Conception et modélisation de systèmes hybrides des antennes à base des cellules photovoltaïques pour la récupération d’énergie et la transmission radiofréquences

Le thème traité, porte de nos jours l’intérêt de plusieurs communautés scientifiques et industrielles. En effet, en ces moments où l’énergie devient un enjeu majeur, tant du point de vue économique qu’écologique, il devient urgent de déployer tous nos efforts pour rendre les systèmes les plus vertueux possibles. Actuellement, des nouvelles applications demandent des sources d’énergies moins chères. Le développement des télécommunications spatiales, les contrôles et les commandes à distance, ont fait apparaître la nécessité croissante de réaliser des antennes peu coûteuses et peu encombrantes, faisant appel à une technologie simple et économique. Il est donc souhaitable de concevoir des dispositifs qui peuvent récolter l’énergie de leur environnement en réduisant la charge sur le réseau électrique et de réduire les coûts de fonctionnement.

Récemment, les systèmes de communications intégrés avec la technologie photovoltaïque (PV) pour les applications à faible coût et autonome ont reçu beaucoup d’intérêts. Les systèmes photovoltaïques de génération d’énergie combinés à des systèmes de communications peuvent fournir des systèmes de communication autonomes et compacts pour de nombreuses applications. Mais ces dispositifs impliquent souvent l’utilisation des cellules solaires et des antennes séparées, ce qui nécessite un compromis dans l’utilisation de la surface limitée disponible.

L’intégration des antennes et des cellules PV a été un choix privilégié pour de nombreux groupes de recherche pour la réduction de la surface occupée pour les applications spatiales et civiles. Pourtant, une analyse rigoureuse est toujours souhaitable pour concevoir des antennes dans l’environnement de récupération d’énergie pour maintenir la performance globale souhaitée du système à double fonction.

Pour résoudre ce problème et surmonter ces difficultés, le candidat propose une nouvelle approche des antennes à base des cellules photovoltaïques. Cette nouvelle méthode présente l’avantage d’utilisation des antennes à patch maillé ou des antennes optiquement transparentes à base des oxydes transparents conducteurs pour l’intégration avec des cellules photovoltaïques. Ces systèmes hybrides seront dédiés, à la fois, à la récupération d’énergie et à la transmission radiofréquence (RF).

Le travail effectué est scindé en quatre parties:

En premier lieu, un état de l’art sur la récupération d’énergie et la transmission RF a été proposé. L’étude s’intéressera à l’apport de l’énergie photovoltaïque ainsi que la modélisation des cellules PV et la détermination de leurs caractéristiques I(V) et P(V) à l’aide d’une simulation MATLAB.

Ensuite,  plusieurs tentatives d’intégration des antennes imprimées et des cellules PV sont décrites. Des bonnes performances en termes de gain et de directivité de l’antenne sont obtenues pour ce dispositif compact. Malgré l’importance de cette technique d’intégration, une partie de la surface de cellule sera toujours obstruée par l’antenne ce qui minimise la performance de la cellule au niveau de la récupération d’énergie électrique.

La troisième partie consiste à étudier une nouvelle solution permettant de minimiser le problème de surface disponible limitée lors de l’intégration d’une antenne patch avec une cellule photovoltaïque. Cette méthode consiste à utiliser des antennes patch maillés (antennes optiquement transparentes) imprimées sur un substrat en structure multicouches comme celui d’une cellule photovoltaïque. En effet, les antennes patch maillés optiquement transparentes sont des antennes qui ont un certain niveau de transparence optique. Pour une telle intégration, une transparence optique élevée de l’antenne patch maillé est requise du point de vue des cellules solaires. Ces dernières ont besoin d’une lumière solaire suffisante pour générer une puissance électrique adéquate. D’autre part, l’antenne doit posséder en même temps au moins des propriétés électriques acceptables afin qu’elle puisse rayonner correctement et efficacement.

Dans la dernière partie, nous avons contribué à généraliser l’étude des antennes optiquement transparentes à base des oxydes transparents conducteurs (OTC). Il a également essayé de mettre l’accent sur l’intégration de ces antennes avec des cellules photovoltaïques. Une étude comparative a montré que les antennes maillées fournissent la plus grande efficacité par rapport aux antennes réalisées à partir des films conducteurs transparents et contrairement lors de l’augmentation de fréquence. Plusieurs résultats sont obtenus et comparés avec les logiciels de simulation ADS et HFSS.

Finalement, on a démontré la faisabilité des systèmes hybrides antennes à base des cellules PV dédiés à la fois à la récupération d’énergie et à la transmission RF. Le chemin de courant continu DC directement collecté est découplé du chemin de signal RF de telle sorte que la charge de courant continu n’a aucune influence sur les propriétés RF de l’antenne. En conclusion, les travaux présentés dans ce mémoire sont résumés et sont abordées les axes possibles sur lesquels devraient poursuivre ces travaux de recherche.

Les différents travaux effectués sont aboutis à plusieurs publications et communications dans des journaux et congrès.

Système sans fil conventionnel
Système sans fil autonome avec antenne cellule PV.

Antennes cellules PV à patch maillé

Antennes cellules PV à base des oxydes transparents conducteurs

Liste de Publications

-Chokri Baccouch, Chayma Bahhar, Hedi Sakli, Nizar Sakli, “Meshed Antenna for Ku-band Wireless Communication,” International Journal of Electronics and Communication Engineering, vol. 14, no. 3, pp. 48-52, 2020.

Chokri Baccouch, Chayma Bahhar, Hedi Sakli, Nizar Sakli, Taoufik Aguili, “Design of a Compact Meshed Antennas for 5G Communication Systems,” International Journal of Electronics and Communication Engineering, vol. 13, no. 11, pp. 721-725, 2019.

– C. Baccouch, H. Sakli, D. Bouchouicha, T. Aguili, “Leaf-shaped solar cell antenna for Energy Harvesting and RF Transmission in ku-band,” Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, vol. 2, Issue 6, pp. 130-135, 2017.

-C. Baccouch, D. Bouchouicha, H. Sakli, T. Aguili, “Patch Antenna based on a Photovoltaic Cell with a Dual resonance Frequency,” Journal Advanced Electromagnetics, vol. 5, no. 3, November 2016.

-C. Baccouch, D. Bouchouicha, H. Sakli, T. Aguili, “Patch Antenna on a Solar Cell for Satellite Communications,” International Journal on Communications Antenna and Propagation, vol. 6, no. 6, December 2016.