Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 111-112. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.-ing.--Sci. et tech. des procédés chim.--Toulouse 3, 1980. N°: 702.

Th. 3e cycle--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 121.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des recherches sur la chimie prébiotique. Il est étroitement lié avec les trois expériences d'exposition en orbite terrestre UVolution, AMINO, PROCESS du projet EXPOSE. Il a pour objet d'étudier la photostabilité et la photochimie de molécules organiques dans un contexte exobiologique. Ces expériences consistent à exposer des molécules en phase solides ou des mélanges gazeux concernant l'étude des comètes (dans le cadre de la préparation à l'interprétation des résultats de la mission ROSETTA), la chimie organique de Titan (mission CASSINI-HUYGENS), ou encore la chimie organique dans l'environnement martien (futures missions in situ). Les analyses en spectrométrie infrarouge et en chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, sur les échantillons de retour de l'expérience UVolution (14-26/09/2007) sont comparées avec des simulations expérimentales menées parallèlement en laboratoire. De nouvelles données sur la photostabilité de composés organiques dans les environnements extraterrestres ont ainsi pu être mesurées. Les temps de demi-vie à une distance du soleil de 1 UA varient entre quelques jours et quelques dizaines de jours pour les plus photorésistants (ex. adénine, guanine, hypoxanthine). Pour les composés photolysés dans le domaine VUV, à partir de 120 nm (simulant la photochimie des comètes et la surface des petits corps, ainsi que la haute atmosphère de Titan), les temps de vie mesurés en orbite sont très différents de ceux calculés à partir des expériences de laboratoire. Ces résultats nous confirment qu'il est difficile de simuler en laboratoire le spectre solaire dans ce domaine de longueurs d'ondes.Par contre, pour les composés photolysés dans une gamme de longueur d'onde moins énergétique (>190 nm, simulant la photochimie à la surface de Mars), les résultats des mesures en orbite et en laboratoire sont relativement cohérents. Il est aussi montré, que la présence d'analogues de sol martien augmente la vitesse de photodestruction de certaines molécules (acide phtalique et acide amino isobutyrique). Pour ce qui concerne l'analyse de la phase gazeuse, des analyses chromatographiques ont mis en évidence la formation de petits hydrocarbures (C2H6, C2H4) dans les cellules contenant du méthane (mélangé avec de l'azote ou de l'argon pour simuler la chimie du méthane dans l'atmosphère de Titan). Ces composés ont aussi été produits par des échantillons de tholins (analogue des aérosols de Titan). Ces résultats sont discutés, et mettent en avant la nécessité de réaliser des expériences en orbite de plus longue durée, où l'évolution des échantillons est mesurée en continue. Il apparait aussi clairement que les mesures de laboratoires effectuées dans le domaine VUV doivent être extrapolées avec précaution aux différents environnements qu'elles sont sensées simuler / Pas de résumé en anglais

Cette thèse a pour objectif d'apporter un regard nouveau sur les principales caractéristiques physiques du Soleil. Avant le développement de l'astrophysique, l'étude d'un astre concernait surtout ses propriétés géométriques. La mesure précise du diamètre du Soleil a été entreprise dès l'antiquité et représente un des plus vieux problèmes en astrophysique. Une partie de cette thèse est consacrée à l'étude du diamètre solaire et de ses variations au cours du temps. Un des objectifs est de déterminer si le diamètre du Soleil varie en fonction de l'activité solaire. Les données acquises par les instruments de la mission PICARD ont été utilisées afin d'essayer de répondre à cette question. Cette thèse porte aussi sur la détermination absolue de l'aplatissement solaire et de ses variations au cours du cycle 24. Cette étude s'est basée sur l'exploitation des mesures acquises par deux télescopes spatiaux (PICARD/SODISM et SDO/HMI). Les mesures de l'aplatissement solaire sont importantes et permettent de valider les hypothèses physiques mises en œuvre dans les modèles du Soleil. Cette thèse consiste aussi à déterminer la valeur absolue de l'éclairement solaire total et de sa variabilité au cours du temps. L'éclairement solaire total représente une entrée essentielle pour tous les modèles climatiques. Sa détermination précise est donc fondamentale. La valeur absolue de l'éclairement solaire total a été obtenue à partir des mesures réalisées par le radiomètre PICARD/SOVAP. Le dernier chapitre de cette thèse est dédié à l'étude de l'éclairement solaire dans l'ultraviolet et de ses variations au cours du cycle 24. Cette étude s'appuie sur les mesures réalisées par le spectromètre SOLAR/SOSLPEC à bord de la station spatiale internationale. La variabilité du rayonnement ultraviolet au cours d'un cycle solaire (environ 10% à 200 nm) est beaucoup plus élevée que celle de l'éclairement solaire total (environ 0.1%). La détermination précise de la variabilité ultraviolet est donc très importante. Il est aussi de plus en plus évident que les variations de l'éclairement solaire dans l'ultraviolet jouent un rôle significatif au niveau de la chimie de l'atmosphère et du climat de la Terre. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montrent l'intérêt de réaliser des mesures précises dans l'ultraviolet au cours d'un cycle solaire de 11 ans. / This thesis aims to highlight a new vision on the main physical characteristics of the Sun. Before the development of astrophysics, the study of a star mainly concerned its geometrical properties. The accurate measurement of the solar diameter was carried out since the antiquity and represents one of the oldest problems in astrophysics. Part of this thesis is devoted to the study of the solar diameter and its variation over time. One of the objectives is to determine whether the diameter of the Sun varies with the solar activity. Data acquired by the PICARD mission instruments were used to try to answer this question. This thesis also deals with the absolute determination of the solar oblateness and its variation during the cycle 24. This study was based on the use of the measurements acquired by two space-based telescopes (PICARD/SODISM and SDO/HMI). The solar oblateness measurements are important and allow to validate the physical hypotheses implemented in the solar models. This thesis also consists to determine the absolute value of the total solar irradiance and its variability over time. The total solar irradiance is an essential parameter for all climate models. Its accurate determination is therefore fundamental. The absolute value of the total solar irradiance was obtained from the measurements carried out by the PICARD/SOVAP radiometer during the solar cycle 24. The last chapter of this thesis is devoted to the study of the solar irradiance in the ultraviolet and its variation during the solar cycle 24. This study is based on the measurements carried out by the SOLAR/SOSLPEC spectrometer on board the International Space Station. The variations of the ultraviolet radiation during a solar cycle (10% at 200 nm for a strong solar cycle) are much higher than the variations of the total solar irradiance (0.1%). The accurate determination of the ultraviolet solar irradiance is therefore very important. It is also increasingly evident that the variations of the solar irradiance in the ultraviolet play a significant role in the chemistry of the Earth's atmosphere and climate. The results obtained during this thesis show the interests to perform accurate measurements in the ultraviolet during a solar cycle of about 11 years. Through this work, we bring a new perspective with respect to the absolute value of the main solar parameters.

L'hélium joue un rôle fondamental dans la physique de l'héliosphère. La compréhension des phénomènes physiques qui lui sont associés ainsi que la détermination de son abondance ont des répercussions dans des domaines aussi variés que la cosmologie, la modélisation stellaire ou l'étude du vent solaire. L'héliosismologie permet maintenant de mesurer précisément l'abondance d'hélium dans le coeur du Soleil, les méthodes spectroscopiques fournissent des diagnostic dans la photosphère et dans la chromosphère, et l'hélium est étudié à une unité astronomique dans le vent solaire avec des détecteurs de particules in situ. Mais très peu de mesures existent dans la couronne et de ce fait, dans l'intervalle de distances allant de la chromosphère au vent solaire, notre connaissance de l'hélium repose essentiellement sur des travaux thériques. Ce travail est donc une contribution à l'étude observationnelle de l'hélium dans la couronne solaire. Le télescope EIT embarqué à bord de SOHO peut observer la couronne solaire jusqu'à 2 Rs dans un intervalle de longueurs d'onde du spectre extrême ultraviolet comprenant la raie de résonance à 30.378 nm de l'ion He+. Cette raie étant formée dans la couronne principalement par diffusion résonante du flux de photons chromosphérique par les ions He+, son intensité est proportionnelle à la densité d'ions He+, et son observation permet donc potentiellement un diagnostic intéressant de l'hélium coronal. Malgré une contamination par d'autres raies, il semble qu'une fraction non négligeable du signal enregistré par EIT dans sa bande passante à 30.4 nm puisse être attribuée sans ambigüité à la raie de résonance de l'He+. De plus, une étude préliminaire semble avoir indiqué que les gradients d'intensité ainsi observés sont anormalement faibles dans les régions polaires. L'objectif de la présente étude était de vérier cette assertion. Pour ce faire, nous avons tout d'abord procédé à une étude critique détaillée des caractéristiques de l'instrument EIT afin de confirmer que la raie à 30.378 nm de l'He+ est effectivement détectée dans la couronne dans la bande passante à 30.4 nm. Ceci a impliqué l'évaluation précise de plusieurs paramètres d'étalonnage dont la réponse spatiale du détecteur, la contamination de la bande passante à 30.4 nm par d'autres raies spectrales, ainsi que le niveau de lumière diffusée instrumentale. Affin d'interpréter les intensités mesurées à l'aide de EIT, nous avons développé un modèle empirique prédictif de l'intensité de la raie de résonance de l'He+ dans la couronne en nous basant sur des travaux existants pour le cas de la raie Lyman alpha de l'hydrogène et en utilisant tous les éléments observationnels disponibles. Ce modèle requiert la connaissance de certaines grandeurs caractéristiques des conditions physiques régnant dans la couronne, comme la température ou la densité électronique, lesquelles ont été déterminées indépendamment à partir de travaux déjà existants ou en analysant de nouvelles observations. Les comparaisons entre l'intensité observée par EIT et les prédictions de notre modèle semblent confirmer globalement les résultats de l'étude préliminaire. Dans les régions équatoriales, le gradient d'intensité de la raie de résonance de l'He+ est cohérent avec la hauteur d'échelle de la densité électronique. En revanche, aux hautes latitudes dans les trous coronaux polaires, le gradient d'intensité observé semble significativement plus faible que celui prédit par le modèle. On peut interpréter cette observation par une accumulation d'ions He+ dans les trous coronaux polaires, là où le vent solaire rapide trouve son origine. Si l'équilibre d'ionisation utilisé dans le modèle est effectivement représentatif des conditions coronales moyennes, cette accumulation d'He+ pourrait être la signature d'une abondance d'hélium élevée dans la couronne. Ceci peut être rapproché des résultats de certains modèles théoriques du vent solaire indiquant la possibilité que l'abondance d'hélium soit élevée dans la couronne, 20% ou plus, alors qu'elle est de 10% dans l'intérieur et de 4% en moyenne dans le vent solaire. Comme l'hélium a une masse quatre fois supérieure à celle de l'hydrogène, il est clair qu'une abondance d'hélium élevée influerait de façon non négligeable sur les flux de masse et d'énergie dans le vent solaire. D'autres observations avec une meilleure résolution spectrale et un niveau de lumière diffusée moindre sont cependant nécessaires pour confirmer notre résultat et obtenir de nouveaux outils de diagnostics dans la couronne.

Nous avons mis en oeuvre une méthode statistique déjà existante (Cano, 1982) d'évaluation du rayonnement global à 1' aide des mesures du satellite Météosat. Cette méthode a été testée sur environ 1800 données : 11 mois de l'année 1983, 11 mois de l'année 1984 et 7 mois de l'année 1985. Les grands points de cette méthode statistique sont les suivants : 1) la construction d'une carte d'albédo planétaire par ciel clair d'après une série temporelle d'images sous conditions ciel clair, 2) l'évaluation d'un indice d'ennuagement, n, représentant le pourcentage du pixel recouvert par les nuages, par comparaison avec la carte d'albédo planétaire (albédo référence), 3) l'évaluation de la relation statistique entre la transmittance atmosphérique horaire (K), définie comme le rapport entre le rayonnement global et le rayonnement hors atmosphère (G0h), et n (l'indice d'ennuagement). Cette relation est du type : K = -a n + b ou Gh / G0h = -a n + b, où a et b > 0. Les coefficients de régression de cette relation ont été établis à partir des données du réseau de la Météorologie Nationale (Gh) et des données quotidiennes du canal visible de Météosat (n). En conclusion, nous pouvons dire que cette méthode est satisfaisante, elle permet 1) d'affiner ou de compléter (océans) les atlas du rayonnement déjà existants, en mettant en évidence des micro-climats (précision à 5 km près) peu connus ou inconnus, 2) l'évaluation du rayonnement global horaire moyen mensuel avec une précision de l'ordre de 0,1 kWh/m2, 3) un grand nombre d'application dites solaires (précision de rentabilité, méthode de conception architecturale assistée par micro-ordinateur, dimensionnement ...).

L´intérêt grandissant pour les bâtiments à haute efficacité énergétique nécessite le développement de nouveaux types d´enveloppe active et multifonctionnelle pouvant couvrir une partie des besoins énergétiques du bâtiment. Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement de capteurs hybrides solaires photovoltaïques thermique pour la production simultanée d´eau chaude sanitaire et d´électricité au sein d´un unique capteur. L’objectif de cette thèse a été dans un premier temps d´analyser la faisabilité et la complexité du concept de capteur hybrides PV-T. Puis, à partir d’un modèle numérique développé spécifiquement pour appuyer la phase de conception du capteur PV-T les raisons expliquant la limitation des performances de tels capteurs ont été analysées, pour enfin proposer différentes solutions innovantes, tant au niveau des cellules solaires que des matériaux du modules PV et du design du capteur final afin d´en augmenter les performances. L´approche développée est par conséquent multi-échelle allant de la prise en compte des phénomènes physiques pris isolément, des propriétés locales des matériaux jusqu’à la mise en œuvre d’un composant et à l´analyse énergétique et exergétique de ses performances dans un environnement numérique dédié au bâtiment. / In the context of greenhouse gas emissions and fossil and fissile resources depletion, solar energy is one of the most promising sources of power. The building sector is one of the biggest energy consumers after the transport and industrial sectors. Therefore, making use of a building’s envelope (façades and roofs) as solar collecting surfaces is a big challenge facing local building needs, specifically in regard to heat, electricity and cooling. However, available surfaces of a building with suitable orientation are always limited, and in many cases a conflict occurs between their use for either heat or electricity production. This is one of the reasons why the concept of a hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) collector seems promising. PV-T collectors are multi-energy components that convert solar energy into both electricity and heat. In fact, PV-T collectors make possible the use of the large amount of solar radiation wasted in PV modules as usable heat in a conventional thermal system. Therefore, PV-T collectors represent in principle one of the most efficient ways to use solar energy (co-generation effect). However, such a concept still faces various barriers due to the multidisciplinary knowledge requirements (material, semi-conductors, thermal) and to the complexity of the multiple physical phenomena implied in such concepts.The objective of this PhD work is to carry out a study based on a multi-scale approach that combines both numerical and experimental investigations regarding the feasibility of the concept of hybrid solar collector. The performance of such components is estimated through an appropriate design analysis, and innovative solutions to design an efficient PV-T collector are presented. Based on improved processing methods and improved material properties, an efficient covered PV-T collector has been designed and tested. This collector was made of PV cells connected to the surface of an optimized flat heat exchanger by an improved lamination process and covered on the front side by a static air layer and AR-coated glass pane and on the back side by thermal insulation material. The results showed a significant improvement of both thermal and electrical efficiency in comparison to all previous works on PV-T concepts found in the literature. System simulations were carried out for a hot water system with the software TRNSYS in order to get a clearer statement on the performance of PV-T collectors. The results show that the integration of PV-T collectors can be more advantageous than standard solar components in regard to thermodynamic considerations (energy and exergy) and environmental considerations (CO2 and primary energy saving).

Les procédés thermochimiques solaires étudiés concernent la conversion de charges hydrocarbonées solides ou gazeuses en syngas, ainsi que la réduction d’oxydes en métaux en utilisant l’énergie solaire concentrée pour effectuer les réactions endothermiques, permettant ainsi le stockage de l’énergie solaire intermittente en carburants sans émissions de CO2. Ce travail a pour objectif l’étude expérimentale de trois procédés solaires incluant la gazéification de biomasse, le reformage de méthane en boucle chimique, et la carboréduction de ZnO et MgO. La gazéification et le reformage permettent la valorisation de biomasse bois et de méthane en syngas, tandis que la carboréduction permet de produire Zn et Mg à partir de ZnO et MgO. Ces procédés ont été étudiés dans des réacteurs solaires de 1.5 kWth, en utilisant le rayonnement concentré fourni par des systèmes à concentration du laboratoire PROMES, Odeillo, France. L’impact des paramètres opératoires de chaque procédé sur les mécanismes réactionnels, conversion, rendement, et performances énergétiques a été évalué en détail. Ces procédés ont permis d’améliorer la conversion chimique, les rendements en syngas, les efficacités énergétiques tout en permettant un stockage de l’énergie solaire en combustibles transportables, avec des performances globales supérieures aux procédés conventionnels. De plus, leur faisabilité, fiabilité et robustesse pour la conversion de méthane et biomasse en syngas et la production de Mg et Zn en fonctionnement batch ou continu sous pression réduite ou atmosphérique en conditions solaires réelles ont été démontrés. / The investigated solar thermochemical processes consist of the thermochemical conversion of solid and gaseous carbonaceous feedstocks into syngas as well as metal oxides reduction into metal commodities utilizing concentrated solar energy to drive endothermic chemical reactions, thereby enabling intermittent solar energy storage into solar fuels and avoiding CO2 emissions. This work aims to experimentally investigate three key solar thermochemical conversion approaches regarding biomass gasification, chemical looping reforming of methane, and carbothermal reduction of ZnO and MgO. Solar gasification and solar chemical looping reforming allowed valorizing wood biomass and methane into syngas, while solar carbothermal reduction was applied to produce Zn and Mg from ZnO and MgO. Such solar thermochemical processes were performed in 1.5 kWth prototype solar chemical reactors, utilizing highly concentrated sunlight provided by a solar concentrator at PROMES laboratory, Odeillo, France. The impact of controlling parameters of each process on the reaction mechanism, conversion, yields, and process performance, during on-sun testing was investigated and evaluated thoroughly. Such processes were proved to significantly improve the chemical conversion, syngas yields, energy efficiency, with solar energy storage into transportable fuels, thereby outperforming the conventional processes. Moreover, their feasibility, reliability, and robustness in converting both methane and biomass feedstocks to syngas as well as producing Mg and Zn metals in batch and continuous operation under vacuum and atmospheric conditions during on-sun operation were successfully demonstrated.

Le développement dans la dernière décennie des systèmes photovoltaïques concentrés a augmenté le besoin de gérer le budget thermique dans le récepteur pour empêcher sa surchauffe et gérer les pertes de performances liées à la température. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du développement d’un système solaire fortement concentré en collaboration avec des partenaires industriels. Notre partenaire industriel a mis au point une solution de production d’énergie photovoltaïque de haute concentration à l’échelle commerciale, mais il reste à valider la conception du système adopté. Le projet concerne l'étude du récepteur photovoltaïque qui est composé d’un réseau dense de 800 cellules solaires triple jonctions, montées sur un substrat. Ce dernier est composé d’un empilement de couches et un échangeur de chaleur pour refroidir le récepteur. Puisque notre récepteur absorbera un grand flux de chaleur, il y aura des contraintes dues à la non-concordance des coefficients de dilatation thermique entre ses différentes couches. Ces déformations pourraient provoquer la rupture de contact entre les cellules solaires, et ainsi la défaillance électrique du récepteur. Pour cela, ces travaux de recherche ont porté sur une étude thermomécanique du récepteur. En effet, l’étude de la dilatation de l'assemblage multicouche a permis d’acquérir une connaissance d’analyse thermomécanique de la tenue de la structure multicouche vis-à-vis d’un chargement thermique. Puis, le comportement des époxys, conducteur et isolant électrique utilisés pour fixer les cellules sur le substrat, a été étudié en fonction de plusieurs paramètres géométriques et des propriétés matérielles. La différence des coefficients d’expansion thermiques (CTE) des époxys, était le paramètre clé pour varier les contraintes dans les interconnexions. Conséquemment, on a utilisé deux époxys avec deux CTE proches pour diminuer les contraintes induites dans les deux époxys. De plus, vu que la structure se compose des couches usinées, on a créé des abaques de variation de rigidité effective en fonction des facteurs de formes dimensionnels des couches usinées. Enfin, le travail a permis de mettre en place des essais expérimentaux pour s’assurer du fonctionnement du récepteur à haute température. Par conséquent, on a validé l’utilisation de l’époxy dans la conception adoptée vu que la déformation maximale supportée par ce dernier ([epsilon Minuscule][indice inférieur m ax]=0.167 %) est supérieure à la déformation maximale qu’il peut avoir au cours de l'opération ([epsilon Minuscule][indice inférieur époxy]=0.0048%). Ensuite, les exigences de récepteur en termes de fonctionnement à haute température ont été fixées, comme l’écart maximal que l’époxy peut supporter pour la liaison des cellules entre deux unités du récepteur qui est [delta Majuscule]Gap[indice inférieur limite] [epsilon Minuscule] [[Plus ou moins]46 [mu Minuscule]m, [Plus ou moins]53 [mu Minuscule]m].