation en conditions industrielles, fait l’objet du chapitre III. Cette étude comporte une partie bibliographique permettant de mettre en évidence les problématiques liées à la dégradation thermique du matériau et à son comportement vis-à-vis des matériaux métalliques avec lesquels il sera amené à être en contact (échangeur de chaleur, cuve de stockage). La principale conséquence des phénomènes mis en évidence étant la réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium, l’étude de l’impact du taux de nitrite de sodium sur les propriétés thermiques du MCP a été réalisée. Les résultats de cette campagne expérimentale ont montré une diminution significative de la température de fusion et de la chaleur latente du MCP lorsque la proportion de nitrite de sodium croît. Afin d’étudier l’évolution de composition du MCP dans des conditions réelles de fonctionnement, un dispositif a été conçu spécifiquement pour reproduire des conditions de cyclage thermique en présence de métaux. L’étude menée à l’aide de ce dispositif a permis d’analyser la cinétique de réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium. Les résultats montrent que l’évolution de composition du MCP dans les conditions opératoires du projet est négligeable, garantissant la stabilité des propriétés thermiques de celui-ci au cours de son utilisation.Enfin, le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’amélioration des transferts thermiques au sein du MCP. En effet, le nitrate de sodium possède une conductivité thermique faible, pouvant limiter la puissance des échanges de chaleur dans le système de stockage. En premier lieu, un état de l’art des solutions d’intensification des transferts dans le domaine du stockage par chaleur latente est dressé. Ce travail a permis de mettre en évidence que l’utilisation de composites à base de mousses métalliques constitue une voie pertinente d’amélioration des transferts. Ainsi une campagne expérimentale visant à évaluer les performances de tels composites a permis de mettre en évidence le potentiel de ce type de configuration. / The work presented in this manuscript concerns the development of a latent heat thermal energy storage system adapted to concentrated solar power plant using direct steam generation, and more particularly on the selection and the study of the Phase Change Material (PCM) used in this system. This thesis was performed within the framework of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique) carried by the consortium of AREVA Renouvelables, Hamon d’Hondt company, CEA institute liten and laboratories IPNO, LPCS and LaTEP. This project is accompanied by ADEME under the énergies décarbonnées des investissements d’avenir program. The first chapter of this manuscript sets up the context of this study by drawing a state of art of different existing CSP technologies and various ways to store energy for this kind of systems. The STARS project is then described. This chapter ends with a description of the thesis objectives. The entire PCM selection process, including identification of materials in literature, definition of various criteria and thermal characterization by differential scanning calorimetry (DSC) of the most relevant candidates, is detailed in chapter II. This work leads to the selection of sodium nitrate by the consortium, an inorganic salt with a suitable melting temperature considering AREVA’s technology and a large storage density. The following work, concerning the thermal stability of the PCM under thermal cycling, is then presented in chapter III. This part includes a bibliographic study allowing to highlight issues related to thermal degradation of the PCM and its behavior regarding to metallic material with which it will have to be in contact (heat exchanger, storage tank). The main consequence of these phenomena is the reduction of sodium nitrate into sodium nitrite, and thus the impact of sodium nitrite fraction on the thermal properties of the PCM was studied. The results of this experimental work shows a significant reduction of the melting temperature and the latent heat as the fraction in sodium nitrite increases. To study the evolution of the PCM composition under real operating situation, a specific device was designed to replicate thermal cycling conditions in the presence of metals. This device was used to analyze the kinetics of reducing sodium nitrate into sodium nitrite. The results show that the changes in composition of the PCM in the project’s operating conditions are negligible, ensuring the stability of its thermal properties during its lifetime. The last chapter is devoted to the improvement of heat transfers within the PCM. Indeed, sodium nitrate has a low thermal conductivity which may limit the power of the heat exchange in the storage system. A state of art of available solutions for the intensification of thermal transfers concerning latent heat storage was done. This study highlighted that the use of composites based on metallic foams constitutes an effective way of improvement. Thus an experimental campaign was conducted to evaluate the performances of such composites, allowing to show the potential of this kind of configuration.

Ce travail est axé sur l'étude de l'évaporation lente d'un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l'étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L'évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l'espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s'opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s'évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d'évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d'une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d'évaporation et épaisseur relative des films. En s'appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d'évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L'analyse de l'hydrodynamique des films montre qu'il est indispensable de prendre en compte l'arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l'écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l'extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l'écoulement des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d'un capillaire carré quantitativement satisfaisant. / In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.

L’objectif de ce travail de thèse est l’élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l’irradiation par laser continu de forte puissance d’un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l’interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l’outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l’évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l’impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d’irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l’irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d’impuretés tels que l’hydrogène ou l’argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s’opère par épitaxie à partir d’un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L’optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu’à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque. / The objective of this thesis is the elaboration of polycrystalline silicon, on borosilicate glass substrate, by a Continuous Wave laser annealing of amorphous silicon operating in the liquid phase regime. Numerical simulations of the laser-amorphous silicon interaction have been carried out using COMSOL tool. We were able to monitor the evolution of the heat transfer in the different laser irradiated Si/glass structures. Thus, we have evaluated the effects of experimental parameters such as the scan speed, the laser power, the substrate temperature on the phase transition thresholds (melting, crystallization, evaporation). The modeling data were compared to the experimental data obtained on laser irradiated amorphous Si films, and the results were thoroughly discussed. In a second part, we have investigated the structural and morphological properties of polysilicon films prepared by CW laser irradiation of different amorphous silicon. We have shown that the presence of impurities such as hydrogen or argon in the amorphous silicon affects strongly the quality of the formed polysilicon film. We also found that the Si crystal growth occurs epitaxially from lateral and longitudinal thermal gradient produced respectively by the laser beam profile and thermal conduction, and by thermal convection in the scanning direction. The optimization of the experimental procedure led to the formation of polysilicon films with large grains up to several hundred microns long and tens microns in width. Such materials are of great interest to electronic and photovoltaic devices.

Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle / This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters

France Télécom possède des armoires de télécommunication dont la puissance est limitée à cause de la dissipation thermique des équipements actifs qui entraîne une augmentation de leur température interne. La puissance des équipements limite le nombre de clients qu'il est possible de connecter aux services des réseaux à hauts débits. En plus de cette contrainte, les armoires sont soumises à des effets liés au climat (ensoleillement) qui peuvent être sévères et difficiles à maîtriser. Ceci nécessite l’intégration de systèmes de refroidissement permettant de maintenir la température des composants en dessous de la limite imposée (55°C). C’est dans cet objectif que ce travail de thèse a été mené au sein du laboratoire FEMTO-ST en collaboration avec le service R&D de France Télécom à Lannion. Le refroidissement par changement de phase est favorisé pour maintenir la température de fonctionnement du système stable et pour être utilisé dans les systèmes à haute densité de puissance. Les boucles diphasiques sont des systèmes de refroidissement pour le contrôle thermique et fonctionnent passivement sans pompage mécanique du fluide caloporteur. Après une étude bibliographique sur les boucles de refroidissement diphasiques et leurs applications, on a constaté que les boucles thermosiphons sont particulièrement adaptées aux applications où le faible coût, l'efficacité énergétique et la fiabilité d’entretien sont souhaités. Cette étude a été conduite en suivant un cahier de charge proposé par France Télécom qui consiste à : (i) développer un modèle numérique permettant de modéliser les transferts échangés entre l’armoire de télécommunication et le milieu ambiant, (ii) mener une étude expérimentale en vue de concevoir une boucle thermosiphon pour le refroidissement d’armoires de télécommunication.Le mémoire de cette thèse montre la limitation des systèmes de refroidissement classiques utilisant des écoulements d’air en convection forcée ou autre fluides sans changement de phase. Un modèle numérique est développé afin de permettre la prédiction des températures à l’entrée des boitiers chauffants pour différentes conditions climatiques. Le choix est porté sur l’utilisation d’une modélisation par réseau nodal. La modélisation est effectuée en tridimensionnel et en régime transitoire. Nous avons également modélisé le rayonnement solaire auquel est soumise l’armoire de télécommunication. Le modèle développé a été validé en effectuant une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et ceux obtenus à partir des expériences menées au laboratoire et à la plateforme CLIMA chez France Télécom. Les essais sont effectués en régime transitoire en imposant une puissance électrique et en faisant varier la température ambiante ou la densité de flux thermique solaire. L’ensemble des résultats obtenus ont permis de constituer une base de données. Le deuxième objectif fixé dans le cadre de ce travail de thèse est la conception d’un système de refroidissement sous forme d’une boucle thermosiphon. La contrainte principale qui a guidée cette conception était le fait que la boucle doit refroidir l’armoire et assurer une température d’air à l’entrée des équipements inférieure à la limite imposée par la norme ETSI. Ceci nous a mené à concevoir un prototype de boucle thermosiphon dont la puissance thermique qu’il doit dissiper est imposée. On a montré que ce prototype permet de dissiper des puissances thermiques allant jusqu’à 470 W en utilisant une petite charge de npentane. Nous avons effectué des essais sur le refroidissement du prototype d’armoire de télécommunication en utilisant la boucle thermosiphon légèrement modifiée. On montre que les performances thermiques obtenues en utilisant un mode de refroidissement en boucle thermosiphon sont meilleures. Les boucles thermosiphons semblent intéressantes pour un refroidissement passif de matériels déployés dans un réseau de télécommunication... / France Telecom owns telecommunication cabinets whose power is limited because of the heat dissipation of active devices which leads to increased internal temperature. Power equipment limits the number of clients that can connect to networks services with high data rates. In addition to this constraint, the cabinets are subject to climate-related impacts (sunlight) that can be severe and difficult to master. This requires the integration of cooling systems to maintain the temperature of components below the limit (55 ° C). It is with this aim that this work was conducted in the laboratory Femto-ST in collaboration with the R & D department of France Telecom in Lannion.Cooling the phase change is promoted to maintain the operating temperature of the stable and system for use in systems with high power density. The loops are two-phase cooling systems for thermal control and operate passively without mechanical pumping of the coolant.After a literature review on two-phase cooling loops and their applications, it was found that the thermosyphon loops are particularly suitable for applications where low cost, energy efficiency and reliability maintenance are desired. This study was conducted by following a set of specifications proposed by France Telecom which involves: (i) develop a numerical model to model transfers exchanged between the cabinet and the telecommunications environment, (ii) conduct an experimental study to design a thermosyphon loop for cooling telecommunication cabinets.The memory of this thesis shows the limitation of conventional cooling systems using air flow forced convection or other fluids without phase change. A numerical model is developed to enable the prediction of temperatures at the inlet of heated enclosures for different climatic conditions. The choice is focused on the use of a nodal network modeling. The modeling is done by three-dimensional and transient. We also modeled the solar radiation, which applies to the telecommunications closet. The developed model was validated by comparison between the results of modeling and those obtained from experiments in the laboratory and platform CLIMA at France Telecom. The tests are performed by imposing transient electrical power and varying the temperature or heat flux density solar. All the results obtained allowed to establish a database.The second goal as part of this thesis is the design of a cooling system as a thermosyphon loop. The main constraint has guided this design was that the loop needs to cool the cabinet and provide air temperature at the inlet of the equipment below the limit imposed by the ETSI. This led us to design a prototype of thermosyphon loop with a heat output that must be dissipated is imposed. We showed that this prototype is used to dissipate the heat ratings up to 470 W using a small load of npentane.We conducted tests on the prototype cooling telecommunication cabinet using slightly modified thermosyphon loop. We show that the thermal performance obtained by using a cooling mode loop thermosyphon are better. Thermosyphon loops seem interesting for passive cooling of equipment deployed in a telecommunications network. Indeed, being able to use an air conditioning system independent and requires no energy should be promoted in a reduction of overall energy consumption.

Ge-Sb-Te basierte Phasenwechselmaterialen sind vielersprechende Kandidaten für die Anwendung in optischen und elektrischen nicht-flüchtigen Speicheranwendungen. Diese Materialien können mit Hilfe von elektrischen oder optischen Pulsen reversibel zwischen der kristallinen und amorphen Struktur geschaltet werden. Diese stukturellen Phasen zeigen einen großen Unterschied in ihren elektronischen Eigenschaften, der sich in einer starken Änderung der optischen Reflektivität und des elektrischen Widerstands zeigt.Diese Studie befasst sich mit epitaktischem Wachstum und Analyse der epitaktischen Schichten. Der erste Teil der Arbiet befasst sich mir dem epitaktischen Wachstum von GeTe. Dünne GeTe Schichten wurden auf Si(111) und Si(001) Substraten mit einer Gitterfehlanpassung von 10.8% präpariert. Auf beiden Substraten bildet sich in der GeTe Schicht die [111] Oberflächenfacette parallel zur Si(001) und Si(111) Oberfläche aus. Während des inertialen Wachstums findet eine Phasentransformation von amorph zu kristallin statt. Diese Phasentransformation wurde mittels azimuthaler in-situ Beugung hochenergetischer Elektronen sowie in-situ Röntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Der zweite Teil der Arbeit wird die Epitaxie sowie die strukturelle Charakterisierung dünner Sb2Te3 Schichten dargestellt. Der dritte Teil umfasst die Epitaxie terniärer Ge-Sb-Te Schichten . Zum Wachstum wurden sowohl die Substrattemperatur als auch die Ge, Sb und Te Flüsse variiert. Es wird gezeigt, dass die Komposition der Schicht stark von der Wachtumstemperatur abhängt und nur entlang der pseudibinären Verbindungslinie von GeTe-Sb2Te3 variiert. Zur Kontrolle des Wachstums wurde dabei die in-situ Quadrupol Massenspektroskopie verwendet. Es zeigen sich diverse inkommensurate Beugungsmaxima entlang der [111] Oberflächennormalen der Schichten, anhand derer die Ausbildung einer Lehrstellen Ordnung in Form einer Überstruktur diskutiert wird. / Ge-Sb-Te based phase change materials are considered as a prime candidate for optical and electrical data storage applications. With the application of an optical or electrical pulse, they can be reversibly switched between amorphous and crystalline state, thereby exhibiting large optical and electrical contrast between the two phases, which are then stored as information in the form of binary digits. Single crystalline growth is interesting from both the academic and industrial perspective, as ordered Ge-Sb-Te based metamaterials are known to exhibit switching at reduced energies. The present study deals with the epitaxial growth and analysis of Ge-Sb-Te based thin films. The first part of the thesis deals with the epitaxial growth of GeTe. Thin films of GeTe were grown on highly mismatched Si(111) and (001) substrates. On both the substrate orientations the film grows along [111] direction with an amorphous-to-crystalline transition observed during the initial stages of growth. The amorphous-to-crystalline transition was studied in-vivo using azimuthal reflection high-energy electron diffraction scans and grazing incidence x-ray diffraction. In the second part of the thesis epitaxy and characterization of Sb2Te3 thin films are presented. The third part of the thesis deals with the epitaxy of ternary Ge-Sb-Te alloys. The composition of the films are shown to be highly dependent on growth temperatures and vary along the pseudobinary line from Sb2Te3 to GeTe with increase in growth temperatures. A line-of-sight quadrupole mass spectrometer was used to reliably control the GeSbTe growth temperature. Growth was performed at different Ge, Sb, Te fluxes to study the compositional variation of the films. Incommensurate peaks are observed along the [111] direction by x-ray diffraction. The possibility of superstructural vacancy ordering along the [111] direction is discussed.

Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement. / This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost.

Cost-effective machining of hardened steel (>60 HRC) components such as a large wind turbine bearing poses a significant challenge. This thesis investigates a new laser tempering based hybrid turning approach to machine hardened AISI 52100 steel parts more efficiently and cost effectively. The approach consists of a two step process involving laser tempering of the hardened workpiece surface followed by conventional machining at higher material removal rates using lower cost ceramic tooling to efficiently cut the laser tempered material. The specific objectives of this work are to: (a) study the characteristics of laser tempering of hyper-eutectoid 52100 hardened steel, (b) model the laser tempering process to determine the resulting hardness, and (c) conduct machining experiments to evaluate the performance of the laser tempering based hybrid turning process in terms of forces, tools wear and surface finish. First, the microstructure alterations and phase content in the surface and subsurface layers are analyzed using metallography and x-ray diffraction (XRD) respectively. Laser tempering produces distinct regions consisting of - a tempered white layer and a dark layer- in the heat affected subsurface region of the workpiece. The depth of the tempered region is dependent on the laser scanning conditions. Larger overlap of laser scans and smaller scan speeds produce a thicker tempered region. Furthermore, the tempered region is composed of ferrite and martensite and weak traces of retained austenite (~ 1 %). Second, a laser tempering model consisting of a three dimensional analytical model to predict the temperature field generated by laser scanning of 52100 hardened steel and a phase change based hardness model to predict the hardness of the tempered region are developed. The thermal model is used to evaluate the temperature field induced in the subsurface region due to the thermal cycles produced by the laser scanning step. The computed temperature histories are then fed to the phase change model to predict the surface and subsurface hardness. The laser tempering model is used to select the laser scanning conditions that yield the desired hardness reduction at the maximum depth. This model is verified through laser scanning experiments wherein the hardness changes are compared with model predictions. The model is shown to yield predictions that are within 20 % of the measured hardness of the tempered region. Using the laser scanning parameters determined from the laser tempering model, cutting experiments using Cubic Boron Nitride (CBN) tools and low cost alumina ceramic tools are conducted to compare the performance of laser tempering based hybrid turning with the conventional hard turning process. The machining experiments demonstrate the possibility of higher material removal rates, lower cutting forces, improved tool wear behavior, and consequently improved tool life in the laser tempering based process. In addition, the laser tempered based hybrid turning process produce is shown to yield lower peak-to-valley surface roughness height than the conventional hard turning process. Furthermore, it is found that lower cost ceramic tools can be used in place of CBN tools without compromising the material removal rate.

A novel cooling mechanism based on evaporation of thin liquid films is presented for thermal management of confined heat sources, such as microprocessor hotspots. The underlying idea involves utilization of thin nanoporous membranes for maintaining microscopically thin liquid films by capillary action, while providing a pathway for the vapor generated due to evaporation at the liquid-vapor interface. The vapor generated by evaporation is continuously removed by using a dry sweeping gas keeping the membrane outlet dry. This thesis presents a detailed theoretical, computational and experimental investigation of the heat and mass transfer mechanisms that result in dissipating heat. Performance analysis of this cooling mechanism demonstrates heat fluxes over 600W/cm2 for sufficiently thin membrane and film thicknesses (~1-5µm) and by using air jet impingement for advection of vapor from the membrane surface. Based on the results from this performance analysis, a monolithic micro-fluidic device is designed and fabricated incorporating micro and nanoscale features. This MEMS/NEMS device serves multiple functionalities of hotspot simulation, temperature sensing, and evaporative cooling. Subsequent experimental investigations using this microfluidic device demonstrate heat fluxes in excess of 600W/cm2 at 90 C using water as the evaporating coolant. In order to further enhance the device performance, a comprehensive theoretical and computational analysis of heat and mass transfer at micro and nanoscales is carried out. Since the coolant is confined using a nanoporous membrane, a detailed study of evaporation inside a nanoscale cylindrical pore is performed. The continuum analysis of water confined within a cylindrical nanopore determines the effect of electrostatic interaction and Van der Waals forces in addition to capillarity on the interfacial transport characteristics during evaporation. The detailed analysis demonstrates that the effective thermal resistance offered by the interface is negligible in comparison to the thermal resistance due to the thin film and vapor advection. In order to determine the factors limiting the performance of the MEMS device on a micro-scale, a device-level detailed computational analysis of heat and mass transfer is carried out, which is supported by experimental investigation. Identifying the contribution of various simultaneously occurring cooling mechanisms at different operating conditions, this analysis proposes utilization of hydrophilic membranes for maintaining very thin liquid films and further enhancement in vapor advection at the membrane outlet to achieve higher heat fluxes.

The ability to tune the properties over a wide range of values by changing the additives, composition, etc., has made chalcogenide glassy semiconductors, most interesting from both fundamental physics as well as technology point of view. In particular, the occurrence of the two network topological thresholds namely the Rigidity Percolation Threshold (RPT) and the Chemical Threshold (CT) and their influence on various properties of chalcogenide glasses have been of immense interest during the last three decades. The Rigidity Percolation Threshold (also known as the Stiffness Threshold or Mechanical Threshold) corresponds to the composition at which the material transforms from a floppy polymeric glass to a rigid amorphous solid, whereas at Chemical Threshold the sample tends towards an ordered state. Though the rigidity percolation has been considered for long to occur at a critical threshold defined by the constraint’s theory, the recent theoretical and experimental investigations have found the RPT to occur over a range of compositions. In systems exhibiting an extended rigidity percolation, two distinct transitions namely from a floppy to an isostatically rigid phase and from an isostatically rigid to a stressed rigid phase are seen. In the category of chalcogenide glasses, tellurides have been found to exhibit interesting properties including the phenomenon of electrical switching which finds applications in Phase Change Memories (PCM). Studies on various thermal, electrical and photoelectrical properties of glassy tellurides help us in identifying suitable materials for different technological applications. This thesis deals with Differential Scanning Calorimetric (DSC) & Temperature Modulated Alternating Differential Scanning Calorimetric (ADSC) studies, electrical switching investigations, photoconductivity & photothermal measurements on certain metal doped telluride glasses. The composition dependence of properties such as glass transition & crystallization temperatures, switching voltage, thermal diffusivity, photosensitivity, etc., have been analyzed to obtain information about topological thresholds, thermally reversing window, etc. The first chapter of thesis provides an overview of properties of amorphous semiconductors, in particular chalcogenide glasses. The local & defect structure, the electronic band structure & electrical properties, electrical switching behavior, etc., are discussed in detail. The theoretical aspects related to the experiments undertaken in this thesis work have also been described. The instrumentation used for various experiments conducted to measure thermal, electrical, photoelectrical and photothermal properties have been discussed in chapter two. The chapter three deals with the photocurrent measurements on As40Te60-xInx (7.5 ≤ x ≤ 16.5) glasses. In these samples, it has been found that the photocurrent increases with illumination, which is understood on the basis of the large dielectric constant and also due to the presence of a large number of positively charged defect states. Further, the composition dependence of the conductivity activation energy and the photosensitivity exhibit a maximum at x = 12.5 (<r> = 2.65) and a minimum at x = 15.0 (<r> = 2.70) which has been identified to be the Rigidity Percolation Threshold (RPT) and the Chemical Threshold (CT) respectively. The results of electrical switching, DSC and Photothermal Deflection (PTD) studies on As20Te80-xGax (7.5 ≤ x ≤ 18.5) glasses, undertaken to elucidate the network topological thresholds, are described in chapter four. It has been found that all the As20Te80-xGax glasses studied exhibit memory type electrical switching. The switching voltage (VT) of these glasses increases monotonically with x, in the composition range 7.5 ≤ x ≤ 15.0. The increase in VT with gallium addition leads to a local maximum at x = 15.0 and VT decreases with x thereafter, reaching a distinct minimum at x = 17.5. Based on the variation with composition of the electrical switching voltages, the composition x = 15.0 and x = 17.5 have been identified to be the rigidity percolation and chemical thresholds of the As20Te80-xGax glassy system respectively. Further, the DSC studies indicate that As20Te80-xGax glasses exhibit a single glass transition (Tg) and two crystallization reactions (Tc1 & Tc2) upon heating. There is no appreciable change in Tg of As20Te80-xGax glasses with the addition of upto about10 atom% of Ga, whereas a continuous increase is seen in the crystallization temperature (Tc1). It is interesting to note that both Tg and Tc1 exhibit a maximum at x = 15.0 and a minimum at x = 17.5, the compositions identified to be the RPT and CT respectively by the switching experiments. The composition dependence of thermal diffusivity estimated from the PTD signal, indicate the occurrence of an extended stiffness transition in As20Te80-xGax glasses, with the compositions x = 9.0 and x = 15.0 being the onset and the completion of an extended rigidity percolation. A maximum and a minimum are seen in the thermal diffusivity respectively at these compositions. Further, a second maximum is seen in the thermal diffusivity of As20Te80-xGax glasses, the Chemical Threshold (CT) of the glassy system. The fifth chapter of the thesis describes the ADSC, electrical switching and photocurrent measurements on Ge15Te85-xInx (1 ≤ x ≤ 11) glasses. It is found there is not much change in the Tg of Ge15Te85-xInx glasses in the composition range 1 ≤ x ≤ 3. An increase is seen in Tg beyond x = 3, which continues until x = 11. Further, the composition dependence of non-reversing enthalpy shows the presence of a thermally reversing window in the compositions range x = 3 and x = 7. Electrical switching studies indicate that Ge15Te85-xInx glasses exhibit threshold type of switching at input currents below 2 mA. It is observed that switching voltages decrease initially with indium addition, exhibiting a minimum at x = 3, the onset of the extended rigidity percolation as revealed by ADSC. An increase is seen in VT above x = 3, which proceeds till x = 8, with a change in slope (lower to higher) seen around 7 atom% of indium which corresponds to the completion of the stiffness transition. The reversal in trend exhibited in the variation of VT at x = 8, leads to a well defined minimum around x = 9, the chemical threshold of the Ge15Te85-xInx glassy system. Photocurrent measurements indicate that there is no photodegradation in Ge15Te85-xInx glasses with x < 3, whereas samples with x ≥ 3 show photodegradation behavior. The composition dependent variation in the glass transition temperature has been attributed for this behavior. Further, the composition dependence of photo sensitivity has been found to show the signatures of the extended rigidity percolation and the chemical threshold in Ge15Te85-xInx glasses. The last chapter of thesis (chapter six) summarizes the results obtained and also the scope of future work to be undertaken.