JP2012055144A - 給電システムおよびワイヤレス送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力システムを安定化する。
【解決手段】、ワイヤレス給電装置２は、暗号化された電力Ｓ２を無線で送信する。モバイル機器８は、暗号化された電力Ｓ２に対応する暗号コードＳ６を受信した状態において、ワイヤレス給電装置２から受電可能に構成される。価格情報通知部４は、モバイル機器８に電力価格を示す価格データＳ４を送信する。暗号コード通知部６は、モバイル機器８に対して、モバイル機器８が電力の暗号化を解除するために必要な暗号コードＳ６を送信する。モバイル機器８は、価格情報通知部４から通知された電力価格が、モバイル機器８のユーザが設定した上限値Ｓ３より低いとき、暗号コードＳ６の送信をリクエストする。暗号コード通知部６は、リクエストに応答してモバイル機器８に対して暗号コードＳ６を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電技術に関する。

電気に依存する現代社会において、安定的な電力供給は非常に重要な問題である。たとえば電力システムの安定化のため、電力供給者は、夜間電力の価格を昼間の価格より下げることにより、電力使用量の少ない夜間の電力利用を促し、昼間の電力集中を解消している。あるいは、電力ピーク時の対策としては、供給者は、契約によって大規模電力ユーザに使用量を制限する方法もとられている。

しかしながら、前者の方法では、夜間と昼間で料金は固定的であるため、供給者が電力料金により電力使用量を管理することは困難である。また後者は需用者側にとって使い勝手のよいものではない。

従来の方式では、電力供給能力の制御は、主として火力発電所の調整能力に頼っているため、数時間もの制御遅延が存在する。したがって、発電力が不安定な、太陽光や風力をはじめとする自然エネルギーを利用した電力源を利用する場合には、供給者は大規模な電力貯蔵設備を用意する必要があり、コストが高くなるという問題がある。また今後不安定な電力源が増加すると、それを補うための火力発電所の増設が必要となり、環境対策として不適切である。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力システムの安定化にある。

本発明のある態様はワイヤレス給電システムに関する。このワイヤレス給電システムは、暗号化された電力を無線で送信するワイヤレス給電装置と、暗号化された電力に対応する暗号コードを受信した状態において、ワイヤレス給電装置から受電可能に構成されたモバイル機器と、モバイル機器に電力価格を示すデータを送信する価格情報通知部と、モバイル機器に対して、モバイル機器が電力の暗号化を解除するために必要な暗号コードを送信する暗号コード通知部と、を備える。モバイル機器は、価格情報通知部から通知された電力価格が、当該モバイル機器のユーザが設定した上限値より低いとき、暗号コードの送信をリクエストし、暗号コード通知部は、リクエストに応答してモバイル機器に対して暗号コードを送信する。

この態様によると、電力価格に応じて、給電を受けるモバイル機器の個数が増減し、電力消費量を制御することができ、電力供給者は電力システムを安定化できる。また電力需用者は、みずからが電力価格に応じてモバイル機器の使用の有無を積極的に変更できる。

ワイヤレス給電装置は、暗号コードに応じて周波数変調または位相変調された電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信可能に構成されてもよい。モバイル機器は、電力信号を受信するための受信コイルと、受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、暗号コード通知部から受信した暗号コードにもとづいて共振回路のインピーダンスを変化させ、共振回路を電力信号と共振させる制御部と、を備えてもよい。

本発明の別の態様は、給電システムである。この給電システムは、供給者が需用者に電力を供給するための電力網と、供給者が需用者に電力価格を通知するための通信網と、需用者側に設けられ、電力網および通信網と接続されるスマートメータと、需用者側に設けられ、スマートメータを介して電力網と接続され、電力価格が需用者の設定した上限値より低いとき、スマートメータからの給電を受けるように構成されている個別機器と、を備える。

この態様によると、電力価格に応じて、給電を受けるモバイル機器の個数が増減し、電力消費量を制御することができ、電力システムを安定化できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、電力システムを安定化できる。

第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示すブロック図である。 電力消費量と電力価格の関係を示す図である。 電力を暗号化するワイヤレス給電装置と、電力を復号するワイヤレス受電装置の具体的な構成例を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１の構成を示すブロック図である。ワイヤレス給電システム１は、ワイヤレス給電装置２、価格情報通知部４、暗号コード通知部６、モバイル機器８、を備える。ワイヤレス給電装置２、価格情報通知部４、暗号コード通知部６は、ワイヤレス送電装置７を構成し、電力供給者によって管理される。モバイル機器８は、電力需用者（ユーザ）によって管理される。

ワイヤレス給電装置２は、電力を暗号化し、ワイヤレスの電力信号Ｓ２を送信する。モバイル機器８は、暗号化された電力に対応する暗号コードを受信した状態において、ワイヤレス給電装置２から受電可能に構成される。つまり、電力信号Ｓ２は、その時々でワイヤレス給電装置２の暗号化に利用されたコードと合致もしくは対応する正しい暗号コードを受信したモバイル機器８のみが受電可能であり、正しい暗号コードを受信していないモバイル機器８は受電することができない。

価格情報通知部４は、ワイヤレス給電装置２が送信する電力の価格（電力価格）を示す価格データＳ４を送信（ブロードキャスト）する。価格データＳ４は、あるエリア内に存在するすべてのモバイル機器８に対して送信される。

暗号コード通知部６は、受電を許可すべきモバイル機器８に対して、モバイル機器８が電力信号Ｓ２の暗号化を解除するために必要な暗号コードＳ６を送信する。ワイヤレス給電装置２は、一定期間たとえば１分ごとに、暗号化に利用するコードを変更する。したがって、暗号コード通知部６は、そのときどきでワイヤレス給電装置２において利用されるコードに対応する暗号コードＳ６を送信する。

モバイル機器８のユーザは、電力価格の上限値を設定する。モバイル機器８は、価格情報通知部４から通知された電力価格が、ユーザが設定した上限値Ｓ３より低いとき、暗号コード通知部６に対して暗号コードＳ６の送信を要求するリクエスト信号Ｓ５を送信する。反対に通知された電力価格が、上限値Ｓ３より高いときにはモバイル機器８はリクエスト信号Ｓ５を送信しない。図１では、モバイル機器８ａにおいて、電力価格が上限値Ｓ３より低く、モバイル機器８ｂにおいて、電力価格が上限値Ｓ３より高い状況を示す。

暗号コード通知部６は、モバイル機器８ａからのリクエスト信号Ｓ５に応答して、電力信号Ｓ２の暗号化を解除するための正しい暗号コードＳ６を送信する。リクエスト信号Ｓ５を出力しないモバイル機器８ｂに対しては、暗号コードＳ６は送信せず、もしくは誤った暗号コードを送信する。

暗号コードＳ６を受信したモバイル機器８は、それを利用して電力信号Ｓ２の暗号化を解除し、その電力を利用する。具体的には、電力信号Ｓ２を用いてその内部の２次電池が充電され、あるいはその内部の電子回路に電力が供給される。

以上がワイヤレス給電システム１の構成である。
図２は、電力消費量と電力価格の関係を示す図である。横軸は時間である。各モバイル機器８のユーザは、それぞれの状況に応じて、自分のモバイル機器８に独立に上限値Ｓ３を設定している。したがって、ワイヤレス給電装置２、価格情報通知部４、暗号コード通知部６を管理する電力供給者が、電力価格を変化させると、それに応じて、受電可能なモバイル機器８の個数、すなわち電力使用量が変化する。具体的には、電力価格を高く設定すれば、その後、受電可能なモバイル機器８は減少し、電力価格を低く設定すれば、その後に受電可能なモバイル機器８は増加する。

このように図１のワイヤレス給電システム１によれば、電力価格を変化させることにより、電力使用量を制御することができ、電力システムを安定化できる。

従来の電力供給量の制御は、電力供給者による調整、具体的には火力発電所の調整に依存しており、電力の制御応答速度は数十分オーダーの非常に遅いものであった。かかるシステムでは、数分程度の応答速度を実現するためには、補助的な電源として、高性能な蓄電装置が要求されていた。これに対して図１のワイヤレス給電システム１を利用すれば、電力価格の変更に追従してすみやかに電力供給量を制御でき、その応答速度は数分以下となる。したがって、高性能な蓄電装置を用いずとも、あるいは少ない蓄電装置で、電力供給量を高速に制御することができる。

多数の需用者が互いに独立にランダムに上限値Ｓ３を設定する状況においては、単純なＰＩＤ制御によって系が安定するであろう。一方、インターネットなどの情報伝達手段によって、多数のユーザが、他のユーザが設定する上限値Ｓ３を知りうる状況では、いくつかの特定の値に上限値Ｓ３が集中するかもしれない。この場合、系が予期せぬ振動を起こすこともありえる。この問題は、電力供給者が、需用者が設定する上限値Ｓ３を知らないことに起因している。

そこで、系のさらなる安定性を確保するために、各モバイル機器８が、電力供給者に対して上限値Ｓ３を通知する仕組みを導入してもよい。この場合、電力供給者は、需用者の上限値Ｓ３を考慮して、最適な制御アルゴリズムを動的に適用して系の安定化を図ることができる。また、系のロバスト性を担保するために、ひとつの制御区分（電力ドメイン）は、街単位、あるいはビル単位のように細かく分割されていることが望ましい。

また、図１のワイヤレス給電システム１は、複数のモバイル機器８に対する課金にも好適である。すなわち電力供給者は、各モバイル機器８に対して、そのモバイル機器８に対して暗号コードＳ６を発行するたびに、その時々の電力価格を考慮して課金することができる。

また電力そのものが暗号化されているため、悪意のユーザが電力を盗むことができないという、ワイヤレス給電に必要不可欠な技術を提供することができる。

図３は、電力を暗号化するワイヤレス給電装置２と、電力を復号するモバイル機器（ワイヤレス受電装置）８の具体的な構成例を示す回路図である。

ワイヤレス給電装置２は、モバイル機器（ワイヤレス受電装置）８に対して電力信号Ｓ２を送出する。ワイヤレス給電システム１では、電力信号Ｓ２として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス給電装置２は、変調器１０および送信コイル１６を備える。ワイヤレス給電装置２には、ある暗号コード（送信側コードと称する）ＣＯＤＥ１が用意されている。変調器１０は、送信側コードＣＯＤＥ１に応じた変調信号を用いて周波数変調もしくは位相変調された電気信号Ｓ１２を発生する。本実施の形態において電気信号Ｓ１２はパルス信号である。この場合、変調方式としては、パルス周波数変調、パルス幅変調、パルス密度変調、パルス位置変調などが利用可能である。パルス信号を利用した場合、ハイレベルとローレベルのスイッチングのみで電気信号Ｓ１２を生成できる。たとえば電気信号Ｓ１２の周波数は、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの間で適宜選択される。

電気信号Ｓ１２はパルス信号には限定されず、正弦波（三角関数波）であってもよい。この場合、直交変調器や一般的な周波数変調器、位相変調器を利用することができる。また電気信号Ｓ１２に対する変調方式は、周波数変調には限定されず、位相変調などを用いてもよい。

変調器１０は、変調信号発生部１２および信号発生器１４を備える。たとえば信号発生器１４は、ハイレベルまたはローレベルの電圧を発生するドライバである。変調信号発生部１２は、送信側コードＣＯＤＥ１にもとづいた変調信号Ｓ１１を発生し、この変調信号Ｓ１１に応じて信号発生器１４をスイッチングする。この変調信号Ｓ１１は１／０のビット列である。その結果、信号発生器１４からパルス状の電気信号Ｓ１２を生成する。変調器１０として、任意波形発生器を利用してもよい。

送信コイル１６は、アンテナであって、変調器１０が発生した電気信号Ｓ１２を、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射する。

以上がワイヤレス給電装置２の構成である。続いてモバイル機器８（ワイヤレス受電装置）８の構成を説明する。
モバイル機器８は、ワイヤレス給電装置２から送出される、ある送信側コードＣＯＤＥ１に応じて周波数変調または位相変調された電力信号Ｓ２を受信する。モバイル機器８は、受信コイル２０、共振用キャパシタ２２、制御部２６、整流回路２８、電力保存用キャパシタＣ１、価格情報受信部３０、リクエスト信号送信部３２、暗号コード受信部３４を備える。

価格情報受信部３０は、価格情報通知部４からの価格データＳ４を受信する。制御部２６は、価格データＳ４が示す電力価格を、ユーザが設定した上限値Ｓ３（不図示）と比較し、上限値Ｓ３より低い場合には、リクエスト信号送信部３２にリクエスト信号Ｓ５の出力を指示する。暗号コード受信部３４は、暗号コード通知部６からの暗号コードＳ６を受信し、それに応じた受信側コードＣＯＤＥ２を出力する。

受信コイル２０は、送信コイル１６と近接した状態で、電力信号Ｓ２を受信する。共振用キャパシタ２２は、受信コイル２０とともにＬＣ共振回路２４を形成する。共振回路２４は、電力信号Ｓ２に応じた電流（電気信号）Ｓ２２を発生させる。電力保存用キャパシタＣ１は、共振回路２４が発生した電流Ｓ２２によって充電され、受信した電力信号Ｓ２のエネルギーを蓄える。電力保存用キャパシタＣ１と共振回路２４の間には、一般的な整流回路２８が設けられてもよい。

制御部２６は、受信側コードＣＯＤＥ２にもとづいて、共振回路２４のインピーダンス、言い換えれば共振周波数ｆｒ＝１／｛２π・√（ＬＣ）｝を変化させる。共振回路２４の共振周波数ｆｒを可変とするために、共振用キャパシタ２２の容量値Ｃと、受信コイル２０のインダクタンス値Ｌの少なくとも一方は可変に構成される。図３では、共振用キャパシタ２２が可変キャパシタであり、制御部２６は共振用キャパシタ２２の容量値を変化させる。共振周波数ｆｒの切りかえは、共振回路２４に流れる電流がゼロとなるタイミング、言い換えれば電圧が最大となるタイミングで行うことが望ましい。それにより共振の乱れを好適に抑制することができる。

受信コイル２０および共振用キャパシタ２２を電力信号Ｓ２の周波数（送信周波数）に共振させることにより、ワイヤレス給電装置２からモバイル機器８に、大電力を供給することができる。共振回路２４に蓄えられたエネルギー（電力）は、負荷ＲＬに供給される。負荷ＲＬは特に限定されない。

もし、受信側コードＣＯＤＥ２が送信側コードＣＯＤＥ１と一致していなければ、共振周波数ｆｒを電力信号Ｓ２の周波数変化に追従させることができないため、給電効率は低下する。ワイヤレス給電装置２とモバイル機器８の関係は、変調器と復調器の関係とみなすことができ、受信側コードＣＯＤＥ２は、復調を行うためのキーとなる。

なおワイヤレス給電システム１における周波数変調の変調度が小さいと、コードが一致しなくても、中心周波数が一致していればある程度の給電（盗電）が可能となってしまい、これは望ましくない。したがって変調度は、コードが一致していないときには、モバイル機器８側において十分な電力が得られないような値に設定することが好ましい。

図３の構成によれば、電力そのものをコード化し、伝送することができる。そして、本来予定していないモバイル機器８に対して給電されるのを防止することができ、特定のユーザ、機器のみに選択的に給電を行うことができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、ワイヤレス給電システムについて説明した。第２の実施の形態では、同様のシステムを、既存の有線の電力網に適用する場合を説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る電力供給システム５１を示すブロック図である。有線の電力網では、各需用者（受電装置）と需用者（給電装置）が一対一で接続されているため、第１の実施の形態のような電力の暗号化は不要である。したがって図４のシステムでは、暗号化に関する構成が省略されている。

電力供給システム５１は、電力供給者５２、電力需用者６０、電力網Ｎ２、通信網Ｎ４を備える。電力需用者６０は、独立した課金の対象となる単位であってもよい。たとえばひとつの電力需用者６０は一世帯に対応する。

電力網Ｎ２は、電力供給者５２の電力源５３から、需用者６０に電力Ｓ２を供給するための送電線のネットワークである。通信網Ｎ４は、電力供給者５２が需用者６０に電力価格を報知するためのネットワークである。通信網Ｎ４は、有線であると無線であるとを問わない。制御システム５４は、第１の実施の形態で説明したのと同様に、電力価格を制御し、そのときどきの電力価格を示すデータＳ４を複数の需用者６０へとブロードキャストする。

各需用者６０には、電力網Ｎ２および通信網Ｎ４と接続されるスマートメータ６２が設けられる。電力Ｓ２を受けて動作する複数の個別機器６４は、スマートメータ６２を介して電力網Ｎ２と接続されるとともに、スマートメータ６２を介して電力価格Ｓ４を取得可能となっている。各個別機器６４には、ユーザによって上限値Ｓ３が設定されている。個別機器６４は、電力価格Ｓ４が上限値Ｓ３より安いとき、スマートメータ６２からの給電を受けるように構成されている。

個別機器６４は特に限定されない。たとえば個別機器６４は、電池駆動型のデバイスであってもよいし、家電製品であってもよいし、照明機器であってもよいし、給湯器であってもよい。

ある個別機器６４は制御部６６と２次電池６８を備える。制御部６６は、電力価格Ｓ４が上限値Ｓ３より安いときに、２次電池６８を充電する。２次電池６８が満充電のとき、あるいは電力価格Ｓ４が上限値Ｓ３より高くなると、制御部６６は充電を停止する。あるいは別の個別機器６４は、給湯器である。制御部６６は、電力価格Ｓ４が上限値Ｓ３より安いときに水を過熱し、電力価格Ｓ４が上昇すると過熱を停止し、保温状態となる。

スマートメータ６２には、各需用者の消費電力量が記録される。電力供給者５２は、制御部６６に記録された消費電力量にもとづいて需用者６０に課金する。

図４の電力供給システム５１によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ワイヤレス給電システム、２…ワイヤレス給電装置、４…価格情報通知部、６…暗号コード通知部、７…ワイヤレス送電装置、８…モバイル機器、１０…交流電源、１２…Ｈブリッジ回路、１２ｃ…ブリッジ回路、１４…制御部、１６…整流回路、２０…受信コイル、２２…共振用キャパシタ、２４…共振回路、２６…制御部、２８…整流回路、Ｃ１…電力保存用キャパシタ、ＲＬ…負荷、３０…価格情報受信部、３２…リクエスト信号送信部、３４…暗号コード受信部、５１…電力供給システム、５２…電力供給者、５３…電力源、５４…制御システム、Ｎ２…電力網、Ｎ４…通信網、６０…需用者、６２…スマートメータ、６４…個別機器、６６…制御部、Ｓ２…電力信号、Ｓ３…上限値、Ｓ４…価格データ、Ｓ５…リクエスト信号、Ｓ６…暗号コード。

Claims (4)

1. 暗号化された電力を無線で送信するワイヤレス給電装置と、
   前記暗号化された電力に対応する暗号コードを受信した状態において、前記ワイヤレス給電装置から受電可能に構成されたモバイル機器と、
   前記モバイル機器に電力価格を示すデータを送信する価格情報通知部と、
   前記モバイル機器に対して、前記モバイル機器が前記電力の暗号化を解除するために必要な暗号コードを送信する暗号コード通知部と、
   を備え、
   前記モバイル機器は、前記価格情報通知部から通知された電力価格が、当該モバイル機器のユーザが設定した上限値より低いとき、前記暗号コードの送信をリクエストし、
   前記暗号コード通知部は、リクエストに応答して前記モバイル機器に対して前記暗号コードを送信することを特徴とするワイヤレス給電システム。
2. 前記ワイヤレス給電装置は、暗号コードに応じて周波数変調または位相変調された電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信可能に構成され、
   前記モバイル機器は、
   前記電力信号を受信するための受信コイルと、
   前記受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、
   前記暗号コード通知部から受信した前記暗号コードにもとづいて前記共振回路のインピーダンスを変化させ、前記共振回路を前記電力信号と共振させる制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
3. モバイル機器に暗号化された電力を無線で送信するワイヤレス送電装置であって、
   前記モバイル機器は、暗号化された電力に対応する暗号コードを受信した状態において受電可能に構成されており、
   前記ワイヤレス送電装置は、
   暗号化された電力を無線で送信するワイヤレス給電装置と、
   前記モバイル機器に電力価格を示すデータを送信する価格情報通知部と、
   前記モバイル機器に対して、前記モバイル機器が前記電力の暗号化を解除するために必要な暗号コードを送信する暗号コード通知部と、
   を備え、
   前記モバイル機器は、前記価格情報通知部から通知された電力価格が、当該モバイル機器のユーザが設定した上限値より低いとき、前記暗号コードの送信をリクエストするように構成されており、
   前記暗号コード通知部は、リクエストに応答して前記モバイル機器に対して前記暗号コードを送信することを特徴とするワイヤレス送電装置。
4. 供給者が需用者に電力を供給するための電力網と、
   前記供給者が前記需用者に電力価格を通知するための通信網と、
   前記需用者側に設けられ、前記電力網および前記通信網と接続されるスマートメータと、
   前記需用者側に設けられ、前記スマートメータを介して前記電力網と接続され、前記電力価格が前記需用者の設定した上限値より低いとき、前記スマートメータからの給電を受けるように構成されている個別機器と、
   を備えることを特徴とする給電システム。

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