JP2012217323A - Wireless power transmission system, power transmission apparatus and rectenna base station - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとに生成したマイクロ波を複数の送信装置から送信し、これを受信装置により受信して電力を生成する無線電力伝送システム、これに用いる電力送信装置及びレクテナ基地局に関するものである。 The present invention relates to a wireless power transmission system that receives sunlight and performs photoelectric conversion, transmits microwaves generated based on the obtained power from a plurality of transmitting devices, and receives the received power by receiving devices to generate power. The present invention relates to a power transmission apparatus and a rectenna base station used for this.
例えば、特許文献1には、宇宙空間の軌道上に配置された発電用の衛星から、地上の受信装置であるレクテナ基地局へマイクロ波による電力伝送を行う従来の無線電力伝送システムが記載されている。
この従来の無線電力伝送システムでは、レクテナ基地局から送信されるパイロット信号を、発電用の衛星において受信し、レクテナ基地局に対してパイロット返信信号を送信するというものである。パイロット信号はスペクトル拡散変調がされており、各衛星にパイロット信号を識別して基準位相を取り出す。
一方、パイロット返信信号にもスペクトル拡散変調が施され、レクテナ基地局において、各パイロット返信信号の位相情報を抽出して各発電用の衛星の位相遅延が求められ、この位相遅延をパイロット信号の位相に反映するフィードバック系を形成することによって、各発電用の衛星からのマイクロ波の位相を揃え、より大きな電力を得ようとするものである。
For example,
In this conventional wireless power transmission system, a pilot signal transmitted from a rectenna base station is received by a power generation satellite, and a pilot reply signal is transmitted to the rectenna base station. The pilot signal is subjected to spread spectrum modulation, and the pilot signal is identified for each satellite to extract the reference phase.
On the other hand, spread spectrum modulation is also applied to the pilot reply signal, and the rectenna base station extracts the phase information of each pilot reply signal to obtain the phase delay of each power generation satellite. By forming a feedback system that reflects the above, the phases of the microwaves from the power generation satellites are aligned to obtain a larger amount of power.
特許文献1に記載された従来の無線電力伝送システムによれば、地上のレクテナ基地局では、送信するパイロット信号の拡散変調を行い、受信したパイロット返信信号の逆拡散復調を行う回路と、逆拡散により得られた各衛星のパイロット返信信号の位相を比較して、これを一致させるべくフィードバックする回路が必要となり、設備が増大するという問題点がある。
According to the conventional wireless power transmission system described in
また、軌道上の各衛星においても、パイロット信号を逆拡散復調し、パイロット返信信号を拡散変調して生成するための回路が必要となり、回路規模が増大するという問題点とともに、これらの回路を駆動するための電力が必要となり、光電変換によって生成された電力の一部がパイロット信号関係の回路によって消費され、全体の送電効率が低下するという問題点もあった。
さらに、パイロット信号の送受信により、各衛星からのマイクロ波の位相を揃えることは出来ても、衛星側で発生した異常の検出、及びそれに伴って送電効率が低下するという問題点もあった。
In addition, each satellite in orbit requires a circuit for despreading and demodulating the pilot signal and spreading and modulating the pilot reply signal, which increases the circuit scale and drives these circuits. Therefore, a part of the electric power generated by the photoelectric conversion is consumed by a circuit related to the pilot signal, and there is a problem that the entire transmission efficiency is lowered.
Furthermore, even if the phases of the microwaves from the satellites can be made uniform by transmitting and receiving pilot signals, there is a problem in that an abnormality occurring on the satellite side is detected and the transmission efficiency decreases accordingly.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、回路規模の増大を招くことなく、より効率的に、各電力送信装置から送信されるマイクロ波がレクテナ基地局において受信される際の位相を揃えると共に、各電力送信装置で異常が発生した場合の送電効率の低下を抑制する無線電力伝送システム、電力送信装置及びレクテナ基地局を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and more efficiently receives microwaves transmitted from each power transmission apparatus at a rectenna base station without causing an increase in circuit scale. An object of the present invention is to obtain a wireless power transmission system, a power transmission device, and a rectenna base station that align the phases when the power transmission is performed and suppress a decrease in power transmission efficiency when an abnormality occurs in each power transmission device.
この発明に係る無線電力伝送システムは、太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとにマイクロ波を生成する複数の電力送信装置からレクテナ基地局にマイクロ波を送信し、上記レクテナ基地局で受信して直流電力に変換する無線電力伝送システムにおいて、
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、REV法の測定に基づく演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記REV法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備え、上記複数の電力送信装置はそれぞれ、上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記パイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、このパイロット信号受信アンテナにより受信したパイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記位相監視制御部からの上記コマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えたものである。
A wireless power transmission system according to the present invention receives sunlight, performs photoelectric conversion, transmits microwaves to a rectenna base station from a plurality of power transmission devices that generate microwaves based on the obtained power, and In a wireless power transmission system that receives at a base station and converts it to DC power,
The rectenna base station includes a rectenna that receives the microwave, a monitor antenna that is provided in the vicinity of the rectenna and receives the microwave, and a pilot signal transmission antenna that transmits a pilot signal to the plurality of power transmission devices. The phase of the microwaves in the plurality of power transmission devices is changed so that the radio wave intensity of the microwaves received by the monitor antenna or the DC power converted by the rectenna is maximized by the calculation based on the measurement of the REV method And a phase monitoring control unit that determines abnormality of the plurality of power transmission devices from the measurement result of the REV method, and each of the plurality of power transmission devices transmits the microwave to the rectenna base. A plurality of transmitting antenna elements for transmitting to the station and a pilot signal receiving for receiving the pilot signal An antenna, a tracking receiver that detects the arrival direction of the pilot signal received by the pilot signal receiving antenna, and a microwave that is transmitted from the plurality of transmitting antenna elements in the arrival direction of the pilot signal detected by the tracking receiver. A beam drive control unit that adjusts the phase to direct, a phase control unit that changes the phase of the microwave based on the command signal from the phase monitoring control unit, and power converted from the sunlight. A plurality of amplifiers that are used to amplify the microwave and a power distribution unit that controls power supply to the amplifiers are provided.
この発明によれば、複数の電力送信装置からのレクテナ基地局に送信されるマイクロ波の位相が揃うように、電力送信装置の位相を調整するので、回路規模の増大を抑制することができる。さらに、電力送信装置の異常を判定し、異常が発生した電力送信装置への電力供給を停止することで、異常が発生した場合の送電効率の低下を回避することができる。 According to the present invention, since the phase of the power transmission device is adjusted so that the phases of the microwaves transmitted from the plurality of power transmission devices to the rectenna base station are aligned, an increase in circuit scale can be suppressed. Furthermore, by determining the abnormality of the power transmission device and stopping the power supply to the power transmission device in which the abnormality has occurred, it is possible to avoid a decrease in power transmission efficiency when an abnormality has occurred.
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システム、レクテナ基地局及び電力送信装置について図1乃至図5を用いて説明する。図1はこの発明の実施の形態1に係る無線電力伝送システムの構成図であり、図1(a)は離散的に配置される電力送信装置からマイクロ波伝送するケースを、図1(b)は機械的に結合された複数の電力送信装置からマイクロ波伝送するケースを表わしている。尚、図1(a)や図1(b)における電力送信装置を含む送信側装置は、宇宙空間に配置されるものや、地球上や成層圏などに配置されるものなどが考えられる。
図1(a)において、1は太陽光を受けて光電変換して電力を生成し、マイクロ波により送電する電力送信装置である。2は各電力送信装置1の基準信号の源振信号を統制する源振統制装置であり、3は源振統制装置2からの基準信号を受信する受信アンテナであるが、源振統制装置2と各電力送信装置1との間の基準信号の送受信は、無線伝送であっても有線伝送であっても良い。4は電力送信装置2からのマイクロ波を受信して電力を生成するレクテナ基地局であり、5は複数のマイクロ波受信アンテナ及び整流回路からなるレクテナである。レクテナ基地局4は後述するパイロット信号送信アンテナを有し、電力送信装置1へ向けてパイロット信号を送信する。レクテナ5及びパイロット信号送信アンテナはレクテナ基地局4の一部をなす。
図1(b)において、6は複数の電力送信装置1を結合する機械的構造体であり、源振統制装置2と各電力送信装置1との間で基準信号の送受信を行うことについては上述のとおりである。
A wireless power transmission system, a rectenna base station, and a power transmission apparatus according to
In FIG. 1A,
In FIG. 1B,
各電力送信装置1はそれぞれマイクロ波をレクテナ基地局4へ向けて送信し、レクテナ基地局4内のレクテナ5によりマイクロ波が受信され合成されるが、このレクテナ5による受信の際に位相が相互にずれていると、レクテナ基地局4で生成される電力は低下することとなる。このような位相のずれは、各電力送信装置1で生成するマイクロ波の基準となる基準信号の位相ずれや、各電力送信装置1の位置変化や姿勢変化を要因として発生する。
図2は電力送信装置1に設けられた電力伝送用のマイクロ波送信アンテナ7の位置及び姿勢変化の例を示しており、個々のマイクロ波送信アンテナ7に生じている姿勢の変化を方位方向の角度変化θAZ、仰角方向の角度変化θELで表わし、位置の変化を1つの仮想平面Sからの距離ΔLで表わす。姿勢の変化(θAZ、θEL)が生じることによって、各電力送信装置1から送信されるマイクロ波の方向がレクテナ5の方向からずれるので、これを補正するためにパイロット信号が用いられる。即ち、各電力送信装置1はパイロット信号を受信して到来方向を求め、パイロット信号の到来方向へマイクロ波の送信方向が指向するように制御される。また、位置の変化ΔLが生じることによって、各電力送信装置1から送信されるマイクロ波は装置毎にその変化ΔL分の位相ずれを生じることになる。この位置変化ΔLに起因して生じる位相ずれを補正するための装置構成について検討する必要が生じるものである。
Each
FIG. 2 shows an example of the change in position and posture of the
次に、この発明の実施の形態1に係る電力送信装置及びレクテナ基地局の構成を図3乃至図5に基づき説明する。
図3は電力送信装置1に設けたマイクロ波送信アンテナ7の送信パネルの外形を示す外形図であり、8は基板、9は基板8の面上にアレイ配置され、マイクロ波を送信する複数の送信アンテナ素子、10はパイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナである。送信アンテナ素子9は基板8の面上にアレイ配置されており、基板8に設けた給電線路によりマイクロ波給電されている。
Next, configurations of the power transmission apparatus and the rectenna base station according to
FIG. 3 is an external view showing the external shape of the transmission panel of the
図4は電力送信装置1の構成を示す機能ブロック図である。
図4において、11は源振統制装置2から入力される基準信号の入力端子、12は基準信号を逓倍しマイクロ波を出力する逓倍器、13はマイクロ波の位相を調整する移相器、14はマイクロ波を各送信アンテナ素子9に分配する分配器、15は分配されたマイクロ波の位相を調整する移相器、16はマイクロ波を増幅する増幅器である。17は光電変換部、32は増幅器16へ供給される電力のON/OFFをコマンド判別器21からのコマンドに基づいて切換える配電部であり、光電変換部17にて生成した電力を配電部32経由で増幅器16へ入力して所定の電力レベルのマイクロ波が生成され、増幅器16に接続された送信アンテナ素子9から空間へ放射される。増幅器16と送信アンテナ素子9との接続は、1対1に接続されていても良いし、1対4のように1個の増幅器16に対して複数個の送信アンテナ素子9が接続されるものでも良い。18はパイロット信号受信アンテナ10から得られる和信号及び差信号に基づきパイロット信号の到来方向(θAZ、θEL)を求める追尾受信機であり、19はパイロット信号の到来方向(θAZ、θEL)へ送信アンテナ素子9から送信するマイクロ波が指向するように各移相器15の移相量を求めるビーム駆動制御部である。20は追尾受信機18により受信したパイロット信号の和信号からコマンド信号を復調する復調器、21は電力送信装置1に付された識別符号(この識別符号を自己の識別符号として記憶しているものとする。)と、復調器20により復調して検出された制御信号に含まれる識別符号とを比較し、符号が一致している場合に、制御信号に含まれるコマンドを出力するコマンド判別器、22はコマンド判別器21からのコマンドに基づき、REV法(素子電界ベクトル回転法:REVは、Rotating Element Electric Field Vectorの略語)に関連する位相調整制御を行うREV制御部、23は移相器13及び移相器15に対して位相設定する位相制御部である。
FIG. 4 is a functional block diagram showing the configuration of the
In FIG. 4, 11 is an input terminal for a reference signal input from the source
図5はレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。図5において、24はレクテナ5により受信したマイクロ波を整流して合成し電力生成する整流合成部であり、25は電力送信装置1から送信されたマイクロ波を受信するモニタアンテナであり、26はモニタアンテナ25により受信したマイクロ波の電波強度を検出する受信機である。ここで、レクテナ5とモニタアンテナ25とは、ともに電力送信装置1の複数の送信アンテナ素子9から送信されるマイクロ波を受信するものであり、レクテナ5の近傍にモニタアンテナ25は配置されるが、好ましくはレクテナ5の開口面上の略中央にモニタアンテナ25を設ける。
27は電波強度Pを監視し、各電力送信装置1の位相制御を行う位相監視制御部である。28はパイロット信号を生成し出力するパイロット信号送信部、パイロット信号送信部28において、29は位相監視制御部27から出力されるコマンド信号(制御対象の電力送信装置1の識別符号を含む)によりパイロット信号の搬送波を変調する変調器、30はパイロット信号を増幅等してパイロット信号送信アンテナ31へ出力する送信機である。
FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the rectenna base station. In FIG. 5, 24 is a rectifying and synthesizing unit that rectifies and synthesizes the microwaves received by the
次に動作について説明する。レクテナ基地局4のパイロット信号送信アンテナ31から送信されたパイロット信号は、電力送信装置1のパイロット信号受信アンテナ10により受信される。図3にはパイロット信号受信アンテナ10の構成の一例が示されており、この例では、基板8の面上中央に設けた5つのアンテナ素子により構成されている。
追尾受信機18はパイロット信号受信アンテナ10により受信した信号を合成して、AZ方向の和信号及び差信号を、EL方向の和信号及び差信号を生成する。追尾受信機18は、パイロット信号のAZ方向及びEL方向が変化することにより、これらの和信号、差信号の値が変化する性質を利用して、パイロット信号の到来方向であるθAZとθELとを求め出力する。
ビーム駆動制御部19はパイロット信号の到来方向である(θAZ、θEL)方向へマイクロ波送信するために、各移相器15に設定する位相量を算出し位相制御部23へ出力し、位相制御部23は入力された位相量により各移相器15の位相を設定する。
このような動作によって、図2に示した位置及び姿勢の変化のうち、姿勢により生じるレクテナ基地局4のレクテナ5の方向と電力送信装置1から送信するマイクロ波の指向方向とのずれが補正される。なお、パイロット信号受信アンテナ10の構成及び配置は、図3に示すものに限られるものではなく、上記のようにパイロット信号到来方向の2次元的な変化に対応して和信号及び差信号の値が変化するものであればよい。
Next, the operation will be described. The pilot signal transmitted from the pilot
The tracking
The beam
Such an operation corrects a deviation between the direction of the
とくに電力送信装置1の初期及び定期メンテナンスにおける各送信アンテナ素子9の位相調整には、REV法を用いた移相器15の調整方法を用いることができる。図4に示すREV制御部22からは、このREV法に基づき位相設定値が出力され、位相制御部23はREV制御部22から入力された位相設定値により移相器15の移相を設定する。REV法は複数の移相器15のうち1つの移相器の位相を回転し、そのときの合成波の電波強度を計測していき、これをすべての移相器15に対して行い、計測した電波強度に基づき、基板面正面方向への放射電波が最大となる各移相器15の位相設定値を求めるものである。電波強度の計測には、基板8の面上又は近傍にプローブアンテナを設ける計測方法や、レクテナ基地局4のモニタアンテナ25を用いる計測方法がある。なお、電力送信装置1の初期及び定期メンテナンスにおいて、電力送信装置1毎に単独で行う位相調整では、調整対象とする電力送信装置1はマイクロ波送信し、それ以外の電力送信装置1のマイクロ波送信は停止しておく。各移相器15の位相を回転して、受信機26により計測した電波強度(又は電波強度と位相)に基づいて、REV法によって位相調整量を求める演算は位相監視制御部27で行い、求めた位相調整量をコマンド信号に格納し、パイロット信号に重畳して電力送信装置1へ送信する。電力送信装置1では受信したパイロット信号からコマンド判別器21によってコマンドを再生し、REV制御部22により格納された位相調整量を位相制御部23へ出力する。
In particular, an adjustment method of the
また、REV法によって位相調整量を求める演算を電力送信装置1のREV制御部22で行うことも可能である。この場合、各移相器15の位相を回転して、受信機26により計測した電波強度(又は電波強度と位相)のデータを位相監視制御部21でコマンドに格納し、パイロット信号に重畳して電力送信装置1へ送信する。REV制御部22では、再生された電波強度のデータに基づきREV法によって位相調整量を求める演算を行い、位相調整量を位相制御部23へ出力する。
なお、REV法によって位相調整量を求める演算は、例えば「電子通信学会論文誌'82/5. Vol. J65-B No.5 555-560頁「フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法―素子電界ベクトル法―」などに示されるように、広く知られている。
Further, the
The calculation for obtaining the phase adjustment amount by the REV method is, for example, “Electronic Communication Society Papers '82 / 5. Vol. J65-B No.5 pages 555-560” It is widely known as shown in “Vector method”.
次に図2に示した位置変化ΔLによって生じる電力送信装置1間の位相ずれを補正する処理の一例について説明する。レクテナ基地局4の位相監視制御部27は、まず電力送信装置1をその識別符号により指定し、当該電力送信装置1の移相器13に対して、位相の変更を指令するコマンド信号(指定した識別符号を含む)をレクテナ基地局4からパイロット信号に重畳して送信する。識別符号が一致する電力送信装置1は、コマンド信号に基づき、移相器13の移送量を所定量変更する。この変更によって、レクテナ基地局4のモニタアンテナ25で受信されるマイクロ波の電波強度Pが変化し、レクテナ基地局4の受信機26で検出される。この移相器13への移相量変更指示及び受信機26での検出を、移相器13の全移相状態数回だけ繰り返して、次の電力送信装置1への移相量変更指示に移る。
これを順々に電力送信装置1毎に繰り返して行っていくことにより、マイクロ波の電波強度Pを取得し、REV法に基づく演算によって、それぞれの電力送信装置1の送信パネル全体の位相を一律に変更する位相調整量(移相器13の位相調整量)を求めることができる。なお、ここで説明したREV法は、受信機26で検出したマイクロ波の電波強度Pではなく、整流合成部24が出力する直流電力の大きさを用いてもよい。
Next, an example of processing for correcting a phase shift between the
By repeating this for each
なお、電波強度Pのみだけでなく、マイクロ波の位相変化も測定して、REV法に基づく演算によって、それぞれの電力送信装置1の送信パネル全体の位相を一律に変更する位相調整量(移相器13の位相調整量)を求めるようにしてもよい。
特開2001−201526号公報に詳しく説明されている修正されたREV法によれば、マイクロ波の電波強度と位相とを計測していき、これらの計測結果に基づいて、REV法の対象となる移相器の全移相状態に応じた振幅誤差及び位相誤差を考慮した高精度な位相調整を行うこともできる。
図5に示すようにレクテナ基地局4のモニタアンテナ25には受信機26が接続されており、この受信機26によって、電力送信装置1から送信されたマイクロ波の合成波の電波強度と位相が検出されるので、上記の修正されたREV法を用いて、電力送信装置1毎に移相器15の高精度な位相調整を行うこともできる。
In addition, not only the radio wave intensity P but also the phase change of the microwave is measured, and a phase adjustment amount (phase shift) for uniformly changing the phase of the entire transmission panel of each
According to the modified REV method described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-201526, the radio wave intensity and phase of a microwave are measured, and based on these measurement results, the REV method is targeted. It is also possible to perform highly accurate phase adjustment in consideration of the amplitude error and the phase error according to the total phase shift state of the phase shifter.
As shown in FIG. 5, a
図5に示したレクテナ基地局4は、位相監視制御部27が電力送信装置2の識別符号を指定し、この識別符号を含むコマンド信号を変調器29へ出力することにより、変調器29においてパイロット信号にコマンド信号が重畳され、送信機30で送信されることにより、「位相の変更を指令する」ことが実行される。
図4に示す電力送信装置1は、パイロット信号受信アンテナ10により受信し追尾受信機18により合成された和信号を復調して、パイロット信号に重畳されたコマンド信号(識別符号を含む)を再生し、コマンド判別器21は予め記憶している識別符号と比較して一致する場合にコマンドをREV制御部22へ出力し、REV制御部22はコマンドを受けて位相制御部23へ移相器13の位相変更を指示する。
In the
The
以上のように、レクテナ基地局4からの指令に基づいて次々と各電力送信装置1の位相を変更していき、レクテナ基地局4に設けたモニタアンテナ25と受信機26によりマイクロ波の電波強度P(又は電波強度P及び位相φ)を検出し、位相調整を行うことにより、図2に示した位置変化ΔLに伴う、マイクロ波の位相ずれの補正ができるとともに、各電力送信装置1に供給される基準信号の位相についても内包されて、この位相調整によって補正されることになり、各電力送信装置1からの位相ずれが補正されてレクテナ基地局4において、より大きな電力を得ることができる。
また、従来技術に開示されたような発電用の衛星側にパイロット返信信号を送信するための拡散変調器や送信機を持たせる必要がないので、回路規模の増大を抑えることができ、軽量化が図られるとともに装置の信頼性を向上することができる。また、パイロット信号にコマンド信号を重畳して送信することによって、電力送信装置1側のコマンド信号の受信系をパイロット信号の受信系を用いて構成することができ、さらに回路規模の縮小化を図ることができる。
As described above, the phase of each
In addition, since it is not necessary to have a spread modulator or transmitter for transmitting a pilot reply signal to the power generation satellite as disclosed in the prior art, it is possible to suppress an increase in circuit scale and reduce weight. And the reliability of the apparatus can be improved. Also, by transmitting the command signal superimposed on the pilot signal, the command signal reception system on the
次に無線電力伝送システム全体の動作を、図6を用いて説明する。図6はこの発明の実施の形態1に係る無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
ステップS1では、レクテナ基地局4の位相制御監視部27によって、電力送信装置1から送信されるマイクロ波をモニタアンテナ25で受信し、受信機26で検出した電波強度Pをモニタする。検出した電波強度Pがしきい値P1より大きいかどうかをステップS2により判定する。電波強度Pがしきい値P1よりも大きい場合は、システムが正常であると判断して、パイロット信号を用いて電力送信装置1に電力送信開始の指示を送る。
Next, the operation of the entire wireless power transmission system will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing an operation flow of the wireless power transmission system according to
In step S <b> 1, the microwave transmitted from the
また、電波強度Pがしきい値P1よりも小さい場合は、図2に示した電力送信装置1の位置変化及び姿勢変化などを要因とする位相ずれが発生していると判断し、ステップS3におけるREV法の実施を指示する。ステップS3のREV法測定が終了した時点で、ステップS4にて電力送信装置1の電力送信を一時停止した後、ステップS5にて位相制御監視部27は、REV法測定データを基に全ての系統について異常が発生していないかの判定を行う。位相監視制御部27でREV法の測定結果から、各電力送信装置1に対する位相補正値を算出する際に、各電力送信装置1の振幅寄与も同時に算出される。この振幅寄与は全電力送信装置1でほぼ一定であり、装置間の製造ばらつき等を考慮して異常が発生しているかの判定に用いるしきい値を決定すればよく、この場合には、位相監視制御部27は、REV法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さいとき、当該電力送信装置に異常が発生したと判定する。
なお、電波強度Pだけでなく位相φまで用いた高精度なREV法の場合は、各電力送信装置1の移相量についても異常が発生していないかの判定ができる。この場合は、移相量の実力値が把握できていれば、その実力値の範囲を勘案してしきい値を決定する。
On the other hand, when the radio wave intensity P is smaller than the threshold value P1, it is determined that a phase shift caused by a change in position and posture of the
In addition, in the case of the highly accurate REV method using not only the radio wave intensity P but also the phase φ, it can be determined whether an abnormality has occurred in the amount of phase shift of each
電力送信装置1は光電変換部17から出力される電力をレクテナ基地局4に送信する装置であるため、できるだけ効率よく電力を送信する必要がある。そこで、REV法によって異常があると判断された電力送信装置1に電力を供給すると、電力の無駄が発生してしまう。これを回避するために、ステップS5にて異常ありと判定された場合は、ステップ11にて異常が発生した電力送信装置1に対して、電力の供給をストップする指示をパイロット信号を用いて送信する。指示を受けた電力送信装置1は、配電部32によって増幅器16への電力供給を停止する。さらにステップS12では、異常が発生した電力送信装置1の数Nが一定値N1を超えた場合に、ステップS21でオペレータに対して装置の交換を指示する。このとき、無線電力伝送システムとして、最低限の電力伝送が実現できるだけの電力送信装置1の数をN1として予め設定しておき、ステップS12の判定に供する。
Since the
電力送信装置1に異常がない場合、または異常が発生した電力送信装置1の数NがN1を超えない場合は、ステップS6で電力送信を再開する。これによって、電力送信装置1の位置変化や姿勢変化等による位相ずれ、電力送信装置1の異常発生に伴う送信電力の無駄発生を回避できる。さらに、異常が発生した電力送信装置1の数が多くなり、無線電力伝送システムとしての運用が困難な場合でも、延々とREV法による位相調整を繰り返すのではなく、装置交換をオペレータに指示することで、早期の復旧が可能となる。
When there is no abnormality in the
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る電力送信装置及びレクテナ基地局の構成を図7乃至図10に基づき説明する。図7はこの発明の実施の形態2に係る無線電力伝送システムの構成図であり、離散的に配置される電力送信装置からレクテナ基地局へのマイクロ波伝送を表している。実施の形態2は実施の形態1に対して、レクテナ基地局の構成を簡素化したものであり、図7における電力送信装置を含む送信側装置とレクテナ基地局は地上に設置される。
図7において、電力送信装置1は監視制御装置41からの制御コマンドにより送電し、源振統制装置2は各電力送信装置1の基準信号を統制する。モニタアンテナ25は電力送信装置1のアンテナ面近傍に設置され、受信機26はモニタアンテナ25で受信したマイクロ波の電波強度を監視制御装置41に出力する。監視制御装置41は各電力送信装置1に対して制御コマンドを出力する。レクテナ基地局4はレクテナ5により電力送信装置1からのマイクロ波を受信して電力する。
Configurations of the power transmission apparatus and the rectenna base station according to
In FIG. 7, the
各電力送信装置1はそれぞれマイクロ波をレクテナ基地局4へ向けて送信し、レクテナ基地局4内のレクテナ5によりマイクロ波が受信され合成されるが、このレクテナ5による受信の際に位相が相互にずれていると、レクテナ基地局4で生成される電力は低下することとなる。このような位相のずれは、各電力送信装置1で生成するマイクロ波の基準となる基準信号の位相ずれや、各電力送信装置1の位置変化や姿勢変化を要因として発生する。
Each
図8は電力送信装置1の構成を示す機能ブロック図である。図8において、11は源振統制装置2から入力される基準信号の入力端子、12は基準信号を逓倍しマイクロ波を出力する逓倍器、13はマイクロ波の位相を調整する移相器、14はマイクロ波を各送信アンテナ素子9に分配する分配器、15は分配されたマイクロ波の位相を調整する移相器、16はマイクロ波を増幅する増幅器である。42は電源装置、32は増幅器16へ供給される電力のON/OFFをコマンド判別器21からのコマンドに基づいて切換える配電部であり、電源装置42から供給される電力を配電部32経由で増幅器16へ入力して所定の電力レベルのマイクロ波が生成され、増幅器16に接続された送信アンテナ素子9から空間へ放射される。増幅器16と送信アンテナ素子9との接続は、1対1に接続されていても良いし、1対4のように1個の増幅器16に対して複数個の送信アンテナ素子9が接続されるものでも良い。
ビーム駆動制御部19はコマンド判別器21からのコマンドに基いて送信アンテナ素子9から送信するマイクロ波が指向するように各移相器15の移相量を求める。コマンド判別器21は電力送信装置1に付された識別符号(この識別符号を自己の識別符号として記憶しているものとする。)と、監視制御装置41からの制御コマンドとを比較し、符号が一致している場合に制御コマンドを出力し、REV制御部22はコマンド判別器21からのコマンドに基づき、REV法に関連する位相調整制御を行う。位相制御部23は移相器13及び移相器15に対して位相設定を行う。
FIG. 8 is a functional block diagram showing the configuration of the
The beam
図9はレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。レクテナ5は電力送信装置1から送信されたマイクロ波を受信し電力を生成する。整流合成部24はレクテナ5で生成された電力を合成し出力する。
FIG. 9 is a functional block diagram showing the configuration of the rectenna base station. The
次に動作について説明する。監視制御装置41は、電力送信装置1から見たレクテナ基地局の方向を制御コマンドとして電力送信装置1に出力する。ここで、電力送信装置1から見たレクテナ基地局の方向は既知の情報である。ビーム駆動制御部19は制御コマンドに基いて各移相器15に設定する位相量を算出し位相制御部23に出力し、位相制御部23は入力された位相量により各移相器15の位相を設定する。
Next, the operation will be described. The
単独の電力送信装置1の初期及び定期メンテナンスにおける各送信アンテナ素子9の位相調整には、REV法を用いた移相器15の調整方法を用いることができる。メンテナンス対象の電力送信装置1だけでマイクロ波を送信し、各移相器15の位相を回転して受信機26により計測した電波強度に基づいて、REV法に基づく位相調整量を求める演算を監視制御装置41で行う。求めた位相調整量は制御コマンドとしてREV制御部22に格納される。このとき、モニタアンテナ25は電力送信装置1のアンテナ面近傍に配置されるため、予めアンテナ面から十分遠方に配置されたときの位相調整量との差を補正するように位相調整量を算出する。なお、モニタアンテナ25は電力送信装置1のアンテナ面と同一面に配置しても良い。
An adjustment method of the
次に電力送信装置1間の位相ずれを補正する処理の一例について説明する。まず電力送信装置1をその識別符号により指定し、当該電力送信装置1の移相器13に対して、位相の変更を指令する制御コマンド(指定した識別符号を含む)を監視制御装置41から電力送信装置1に対して送信する。識別符号を変えながら、全ての電力送信装置1に対して移相器13の位相を回転して、受信機26により計測した電波強度に基づいてREV法に基づく演算を監視制御装置41で行うことで、電力送信装置1間の位相ずれに対する位相調整量を求めることができる。
Next, an example of processing for correcting a phase shift between the
次に無線電力伝送システム全体の動作を、図10を用いて説明する。図10はこの発明の実施の形態2に係る無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
ステップS1で、電力送信装置1からマイクロ波を送信し、定期メンテナンスを行う時間が経過するかをステップ2により判定する。一定時間が経過したら、監視制御装置41からステップ3におけるREV法の実施を電力送信装置1に指示する。
Next, the operation of the entire wireless power transmission system will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart showing an operation flow of the wireless power transmission system according to
In step S1, a microwave is transmitted from the
ステップS3のREV法測定が終了した時点で、ステップS4にて電力送信装置1の電力送信を一時停止した後、ステップS5にて監視制御装置41は、REV法測定データを基に全ての系統について異常が発生していないかの判定を行う。監視制御部41でREV法の測定結果から、各電力送信装置1に対する位相補正値を算出する際に、各電力送信装置1の振幅寄与も同時に算出される。この振幅寄与は全電力送信装置1でほぼ一定であり、装置間の製造ばらつき等を考慮して異常が発生しているかの判定に用いるしきい値を決定すればよく、この場合には、監視制御装置41は、REV法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さいとき、当該電力送信装置に異常が発生したと判定する。
When the REV method measurement in step S3 is completed, after the power transmission of the
電力送信装置1は電源装置42から出力される電力をレクテナ基地局4に送信する装置であるため、できるだけ効率よく電力を送信する必要がある。そこで、REV法によって異常があると判断された電力送信装置1に電力を供給すると、電力の無駄が発生してしまう。これを回避するために、ステップS5にて異常ありと判定された場合は、ステップ11にて異常が発生した電力送信装置1に対して、電力の供給をストップする指示を制御コマンドとして送信する。指示を受けた電力送信装置1は、配電部32によって増幅器16への電力供給を停止する。さらにステップS12では、異常が発生した電力送信装置1の数Nが一定値N1を超えた場合に、ステップS21でオペレータに対して装置の交換を指示する。このとき、無線電力伝送システムとして、最低限の電力伝送が実現できるだけの電力送信装置1の数をN1として予め設定しておき、ステップS12の判定に供する。
Since the
電力送信装置1に異常がない場合、または異常が発生した電力送信装置1の数NがN1を超えない場合は、ステップS6で電力送信を再開する。これによって、電力送信装置1の位相ずれ、電力送信装置1の異常発生に伴う送信電力の無駄発生を回避できる。さらに、異常が発生した電力送信装置1の数が多くなり、無線電力伝送システムとしての運用が困難な場合でも、装置交換をオペレータに指示することで、早期の復旧が可能となる。
When there is no abnormality in the
1 電力送信装置
2 源振統制装置
3 基準信号受信アンテナ
4 レクテナ基地局
5 レクテナ
7 マイクロ波送信アンテナ
8 基板
9 送信アンテナ素子
10 パイロット信号受信アンテナ
11 基準信号の入力端子
12 逓倍器
13 移相器
14 分配器
15 移相器
16 増幅器
17 光電変換部
18 追尾受信機
19 ビーム駆動制御部
20 復調器
21 コマンド判別器
22 REV制御部
23 位相制御部
24 整流合成部
25 モニタアンテナ
26 受信機
27 位相監視制御部
28 パイロット信号送信部
29 変調器
30 送信機
31 パイロット信号送信アンテナ
32 配電部
41 監視制御装置
42 電源装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、REV法による演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記REV法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備え、
上記複数の電力送信装置はそれぞれ、上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記パイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、このパイロット信号受信アンテナにより受信したパイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記位相監視制御部からの上記コマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えた
ことを特徴とする無線電力伝送システム。 Receives sunlight, performs photoelectric conversion, generates microwaves based on the obtained power, transmits microwaves to the rectenna base station, receives the rectenna base station, and converts it to DC power In the wireless power transmission system
The rectenna base station includes a rectenna that receives the microwave, a monitor antenna that is provided in the vicinity of the rectenna and receives the microwave, and a pilot signal transmission antenna that transmits a pilot signal to the plurality of power transmission devices. , A command signal for changing the phase of the microwaves in the plurality of power transmission devices so that the radio wave intensity of the microwaves received by the monitor antenna or the DC power converted by the rectenna is maximized by the REV method. And a phase monitoring control unit that determines abnormality of the plurality of power transmission devices from the measurement result of the REV method,
Each of the plurality of power transmission devices includes a plurality of transmission antenna elements that transmit the microwaves to the rectenna base station, a pilot signal reception antenna that receives the pilot signal, and a pilot signal received by the pilot signal reception antenna. A tracking receiver that detects the direction of arrival, and a beam drive control unit that adjusts the phase so that the microwaves transmitted from the plurality of transmission antenna elements are directed in the direction of arrival of the pilot signal detected by the tracking receiver; Based on the command signal from the phase monitoring control unit, a phase control unit that changes the phase of the microwave, a plurality of amplifiers that amplify the microwave using the power converted from the sunlight, and A wireless power transmission system comprising a power distribution unit for controlling power supply to each amplifier.
上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、REV法による演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記REV法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備えたことを特徴とするレクテナ基地局。 In the rectenna base station that receives sunlight and converts it into DC power by receiving microwaves transmitted from a plurality of power transmission devices that generate microwaves based on photoelectric conversion obtained by photoelectric conversion,
A rectenna that receives the microwave, a monitor antenna that is provided in the vicinity of the rectenna, receives a microwave, a pilot signal transmission antenna that transmits a pilot signal to the plurality of power transmission devices, and an operation based on the REV method Generating a command signal for changing the phase of the microwaves in the plurality of power transmission devices so that the radio wave intensity of the microwaves received by the monitor antenna or the DC power converted by the rectenna is maximized; and A rectenna base station comprising a phase monitoring control unit that determines an abnormality of the plurality of power transmission devices from a measurement result of the REV method.
上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記レクテナ基地局からのパイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、受信した上記パイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記レクテナ基地局からのコマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えた
ことを特徴とする電力送信装置。 In the power transmission device that receives the sunlight and photoelectrically converts the microwave generated based on the obtained power to the rectenna base station,
A plurality of transmitting antenna elements for transmitting the microwave to the rectenna base station, a pilot signal receiving antenna for receiving a pilot signal from the rectenna base station, and a tracking receiver for detecting an arrival direction of the received pilot signal; The beam drive control unit for adjusting the phase so that the microwaves transmitted from the plurality of transmitting antenna elements are directed in the arrival direction of the pilot signal detected by the tracking receiver, and the command signal from the rectenna base station A phase control unit that changes the phase of the microwave, a plurality of amplifiers that amplify the microwave using the power converted from the sunlight, and a power distribution unit that controls power supply to the amplifiers A power transmission device comprising:
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナで生成した電力を合成する整流合成部を備え、
上記複数の電力送信装置はそれぞれ、マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記レクテナ基地局の方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記監視制御装置からの制御コマンドに基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記電源装置から供給された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備え、
上記監視制御装置は、上記電力送信装置の近傍に配置されたモニタアンテナが受信する上記マイクロ波の電波強度を基に、REV法演算により上記レクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更する制御コマンドを生成し、かつ上記REV法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する
ことを特徴とする無線電力伝送システム。 A microwave is generated based on the power supplied from the power supply device, and the microwave is transmitted to the rectenna base station from a plurality of power transmission devices that direct the microwave in the direction indicated by the monitoring and control device. The rectenna base station In the wireless power transmission system that receives and converts to DC power,
The rectenna base station includes a rectenna that receives the microwave, and a rectifying and synthesizing unit that synthesizes power generated by the rectenna.
Each of the plurality of power transmission devices has a plurality of transmission antenna elements that transmit microwaves to the rectenna base station, and a microwave that is transmitted from the plurality of transmission antenna elements is directed toward the rectenna base station. A beam drive controller that performs phase adjustment, a phase controller that changes the phase of the microwave based on a control command from the monitoring controller, and the microwave that is supplied from the power supply device. A plurality of amplifiers for amplification, and a power distribution unit for controlling power supply to each of the amplifiers,
The supervisory control device, based on the radio wave intensity of the microwave received by the monitor antenna disposed in the vicinity of the power transmission device, so that the DC power converted by the rectenna by the REV method calculation is maximized, A wireless power transmission system, comprising: generating a control command for changing a microwave phase in the plurality of power transmission devices; and determining abnormality of the plurality of power transmission devices from a measurement result of the REV method.
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