JP2006034044A

JP2006034044A - 無線電力伝送装置

Info

Publication number: JP2006034044A
Application number: JP2004211698A
Authority: JP
Inventors: Kengo Nishimoto; 研悟西本; Masataka Otsuka; 昌孝大塚; Toru Fukazawa; 徹深沢; Hiroaki Miyashita; 裕章宮下; Yasuhiro Nishioka; 泰弘西岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】受電設備の受信アンテナ群の開口面積が小さい場合に、複数の送信アンテナから送信するマイクロ波の位相量を制御する必要がなく、また、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が大きい場合に、受電設備の受信アンテナ群上に干渉縞が生じないようにすることができる無線電力伝送装置を得る。
【解決手段】マイクロ波電力を複数の送信アンテナ１から受電設備の受信アンテナへ無線送信する無線電力伝送装置であって、前記複数の送信アンテナ１は、周波数スペクトラムが異なるマイクロ波をそれぞれ送信する。
【選択図】図１

Description

この発明は、送信アンテナからマイクロ波電力を受電設備の受信アンテナに無線送信する無線電力伝送装置に関するものである。

無線電力伝送においては、電力の伝送量を増やすために、複数の送信アンテナからマイクロ波を受電設備に送信する装置が提案されている。受電設備の受信アンテナ群の開口面積が小さい場合には、複数の送信アンテナの集合体をアレイアンテナと考え、全体として一つの大きなフェーズドアレイアンテナを構成しビーム幅の狭いマイクロ波を送信することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。

また、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が大きい場合には、複数の送信アンテナからマイクロ波を送信すると各送信アンテナからの位相条件により干渉縞が受信アンテナ群上に生じる（場所によってマイクロ波振幅の強弱が発生する）。そのため、受信アンテナ群に受信アンテナの受信電力のダイナミックレンジを超えた場所が生じ、受信できる総エネルギー量が小さくなってしまう。そこで、複数の送信アンテナから受電設備の受信アンテナ群に対してインコヒーレントにマイクロ波を送信して、受信アンテナ面上のマイクロ波電力を平均化する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−９５１９０公報特開２００２−９５１８９公報

複数のアンテナで一つの大きなフェーズドアレイアンテナを構成する方法は、複数の送信アンテナから送信するマイクロ波の位相量を制御する必要がある。また、各アンテナ間で同期を取る必要がある。以上より、装置の構成が複雑になるという問題点があった。

また、複数の送信アンテナから受電設備の受信アンテナ群に対してインコヒーレントにマイクロ波を送信する方法では、スペクトラム拡散変調方式を用いており、広い周波数帯域に微弱なスペクトルを分散させる。したがって、同じ周波数帯域の他の通信への影響を少なくするために、強いマイクロ波電力を送信することができない。また、広帯域なアンテナを用いる必要があるため、アンテナの性能を考えると帯域全体で指向性を持たせることができず、低い周波数ではビーム幅が大きくなり受信アンテナ群以外に電波が漏れてしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が小さい場合に、複数の送信アンテナから送信するマイクロ波の位相量を制御する必要がなく、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できる無線電力伝送装置を得るものである。

また、第２の目的は、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が大きい場合に、受電設備の受信アンテナ群上に干渉縞が生じないようにすることができ、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できる無線電力伝送装置を得るものである。

この発明に係る無線電力伝送装置は、マイクロ波電力を複数の送信アンテナから受電設備の受信アンテナへ無線送信する無線電力伝送装置であって、前記複数の送信アンテナは、周波数スペクトラムが異なるマイクロ波をそれぞれ送信するものである。

この発明に係る無線電力伝送装置は、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が小さい場合に、複数の送信アンテナから送信するマイクロ波の位相量を制御する必要がなく、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できるという効果を奏する。
また、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が大きい場合に、受電設備の受信アンテナ群上に干渉縞が生じないようにすることができ、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係る無線電力伝送装置は、複数の送信アンテナ１と、受電設備の受信アンテナ群２とが設けられている。

送信アンテナ１は、♯１から♯ｎまでの複数個が配置されており、各送信アンテナ１は、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１からｆ_ｎのマイクロ波を送信する。中心周波数ｆ_１〜ｆ_ｎは、例えば、２．４５ＧＨｚ付近か、５．８ＧＨｚ付近などである。また、各マイクロ波の帯域は重ならないように決められる。各送信アンテナ１と受信アンテナ群２の間の距離は、Ｒ_１からＲ_ｎまでである。

つぎに、この実施の形態１に係る無線電力伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の複数の送信アンテナから送信されるマイクロ波の周波数スペクトラムを示す図である。図中、横軸は周波数、縦軸は送信エネルギーの強度である。また、ｆ_１からｆ_ｎは各送信アンテナ１から送信されるマイクロ波の中心周波数である。

送信アンテナ１は、♯１から♯ｎまでの複数個を配置しており、マイクロ波電力を複数の送信アンテナ１から無線送信する。その際、図２に示すように、マイクロ波の周波数スペクトラムが複数の送信アンテナ１間でそれぞれ異なっているようにマイクロ波を送信し、受電設備の受信アンテナ群２で受信する。

♯１の送信アンテナ１は、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１のマイクロ波を送信する。♯２の送信アンテナ１は、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_２のマイクロ波を送信する。♯ｎの送信アンテナ１は、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎのマイクロ波を送信する。受電設備の受信アンテナ群２は、中心周波数ｆ_１〜ｆ_ｎの複数のマイクロ波を受信する。

図２において、各送信アンテナ１から送信されるマイクロ波の周波数スペクトラムが送信アンテナ１間で同一の場合、それぞれの送信アンテナ１からのマイクロ波は、位相関係によって受信地点付近で場所によって電力の強弱を生じる（干渉）。

したがって、受電設備の受信アンテナ群２の開口面積が小さい場合には、受信できる総エネルギー量のロスを小さくするため、複数の送信アンテナ１から送信するマイクロ波の位相量を制御し、受信アンテナ群２に正確に送信ビームを照射する必要がある。

また、受電設備の受信アンテナ群２の開口面積が大きい場合には、受電設備の受信アンテナ群２上に干渉縞が生じるため、受信アンテナ群２に受信アンテナの受信電力のダイナミックレンジを超えた場所が生じ、受信できる総エネルギー量が小さくなってしまう。

しかし、本実施の形態１を用いれば、マイクロ波の周波数スペクトラムが複数の送信アンテナ１間でそれぞれ異なっているので、各送信アンテナ１からのマイクロ波が干渉しない。したがって、受信アンテナ群２の開口面積が小さい場合には、♯１から♯ｎの送信アンテナ１と受電設備の受信アンテナ群２の間の距離Ｒ_１からＲ_ｎに関わらず、常に受信アンテナ群２でマイクロ波電力を効率良く受信することができる。

また、受信アンテナ群２の開口面積が大きい場合には、受信アンテナ群２上に干渉縞が生じないため、受信アンテナ群２でマイクロ波電力を効率良く受信することができる。

この実施の形態１に係る無線電力伝送装置は、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が小さい場合に、複数の送信アンテナから送信するマイクロ波の位相量を制御する必要がなく、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できる。また、受電設備の受信アンテナ群の開口面積が大きい場合に、受電設備の受信アンテナ群上に干渉縞が生じないようにすることができ、かつマイクロ波電力を受信アンテナ群で効率良く受信できる。すなわち、マイクロ波電力を効率良く伝送する無線電力伝送装置を得るという効果を有する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。

図３において、この実施の形態２に係る無線電力伝送装置は、宇宙空間に設置した複数の発電衛星３にそれぞれ配置された送信アンテナ１と、受電設備の受信アンテナ群２とが設けられている。

各発電衛星３は、例えば、宇宙空間において太陽光を集光する反射光学系や屈折光学系等の集光部と、集光部から光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部と、光電変換部によって生成された電気エネルギーを、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１からｆ_ｎのいずれかのマイクロ波に変換する送信部とから構成されている。なお、集光部を設けずに光電変換部で太陽光を直接受ける構成としてもよい。各送信部は、中心周波数がｆ_１からｆ_ｎのマイクロ波を生成し、各送信アンテナ１から送信する。また、受電設備は、受信アンテナ群２により受信した各マイクロ波から電力を生成する。

本実施の形態２では、上記実施の形態１の無線電力伝送装置において、複数の送信アンテナ１を宇宙空間に設置した複数の発電衛星３にそれぞれ配置し、複数の発電衛星３において太陽光発電した電気エネルギーをマイクロ波送電する場合に、上記実施の形態１の効果を明らかにする。

つぎに、この実施の形態２に係る無線電力伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

複数の発電衛星３は、宇宙空間に設置され、太陽光を集光し、電気エネルギーに変換する。その後、電気エネルギーをマイクロ波に変換し、複数の発電衛星３に配置された送信アンテナ１からマイクロ波を送信し、受電設備の受信アンテナ群２で受信する。

♯１の発電衛星３は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１のマイクロ波を生成し、送信アンテナ１から周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１のマイクロ波を送信する。♯２の発電衛星３は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_２のマイクロ波を生成し、送信アンテナ１から周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_２のマイクロ波を送信する。♯ｎの発電衛星３は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎのマイクロ波を生成し、送信アンテナ１から周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎのマイクロ波を送信する。受電設備の受信アンテナ群２は、中心周波数ｆ_１〜ｆ_ｎの複数のマイクロ波を受信する。

このような宇宙太陽光発電装置である無線電力伝送装置では、♯１から♯ｎの各発電衛星３の送信アンテナ１と、受電設備の受信アンテナ群２の間の距離Ｒ_１、Ｒ_２、・・・、Ｒ_ｎが時間とともに変化する。しかし、上記実施の形態１の方法を用いれば、それぞれの送信アンテナ１からのマイクロ波が干渉しない。

したがって、マイクロ波電力を効率良く伝送する宇宙太陽光発電装置である無線電力伝送装置を得るという効果を有する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る無線電力伝送装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。

図４において、この実施の形態３に係る無線電力伝送装置は、宇宙空間に設置した１つの発電ステーション４に設置された複数の送電パネル５にそれぞれ配置された複数の送信アンテナと、受電設備の受信アンテナ群２とが設けられている。送電パネル５の構成は、発電衛星３と同様である。

本実施の形態３では、上記実施の形態１の無線電力伝送装置において、複数の送信アンテナを宇宙空間に設置した１つの発電ステーション４に配置し、この１つの発電ステーション４において太陽光発電した電気エネルギーをマイクロ波送電する場合に、上記実施の形態１の効果を明らかにする。

１つの発電ステーション４は、複数の送電パネル５から構成される。可能であればすべての送電パネル５を一平面上に設置するが、剛性の関係から、一般にはそれぞれの送電パネル５間を可動状態にするのが普通である。

つぎに、この実施の形態３に係る無線電力伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

１つの発電ステーション４は、宇宙空間に設置され、太陽光を集光し、電気エネルギーに変換する。その後、電気エネルギーをマイクロ波に変換し、１つの発電ステーション４を構成する複数の送電パネル５に配置された送信アンテナからマイクロ波を送信し、受電設備の受信アンテナ群２で受信する。

♯１の送電パネル５は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１のマイクロ波を生成し、送信アンテナから周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_１のマイクロ波を送信する。♯２の送電パネル５は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_２のマイクロ波を生成し、送信アンテナから周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_２のマイクロ波を送信する。♯（ｎ−１）の送電パネル５は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎ−１のマイクロ波を生成し、送信アンテナから周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎ−１のマイクロ波を送信する。♯ｎの送電パネル５は、送信部で、周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎのマイクロ波を生成し、送信アンテナから周波数スペクトラムの中心周波数がｆ_ｎのマイクロ波を送信する。受電設備の受信アンテナ群２は、中心周波数ｆ_１〜ｆ_ｎの複数のマイクロ波を受信する。

このような宇宙太陽光発電装置である無線電力伝送装置においては、１つの巨大ステーションが複数の送電パネル５から構成され、送電パネル♯１から♯ｎと受電設備の受信アンテナ群２の間の距離Ｒ_１、Ｒ_２、・・・、Ｒ_ｎは時間とともに変化する。しかし、上記実施の形態１の方法を用いれば、複数の送電パネル５にそれぞれ配置された送信アンテナからのマイクロ波が干渉しない。

なお、受信アンテナ群２が設置される場所は、上記各実施の形態では限定するものではない。地上、宇宙に設置された他の受信衛星、受電ステーション等、あらゆる場所が想定される。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の複数の送信アンテナから送信されるマイクロ波の周波数スペクトラムを示す図である。この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。

符号の説明

１送信アンテナ、２受信アンテナ群、３発電衛星、４発電ステーション、５送電パネル。

Claims

マイクロ波電力を複数の送信アンテナから受電設備の受信アンテナへ無線送信する無線電力伝送装置であって、
前記複数の送信アンテナそれぞれは、周波数スペクトラムが異なるマイクロ波を送信する
ことを特徴とする無線電力伝送装置。
前記複数の送信アンテナは、宇宙空間に設置した複数の発電衛星にそれぞれ設置され、
前記発電衛星は、太陽光を集光して電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを所定の周波数スペクトラムのマイクロ波に変換し、前記送信アンテナから前記マイクロ波を送信する
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。
前記複数の送信アンテナは、宇宙空間に設置した１つの発電ステーションを構成する複数の発電パネルにそれぞれ設置され、
前記発電ステーションは、太陽光を集光して電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを所定の周波数スペクトラムのマイクロ波に変換し、前記複数の送信アンテナから前記マイクロ波をそれぞれ送信する
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。