Design of Controlled Pre-Split Blasting in a Hydroelectric Construction Project

Geologic conditions and design requirements around upstream Nachtigal Falls, in Cameroon, for the hydroelectric construction project on the Sanaga River dictated close control of blasting procedures with very precise geometry to obtain safe and economical excavation lines. Various techniques of pre-split blasting were used in the initial stage of all major excavations. Hole diameters for pre-splitting were 89 mm, and hole spacing ranged from 0.8 to 1m. Explosive charges varied from 1 to 7 kg per hole, and the detonating cord linear charge ranged from 12 to 60g. The contour blasting technique is aimed at controlling overbreak and improving remaining slope stability. Over-break or over-excavation needs to be controlled since its occurrence compromises the operations in terms of safety (instability in the remaining slope; loosening rocks that increase the risk for operational people; an irregular free face for subsequent blasting); and costs (need for reinforcement of the remaining rock structure through costly sustainment systems; increase in concrete volumes in civil works). This paper discusses in detail the design and field implementation of pre-split blasts successfully carried out to achieve clean vertical walls in moderately dipping, though complexly sheared and jointed gneiss. Based on the results of the experiments, we were able to design a pre-splitting pattern both experimentally and in a very cost-effective manner. It is felt that the methods developed on this project could have useful applications on other major construction projects. Doi: 10.28991/CEJ-2023-09-03-05 Full Text: PD

Starch and polyvinyl alcohol encapsulated biodegradable nanocomposites for environment friendly slow release of urea fertilizer

Low nitrogen (N) use efficiency from urea fertilizers due to environmental losses results in high cost of fertilizers for agricultural productions. Coating of urea with biodegradable polymers makes them effective for control and efficient N release. In this study, starch and polyvinyl alcohol (PVA) were used in combination with acrylic acid (AA), citric acid (CA) and maleic acid (MA) for the coating of urea prills. Different formulations of the coating were prepared and applied on urea prills such as urea coated with starch (10%) and PVA (5%) with acrylic acid: 2, 4 and 6% (USP-A2, USP-A4, USP-A6), with citric acid: 2, 4 and 6% (USP-C2, USP-C4, USP-C6), and with maleic acid: 2, 4 and 6% (USP-M2, USP-M4, USP-M6). After urea coating in fluidized bed coater, all uncoated and coated urea samples were characterized by scanning electron spectroscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), crushing strength and UV-Vis spectroscopy. The morphological and XRD analysis indicated that a new uniform coating with no new phase transformation occurred. Among all urea coated samples, USP-A2 and USP-C2 showed the highest crushing strengths: 12.08 and 13.67 N with nitrogen release efficiency of 70.10 and 50.74% respectively. All coated urea samples improved the spinach plants’ foliage yield, chlorophyll content, N-uptake and apparent nitrogen recovery (ANR) than uncoated urea and control plants. However, USP-A2 and USP-C2 provided promising results among all coated samples with dry foliage yield (2208 ± 92 and 2428 ± 83 kg/ha), chlorophyll (34 ± 0.6 and 34 ± 0.4 mg/g), N-uptake (88 ± 4 and 95 ± 6 kg/ha) and ANR (59 ± 4 and 67 ± 6%). Therefore, urea prills coated with a combination of biodegradable polymers can be a better choice for the farmers to enhance agronomical productions by controlling the fertilizer nutrient release rate

Conception of phosphorus fertilizers based on biopolymers ˸Impact on soil properties

La majeure partie du phosphore (P) utilisé dans les engrais provient de roches phosphatées, une ressource naturelle rare qui doit être préservée. Une option consiste en une meilleure optimisation de l'efficience d'utilisation du P par les plantes. Depuis plusieurs années, des engrais phosphatés à libération contrôlée ont été développés avec des enrobants formulés à base de polymères pour réduire les interactions entre le P et les minéraux du sol, et augmenter la synergie entre la libération de P et les besoins des plantes. Toutefois, leur coût de production reste un frein majeur pour leur utilisation. De plus, la majorité des polymères utilisés ne sont pas dégradables dans le sol. L'objectif de ma thèse est (1) d'utiliser des biopolymères issus de déchets de biomasse végétale pour préparer des formulations d'enrobage (2) de tester ces enrobages sur des granules de triple superphosphate (TSP), de les caractériser et d'étudier leur dissolution dans l'eau, (3) d'évaluer leur effet sur les propriétés d'un sol méditerranéen de grande culture. Les différents engrais enrobés formulés à base de lignine extraite de grignons d'olive, de polysaccharides (carraghénane, carboxymethyl de sodium, d'alginate de sodium), et de plastifiants (polyéthylène glycol, glycérol) ont montré une libération plus lente du P dans l'eau, comparé aux engrais non enrobés. La vitesse de libération du P dépend de l'épaisseur de l'enrobant, de son élasticité, de son allongement, de son hydrophobicité et de son hygroscopie. Sur l'ensemble des formulations testées, les engrais enrobés à base de lignine et de lignine-carraghénane présentent la vitesse de libération du P la plus lente. Une attention particulière a été accordée à ces deux formulations pour étudier leur effet sur les propriétés d'un sol. Ces engrais enrobés, lors de leur dissolution dans un sol, acidifient légèrement le sol et présentent une distance de migration du P de 14 mm de diamètre. Les engrais non enrobés acidifient davantage le sol et présentent une zone de migration du P plus étendu (21 mm de diamètre) et ce après une même durée de 28 jours. Cependant, après 28 jours, l'enrobage des TSP n'a pas impacté la disponibilité du P dans le sol. Cependant, les engrais enrobés tendent à augmenter la concentration en P microbien du sol.Most of the phosphorus (P) used in fertilizers comes from phosphate rocks, a rare natural resource that must be preserved. One option is to better optimize the efficiency of P use by plants. For several years, controlled release phosphate fertilizers have been developed with polymers-based coatings to reduce the interactions between P and soil minerals and increase the synergy between P release and plant needs. However, their production cost remains a major obstacle to their use. Moreover, most of the polymers used are not degradable in the soil. The objective of my thesis is (1) to use biopolymers derived from vegetal biomass waste to prepare coating formulations (2) to test these coatings on triple superphosphate (TSP) granules, to characterize them and to study their dissolution in water, (3) to evaluate their effect on the properties of a Mediterranean field crop soil. The different coated fertilizers formulated based on lignin extracted from olive pomace, polysaccharides (carrageenan, sodium carboxymethyl, sodium alginate), and plasticizers (polyethylene glycol, glycerol) showed a slower release of P in water, compared to uncoated fertilizers. The rate of P release depends on the thickness of the coating, its elasticity, its elongation, its hydrophobicity and its hygroscopy. Of all the formulations tested, coated fertilizers based on lignin and lignin-carrageenan had the slowest P release rate. Special attention was paid to these two formulations to study their effect on soil properties. These coated fertilizers, when dissolved in soil, slightly acidify the soil and have a P migration distance of 14 mm in diameter. Uncoated fertilizers further acidify the soil and have a larger P migration zone (21 mm in diameter) after the same 28-day period. However, after 28 days, the TSP coating did not affect the availability of P in the soil. However, coated fertilizers tend to increase the microbial P concentration in the soil

Conception des engrais phosphatés à base de biopolymères ˸ Impact sur les propriétés d'un sol

Most of the phosphorus (P) used in fertilizers comes from phosphate rocks, a rare natural resource that must be preserved. One option is to better optimize the efficiency of P use by plants. For several years, controlled release phosphate fertilizers have been developed with polymers-based coatings to reduce the interactions between P and soil minerals and increase the synergy between P release and plant needs. However, their production cost remains a major obstacle to their use. Moreover, most of the polymers used are not degradable in the soil. The objective of my thesis is (1) to use biopolymers derived from vegetal biomass waste to prepare coating formulations (2) to test these coatings on triple superphosphate (TSP) granules, to characterize them and to study their dissolution in water, (3) to evaluate their effect on the properties of a Mediterranean field crop soil. The different coated fertilizers formulated based on lignin extracted from olive pomace, polysaccharides (carrageenan, sodium carboxymethyl, sodium alginate), and plasticizers (polyethylene glycol, glycerol) showed a slower release of P in water, compared to uncoated fertilizers. The rate of P release depends on the thickness of the coating, its elasticity, its elongation, its hydrophobicity and its hygroscopy. Of all the formulations tested, coated fertilizers based on lignin and lignin-carrageenan had the slowest P release rate. Special attention was paid to these two formulations to study their effect on soil properties. These coated fertilizers, when dissolved in soil, slightly acidify the soil and have a P migration distance of 14 mm in diameter. Uncoated fertilizers further acidify the soil and have a larger P migration zone (21 mm in diameter) after the same 28-day period. However, after 28 days, the TSP coating did not affect the availability of P in the soil. However, coated fertilizers tend to increase the microbial P concentration in the soil.La majeure partie du phosphore (P) utilisé dans les engrais provient de roches phosphatées, une ressource naturelle rare qui doit être préservée. Une option consiste en une meilleure optimisation de l'efficience d'utilisation du P par les plantes. Depuis plusieurs années, des engrais phosphatés à libération contrôlée ont été développés avec des enrobants formulés à base de polymères pour réduire les interactions entre le P et les minéraux du sol, et augmenter la synergie entre la libération de P et les besoins des plantes. Toutefois, leur coût de production reste un frein majeur pour leur utilisation. De plus, la majorité des polymères utilisés ne sont pas dégradables dans le sol. L'objectif de ma thèse est (1) d'utiliser des biopolymères issus de déchets de biomasse végétale pour préparer des formulations d'enrobage (2) de tester ces enrobages sur des granules de triple superphosphate (TSP), de les caractériser et d'étudier leur dissolution dans l'eau, (3) d'évaluer leur effet sur les propriétés d'un sol méditerranéen de grande culture. Les différents engrais enrobés formulés à base de lignine extraite de grignons d'olive, de polysaccharides (carraghénane, carboxymethyl de sodium, d'alginate de sodium), et de plastifiants (polyéthylène glycol, glycérol) ont montré une libération plus lente du P dans l'eau, comparé aux engrais non enrobés. La vitesse de libération du P dépend de l'épaisseur de l'enrobant, de son élasticité, de son allongement, de son hydrophobicité et de son hygroscopie. Sur l'ensemble des formulations testées, les engrais enrobés à base de lignine et de lignine-carraghénane présentent la vitesse de libération du P la plus lente. Une attention particulière a été accordée à ces deux formulations pour étudier leur effet sur les propriétés d'un sol. Ces engrais enrobés, lors de leur dissolution dans un sol, acidifient légèrement le sol et présentent une distance de migration du P de 14 mm de diamètre. Les engrais non enrobés acidifient davantage le sol et présentent une zone de migration du P plus étendu (21 mm de diamètre) et ce après une même durée de 28 jours. Cependant, après 28 jours, l'enrobage des TSP n'a pas impacté la disponibilité du P dans le sol. Cependant, les engrais enrobés tendent à augmenter la concentration en P microbien du sol

Conception des engrais phosphatés à base de biopolymères ˸ Impact sur les propriétés d'un sol

Most of the phosphorus (P) used in fertilizers comes from phosphate rocks, a rare natural resource that must be preserved. One option is to better optimize the efficiency of P use by plants. For several years, controlled release phosphate fertilizers have been developed with polymers-based coatings to reduce the interactions between P and soil minerals and increase the synergy between P release and plant needs. However, their production cost remains a major obstacle to their use. Moreover, most of the polymers used are not degradable in the soil. The objective of my thesis is (1) to use biopolymers derived from vegetal biomass waste to prepare coating formulations (2) to test these coatings on triple superphosphate (TSP) granules, to characterize them and to study their dissolution in water, (3) to evaluate their effect on the properties of a Mediterranean field crop soil. The different coated fertilizers formulated based on lignin extracted from olive pomace, polysaccharides (carrageenan, sodium carboxymethyl, sodium alginate), and plasticizers (polyethylene glycol, glycerol) showed a slower release of P in water, compared to uncoated fertilizers. The rate of P release depends on the thickness of the coating, its elasticity, its elongation, its hydrophobicity and its hygroscopy. Of all the formulations tested, coated fertilizers based on lignin and lignin-carrageenan had the slowest P release rate. Special attention was paid to these two formulations to study their effect on soil properties. These coated fertilizers, when dissolved in soil, slightly acidify the soil and have a P migration distance of 14 mm in diameter. Uncoated fertilizers further acidify the soil and have a larger P migration zone (21 mm in diameter) after the same 28-day period. However, after 28 days, the TSP coating did not affect the availability of P in the soil. However, coated fertilizers tend to increase the microbial P concentration in the soil.La majeure partie du phosphore (P) utilisé dans les engrais provient de roches phosphatées, une ressource naturelle rare qui doit être préservée. Une option consiste en une meilleure optimisation de l'efficience d'utilisation du P par les plantes. Depuis plusieurs années, des engrais phosphatés à libération contrôlée ont été développés avec des enrobants formulés à base de polymères pour réduire les interactions entre le P et les minéraux du sol, et augmenter la synergie entre la libération de P et les besoins des plantes. Toutefois, leur coût de production reste un frein majeur pour leur utilisation. De plus, la majorité des polymères utilisés ne sont pas dégradables dans le sol. L'objectif de ma thèse est (1) d'utiliser des biopolymères issus de déchets de biomasse végétale pour préparer des formulations d'enrobage (2) de tester ces enrobages sur des granules de triple superphosphate (TSP), de les caractériser et d'étudier leur dissolution dans l'eau, (3) d'évaluer leur effet sur les propriétés d'un sol méditerranéen de grande culture. Les différents engrais enrobés formulés à base de lignine extraite de grignons d'olive, de polysaccharides (carraghénane, carboxymethyl de sodium, d'alginate de sodium), et de plastifiants (polyéthylène glycol, glycérol) ont montré une libération plus lente du P dans l'eau, comparé aux engrais non enrobés. La vitesse de libération du P dépend de l'épaisseur de l'enrobant, de son élasticité, de son allongement, de son hydrophobicité et de son hygroscopie. Sur l'ensemble des formulations testées, les engrais enrobés à base de lignine et de lignine-carraghénane présentent la vitesse de libération du P la plus lente. Une attention particulière a été accordée à ces deux formulations pour étudier leur effet sur les propriétés d'un sol. Ces engrais enrobés, lors de leur dissolution dans un sol, acidifient légèrement le sol et présentent une distance de migration du P de 14 mm de diamètre. Les engrais non enrobés acidifient davantage le sol et présentent une zone de migration du P plus étendu (21 mm de diamètre) et ce après une même durée de 28 jours. Cependant, après 28 jours, l'enrobage des TSP n'a pas impacté la disponibilité du P dans le sol. Cependant, les engrais enrobés tendent à augmenter la concentration en P microbien du sol

Conception des engrais phosphatés à base de biopolymères ˸ Impact sur les propriétés d'un sol

Most of the phosphorus (P) used in fertilizers comes from phosphate rocks, a rare natural resource that must be preserved. One option is to better optimize the efficiency of P use by plants. For several years, controlled release phosphate fertilizers have been developed with polymers-based coatings to reduce the interactions between P and soil minerals and increase the synergy between P release and plant needs. However, their production cost remains a major obstacle to their use. Moreover, most of the polymers used are not degradable in the soil. The objective of my thesis is (1) to use biopolymers derived from vegetal biomass waste to prepare coating formulations (2) to test these coatings on triple superphosphate (TSP) granules, to characterize them and to study their dissolution in water, (3) to evaluate their effect on the properties of a Mediterranean field crop soil. The different coated fertilizers formulated based on lignin extracted from olive pomace, polysaccharides (carrageenan, sodium carboxymethyl, sodium alginate), and plasticizers (polyethylene glycol, glycerol) showed a slower release of P in water, compared to uncoated fertilizers. The rate of P release depends on the thickness of the coating, its elasticity, its elongation, its hydrophobicity and its hygroscopy. Of all the formulations tested, coated fertilizers based on lignin and lignin-carrageenan had the slowest P release rate. Special attention was paid to these two formulations to study their effect on soil properties. These coated fertilizers, when dissolved in soil, slightly acidify the soil and have a P migration distance of 14 mm in diameter. Uncoated fertilizers further acidify the soil and have a larger P migration zone (21 mm in diameter) after the same 28-day period. However, after 28 days, the TSP coating did not affect the availability of P in the soil. However, coated fertilizers tend to increase the microbial P concentration in the soil.La majeure partie du phosphore (P) utilisé dans les engrais provient de roches phosphatées, une ressource naturelle rare qui doit être préservée. Une option consiste en une meilleure optimisation de l'efficience d'utilisation du P par les plantes. Depuis plusieurs années, des engrais phosphatés à libération contrôlée ont été développés avec des enrobants formulés à base de polymères pour réduire les interactions entre le P et les minéraux du sol, et augmenter la synergie entre la libération de P et les besoins des plantes. Toutefois, leur coût de production reste un frein majeur pour leur utilisation. De plus, la majorité des polymères utilisés ne sont pas dégradables dans le sol. L'objectif de ma thèse est (1) d'utiliser des biopolymères issus de déchets de biomasse végétale pour préparer des formulations d'enrobage (2) de tester ces enrobages sur des granules de triple superphosphate (TSP), de les caractériser et d'étudier leur dissolution dans l'eau, (3) d'évaluer leur effet sur les propriétés d'un sol méditerranéen de grande culture. Les différents engrais enrobés formulés à base de lignine extraite de grignons d'olive, de polysaccharides (carraghénane, carboxymethyl de sodium, d'alginate de sodium), et de plastifiants (polyéthylène glycol, glycérol) ont montré une libération plus lente du P dans l'eau, comparé aux engrais non enrobés. La vitesse de libération du P dépend de l'épaisseur de l'enrobant, de son élasticité, de son allongement, de son hydrophobicité et de son hygroscopie. Sur l'ensemble des formulations testées, les engrais enrobés à base de lignine et de lignine-carraghénane présentent la vitesse de libération du P la plus lente. Une attention particulière a été accordée à ces deux formulations pour étudier leur effet sur les propriétés d'un sol. Ces engrais enrobés, lors de leur dissolution dans un sol, acidifient légèrement le sol et présentent une distance de migration du P de 14 mm de diamètre. Les engrais non enrobés acidifient davantage le sol et présentent une zone de migration du P plus étendu (21 mm de diamètre) et ce après une même durée de 28 jours. Cependant, après 28 jours, l'enrobage des TSP n'a pas impacté la disponibilité du P dans le sol. Cependant, les engrais enrobés tendent à augmenter la concentration en P microbien du sol

Simulation et optimisation des systèmes de production de l’eau chaude sanitaire solaire

The world market for solar water heaters (SWH) is in great expansion. In fact, SWHs have become a challenging alternative system to gas and electric heating devices, because of their low CO2 emissions and their explicit involvement in the reduction of the building’s electric bills. L’institut de recherche en énergie solaire et énergies nouvelles (IRESEN-Morocco) is actually providing the necessary funding support to promote research and development field of SWHs in Morocco. Hence, in February 2016, SOL’R SHEMSY project has been defined in order to design and commercialize the first SWH integrating Evacuated Tube Collectors (ETC) with heat pipes, under the constraints of being accessible to the Moroccan public users. For the time being, several technologies of solar collectors with different brands are commercialized in Morocco such as flat plat collectors (FPC) and Evacuated Tube Collectors (ETC), besides to thermosyphon and forced circulation SWHs to convert solar energy to thermal energy, in order to produce hot water with the temperature required in several applications (individual, collective, industrial and the tertiary applications). However, a serious challenge of adjustment, integration and technology transfer should be considered before importing SWHs with ETC into the Moroccan market from supplier countries such as China, Spain, Germany and Turkey described as the leading manufacturer of SWH in the world. Indeed, the imported SWHs in Morocco presented thermo-mechanical failure modes after a short period of use such as the limestone deposited inside the storage tanks, corrosion and cracking of their inner shell... Taking into account the challenge of adjustment, integration and technology transfer of SWHs in Morocco is necessary, because the conditions of use differ from one country to another in terms of climatic conditions, which can be summarized in solar radiations, ambient temperature, wind velocity and the percentage of humidity in the air. In addition, the consumer's random consumption profile usually affects the thermal efficiency of the collector field and the overall solar fraction of SWHs.The main aim of this thesis is to carry out numerical simulations and optimizations of SWHs taking into account the techno-economic context of Morocco and its intrinsic weather conditions. Two simulation approaches were used to achieve this purpose. The first approach was based on unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical simulation in order to enhance the efficiency of the heat pipes integrated inside ETCs and to increase the thermal stratification indicators of horizontal thermal storage tanks with submerged heat pipes. Finally, improve the storage tank’s structure using thermo-mechanical coupling simulations. The second approach is based on dynamic simulations, which have been performed to assess and optimize the energy performance of a collective hot water process intended to produce domestic hot water (DHW) under the climatic conditions of Fez city located in Morocco. Indeed, several parameters have been considered, in particular the effect of the storage tank volume, the brands of collectors and their technology from different manufacturers, the connection between the solar panel and the overall surface of the ETC and FPC which constitute the collector field etc.Le marché mondial des chauffe-eau solaires (CES) est en essor. En effet, les CES sont devenus des systèmes compétitifs aux appareils de chauffage par gaz naturel et énergie électrique, en raison de leurs faibles émissions de CO2 et de leur participation explicite à la réduction des factures d'électricité du consommateur marocain. Actuellement, l'Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles (IRESEN-Maroc) pourvoit le soutien financier nécessaire pour promouvoir la recherche et le développement dans le domaine des CES au Maroc. Ainsi, en février 2016, le projet SOL'R SHEMSY a été défini pour concevoir et commercialiser le premier CES intégrant la technologie des capteurs à tubes sous vide (ETC) avec des caloducs, en rendant son acquisition accessible au sociale marocain. Il paraît qu'à l'heure actuelle, plusieurs technologies de capteurs solaires de marques différentes sont commercialisées au Maroc tels que les capteurs plan (FPC) et les capteurs à tube sous vide (ETC), outre le thermosiphon et les CES à circulation forcée pour convertir l'énergie solaire en une énergie thermique, afin de produire de l'eau chaude avec la température requise dans plusieurs applications individuelles, collectives, industrielles et tertiaires. Cependant, une sérieuse problématique d'ajustement, d'intégration et de transfert technologique devrait être envisagée avant d'importer les CES à capteur ETC munis de caloduc sur le marché marocain auprès de pays fournisseurs tels que la Chine, l'Espagne, l'Allemagne et la Turquie considérés comme des leaders internationaux dans le domaine des CES. Car en effet, les CES importés au Maroc ont présenté des modes de défaillances thermomécaniques après une courte période d'utilisation, comme le dépôt de calcaire à l'intérieur des ballons de stockage, la corrosion et la fissuration de leur coque interne...Prendre en considération la problématique d'ajustement, de l'intégration et du transfert technologique des CES au marché marocain est nécessaire, étant donné que les conditions d'utilisation diffèrent d'un pays à un autre en termes de conditions climatiques, qui peuvent être résumées par l’amplitude de l’irradiation solaire, la température ambiante, la vitesse du vent et le pourcentage de l’humidité dans l'air. Par ailleurs, le profil de consommation aléatoire du consommateur affecte à son tour l'efficacité thermique du champ de capteurs et la fraction solaire globale des CES.L'objectif principal de cette thèse est de mener des simulations numériques et des optimisations qui portent sur les CES, en prenant en compte le contexte technico-économique du Maroc et ses conditions climatiques intrinsèques. Deux approches de simulation ont été utilisées pour atteindre cet objectif. La première approche s’est basée sur des simulations numériques CFD (Computational Fluid Dynamics) instationnaires pour améliorer l'efficacité énergétique des caloducs intégrés dans les ETC et d'augmenter les indicateurs de stratification thermique des ballons horizontaux dans lesquels les caloducs sont immergés. Enfin, d’améliorer la structure du réservoir du CES en utilisant des simulations qui permettent de modéliser un couplage thermomécanique. La deuxième approche est basée sur des simulations dynamiques, qui ont été menées pour évaluer et optimiser la performance énergétique d'un système collectif destiné à produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) sous les conditions climatiques de la ville de Fès-Maroc. En effet, plusieurs paramètres ont été considérés, en particulier l'effet du volume du réservoir de stockage, les marques des capteurs, leurs rendements et leurs technologies issues de différents fabricants, et finalement l’effet de la connexion série/parallèle et mixte entre les panneaux solaires (ETC et FPC) qui constituent le champ capteur, etc

Simulation and optimization of solar domestic hot water production systems

Le marché mondial des chauffe-eau solaires (CES) est en essor. En effet, les CES sont devenus des systèmes compétitifs aux appareils de chauffage par gaz naturel et énergie électrique, en raison de leurs faibles émissions de CO2 et de leur participation explicite à la réduction des factures d'électricité du consommateur marocain. Actuellement, l'Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles (IRESEN-Maroc) pourvoit le soutien financier nécessaire pour promouvoir la recherche et le développement dans le domaine des CES au Maroc. Ainsi, en février 2016, le projet SOL'R SHEMSY a été défini pour concevoir et commercialiser le premier CES intégrant la technologie des capteurs à tubes sous vide (ETC) avec des caloducs, en rendant son acquisition accessible au sociale marocain. Il paraît qu'à l'heure actuelle, plusieurs technologies de capteurs solaires de marques différentes sont commercialisées au Maroc tels que les capteurs plan (FPC) et les capteurs à tube sous vide (ETC), outre le thermosiphon et les CES à circulation forcée pour convertir l'énergie solaire en une énergie thermique, afin de produire de l'eau chaude avec la température requise dans plusieurs applications individuelles, collectives, industrielles et tertiaires. Cependant, une sérieuse problématique d'ajustement, d'intégration et de transfert technologique devrait être envisagée avant d'importer les CES à capteur ETC munis de caloduc sur le marché marocain auprès de pays fournisseurs tels que la Chine, l'Espagne, l'Allemagne et la Turquie considérés comme des leaders internationaux dans le domaine des CES. Car en effet, les CES importés au Maroc ont présenté des modes de défaillances thermomécaniques après une courte période d'utilisation, comme le dépôt de calcaire à l'intérieur des ballons de stockage, la corrosion et la fissuration de leur coque interne...Prendre en considération la problématique d'ajustement, de l'intégration et du transfert technologique des CES au marché marocain est nécessaire, étant donné que les conditions d'utilisation diffèrent d'un pays à un autre en termes de conditions climatiques, qui peuvent être résumées par l’amplitude de l’irradiation solaire, la température ambiante, la vitesse du vent et le pourcentage de l’humidité dans l'air. Par ailleurs, le profil de consommation aléatoire du consommateur affecte à son tour l'efficacité thermique du champ de capteurs et la fraction solaire globale des CES.L'objectif principal de cette thèse est de mener des simulations numériques et des optimisations qui portent sur les CES, en prenant en compte le contexte technico-économique du Maroc et ses conditions climatiques intrinsèques. Deux approches de simulation ont été utilisées pour atteindre cet objectif. La première approche s’est basée sur des simulations numériques CFD (Computational Fluid Dynamics) instationnaires pour améliorer l'efficacité énergétique des caloducs intégrés dans les ETC et d'augmenter les indicateurs de stratification thermique des ballons horizontaux dans lesquels les caloducs sont immergés. Enfin, d’améliorer la structure du réservoir du CES en utilisant des simulations qui permettent de modéliser un couplage thermomécanique. La deuxième approche est basée sur des simulations dynamiques, qui ont été menées pour évaluer et optimiser la performance énergétique d'un système collectif destiné à produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) sous les conditions climatiques de la ville de Fès-Maroc. En effet, plusieurs paramètres ont été considérés, en particulier l'effet du volume du réservoir de stockage, les marques des capteurs, leurs rendements et leurs technologies issues de différents fabricants, et finalement l’effet de la connexion série/parallèle et mixte entre les panneaux solaires (ETC et FPC) qui constituent le champ capteur, etc.The world market for solar water heaters (SWH) is in great expansion. In fact, SWHs have become a challenging alternative system to gas and electric heating devices, because of their low CO2 emissions and their explicit involvement in the reduction of the building’s electric bills. L’institut de recherche en énergie solaire et énergies nouvelles (IRESEN-Morocco) is actually providing the necessary funding support to promote research and development field of SWHs in Morocco. Hence, in February 2016, SOL’R SHEMSY project has been defined in order to design and commercialize the first SWH integrating Evacuated Tube Collectors (ETC) with heat pipes, under the constraints of being accessible to the Moroccan public users. For the time being, several technologies of solar collectors with different brands are commercialized in Morocco such as flat plat collectors (FPC) and Evacuated Tube Collectors (ETC), besides to thermosyphon and forced circulation SWHs to convert solar energy to thermal energy, in order to produce hot water with the temperature required in several applications (individual, collective, industrial and the tertiary applications). However, a serious challenge of adjustment, integration and technology transfer should be considered before importing SWHs with ETC into the Moroccan market from supplier countries such as China, Spain, Germany and Turkey described as the leading manufacturer of SWH in the world. Indeed, the imported SWHs in Morocco presented thermo-mechanical failure modes after a short period of use such as the limestone deposited inside the storage tanks, corrosion and cracking of their inner shell... Taking into account the challenge of adjustment, integration and technology transfer of SWHs in Morocco is necessary, because the conditions of use differ from one country to another in terms of climatic conditions, which can be summarized in solar radiations, ambient temperature, wind velocity and the percentage of humidity in the air. In addition, the consumer's random consumption profile usually affects the thermal efficiency of the collector field and the overall solar fraction of SWHs.The main aim of this thesis is to carry out numerical simulations and optimizations of SWHs taking into account the techno-economic context of Morocco and its intrinsic weather conditions. Two simulation approaches were used to achieve this purpose. The first approach was based on unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical simulation in order to enhance the efficiency of the heat pipes integrated inside ETCs and to increase the thermal stratification indicators of horizontal thermal storage tanks with submerged heat pipes. Finally, improve the storage tank’s structure using thermo-mechanical coupling simulations. The second approach is based on dynamic simulations, which have been performed to assess and optimize the energy performance of a collective hot water process intended to produce domestic hot water (DHW) under the climatic conditions of Fez city located in Morocco. Indeed, several parameters have been considered, in particular the effect of the storage tank volume, the brands of collectors and their technology from different manufacturers, the connection between the solar panel and the overall surface of the ETC and FPC which constitute the collector field etc

CFD comparison of 2D and 3D aerodynamics in H-Darrieus prototype wake

In the present study, a comparative assessment is conducted to evaluate the outcomes derived from two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) computational fluid dynamics (CFD) models utilizing the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (URANS) approach. The focus lies on the aerodynamic performance of the H-Darrieus vertical axis wind turbine, which has been the subject of numerous numerical investigations since 2010. The k−ω shear stress transport (SST) turbulence model is employed to replicate the flow structures evolving in the turbine wake.The maximum power coefficients attained through 2D and 3D modeling are reported as Cp=0.4016 and Cp=0.5734, respectively, at a tip speed ratio (λ) of 3.0976. The maximum 2D and 3D absolute errors, corresponding to the evaluation of the power coefficients, are determined to be 14.9714% and 29.1582%, respectively. These errors are calculated at λ=2.5183 and λ=3.0976. The parametric study conducted herein reveals that the range of the power coefficient enhancement, considering 3D aerodynamic effects, surpasses that obtained from 2D calculations. In 3D modeling, this range is delineated between λ=1.85 and λ=3.10, whereas, in 2D modeling, it is defined by the interval bounded by λ=2.05 and λ=3.10. The essential contours for comparing the 2D and 3D approaches and for characterizing the flow structures developing around the H-Darrieus turbine are generated and analyzed