Brevet FR3061604A1 — publié le 20180706

Dispositif photovoltaïque de communication optique La présente invention se rapporte aux dispositifs de communication par 5 lumière visible et invisible (IR et UV) de type communication optique laser et/ou de type VLC (acronyme pour « Visible Light Communication ») / LiFi (acronyme pour « Light-Fidelity ») associée à un dispositif de production d'énergie photovoltaïque. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Les dispositifs de communication optique utilisent les ondes lumineuses pour transmettre une information entre deux points distants. Les dispositifs de communication optique en espace libre utilisent en général des lasers ou diodes laser comme moyen d'émission, et des photodiodes comme 15 moyen de réception. Le faisceau lumineux émis par le laser ou la diode laser est un faisceau cohérent. Il peut donc être modulé en amplitude et en phase. Les dispositifs de communication par la lumière visible (VLC ou LiFi) comprennent en général une LED (ou un module de LEDs) formant un moyen d'émission et un photo détecteur formant un moyen de réception. 20 La LED fournit un signal lumineux incohérent (Visible/IR/UV) dont l'intensité est modulée en fonction de l'information à transmettre. En particulier pour le domaine visible, les luminaires à LEDs présentent l'avantage de permettre la double fonction d'éclairage et de transmission de données. Leurs caractéristiques physiques permettent d'envisager des débits de l'ordre du Gbits/s pour des systèmes 25 dédiés. Cette LED peut être constituée d'une unique puce bleue recouverte d'une luminophore pour permettre un éclairage blanc, ou être constituée de plusieurs puces (RGYB par exemple). Le premier type, avec une puce bleue associée à un luminophore est prépondérant dans les ampoules à LEDs, mais il est aussi souvent le facteur limitant la bande passante du fait du temps de réponse des luminophores. 30 Une puce bleue peut atteindre une bande passante de 20-100MHz, alors que cette même puce bleue associée à un luminophore verra ses performances se réduire 3061604 2 à 2-3 MHz. Pour pallier cette problématique, il est possible de filtrer le signal dans le bleu avant le photo détecteur afin de ne conserver que la réponse de la puce. Classiquement, l'utilisation d'un filtre bleu non associé à une lentille convergente, permet d'utiliser 10% du signal disponible avant le filtre. Dans le cas d'une réception optique dans un environnement à forte intensité lumineuse (lumière du soleil en environnement extérieur par exemple), cette caractéristique peut présenter un avantage certain pour éviter la saturation des photo détecteurs par les longueurs d'ondes hors du spectre VLC ou LiFi. Le signal VLC ou LiFi passe alors d'un ratio signal utile / spectre en environnement extérieur de 500 Lux / 150 000 Lux, à un ratio de 100 Lux / 20 000 Lux. La lumière non modulée issue par exemple du soleil, n'est plus alors une raison de non détection du signal LiFi car la saturation des photo détecteurs est évitée. Cependant, tous les photo détecteurs ne sont pas adaptés à ce type de détection en fort flux lumineux ambiant. Néanmoins, certains photo détecteurs photovoltaïques, tel que cela est décrit dans la publication "Specific innovative semitransparent solar cell for indoor and outdoor LiFi applications" (E. Bialic, L. Maret, and D. Ktnénas, Applied Optics, Vol. 54, N° 27, pp 8062-8269 (2015)) présentent des caractéristiques permettant la détection de faibles variations lumineuses dans un environnement extérieur à forte intensité lumineuse. Dans le cas d'une LED multi puces, chaque puce peut être adressée indépendamment de sa voisine, ce qui signifie que l'amplitude lumineuse issue de chaque puce peut être modulée indépendamment. Ainsi chaque puce génère un canal de communication particulier qui pourra être traité de manière indépendante. Un tel système de communication est avantageux en ce qu'on peut utiliser comme moyen de réception la plupart des surfaces photo détectrices associées à un système de traitement de l'information permettant d'analyser la variation de l'amplitude du signal lumineux reçu et d'en déduire le signal transmis, à condition que chaque photo détecteur reçoive uniquement le signal utile issu d'un canal de communication dédié. Un moyen de dédier un photo détecteur à un canal de transmission à bande étroite est d'utiliser un filtre coloré associé à la couleur qui contient le signal utile. 3061604 Comme l'utilisation d'un filtre pour la communication optique réduit l'utilisation du spectre disponible à environ 10% du spectre totale, 90% de l'énergie lumineuse est donc inutilisée. Le dispositif objet de l'invention vise à maximiser l'utilisation de l'énergie 5 lumineuse disponible tout en permettant la meilleure détection possible du signal lumineux modulé permettant la communication optique. BUT DE L'INVENTION 10 L'invention a pour but l'optimisation de l'utilisation du spectre visible, IR et UV, dans le cadre d'une communication optique. Elle concerne un dispositif qui a pour objectif de maximiser l'énergie générée par des cellules photovoltaïques tout en minimisant les contraintes de saturation des récepteurs optiques de télécommunication. Autrement dit, l'invention a pour but d'une part, de diriger la 15 partie du spectre utile de la lumière modulée vers les zones de réception optique de télécommunication, et d'autre part de laisser passer la quasi-totalité de l'énergie vers les zones photovoltaïques dédiées à la récupération de l'énergie électrique. OBJETS DE L'INVENTION 20 Dans son principe de base l'invention a pour objet un dispositif photovoltaïque et de réception optique permettant à la fois la production d'énergie et la réception d'une communication optique, composé d'au moins deux plaques parallèles : 25 - une première plaque en partie transparente à la lumière du soleil comprenant une face sur laquelle est disposée une pluralité de zones photo-actives formant des photo détecteurs dédiés à la réception d'une lumière modulée provenant d'une source de lumière modulée porteuse d'une information, lesdites zones photo-actives étant intrinsèquement opaques et séparées par des zones de transparence; 30 - une seconde plaque comprenant un substrat sur lequel est disposé une pluralité de cellules photovoltaïques dédiées à la production d'énergie photoélectrique et comprenant une électrode opaque ; 3061604 4 - caractérisé en ce que les faces actives desdites zones photo-active sont en regard des zones actives desdites cellules photovoltaïques. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les zones photo-actives dédiées à la réception d'une lumière modulée sont des zones photo-actives 5 photovoltaïques. Avantageusement, les zones photo-actives photovoltaïques dédiées à la réception d'une lumière modulée sont agencées selon un réseau de bandes photovoltaïques parallèles ou selon tout autre réseau de motifs (cercle, hexagone, etc.) permettant le contrôle de la transparence de la première face du dispositif selon 10 l'invention. Avantageusement, le taux de transparence de la première face est supérieur à 50% permettant ainsi l'optimisation de la production énergétique par la seconde face. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, la multitude de cellules photovoltaïques est recouverte d'un ou de plusieurs filtres ou miroirs 15 dichroïques qui ont la propriété de laisser passer une partie du spectre visible, IR ou UV, et de réfléchir l'autre partie du spectre visible, IR ou UV. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où la lumière du soleil et la lumière modulée provenant d'une source de lumière modulée porteuse de l'information proviennent de la même direction. Dans ce cas particulier, les zones photo-actives ne 20 reçoivent pas la lumière modulée selon un chemin direct mais selon un chemin réfléchi. L'utilisation des filtres ou miroirs dichroïques permet alors de rediriger vers les zones photo-actives une partie de la lumière modulée. Avantageusement, leur fonction de filtrage permet de diminuer l'éblouissement des zones photo-actives en ne redirigeant qu'une partie du spectre optique. Avantageusement, plusieurs filtres 25 ou miroirs dichroïques peuvent être utilisés afin de sélectionner les canaux de communication via la bande spectrale de réflexion lors d'une communication optique multicanal utilisant des sources multi-LEDs, telle que par exemple une LED RYGB composée de 4 puces LEDs de couleurs rouge, verte, jaune et bleue. Avantageusement, ledit filtre ou miroir dichroïque est structuré optiquement 30 en surface pour disperser les rayons réfléchis de manière à favoriser la redirection des rayons réfléchis vers les zones-photo-actives et vers les zones de transparence. 3061604 5 Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la multitude de cellules photovoltaïques est un réseau de bandes photovoltaïques parallèles ou tout autre réseau de motifs (cercle, hexagone, etc.) permettant le contrôle de la transparence de la seconde face du dispositif selon l'invention. Avantageusement, le 5 dispositif intégral est semi-transparent. L'invention a également pour objet un vitrage, notamment pour bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif photovoltaïque et de réception optique tel que décrit plus haut. 10 DESCRIPTION DETAILLEE L'invention est maintenant décrite plus en détail à l'aide de la description des figures 1 à 4. La figure 1 est un schéma de principe du dispositif lorsqu'il est dans un mode 15 de réalisation semi-transparent intégré à une fenêtre dans le cas où la lumière du soleil et la lumière porteuse de l'information se trouvent de part et d'autre du dispositif. La figure 2 est un schéma de principe du dispositif lorsqu'il est intégré à un revêtement mural dans le cas où la lumière du soleil et la lumière porteuse de 20 l'information se trouvent du même côté dudit revêtement. La figure 3 est un schéma de principe du dispositif lorsqu'il est dans un mode de réalisation semi-transparent intégré à une fenêtre dans le cas où la lumière du soleil et la lumière porteuse de l'information se trouvent du même côté de la fenêtre. La figure 4 est un schéma de principe du dispositif lorsqu'il est dans un mode 25 de réalisation semi-transparent intégré à une fenêtre dans le cas où la lumière du soleil et la lumière porteuse de l'information se trouvent du même côté de la fenêtre et que la communication est de type multi-canal optique. La figure 1 est un schéma de principe qui représente un dispositif de réception 30 pour communication optique visible ou invisible (IR ou UV) et de réception d'énergie photovoltaïque dans un mode de réalisation semi-transparent. Dans son principe de base, le dispositif est composé d'au moins deux plaques planes parallèles (21,22). Le 3061604 6 côté interne de la plaque plane (21) fait face à la lumière modulée (2). Le côté externe de la plaque plane (21) fait face au soleil. Le côté interne de la plaque plane (21) est recouvert d'un réseau de zones photo-actives (31) formant des photo détecteurs dédiés à la réception d'une lumière modulée dédiée à la communication 5 optique en espace libre et comprenant des zones de transparence (61). Avantageusement, les zones photo-actives sont photovoltaïques. Le côté interne de la plaque plane (22) fait face à la lumière du soleil (1). Le coté interne de la plaque plane (22) est recouvert de de zones actives photovoltaïques disjointes (32) laissant apparaître des zones de transparence (62). 10 Dans un mode de réalisation non représenté ici, la plaque (22) est associée à un dispositif opacifiant dont la commande d'opacification est contrôlée par les informations contenues dans la lumière modulée (2) réceptionnée par les capteurs optiques (31). 15 La figure 2 est un schéma de principe qui représente un dispositif de réception pour communication optique visible ou invisible (IR ou UV) et de réception d'énergie photovoltaïque. Dans son principe de base, le dispositif est composé d'au moins deux plaques planes parallèles (21,22). Le côté interne de la plaque plane (21), qui ne fait pas face au soleil (1), est recouvert d'un réseau de zones photo-actives (31) formant 20 des photo détecteurs dédiés à la réception d'une lumière modulée dédiée à la communication optique en espace libre. Les zones actives des photo détecteurs sont disposées en regard du côté interne de la plaque plane (22), de façon à ne réceptionner que certains des rayons réfléchis (121) par la surface (42). La surface (42) est une surface transparente à une partie du spectre visible qui transmet cette 25 partie du spectre à la surface photovoltaïque (32) dédiée à la génération d'énergie électrique et qui réfléchit une bande étroite du spectre optique reçu (121, 122) vers les zones photo-actives (31) dédiées à la communication optique. Positionné en tant que revêtement mural extérieur, le dispositif optimise ainsi la production d'énergie électrique générée par les cellules photovoltaïques (32) tout 30 en réceptionnant de manière optimale (c'est-à-dire non saturé par la lumière ambiante parasite) les données de communications optiques visibles ou invisibles. Avantageusement, les zones photo-actives (31) pourront être des éléments 3061604 7 photovoltaïques disposés par exemple en réseau de bandes parallèles (31) absorbant dans la partie du spectre de la lumière modulée. Dans un autre mode de réalisation non représenté ici, les deux plaques peuvent être concaves, convexes, ou présenter des courbures permettant d'améliorer 5 l'aspect fonctionnel ou esthétique du dispositif. La figure 3 est un schéma de principe qui représente un dispositif de réception pour communication optique visible ou invisible (IR ou UV) et de réception d'énergie photovoltaïque dans un mode de réalisation semi-transparent. Dans son principe de base, le dispositif est composé d'au moins deux plaques planes parallèles (21,22). Le 10 côté interne de la plaque plane (21), qui ne fait pas face au soleil (1), est recouverte d'un réseau de capteurs optiques dédiés à la communication optique en espace libre. Les zones actives des capteurs optiques sont disposées en regard du côté interne de la plaque plane (22), de façon à ne réceptionner que certains des rayons réfléchis (121) par des portions de surface (42). La surface (42) est une surface transparente 15 à une partie du spectre visible qui transmet cette partie du spectre à la surface photovoltaïque (32) dédiée à la génération d'énergie électrique et qui réfléchit une bande étroite du spectre optique reçu (121, 122) vers les capteurs optiques (31) dédiés à la communication optique. Le côté interne de la plaque (22) qui fait face au soleil est recouverte de zones photo-actives photovoltaïques disjointes (32) associées 20 à des filtres dichroïques (42). Agencé de telle sorte à former des fenêtres, le dispositif optimise ainsi la production d'énergie électrique générée par les zones photovoltaïques (32) tout en réceptionnant de manière optimale (c'est-à-dire non saturée par la lumière ambiante parasite) les données de communications optiques visibles ou invisibles tout en conservant la fonctionnalité de semi-transparence. 25 Dans un autre mode de réalisation, décrit par le schéma de la figure 4, des filtres ou miroirs dichroïques avec des propriétés de réflexion différentes, peuvent être répartis aléatoirement ou non sur les zones photovoltaïques dédiées à la production d'énergie, dans le but de sélectionner sélectivement des bandes spectrales dans le cadre d'une communication optique multi-canal. Les filtres 30 dichroïques (421, 422, 423) peuvent être par exemple dédiés à une lumière colorée modulée particulière (par exemple, respectivement rouge, verte et bleue) issue d'une lampe LED multi-puces (rouge, verte et bleue). Ainsi, les zones photo-actives 3061604 8 adressées séparément permettront de récupérer sans interférence multi-spectrale simultanément les informations issues des trois canaux de communication optique. Dans un autre mode de réalisation, non représenté ici, les deux plaques (21,22) peuvent être concaves, convexes, ou présenter des courbures permettant 5 d'améliorer l'aspect fonctionnel (toit ouvrant de voiture par exemple) ou esthétique du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION Un exemple concret de réalisation est composé d'un double vitrage 10 rectangulaire en verre de 70cm x 100 cm et de 4 mm d'épaisseur. La première face interne du double vitrage est recouverte d'un réseau en bandes photovoltaïques parallèles d'une largeur de 200 microns et espacées de 20 mm. La seconde face interne du double vitrage est recouverte d'un réseau en bandes photovoltaïques parallèles d'une largeur de 200 microns et espacées de 1 mm. La face active des 15 surfaces photovoltaïques de la seconde face est recouverte d'un miroir dichroïque bleu qui laisse passer l'ensemble des couleurs du spectre visible excepté le bleu. La face non active des surfaces photovoltaïques est composée d'une électrode conductrice électriquement transparente. Les faces actives dichroïques sont donc en regard de la première face interne. Les surfaces photovoltaïques sont couplées 20 électriquement en partie en mode série et en partie en mode parallèle afin d'obtenir une tension de sortie du dispositif qui soit proche de 24 volts. Ce dispositif correspond à un vitrage photovoltaïque produisant de l'énergie photovoltaïque via sa seconde face et à un vitrage de réception de communication optique via sa première face. Avantageusement, ce système fonctionne à la fois 25 lorsque la lumière modulée provient de la même direction que le soleil (par réception des rayons réfléchis par le miroir dichroïque) et lorsqu'il provient d'une direction opposée. Ce type de vitrage peut donc être intégré à des bâtiments et peut recevoir de l'information des luminaires modulés extérieurs et intérieurs. REVENDICATIONS1. - Dispositif photovoltaïque et de réception optique permettant à la fois la production d'énergie et la réception d'une communication optique, composé d'au moins deux plaques parallèles (21,22) : - une première plaque (21) en partie transparente à la lumière du soleil (1) comprenant une face sur laquelle est disposée une pluralité de zones photo-actives (31) formant des photo détecteurs dédiés à la réception d'une lumière modulée provenant d'une source de lumière modulée (2) porteuse d'une information, lesdites zones photo-actives (31) étant intrinsèquement opaques et séparées par des zones de transparence (61) ; - une seconde plaque (22) comprenant un substrat sur lequel est disposé une pluralité de cellules photovoltaïques (32) dédiées à la production d'énergie photo-électrique et comprenant une électrode opaque ; - caractérisé en ce que les faces actives desdites zones photo-actives (31) sont en regard des zones actives desdites cellules photovoltaïques (32). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites zones photo-actives (31) dédiées à la réception d'une lumière modulée sont des zones 20 photo-actives photovoltaïques. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites zones photo-actives (31) photovoltaïques dédiées à la réception d'une lumière modulée (2) sont agencées selon un réseau de bandes 25 photovoltaïques parallèles séparées par des zones de transparence (61). 4 - Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites zones photo-actives (31) photovoltaïques sont agencées selon un réseau de motifs circulaires ou polygonaux photovoltaïques. 30 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pluralité de cellules photovoltaïques (32) est recouverte d'un 3061604 10 ou de plusieurs filtres ou miroirs dichroïques (42, 421, 422, 423) qui ont la propriété de laisser passer une partie du spectre visible, IR ou UV et de réfléchir l'autre partie du spectre visible, IR ou UV. 5 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits filtres ou miroirs dichroïques (42, 421, 422, 423) sont structurés optiquement en surface pour disperser les rayons réfléchis (121, 122) de manière à favoriser la redirection des rayons réfléchis vers les zones photo-actives des photo détecteurs (31). 10 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat est transparent et en ce que la pluralité de cellules photovoltaïques (32) est un réseau de bandes photovoltaïques parallèles ou tout type de réseau de motifs permettant de générer des zones de transparence (62). 15 8 - Vitrage, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.