Dissertationen zum Thema „Canon à air comprimé“

Les matériaux composites sont largement utilisés dans le domaine des transports en raison de leurs propriétés mécaniques spécifiques élevées. Cependant, au cours de leur cycle de vie, ils peuvent subir une dégradation significative de leurs propriétés mécaniques lorsqu'ils sont soumis à des chargements d'impacts. Les dommages induits par des impacts se manifestent sous différentes formes telles que la rupture des fibres, la fissuration matricielle, la décohésion fibres/matrice et le délaminage. L'étude du comportement aux impacts des structures composites a suscité une attention importante dans la littérature. Cependant, ces études se rapportent généralement au cas d'un seul impact ou d'impacts répétés. Peu de travaux se sont intéressés au cas d'impacts multiples, même s'ils sont plus proches des conditions réelles de service, comme dans les cas de chute de grêlons ou de projection d'objets externes tels que les gravillons présents sur les routes, les impacts d'oiseaux, etc. Dans cette thèse, nous présentons des méthodes expérimentales et numériques robustes pour le suivi in-situ et post-mortem des endommagements suite aux différents cas d'impacts possibles : mono-impact, impacts répétés, séquentiels, simultanés, etc. Ce travail a consisté dans un premier temps à développer un banc d'essai unique « canon à air comprimé ». Ensuite, un dialogue (essais expérimentaux-calculs numériques) a été assuré afin de mieux comprendre les phénomènes en jeu dans les cas de multi-impacts, pour finalement atteindre les performances maximales des matériaux composites
Composite materials are widely used in the transportation field due to their high specific mechanical properties. However, during their life cycle, they can undergo significant degradation of their mechanical properties when subjected to impact loading. Impact-induced damage occurs in various forms, such as fiber breakage, matrix cracking, fiber/matrix decohesion and delamination. The study of the impact behavior of composite structures has attracted considerable attention in the literature. However, these studies generally relate to the case of a single impact or repeated impacts. Few studies have focused on the case of multiple impacts, even though these are closer to actual service conditions, as in the case of falling hailstones or the projection of external objects such as road gravels, bird strikes, etc. In this thesis, we present robust experimental and numerical methods for in-situ and post-mortem monitoring of damage following the various possible impact cases: single-impact, repeated, sequential, simultaneous impacts, etc. The first phase of the project involved the development of a unique "compressed air cannon" test bench. Then, a dialogue (experimental tests-numerical computations) was ensured to better understand the phenomena involved in multi-impact cases, to finally reach the maximum performance of composite materials

Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique
Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation

Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique
Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation

Dans le cadre du développement d’un système de stockage par air comprimé, la présente étude porte sur le contrôle et l’optimisation énergétique d’une chaîne réversible multi-machines et multi-pompes en vue de la maximisation du rendement. Le système de pompage est identifié comme l’élément du système le plus influant vis-à-vis des performances. Une structure de contrôle-commande à vitesse variable est proposée et permet de contraindre son fonctionnement en régime dynamique à ses points de meilleure efficacité (BEP). Les lois de commandes soumettent la conversion électromécanique à un fonctionnement cyclique et transitoire. Une méthode de conception des machines électriques par minimisation des pertes de l’ensemble {convertisseur - MSAP} sur un cycle de fonctionnement est proposée. La mise en œuvre d’un simulateur appuyée d’un banc d’essai expérimental permet l’étude des performances de l’asservissement de vitesse cyclique d’un module de conversion. Enfin, l’étude de l’interconnexion électrique des modules entre eux est proposée en vue du développement de la plateforme de conversion complète. L’objectif est le lissage des fluctuations de la puissance au niveau de l’étage intermédiaire continu
As part of the development of a compressed air energy storage system, the proposed study deals with the control and the energy optimization of a reverse multielectrical machines and multi-pumps system in order to maximize the efficiency. The pumping system is identified as the most influential element towards energy performances. A variable speed control structure is proposed and allows constraining the pump working in dynamic mode closed to the best efficiency points, called Best Efficiency Points. The control laws subject the electromechanical conversion to a cyclic and transient operation. A method for sizing the electrical machines by minimizing the losses of the {converter - PMSM } system over an operating cycle is proposed. The implementation of a simulation as well as an experimental test bench allows the study of the performance of the cyclic speed control of a conversion module. Finally, the study of the electrical interconnection of the modules between them is proposed for the development of the complete conversion platform. The purpose consists in smoothing the power fluctuations on the intermediary connection with a DC bus

On se propose a partir de mesures de pression interstitiellerealisees sur le chantier du cauderan-naujac d'etudier les effets du creusement d'une galerie par un tunnelier a air comprime en terrain meuble et aquifere. Apres une premiere interpretation des donnees de terrain, nous avons determine la permeabilite relative a l'air du sol grace a un dispositif simple mis au point specialement, puis nous avons etudie l'evolution du debit de gaz filtrant a travers une colonne de sol saturee soumise a un ecoulement d'air ascendant. Dans une derniere partie, un modele monodimensionnel en elements finis a ete utilise pour retrouver ces resultats experimentaux; son extension a trois dimensions ulterieure devrait permettre de mieux apprehender les phenomenes inherents a cette technique de creusement

La contribution des sources d'énergie renouvelables dans le mix de la production d'électricité augmente largement. De ce fait, l'intégration des technologies de stockage d'énergie dans le réseau électrique devient inévitable afin de remédier aux inconvénients des sources renouvelables. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer la rentabilité, d'optimiser et d'étudier le comportement dynamique d'un cycle adiabatique de stockage d'énergie par air comprimé fonctionnant à pression fixe (IA-CAES). Ce système est caractérisé d'une part par la récupération de la chaleur de compression et d'autre part par le stockage d'air comprimé sous pression fixe dans des réservoirs hydropneumatiques. Ceux-ci permettent d'améliorer l'efficacité et la densité énergétiques du système de stockage et d'éviter l'utilisation de sources d'énergie fossiles.Tout d'abord, un modèle statique est développé pour achever des analyses énergétiques et exergétique du système IA-CAES. Un modèle exergoéconomique est également réalisé dans le but d'optimiser la rentabilité du système de stockage en utilisant un algorithme génétique. Ainsi, une fonction objective, qui prend en compte le coût d'investissement et le coût d'exploitation, est définie pour être minimisée. L'efficacité du système est de 55,1% dans le cas de base, elle est améliorée à 56,6% après optimisation avec une diminution du capital investi de 5,6%.D'autre part, un modèle dynamique est développé pour étudier la flexibilité du système de stockage et sa capacité à répondre aux besoins du réseau électrique (réserves primaires et secondaires) en évaluant la durée des phases transitoires. Les résultats montrent que le système de stockage a besoin d’un temps supérieur à 2 min avant de pouvoir consommer tout l'excès d'énergie disponible sur le réseau électrique et supérieur à 5 min avant d'être capable de produire toute l'énergie requise par le réseau électrique. Des suggestions sont analysées dans l'objectif d'améliorer la flexibilité du système de stockage tel que le fonctionnement du système en mode de veille avec des vitesses réduites. Il permet de réduire les pertes d'énergie de 68% en mode de stockage et de 27% en mode de production par rapport au mode de veille en vitesses nominales
The contribution of the renewable energy sources in the electricity generation mix is greatly increasing. Thereby, the integration of the energy storage technologies into the electrical grid is becoming crucial to reduce the drawbacks of the renewable energy sources. Then, the objective of this thesis is to evaluate the cost-effectiveness, to optimize and to study the transient behavior of a novel isobaric adiabatic compressed air energy storage (IA-CAES) system. This plant is characterized by the recovery of the compression heat and the storage of the compressed air under fixed pressure in hydro-pneumatic tanks. These allow improving the efficiency and the energy density of the storage system and avoiding the use of fossil fuel sources.Firstly, a steady state model is developed to perform energy and exergy analyses of the IA-CAES system. An exergoeconomic model is also carried out in order to optimize the cost-effectiveness of the storage system by using a genetic algorithm. So, an objective function, which includes the investment cost and the operating cost, is defined to be minimized. The system efficiency is 55.1% in the base case, it is improved to 56.6% after optimization with a decrease in the capital investment by 5.6%.Secondly, a dynamic model is developed to study the flexibility of the storage system and its ability to meet the electrical grid requirements (primary and secondary reserves) by evaluating the duration of the transient states. The results show that the storage system needs more than 2 min before being able to consume all the excess energy available on the electrical grid and more than 5 min before being able to produce all the energy required by the electrical grid. Suggestions are analyzed to improve the flexibility of the storage system such as the operation of the storage system in standby mode with low speeds. It allows reducing the energy losses by 68% during the storage mode and by 27% during the production mode compared to the standby mode in nominal speeds

Notre recherche porte sur l'etude de la reaction d'un jet turbulent axisymetrique a une instationnarite externe forcee imposee par une brusque chute de vitesse a l'ejection. Une installation experimentale de jet d'air axisymetrique a vitesse d'ejection variable (re=13350, 7000) a ete realisee. Les mesures sont obtenues par anemometrie a fils chauds. Un travail important de traitement numerique des donnees en regime instationnaire et des qualifications fines de l'aerodynamique de l'installation ont ete effectuees. Une introduction a la problematique du sujet nous permet de preciser les differents types d'interaction entre l'ecoulement et l'instationnarite externe. Leurs consequences sur les caracteristiques globales et sur les structures turbulentes sont discutees. Une analyse par ordre de grandeur conduit a une classification des phenomenes d'interaction. L'instationnarite initiale balaie l'ecoulement du jet tout en etant geree par lui-meme. L'adaptation locale de l'echelle de temps de la decroissance de la vitesse a l'echelle de temps du jet est mise en evidence. La reaction des structures turbulentes est etudiee d'une facon detaillee. Ensuite, la caracterisation de l'evolution instationnaire du champ de vitesse sur l'axe du jet est presentee. La propagation de la perturbation, sa forme et son temps caracteristique sont en bon accord avec les resultats d'un modele analytique base sur les equations simplifiees de couche limite. Les evolutions temporelles affines et synchronisees de la vitesse moyenne et des composantes fluctuantes de vitesse ont ete mises en evidence. Une inversion locale du signe de gradient longitudinal de la vitesse moyenne axiale lors de la chute, cree un desequilibre de la turbulence menant a une inversion de la cascade d'energie. L'evolution instationnaire transversale montre une augmentation de diametre du jet d'environ 20 % pendant la chute de vitesse. Ceci peut-etre du a un effet de sillage et un effet de retard de l'activite des grandes structures gerant l'entrainement du jet. Enfin, un bilan de quantite de mouvement dans la zone affectee par l'instationnarite est effectue. L'evolution temporelle du bilan d'energie cinetique et des termes de production des equations des tensions de reynolds sont presentes. Ce travail centre sur l'analyse fine d'un ecoulement modele instationnaire nous permet d'une part d'acquerir une meilleure comprehension physique des interactions entre un ecoulement du jet et une forte instationnarite externe imposee et d'autre part de fournir une base detaillee de comparaison pour les simulations numeriques

En raison de la variabilité et de l'intermittence de l'énergie solaire photovoltaïque, son intégration à grande échelle dans le mix énergétique des micros réseaux intégrant différents moyens de production demeure compliquée. En plus, cette variabilité de la ressource solaire ne permet pas l’utilisation du photovoltaïque seul pour des systèmes énergétiques autonomes. Une des solutions pour surmonter ces handicaps est le stockage d'énergie qui est généralement basé sur l’utilisation de batteries lithium-ion. Cependant, leur coût élevé et leur impact négatif sur l'environnement lors de l'extraction de leurs matières premières et lors de leur destruction ou de leur recyclage en fin de vie forcent à rechercher d’autres moyens de stockage. Dans cette thèse,nous avons modélisé et simulé un système de stockage d'énergie basé sur l'air comprimé (Compressed Air Energy Storage : CAES) qui semble être une bonne alternative au système à batterie compte tenu des désavantages cités plus haut. Cette technologie à air comprimé consiste à augmenter la pression de l’air dans une enceinte par le biais d’un compresseur alimenté par une source électrique. À ce jour, les systèmes de stockage à air comprimé existant sont basés sur des configurations à grande puissance avec des réservoirs souterrains tels que d’anciennes mines de sel ou de charbon, dont le stockage se fait sur une longue durée. Dans cette étude, nous présentons la modélisation, la simulation et l’optimisation d’un système de stockage à air comprimé d'une dizaine de kilowatts destiné à alimenter un bâtiment universitaire à énergie positive de façon instantanée à l’opposé des systèmes existants. Le modèle conçu reflète le fonctionnement en régime dynamique du système global composé du bâtiment, du champ photovoltaïque, du réseau électrique et du module de stockage à air comprimé. L’optimisation effectuée permet le dimensionnement d’un système de stockage à air comprimé pour un meilleur rendement (environ 55 %). L’intégration d’un récupérateur de chaleur muni de résistance électrique et l’introduction d’un module de compression à vitesse variable permettent au bâtiment alimenté de tendre vers l’autonomie énergétique à l’image d’un système à batterie pour un site isolé
Due to the variability and intermittency of renewable energy such as solar technology, its large-scale integration into the micro-grid of energy production remains complicated because the large-scale photovoltaic power plants directly connected to the electricity grid may create instabilities. In addition, this variability of the solar resource does not allow the use of photovoltaics for the stand-alone system. Dealing with these issues, one of the solutions for a deployment of renewables such as photovoltaic is the set-up of energy storage inside the grid. However, the most common technique is based on the use of lithium-ion batteries, which remains not environmentally friendly during the recycling or during the destruction after their use. So, the Compressed Air Energy Storage system (CAES) appears as a solution to this disadvantage. In fact, my thesis aims to study the feasibility of this kind of energy storage technology using a small and medium photovoltaic power plant, and its instant operation to supply electricity to the buildings and the unconnected areas. In this thesis, we present the modeling, simulation, and optimization of a ten-kilowatt compressed air storage system designed to supply instantly a building with real loads. The model performed reflects the dynamic operation of the overall system consisting of the building, the photovoltaic field, the electrical grid, and the compressed air storage module. The optimization carried out allows the sizing of a compressed air storage system with a better efficiency (about 55%). The integration of a heat recovery unit equipped with electrical resistance and the adding of a variable speed compression module allow the building to reach the energy autonomy as a battery system for a standalone site

Cette recherche traite de l'analyse du comportement dynamique de matériaux composites à fibres unidirectionnelles ou à gaines composés de résine Epoxy ou Vinylester et de fibres de carbone, de carbone/Aramide, d'Aramide et de verre. L'étude bibliographique porte sur l'étude du comportement de tubes métalliques, plastiques et polyphasiques soumis à une compression monoaxiale en régime statique ou sous sollicitation de choc à faible vitesse. Les différents procesSus d'absorption d'énergie sont analysés en fonction des modes de rupture des matériaux. Les principaux paramètres influant sur la réponse du tube sont les suivants : les conditions de chargement et d'environnement, la nature des matériaux, la géométrie des tubes et la disposition des renforts au sein de la structure. La deuxième partie présente des résultats expérimentaux obtenus à l'aide d'un dispositif d'essais de choc adapté à l'étude du comportement à l'écrasement de tubes en matériaux composites. Les vitesses de déformation générées par le canon à air comprimé varient de 10 s-1 à 40 s-1 suivant le type de tubes employés. Les processus d'absorption sont rendus possibles par l'intermédiaire d'initiateurs de rupture. La réponse les structures tubulaires composites est comparée à celle obtenue sous chargement statique en terme de force moyenne, force critique, absorption d'énergie et modes de rupture. Les observations microscopiques permettent de définir le comportement microstructural de la rupture et facilitent la compréhension des modes d' endommagement des structures composites. La dernière partie traite de la modélisation du comportement en déformation des tubes afin de déterminer le niveau de chargement conduisant à un comportement stable ou instable du tube en prenant en considération soit des critères de rupture soit des valeurs de charges critiques correspondant à une instabilité élastique.

Bien que les moteurs à combustion interne présentent d'excellents rendements globaux maximum, ce potentiel ne pas être pleinement exploité dans les applications automobiles : en situation réelle, la charge moyenne du moteur (et ainsi son rendement global) est faible et l'énergie cinétique du véhicule est perdue pendant les phases de freinage. Cette étude propose un nouveau concept de moteur hybride combustion – pneumatique et les cycles thermodynamiques associés, capable de stockée l'énergie sous forme d'air comprimé. Cette énergie peut provenir d'une phase de freinage ou d'une phase de combustion à faible charge. L'énergie potentielle stockée peut être récupérée pour démarrer le moteur ou pour suralimenter le moteur à pleine charge. Le freinage régénératif ainsi que la suppression des phases de ralenti, combinés à la diminution de taille du moteur, permettent l'amélioration des performances du moteur et de la consommation du carburant.

La norme ISO 6358 spécifie une méthode d'essai et précise une démarche expérimentale à suivre pour la détermination précise des deux coefficients pneumatiques : la conductance sonique C et le rapport de pression critique b. Cette méthode est fondée sur la mesure des pressions et températures en amont et en aval d'un composant pneumatique traversé par un écoulement permanent d'air. Les résultats donnés par cette norme sont précis. Mais elle se révèle onéreuse pour la caractérisation des composants de section de passage importante. La méthode développée ici repose sur la mesure des variations de la pression, de la température et de la masse résiduelle lors de la vidange ou du remplissage d'un réservoir d'air comprimé. Nous avons montré que les transferts thermiques entre l'air et la paroi du réservoir influent de manière non négligeable sur la détermination de ces coefficients. L'étude thermodynamique du processus de vidange et de remplissage nous a conduits à prendre en considération les transferts thermiques sous la forme d'un exposant polytropique plus simple à déterminer expérimentalement. L'utilisation de cette méthode de correction donne des résultats très satisfaisants et montre que cette procédure expérimentale que nous avons testée sur des composants industriels de grandes sections, est aussi précise que la méthode ISO 6358 et peut donc être utilisée avec profit pour la caractérisation industrielle des composants pneumatiques.

L'auteur decrit un prehenseur pneumatique dont l'effort de serrage est proportionnel au poids de l'objet a soulever, quelle que soit son orientation dans un plan vertical. Cette adaptation du serrage est realisee a l'aide d'un potentiometre pneumatique, qui constitue l'element clef du prehenseur. Les fonctionnements statique et dynamique de ce potentiometre sont modelises a partir des equations classiques de la mecanique des fluides et d'hypotheses sur les deformations etablies par une modelisation simple par elements finis. Le comportement dynamique d'une maquette de prehenseur complet est modelise en utilisant une methode de simulation numerique. Les modeles obtenus sont valides experimentalement. Les resultats de ces etudes permettent de tirer des regles de conceptions et d'optimisation d'un prehenseur adapte a un cahier des charges donne

Pour faire face aux changements climatiques, la transition énergétique s’impose aujourd’hui comme une évidence. Les sources d’énergie renouvelables devant aider à cette transition sont caractérisées par leurs intermittences qui requièrent des dispositifs de stockages afin de garantir la fiabilité des systèmes énergétique utilisant ces dernières. Le stockage d’électricité par air comprimé (CAES) est l’un de ces dispositifs de stockage d’énergie. Cependant, dans sa configuration actuellement commercialisée, le CAES brûle en phase de décharge du gaz naturel afin d’améliorer le rendement de conversion du système. Le présent travail contribue à la diminution de l’empreinte écologique de cette technique de stockage en proposant un système de taille réduite n’utilisant aucune source d’énergie fossile. Dans un premier temps, une modélisation thermodynamique fine d’un tel système est faite en fonction des types de composants choisis et de leurs comportements thermiques (adiabatique, polytropique). Une étude expérimentale visant à démontrer la faisabilité d’un tel système est par la suite réalisée sur un prototype de laboratoire. Le très faible rendement de conversion expérimental obtenu (4%), bien que confirmant la faisabilité technique nous a suggéré une optimisation du système de stockage proposé. L’algorithme génétique à codage réel, modifié afin de stabiliser et d’accélérer sa convergence est présenté de façon détaillée puis utilisé pour identifier un ensemble de 13 paramètres maximisant le rendement exergétique du système. Un rendement électrique de conversion d’environ 20% est obtenu sur le système optimisé pour un rendement énergétique global de plus de 75%
To address climate change, the transition to a decarbonized energy system is self-evident. The renewable energy sources to support this energy transition are intermittent. Therefore, they should be coupled at an electrical storage system to ensure the reliability of power system using same. Compressed air energy storage (CAES) happens to be one of these technologies of energy storage. Unfortunately, in its current configuration, CAES requires the combustion of natural gas during the discharging periods to improve the global energy efficiency of system. This work contributes to the reduction of the environmental footprint of compressed air energy storage by proposing a small-scale CAES using no fossil fuel energy source. Initially, a careful thermodynamic modeling of such a storage system is made according to the types of components chosen and to their thermal behavior (adiabatic or polytropic). Subsequently, for demonstrating its feasibility, a comprehensive experimental investigation was performed on experimental prototype existing in our lab. The very low experimental conversion efficiency obtained (4%) although confirming the technical feasibility, it has suggested that the proposed storage system should be optimized. A modified real coded genetic algorithm to stabilize and accelerate its convergence is documented here and used to identify a set of thirteen parameters who maximize the global exergy efficiency of proposed electric energy storage system. The result of the optimization indicates that in the optimum operating point, the electrical efficiency of storage system is about 20% for a round trip efficiency of 75%

Le développement des énergies renouvelables pose la question du stockage de l’énergie électrique. L’utilisation du stockage par air comprimé semble une solution prometteuse dans le domaine du stockage d'énergie : elle se caractérise par une grande fiabilité, un faible impact environnemental et une remarquable densité énergétique stockée (kWh/m3). Jusqu’à présent, l'air comprimé a été utilisé dans de nombreux domaines comme vecteur d’énergie pour stocker différentes formes d'énergies (transport routier, poste pneumatique, plongée sous-marine). Néanmoins, actuellement de nombreux chercheurs se concentrent sur le développement de stockage d'énergie par air comprimé (CAES) à petite échelle couplé à une application de bâtiment en se basant sur les travaux développés pour les multiples systèmes de CAES à grande échelle installés dans le monde. Un modèle numérique global du système de stockage par air comprimé à petite échelle, couplé à un modèle de bâtiment et à des modules d’énergie renouvelable a été développé dans le but de modéliser différents compresseurs/détendeurs et structures d’installation développés par plusieurs startups (LightSail Energy et Enairys Powertech) et chercheurs. Les compresseurs et détendeurs adiabatiques ont d’abord été sélectionnés pour étudier le système de trigénération de stockage d'énergie par air comprimé adiabatique avancé (AA-CAES) couplé au bâtiment et aux réseaux avec les différents scénarios décrits ci-dessus. Les compresseurs et détendeurs quasi-isothermes développés par LightSail Energy et Enairys Powertech ont été modélisés pour chaque phase de la compression et de la détente. Ces modèles analytiques ont permis une meilleure compréhension du fonctionnement principal de ces technologies et d'avoir l’ordre de grandeur de différents paramètres physiques. Les systèmes I-CAES et AA-CAES sont comparés d'un point de vue financier en se référant à une analyse du marché des systèmes de production/utilisation de l'air comprimé. Trois prototypes différents ont été étudiés: deux systèmes AA-CAES (idéal et virtuel (basés sur des unités commerciales trouvées sur le marché de l'air comprimé)) et un système I-CAES (basé sur le prototype LightSail Energy CAES)
In the context of developing renewable energies, storing energy improves energy efficiency and promotes the insertion of intermittent renewable energies. It consists of accumulating energy for later use in a place that may be the same or different from the place of production. Converting electrical energy to high-pressure air seems a promising solution in the energy storage field: it is characterized by a high reliability, low environmental impact and a remarkable stored energy density (kWh/m3). Currently, many researchers are focusing on developing small scale of the compressed air energy storage system (CAES) coupled to a building applications based on the work done for multiple large scale CAES systems installed in the world. A global numerical model of trigeneration CAES system coupled to a building model and renewable energy modules was developed in order to analyze the CAES system behavior responding to electrical, hot and cold energy building demand. Different energy scenarios (autonomous and connected to the grid modes), geographical locations and building typologies were proposed and analyzed. The CAES numerical model development is based on solving energy and heat transfer equations for each system component (compressor/expander, heat exchanger, high pressure air reservoir, thermal water storage tank). Adiabatic compressor and expander were firstly selected to investigate the trigeneration advanced adiabatic compressed air energy system (AA-CAES) coupled to the building and to grids with the different scenarios described above. Similar to adiabatic components, quasi-isothermal compressor and expander developed by LightSail Energy and Enairys Powertech were also analyzed by solving the energy and heat transfer equations for each phase of the compression and expansion processes. These analytical models allowed us to have a better understanding of these technologies operations and to have several orders of magnitudes of different physical parameters. I-CAES and AA-CAES were also compared from a financial point of view based on compressed air market analysis. Three different prototypes were studied: Two AA-CAES systems (ideal and virtual (some of which are based on commercial units found in the compressed air market)) and one I-CAES system (based on LightSail Energy CAES prototype)

L'impact de la dynamique des gaz sur la chaine d’air s'est imposé fortement en raison du contenu de la dynamique dans les nouveaux cycles de test automobile tels que le WLTC. Cela rend les modèles 0D actuels moins fiables car ils reposent sur plusieurs positions sur les cartographies mesurées sur des points de fonctionnements stationnaires. En outre, les phénomènes d'onde et les effets inertiels des gaz sont intrinsèquement négligés. Une méthodologie pour reproduire efficacement les effets d'ondes le long des conduites de moteurs à combustion interne a été présentée dans ce travail. L'idée est basée sur la combinaison des modèles à paramètres concentrés et les modèles quasi-unidimensionnels. Cette combinaison donne la possibilité de prendre les effets d'inertie de la dynamique des gaz tout en évitant le coût lourd de calcul de l'approche de modélisation 1D. La première partie s'est intéressée aux schémas numériques à une dimension, dans le but de les évaluer par rapport aux temps de calcul, d’exactitude et de définir une bonne référence pour davantage validations numériques pour les modèles réduits. Le modèle « quasi-Propagatory » était le meilleur candidat pour modéliser les ondes avec moins de puissance de calcul. Pour avoir une propre estimation de la pression de suralimentation, on s'est intéressé plus particulièrement au compresseur. Un modèle physique a été présenté on se basant sur les travaux de Martin et al. [55]. Finalement, les développements sont validés expérimentalement sur tous les points de fonctionnement du moteur
Gas dynamics impact on air system dynamics and hence on combustion products, i.e. emissions, has imposed itself strongly due to the dynamics content in new test drive cycles such as the WLTC. This makes current real-time 0D models less reliable as they rely on stationary measured look up tables. In addition, wave phenomena and gas inertial effects are inherently neglected. This makes the estimation of the flow into and from the cylinder inaccurate. A methodology to efficiently reproduce wave effects along the internal combustion engine ducts was presented in this work. The idea relies on combining both lumped parameter and quasi-one-dimensional models. This combination gives the possibility to take inertial effects of gas dynamics while avoiding the heavy computational cost of the 1D modeling approach. The first part investigated one-dimensional numerical schemes, with the aim of evaluating them with respect to real-time applications and defining a good reference for further numerical validations for the low order models. The Quasi-Propagatory model was the best candidate to model waves with less computational power. To have a proper boost pressure estimation, more focus was on the compressor. A physics based model was presented based on [55]. Results have also shown a better interpretation and extrapolation ability. Finally, the developments have been validated experimentally using the complete engine operation map

La thèse intitulée «Contributions aux systèmes de stockage d’énergie en utilisant des systèmes à partir de sources d’énergie alternatives» propose une étude des technologies de stockage d'énergie en sachant qu'elles sont considérées comme l'une des options qui peuvent faciliter une forte pénétration de sources renouvelables. Dans ce contexte, le travail présenté vise à comprendre les défis liés au stockage de l'énergie et à développer un modèle général d'étude utilisant l'air comprimé comme moyen de stockage d'énergie.La thèse est structurée dans dix chapitres dont les quatre premiers sont consacrés à la présentation potentielle des sources d'énergie renouvelables, à l'évolution du secteur de l'énergie au cours des dernières décennies et aux technologies de stockage d'énergie, notamment sous forme d'air comprimé. Les six autres chapitres concernent les calculs thermodynamiques théoriques dans la mesure où il s'agit d'étudier les performances d'un système de stockage d'énergie hybride et de présenter un modèle mathématique contenant les étapes prises en compte dans la conversion de l'énergie renouvelable en énergie mécanique, stockées dans une forme d'air comprimé et plus tard reconvertis en électricité. De plus, ces chapitres présentent des données expérimentales obtenues sur une installation de laboratoire qui ont contribué à la validation des résultats théoriques obtenus suite à une simulation Matlab, et enfin une étude de cas pour une application à petite échelle, 30 kWh d'énergie stockée, où vise à trouver une configuration optimale. De l'ensemble du système en termes de pression de travail de l'air, analysé sous deux points de vue, technique et économique. La thèse se termine par un chapitre de conclusions générales et nous constatons qu'il reste encore quelques défis à surmonter pour que le stockage de l'énergie sous forme d'air comprimé soit une solution possible d'une perspective économique
The thesis entitled «Contributions to energy storage using hybrid systems from alternative energy sources» proposes a study of the energy storage technologies knowing the fact that these are considered one of the options that can facilitate a high penetration of renewable sources. In this context, the presented work aims to understand challenges in terms of energy storage and to develop a general studying model using compressed air as an energy storage medium.The thesis is structured in ten chapters from which the first four are dedicated to the presentation of the renewable energy sources potential, to the energy sector evolution in the last decades and to the energy storage technologies, especially in the form of compressed air. The other six chapters are dealing with the theoretical thermodynamic calculations as far as that goes in investigating the performances of a hybrid energy storage system and presenting a mathematical model containing the steps taken into account in the renewable energy conversion into mechanical energy, stored in a form of compressed air and later reconverted into electricity. In addition these chapters present experimental data obtained on a laboratory installation which helped in validating the theoretical results obtained following a Matlab simulation, and finally a case study for a small scale application, 30 kWh of energy stored, where is aiming to find an optimal configuration of the whole system in terms of air working pressure, being analyzed from two points of view, technical and economic. The thesis ends with a chapter of general conclusions and indicates that there are still challenges that must be overcome in order to make the energy storage in a form of compressed air a feasible solution from an economic perspective

Le stockage d’énergie par air comprimé est une des technologies nécessaires à l’emploi massif des énergies renouvelables intermittentes, d’origine solaire ou éolienne. La compression d’air par piston liquide permet d’augmenter l’efficacité du stockage d’énergie en favorisant un échange thermique intense dans la chambre de compression. La description et l’évaluation de cet échange convectif pour des chambres de compression à faible rapport alésage/course ne sont cependant que peu étudiées dans la littérature scientifique. A l’aide d’une étude expérimentale menée sur deux bancs d’essais, l’échange convectif interne dans la chambre de compression est étudié. Une méthode inverse, couplée à la mesure de la température de l’air comprimé et de la position du piston, est employée afin de déterminer les transferts thermiques pariétaux instantanés au cours des compressions.Après avoir mis en lumière la présence systématique d’une transition du régime convectif de type laminaire vers un régime turbulent dans le volume d’air comprimé, de nouvelles corrélations d’échange convectif sont recherchées. Sur la base de 73 expérimentations, plusieurs formes de corrélations basées sur des nombres sans dimension sont optimisées puis comparées. Deux nouvelles corrélations du nombre de Nusselt, l’une en régime laminaire et l’autre en régime turbulent, sont ensuite sélectionnées. Un modèle instationnaire thermodynamique 1D de la chambre de compression est alors construit dans l’environnement Matlab / Simulink afin de tester la qualité de ces corrélations. Les résultats numériques sont ainsi comparés aux données expérimentales. Finalement, deux essais expérimentaux supplémentaires, réalisés sur un banc d’essai différent, permettent de confirmer la qualité des nouvelles corrélations d’échange convectif proposées
Energy storage by compressed air would be one of the required technologies for enabling massive use of intermittent solar or wind renewable energy sources. Air compression using a liquid piston enables an increase in the energy storage efficiency by inducing an intense heat exchange in the compression chamber. Few studies reported in the literature have focused on the description and evaluation of the convective heat exchange for a low ratio compression chamber (L/D). Using an experimental study and two test benches, the internal convective heat transfer during compression has been studied. In addition to measuring liquid piston position and air pressure, an inverse method was used to determine the instantaneous parietal convective heat flow during compression. After highlighting the presence of a systematic transition from laminar to turbulent convective regime in the compressed air, new convective heat transfer correlations were sought. On the basis of 73 experiments, several correlation forms based on dimensionless numbers were optimized and compared. Two new Nusselt number correlations, one for laminar and the other for turbulent flow, were then selected. A 1D thermodynamic transient model of the compression chamber was built using Matlab / Simulink environment in order to test the quality of these correlations. Thus, numerical results and experimental data were compared. Finally, results from two additional experiments carried out on a different test bench have confirmed the quality of the new proposed correlations for convective heat exchange