Une étude détaillée des séchoirs solaires existants dans le marché du bois, suivie d'une analyse selon les lois d'évolution des systèmes techniques, conduit à la proposition d'un concept innovant de séchoir avec stockage d'énergie. La conception particulière et innovante et la conduite du séchage par des variables de pilotage imposent une modélisation des diverses unités du système et des milieux extérieurs environnants. Des modèles de chaque unité sont ainsi construits. Ils intègrent nécessairement les variables de conception. Le séchage est décrit par le modèle classique de la courbe caractéristique. Les modèles des autres unités sont écrits de manière parcimonieuse afin de diminuer les temps de calcul. Ils sont également qualifiés en terme de parcimonie, exactitude, précision et spécialisation. Une vision intéressante du milieu extérieur « météorologie » est proposée en exploitant les données correspondant à la zone de l'aéroport de Mexico. Des essais de séchage de planches de pin maritime par léchage ont permis de modéliser la cinétique de séchage. Le modèle global du séchoir est obtenu par concaténation des modèles des différentes unités en intégrant des composants d'interaction (ventilateur et trappes) et via les variables de pilotage. Les résultats obtenus sont analysés en terme de temps de séchage, de qualité du bois et de temps de retour des investissements. Ils aboutissent à la définition de tables de conduite permettant la gestion de la qualité du bois. Le séchoir conçu lors de ces travaux est innovant, rentable et utilisable dans le domaine de séchage du bois au Mexique.

Peu de stations au sol mesurent l'éclairement et des méthodes ont été développées pour l'évaluer à partir d'images prises par des satellites géostationnaires ou en orbite polaire. Dans les méthodes actuelles, dites inverses, le signal perçu par le satellite est inversé pour dériver le rayonnement au sol. Il est estimé de manière générale que les limites des méthodes inverses sont certainement atteintes en terme de précision. En conséquence, une nouvelle voie, basée sur la modélisation directe de la propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère, est explorée. Dans cette thèse, nous concevons une nouvelle méthode -dite Heliosat-4- basée sur le code de transfert radiatif libRadtran et tirant profit des produits de meilleure qualité, extraits des nouvelles capacités d'observation de la terre. Dans cet objectif, nous avons - par une analyse de sensibilité, établi les entrées nécessaires pour toute méthode basée sur un code de transfert radiatif, - établi que l'éclairement au sol pour une atmosphère nuageuse peut être considéré comme égal au produit de l'éclairement obtenu par ciel-clair et d'une fonction de l'extinction due aux nuages et de la contribution de la réflectance du sol, - mis en œuvre des approximations de l'équation de transfert radiatif pour des atmosphères claire ou nuageuse, permettant des calculs rapides. Heliosat-4 est affranchi des paramètres empiriques, facile à implémenter et fournit simultanément les composantes directe, diffuse et la distribution spectrale de l'éclairement. Ces caractéristiques, bien que nécessaires pour différentes applications, sont rarement fournies. Les premiers résultats de la validation de cette nouvelle méthode avec les mesures sol sont prometteurs : les performances observées sont proches de celles des méthodes actuelles.

Le rayonnement ultraviolet (UV) est un cancérigène pour lequel peu d'informations sur l'exposition des populations est disponible. L'intensité et les variations de l'exposition au rayonnement UV solaire, principale source d'exposition, a un impact sur la santé mais il est difficile de les surveiller. Le travail de cette thèse a permis de développer un outil pour une estimation quantitative de l'exposition individuelle à l'UV solaire pour l'épidémiologie. Nous avons créé un atlas des moyennes mensuelles d'irradiation journalière en Europe. Certaines données manquantes au niveau des pays nordiques en hiver ont dû être extrapolées. Nous avons vu que la saisonnalité est forte et que la répartition spatiale ne suit pas seulement le gradient de latitude. Par exemple, l'irradiation UV est plus élevée au sud des pays nordiques qu'au centre de l'Europe. Une enquête a été menée dans huit populations européennes afin d'estimer l'exposition individuelle. Ces populations ont des comportements différents vis-à-vis de l'exposition au soleil. Après une étape de modélisation pour estimer les données d'irradiation UV manquantes au nord de la Norvège sur l'ensemble de l'année, nous avons pu quantifier l'exposition chronique et l'exposition pendant les vacances dans trois populations (française, italienne et norvégienne). L'outil développé au cours de cette thèse pourra être utilisé pour de futures études épidémiologiques qui permettront de connaître l'exposition au rayonnement ultraviolet solaire de populations et de mieux comprendre son rôle dans l'étiologie de diverses maladies, telles que les cancers cutanés.

L'industrialisation et l'utilisation dans la vie courante d'un nombre croissant de produits chimiques et médicamenteux sont responsables de la dissémination dans l'environnement de substances variées nommées" polluants émergents ". Les traitements des eaux usées existants ne sont pas conçus pour éliminer cette catégorie de pollution et les polluants émergents sont alors rejetés dans le milieu récepteur. Une possible solution pour limiter le rejet de ces composés par les effluents de station d'épuration serait l'utilisation de procédés de traitement additionnels tels que les procédés d'oxydation avancés. C'est dans ce contexte qu'a démarré le projet Européen Clean Water en 2009 associant 7 entités dont le GEPEA-Ecole des Mines de Nantes. Le concept du projet est de développer des procédés photocatalytiques mettant en œuvre des nanomatériaux actifs sous la lumière solaire. Ces procédés visent à éliminer les polluants émergents tels que les perturbateurs endocriniens ou les produits pharmaceutiques. Dans ce programme, le laboratoire GEPEA est concerné par l'évaluation de l'efficacité des matériaux vis-à-vis de l'élimination des polluants émergents sous irradiations UV et visibles. Pour cela, une méthodologie expérimentale a été établie de façon à exprimer les performances des catalyseurs testés en termes de constantes cinétiques de dégradation, de taux de conversion et de minéralisation des molécules étudiées mais aussi en fonction de la formation de produits intermédiaires. Ces performances sont également évaluées en termes de biodégradabilité, d'effet de toxicité et de perturbation endocrinienne des produits intermédiaires. Dans un premier temps, la méthodologie expérimentale établie a été testée sur la dégradation de la tétracycline en utilisant un catalyseur de référence puis, elle a été appliquée sur la dégradation respective du bisphénol A et de la 17β-oestradiol en utilisant un catalyseur de référence et les catalyseurs élaborés dans le cadre du projet Clean Water. Les résultats sur la dégradation de la tétracycline ont montré que i) les intermédiaires réactionnels sont moins toxiques que la tétracycline, ii) la structure des intermédiaires réactionnelles est semblable à celle de la tétracycline ce qui explique la faible biodégradabilité de ces intermédiaires. Concernant la dégradation du bisphénol A et de la 17β-oestradiol, les résultats ont montré que i) les catalyseurs sont efficaces sous irradiation solaire simulée. Cependant, l'efficacité photocatalytique du catalyseur dépend du composé à dégrader, ii) la nature des intermédiaires réactionnels identifiés du bisphénol A dépend du catalyseur utilisé, iii) l'effet œstrogénique de la solution d'oestradiol persiste au cours du traitement photocatalytique.

Le rayonnement solaire incident (lSR) (direct et diffus) et le rayonnement atmosphérique de longue longueur d'onde (DLR) sont les paramètres qui déterminent le bilan de la radiation à la surface (SRB) et jouent un rôle très important dans l'échange d'énergie entre la Terre et l'atmosphère. La représentation exacte de ces composantes dans les modèles climatiques est donc cruciale. Dans ce travail, nous évaluons les composantes de l'ISR, du DLR et de la couverture nuageuse des trois modèles suivants: 1. le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), 2. la version régionale du Modèle Global Environnemental à Multi-échelle (GEM-LAM) et 3. le modèle atmosphérique du centre Rossby (RCA3) sur un domaine couvrant l'Amérique du Nord. Premièrement, les trois modèles sont comparés avec les observations de surface fournies par le réseau SURFRAD afin d'identifier les conditions dans lesquelles ils ne performent pas correctement. Puisque ces observations ne fournissent pas une couverture spatiale adéquate, trois bases de données différentes sont comparées à trois bases de données disponibles sur l'ensemble du territoire. Les substituts aux observations que nous évaluons sont: les ré-analyses ERA40 de ECMWF couvrant 40 années, les ré-analyses régionales d'Amérique de Nord (NARR) et les composantes du SRB provenant du Projet International de Climatologie Satellitaire des Nuages (ISCCP). La base de donnée la plus représentative est utilisée comme substitut aux observations afin de la comparer avec le SRB simulé par les modèles sur tout le domaine d'Amérique du Nord. Les comparaisons entre les modèles et les observations montrent que les biais les plus importants sont présents pour des conditions atmosphériques froides et sèches ce qui nous indique soit une mauvaise représentation de l'émission de la vapeur d'eau pour des conditions atmosphériques sèches, soit un biais négatif dû aux omissions des contributions des gaz traceurs dans le DLR pour les conditions de ciel clair. Les biais du ISR constatés dans cette étude viennent surtout de la mauvaise représentation des nuages dans les modèles qui ne sont pas assez opaques pour le rayonnement solaire incident. La comparaison avec six sites d'observations différents a confirmé qu'ERA40 est le meilleur substitut aux observations pour les composantes ISR et DLR sur l'Amérique du Nord. La comparaison des modèles avec ERA40 sur toute l'Amérique du Nord apporte des conclusions similaires à celles obtenues lors de la comparaison des modèles directement avec les sites d'observations. Ces résultats confirment que les biais trouvés dans cette étude proviennent de l'imperfections des modèles ce qui influence les composantes du SRB pour les différents régimes climatiques d'Amérique du Nord. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Rayonnement, Modèles régionaux du climat, Ré-analyses, Forçage radiatif des nuages.

Les cellules photovoltaïques électrochimiques (CPE) ont besoin d'un milieu électrolytique transparent à la lumière, qui ne montre pas de fuite de solvant sous forme vapeur et doté de bonnes propriétés électrochimiques dans la plage de températures d'utilisation. La performance des CPE dépend de la minimisation des pertes d'énergie en surtensions anodique et cathodique (∆Eр), ainsi que d'une densité de courant (J) et d'un photovoltage élevés. Les mélanges de cinq couples rédox (CR) étudiés, composés principalement de thiourées et de leur disulfure doublement chargé en présence du liquide ionique EMI-TFSI, laissent passer les photons jusqu'à 3,2 eV et pourraient être utilisés avec une anode semi-conductrice de bande interdite optimale de ≈1,5 eV. Pour le développement de thiourées ou de disulfures liquides, deux corrélations au volume équivalent ont été établies pour les températures de transition vitreuse (Tg) et de fusion (Tf). Deux thiourées liquides ont été développées (1-diéthyl-3-diméthylthiourée, C (Tf : -7°C) et 1,3-bis(éthylméthyl)thiourée, E (Tf : 11°C)) et permettent d'autosolvater le CR sans solvant ou d'augmenter la proportion du CR en solution et le photocourant (Jph). L'anion TFSI (trifluorométhanesulfonylimide), plastifiant pour les cations monochargés, ne diminue pas la Tf des disulfures étudiés : les deux gros anions TFSI semblent s'insérer entre les disulfures sans en perturber la structure. Pour les systèmes électrolytiques (SE), les thiourées liquides, présentant une bonne pression de vapeur, doivent être utilisées avec un liquide ionique (non-volatil, par exemple EMI-TFSI : Éthylméthylimidazolium-TFSI) dont le pourcentage molaire choisi est un compromis entre une plus grande densité de courant (faible pourcentage) et un plus faible ∆Ep (fort pourcentage). Le solvant le plus visqueux du SE (thiourée ou liquide ionique) contrôle la viscosité et la conductance équivalente. Dues probablement à la formation de complexes de transfert de charge entre les espèces réduite et oxydée, de grandes attractions intermoléculaires sont présentes (écart à l'idéalité du volume molaire (Vm) des SE). Au-delà d'un seuil minimal de force ionique, les différences de viscosité, de Vm et de conductivité ionique des SE ne semblent induire aucune variation de ∆Ep. Les plus faibles valeurs de ∆Ep sont obtenues à 4,5% molaire en disulfure, entre 84% et 97% molaire en liquide ionique, pour tous les CR, et de ces derniers, le couple 1,3diéthylimidazolidine-2-thione (I) / dithio bis(1,3-diéthylimidazolidinium) bisTFSI (J2+) présente le plus faible ∆Ep grâce à une plus faible surtension cathodique |nc|. L'accès de l'espèce oxydée à l'électrode de travail pourrait être à l'origine de la diffusion plus difficile pour les disulfures de thiourées non-cycliques. Ces disulfures présentant un coeur structurel identique jusqu'aux azotes diffèrent par leurs substituants, en rotation, sur les groupes aminos. Le ∆Ep similaire de I/J²⁺ à celui des CR CsT(5-mercapto-1-méthyltétrazolate de césium) / son disulfure (T2), et tétraméthylthiourée (A) / dithiobis(tétraméthylformamidinium) bis TFSI (B²⁺) en solvant organique (travaux antérieurs du laboratoire), pourrait probablement s'expliquer par l'absence de rotation des groupes aminos (T2) et la petite taille des substituants méthyles sur les groupes aminos pour B²⁺. Pour le SE à base de I/J²⁺ très dilué dans EMI-TFSI, le photovoltage maximal théorique de la CPE est prometteur et estimé à 1,32 V pour un semi-conducteur de CdSe. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Pile solaire, Thiourées, Conductivité, Viscosité, Produit de Walden, Voltampérométrie cyclique, Transition de phases.

Une des sources d'énergie les plus abondantes est le soleil, d'où l'importance de développer des techniques efficaces pour convertir les rayons solaires en électricité. Plusieurs dispositifs peuvent être employés, dont les cellules photovoltaïques électrochimiques (CPE). Le fonctionnement de certains types de CPE repose sur une jonction entre un semi-conducteur de type n et un électrolyte gel. Le semi-conducteur, une des composantes majeures des CPE, peut être amélioré. Dans ce travail, il est question du développement d'une nouvelle méthode de préparation du semi-conducteur CulnS₂ en couche mince. Elle consiste à électrodéposer galvanostatiquement le film sur un substrat de titane. L'optimisation de la méthode inclut le choix du courant de déposition, de la méthode de recuit et du traitement chimique au KCN. Le courant de déposition a été optimisé à -40 mA, menant à des films homogènes possédant des pourcentages de CulnS₂ et de cristallinité intéressants. Un recuit sous vide à 425°C permet d'obtenir des films plus cristallins, pratiquement non-oxydés et plus purs. Enfin, un traitement chimique au KCN 0,25 M à température pièce pendant environ 10 secondes, qui permet de diminuer la quantité de cuivre dans les films, a donné les meilleurs résultats. La structure du CulnS₂ a été définie comme étant tétragonale chalcopyrite avec des paramètres de maille de 5,549 Å pour a et b, et de 11,02 Å pour c. Le facteur de rugosité moyen des films est de 19 avant traitement chimique et de 13 après traitement au KCN, avec une épaisseur moyenne de 4,2 µm. La valeur de la bande interdite a été déterminée à 1,51 eV, ce qui est comparable à la théorie. Pour les films ayant subi un traitement au KCN, une densité de porteurs de charge majoritaires de 3,8x10¹⁹ cm⁻³ a été calculée, ainsi qu'un potentiel de bandes plates de -0,45 V vs ENH. Deux piles de configuration n-CuInS₂ | PVdF (20% massique) / DMF/DMSO (60%/40% volumique), CsT 1,3 M/T₂ 0,13 M (80 % massique) | ITO ont été caractérisées dans l'obscurité. PVdF représente le polyvinylidène de fluor, CsT le 5-mercapto-1-méthyltétrazolate de césium et T₂ son disulfure. Une semi-conductivité de type n a été observée, comme attendue, avec un facteur de rectification de 2,82 (à 0,5 V) lorsque le CuInS₂ était traité au KCN. La densité de courant d'échange a été calculée à 2,7 µA/cm₂, la résistance shunt à 46 kΩ et la constante d'idéalité à 2,6 pour la même cellule. Les résultats montrent que les films ayant subi un traitement au KCN présentent une interface CulnS₂/électrolyte gel de meilleure qualité. Les films semi-conducteurs préparés dans ce projet semblent améliorer la qualité de cette interface par rapport aux films obtenus par électrodéposition potentiostatique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Semi-conducteur, CuInS₂, pile solaire, électrodéposition galvanostatique.

Son efficacité, son faible impact environnemental et sa fiabilité font de la réfrigération thermoacoustique solaire une alternative intéressante aux systèmes solaires de production de froid. L'adaptation des technologies solaire et thermoacoustique requiert une conception thermique précise de l'élément d'interface, le récepteur solaire, constitué d'une cavité et d'un échangeur irradié par le rayonnement solaire. L'objectif de cet élément est de collecter et de transmettre efficacement l'énergie solaire incidente au fluide de travail du système thermoacoustique. Comme les ondes acoustiques sont très sensibles aux perturbations thermiques, la conception du récepteur doit favoriser l'homogénéité thermique, spatiale et temporelle, à l'intérieur de l'échangeur. Pour cette raison, une étude complète incluant le développement d'outils numériques de simulation pour modéliser le processus thermique, du transfert solaire au transfert thermoacoustique est nécessaire afin d'optimiser les dimensions du prototype de la campagne expérimentale. Cette étude décrit les outils de simulation ainsi que les dispositifs expérimentaux comme les résultats obtenus sur les aspects spatiaux et temporels.

Au cours de la dernière décennie, le marché photovoltaïque a été multiplié par 10, le prix des panneaux solaires réduit de 60%, et la Chine est devenue le premier producteur mondial. L'objectif de cette thèse est d'identifier les mécanismes à l'origine de ces fortes mutations. Grâce à des entretiens auprès d'acteurs de l'industrie photovoltaïque chinoise, et l'analyse de données de brevets, nous expliquons comment la Chine a réussi à acquérir la technologie et le savoir-faire nécessaires à ce succès. Le transfert de technologie a eu lieu grâce au déploiement du marché d'équipement de production et au recrutement de cadres formés dans les pays industrialisés. En revanche, la propriété intellectuelle n'a joué aucun rôle. L'analyse de l'évolution du coût des modules grâce au modèle de courbe d'apprentissage nous permet de prédire une réduction du coût de deux tiers d'ici à 2020. Elle donne des indications quant à la future compétitivité de l'électricité photovoltaïque. Enfin, une attention particulière est portée aux tarifs de rachat de l'électricité, qui ont largement contribué au développement du marché photovoltaïque. Nous analysons leur influence sur le marché et leur capacité à s'adapter à la volatilité du prix des modules, en analysant des séries temporelles. Nous construisons aussi un modèle théorique pour analyser l'influence du comportement stratégique des entreprises sur l'efficacité d'un tarif de rachat. Cela permet de suggérer des recommandations quant à la conception de ces instruments incitatifs.

Depuis quelques années, les exigences des occupants de bâtiments ont sensiblement changé. On observe en effet une demande de confort de plus en plus rigoureux en particulier en période estivale. Cette augmentation des besoins de climatisation induit un accroissement important de la consommation d'énergie électrique dans les bâtiments, dû à une utilisation majoritaire de climatiseurs à compression mécanique de vapeur. Dans ce contexte énergétique difficile, les systèmes de rafraîchissement solaire font partie des alternatives intéressantes aux systèmes de climatisation classiques, dans la mesure où l'énergie primaire est principalement consommée sous forme de chaleur et provenant du soleil donc gratuite. L'autre grand intérêt de ces procédés est que le besoin en rafraîchissement coïncide la plupart du temps avec la disponibilité du rayonnement solaire. La compréhension et le développement de cette technologie passent par une étude expérimentale avec la réalisation d'installations pilotes à échelle réelle dans le but d'acquérir une expérience concrète. C'est dans ce sens que notre laboratoire s'est proposé de mettre en place une plateforme expérimentale d'une puissance frigorifique de 30 kWf chargée de rafraîchir des locaux d'enseignement de l'Institut Universitaire Technologique de Saint Pierre à La Réunion. La première partie de ce manuscrit présente une analyse expérimentale de cette installation. Une seconde approche purement fondamentale a été envisagée avec l'élaboration de modèles numériques permettant de prédire le comportement de l'installation dans son ensemble. Ces modèles numériques décrits sous plusieurs niveaux de finesse, sont validés par les données expérimentales avant d'être utilisés, soit comme outils de pré‐dimensionnement pour les modèles à descriptions simplifiés, soit comme outil d'optimisation et d'analyse pour les modèles détaillés. Le modèle détaillé représentant notre plateforme expérimentale a permis de réaliser une optimisation du fonctionnement de l'installation et de proposer des améliorations pour réduire la consommation d'électricité et augmenter le coefficient de performance électrique global.