JP2013141099A - 受電装置及び無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電アンテナが電磁波を受電した際に、受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制する、ことを目的とする。
【解決手段】受電設備は、複数のアンテナパネル２２が平面状に配置されて形成され、送マイクロ波送電部から送電されてくるマイクロ波を受電する受電アンテナ２０を備え、複数のアンテナパネル２２は、マイクロ波送電部が備える送電アンテナとの距離にばらつきを有する。すなわち、受電アンテナ２０を形成する各アンテナパネル２２は、基準位置から距離Ｒでランダム配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、受電装置及び無線電力伝送システムに関するものである。

近年、電磁波により電力を送電する無線電力伝送システムの開発が進んでいる。
この無線電力伝送システムの一例としては、宇宙空間上で太陽光発電を行い、生成した電力を位相が揃えられてビーム形成された電磁波（マイクロ波）として、宇宙空間上の送電アンテナから地上の受電アンテナへ送る宇宙太陽発電システム（Space Solar Power System、以下、「ＳＳＰＳ」という。）や、送電アンテナから電磁波を離島に配置された受電アンテナへ送電する離島電力伝送システム等が挙げられる。

ここで、受電アンテナが電磁波を受電した際、一般的に受電アンテナからは、受電した電磁波の一部が再放射される。再放射された電磁波の位相が揃うような場合は、電磁波の送電時と同様にビーム形成される可能性がある。

非特許文献１には、レクテナアレーの素子数を増やし、各素子間の位相をランダムにすることで、ＳＳＰＳの受電アンテナから再放射される高調波が特定の角度で強めあわないように平均化できる可能性があると、記載されている。

藤野 義之、鈴木 康平 "レクテナの不要波再放射特性に関する検討"、［online］、２００５年、社団法人 電子情報通信学会、［平成２３年１１月１９日検索］、インターネット＜URL:http://www.ieice.org/~wpt/paper/SPS2005-04.pdf＞

しかしながら、非特許文献１には、どのようにして各素子間の位相をランダムにするかまでは記載されていない。特に、ＳＳＰＳや離島電力伝送システムに用いられる受電アンテナは、非常に大きいアンテナであり、かつ複数のアンテナ（アンテナパネルや、アンテナパネルを形成するアンテナ素子）で形成されている。このような受電アンテナに対しては、受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制することが求められる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、受電アンテナが電磁波を受電した際に、受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制できる、受電装置及び無線電力伝送システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の受電装置及び無線電力伝送システムは以下の手段を採用する。

すなわち、本発明の第一態様に係る受電装置は、複数のアンテナ体が平面状に配置されて形成され、送電装置から送電されてくる電磁波を受電する受電アンテナを備えた受電装置であって、複数の前記アンテナ体は、各々前記送電装置との距離にばらつきを有する。

本構成によれば、受電装置は、複数のアンテナ体が平面状に配置されて形成され、送電装置から送電されてくる電磁波を受電する受電アンテナを備える。そして、受電アンテナを形成する複数のアンテナ体は、送電装置との距離にばらつきを有する。すなわち、各アンテナ体は、送電装置の方向に対してランダムに配置されている。

受電アンテナを形成する複数のアンテナ体をランダムに配置することによって、アンテナ体から再放射される電磁波の位相は、他のアンテナ体から再放射される電磁波の位相と異なることとなる。すなわち、各アンテナ体から再放射される電磁波の位相は揃わないこととなり、再合成され難くなる。また、受電アンテナを形成する複数のアンテナ体を、ランダムに配置することによって、送電装置から送電されてくる電磁波の角度にかかわらず、再放射する電磁波の位相が揃うことを抑制できる。

以上のように、本構成は、受電アンテナが電磁波を受電した際に、受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制できる。
また、受電アンテナを形成する複数のアンテナ体を、ランダムに配置するだけであるので、該アンテナ体が例えば数百以上配置されることとなる大型の受電アンテナであっても、受電アンテナの施行時等に対応でき、コストや作業時間の観点からも効果的である。

また、上記第一態様では、複数の前記アンテナ体が、前記送電装置から送電される電磁波の１波長の整数倍の長さを基準とした長さの範囲内でばらついていることが好ましい。

本構成によれば、より確実に受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを抑制できる。

また、上記第一態様では、複数の前記アンテナ体が、前記送電装置に対する方向に各々位置が異なる、又は各々回転されることによって、各々前記送電装置との距離にばらつきを有することが好ましい。

本構成によれば、受電アンテナを形成するアンテナ体と送電装置との距離のばらつきを、簡易に生じさせられる。

本発明の第二態様に係る無線電力伝送システムは、送電アンテナによって電磁波を送電する送電装置と、上記記載の受電装置と、を備える。

本発明によれば、受電アンテナが電磁波を受電した際に、受電アンテナから再放射される電磁波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制できる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係るＳＳＰＳの構成図である。 本発明の実施形態に係る受電アンテナにおけるアンテナパネル及びアンテナ素子の配列を示した図である。 受電アンテナから再放射されるマイクロ波を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る受電アンテナの側面を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る受電アンテナを形成する各アンテナパネルの送電アンテナの方向に対して位置を示した模式図である。 本発明の実施形態に係るアンテナパネルをランダム配置した場合と、ランダム配置しない場合とにおける、受電アンテナから再放射したマイクロ波電力の分布の解析結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るアンテナ素子各々が送電アンテナの方向に対して角度にばらつきを有している場合を示した図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ素子各々が送電アンテナの方向に対して角度にばらつきを有している場合を示した図である。

以下に、本発明に係る受電装置及び無線電力伝送システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、本発明をＳＳＰＳに適用した場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施形態に係るＳＳＰＳ１０の構成図である。
ＳＳＰＳ１０は、図１に示されるように、巨大な太陽電池パネル１２を搭載した人口衛星を赤道上空に打ち上げ、太陽光によって発電した電力を太陽電池パネルの中の発信モジュールによりマイクロ波（電磁波）に変換する。そして、マイクロ波をマイクロ波送電部１４が備える送電アンテナ１６から地上に設けた受電設備１８へ送電し、地上において再び電力に変換するシステムである。

図２は、本実施形態に係る受電設備１８に設けられ、送電アンテナから送電されてくるマイクロ波を受電する平面形状の受電アンテナ（フェーズドアレイアンテナ）２０の概略構成を示した図である。
図２に示されるように、本実施形態に係る受電アンテナ２０は、Ｏ−ＸＹＺの直交座標系において、Ｘ−Ｙ平面上にＮ行Ｎ列で二次元配列された複数のアンテナパネル２２を備えている。隣接するアンテナパネル２２は、各結合点（図示略）において、結合されている。各アンテナパネル２２は、例えば、一辺がＡ（例えば、５ｍ程度）の正方形であり、このような複数のアンテナパネル２２が互いに結合されていることにより平面状に配置され、パネル全体として例えば約２ｋｍ四方の大型の受電アンテナ２０が形成されている。

各アンテナパネル２２には、複数のアンテナ素子２４（パッチアンテナ）がＸ軸方向及びＹ軸方向に所定の距離間隔で、二次元配列されている。例えば、各アンテナパネル２２には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、互いの距離間隔がいずれもａとなるように、アンテナ素子２４が２次元配列されている。なお、アンテナパネル２２の端面とその端面に最も近いアンテナ素子２４との距離は、いずれもａ／２（２分のａ）とされている。

ここで、受電アンテナ２０からは、受電したマイクロ波の一部が再放射される。再放射されたマイクロ波の位相が揃うような場合は、送電アンテナからのマイクロ波の送電時と同様にビーム形成される可能性がある。図３の模式図では、アンテナパネル２２のアンテナ面（パネル面ともいう。）が、基準位置上に位置している。このような場合は、受電アンテナ２０を形成するアンテナパネル２２の各々が受電したマイクロ波の位相が揃っていると、再放射されたマイクロ波の位相が揃うこととなる。

そこで、本実施形態に係る受電アンテナ２０は、マイクロ波送電部１４が備える送電アンテナ１６との距離にばらつきを有するように各アンテナパネル２２が配置されている。

図４は、本実施形態に係る受電アンテナ２０の側面を示した模式図である。
図４に示されるように、受電アンテナ２０のアンテナパネル２２のアンテナ面は、基準位置上に位置していない。すなわち、各アンテナパネル２２は、送電アンテナ１６に対する方向に各々の位置が異なることによって、ランダムに配置（以下、「ランダム配置」という。）されている。

このように、複数のアンテナパネル２２が、ランダム配置されることで、受電したマイクロ波の位相が揃っていても、アンテナパネル２２から再放射されるマイクロ波の位相は、他のアンテナパネル２２から再放射されるマイクロ波の位相と異なることとなる。すなわち、各アンテナパネル２２から再放射されるマイクロ波の位相は揃わないこととなり、再合成され難くなる。

また、一例として、複数のアンテナパネル２２は、送電アンテナ１６から送電されるマイクロ波の１波長の長さを基準とした長さの範囲内でばらついている。

図５は、本実施形態に係る受電アンテナ２０を形成する各アンテナパネル２２の送電アンテナ１６の方向に対して位置を示した模式図である。
図５に示されるように、受電アンテナ２０を形成する各アンテナパネル２２は、基準位置から距離Ｒでランダム配置されている。

距離Ｒは、下記（１）式から算出される。
Ｒ＝ｋ×λ ・・・（１）
上記（１）式におけるｋは、０から１の間の乱数であり、λは送電されるマイクロ波の１波長の長さである。（１）式で算出された距離Ｒを各アンテナパネル２２毎に算出し、算出した距離Ｒで複数のアンテナパネル２２で形成される受電アンテナ２０を施工することによって、受電アンテナ２０から再放射されるマイクロ波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制できる。

なお、波長λは、送電されるマイクロ波の１波長の長さの整数倍を基準とした長さであればよく、送電されるマイクロ波の例えば２波長や３波長等の長さとしてもよい。この整数倍の値を大きくするほど、ランダムに配置させるアンテナパネル２２の施行がより容易になる。

乱数ｋを用いた、アンテナパネル２２のランダム配置についてより詳細説明する。
アンテナパネル２２のばらつきのピッチをＮとすると、乱数ｋの０から１の間の分割数は、ピッチＮに対応するように設定される。例えば、マイクロ波の波長が１２ｃｍであり、ピッチＮを１．２ｃｍ間隔とする場合、乱数ｋの分割数は１０となる。すなわち、乱数ｋは、０、０．１、０．２、・・・０．９、１．０がランダムに現れる乱数となる。
そして、ランダム配置させるアンテナパネル２２の数をＭとし、再放射されるマイクロ波の電力分布が所望の分布となるように、数Ｍ、ピッチＮ及び乱数ｋの組み合わせを求め、求めた組み合わせに従って、アンテナパネル２２を配置する。

図６は、本実施形態に係るアンテナパネル２２をランダム配置した場合と、ランダム配置しない場合とにおける、受電アンテナ２０から再放射したマイクロ波電力の分布の解析結果を示すグラフである。

図６に示されるグラフは、アンテナパネル２２の数を１２とし、送電されるマイクロ波（基本波）の周波数を５．８ＧＨｚとした場合の例における解析結果である。図６に示されるグラフは、横軸が角度とされているが、受電アンテナ２０の中心位置からの距離を示し、縦軸が再放射したマイクロ波電力の大きさを示している。そして、実線がアンテナパネル２２をランダム配置した場合の解析結果であり、破線がアンテナパネル２２をランダム配置しない場合の解析結果である。

図６に示されるように、アンテナパネル２２をランダム配置しない場合は、再放射したマイクロ波電力が受電アンテナ２０の中心（０°）でピークを有し、中心位置から離れるに従って、再放射したマイクロ波電力は小さくなる。すなわち、アンテナパネル２２をランダム配置しない場合は、受電アンテナ２０から再放射されるマイクロ波が再合成されていることが解析的にも分かる。

一方、アンテナパネル２２をランダム配置した場合は、中心位置に再放射したマイクロ波電力のピークは現れず、ランダム配置しない場合の再放射したマイクロ波電力に比べて、受電アンテナ２０全体に渡って、再放射したマイクロ波電力が生じている。また、アンテナパネル２２をランダム配置した場合におけるピークの大きさは、ランダム配置しない場合におけるピークの大きさに比べ−６．６ｄＢとなった。
このように、アンテナパネル２２をランダム配置することによって、受電アンテナ２０から再放射されるマイクロ波が再合成されず、ピークも小さくなることが解析的にも証明された。なお、ランダム配置させるアンテナパネル２２の数が多いほど、再放射されるマイクロ波電力は、よりピークを形成し難くなり、アンテナパネル２２の配置位置に関わらず均等な大きさで再放射されることとなる。

図７，８は、アンテナ素子２４各々が送電アンテナ１６の方向に対して角度にばらつきを有している場合を示した図である。なお、図７，８の図では、各アンテナ素子２４の中心が基準位置からずれない例、すなわち、角度のばらつきによってアンテナ素子２４の中心位置と送電アンテナ１６との距離に変化が生じない例を示している。

図７は、円状（等方位）にマイクロ波を再放射するアンテナ素子２４の例を示している。円状にマイクロ波を再放射するアンテナ素子２４の角度がばらついていても、再放射されるマイクロ波の位相に変化は生じない。

図８は、楕円形状（シャープ）にマイクロ波を再放射するアンテナ素子２４（例えばホーンアンテナ）の例を示している。楕円形状にマイクロ波を再放射するアンテナ素子２４の角度がばらついていても、反射電力の方向にばらつきが生じるものの、円状にマイクロ波を再放射するアンテナ素子２４と同様に、再放射されるマイクロ波の位相に変化は生じない。

このように、アンテナ素子２４又はアンテナパネル２２の角度にはらつきを持たせても、再放射されるマイクロ波の再合成の抑制には寄与しない。換言すると、アンテナ素子２４又はアンテナパネル２２の角度がばらつくことよって、意図しないマイクロ波の再合成は生じないといえる。すなわち、アンテナパネル２２をランダム配置することで、再放射されるマイクロ波の位相が揃うことを抑制する場合は、アンテナ素子２４又はアンテナパネル２２の角度を厳密に管理する必要が無いため、より受電アンテナ２０の施行が容易である。

以上説明したように、本実施形態に係る受電設備１８は、複数のアンテナパネル２２が平面状に配置されて形成され、マイクロ波送電部１４から送電されてくる電磁波を受電する受電アンテナ２０を備え、複数のアンテナパネルは、各々マイクロ波送電部１４が備える送電アンテナ１６との距離にばらつきを有する。
従って、本実施形態に係る受電設備１８は、受電アンテナ２０が電磁波を受電した際に、受電アンテナ２０から再放射されるマイクロ波の位相が揃うことを、簡易な構成で抑制できる。

また、本実施形態に係る受電設備１８は、複数のアンテナパネル２２が、送電アンテナ１６から送電されるマイクロ波の１波長の長さを基準とした長さの範囲内でばらついているので、より確実に受電アンテナ２０から再放射されるマイクロ波の位相が揃うことを抑制できる。

また、本実施形態に係る受電設備１８は、複数のアンテナパネル２２が、送電アンテナ１６に対して平行移動させることで、アンテナパネル２２と送電アンテナ１６との距離のばらつきを、簡易に生じさせることができる。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、本発明をＳＳＰＳ１０に適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、受電アンテナが、平面状に配置された複数のアンテナによって形成されていれば、例えば、電磁波によって離島へ電力を送電する離島電力伝送システム等、電磁波により電力を送電する他の無線電力伝送システムに適用する形態としてもよい。

また、上記実施形態では、受電アンテナ２０を形成する複数のアンテナパネル２２が、送電アンテナ１６に対する方向に各々の位置が異なることによって、ランダム配置される形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アンテナパネル２２が、各々回転されることによって、ランダム配置される形態としてもよい。
この形態におけるアンテナパネル２２の回転とは、例えば、アンテナパネル２２の角や辺を回転中心とした回転であり、各アンテナパネル２２の中心位置と送電アンテナ１６との距離に変化を生じさせる回転である。

また、上記実施形態では、乱数ｋを用いた（１）式から各アンテナパネル２２と送電アンテナ１６方向の距離Ｒを決定する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各アンテナパネル２２の距離Ｒは、他の方法によって決定される形態としてもよい。例えば、受電アンテナ２０からの再放射したマイクロ波電力が平均的な分布となるような各アンテナパネル２２毎の距離Ｒを解析し、決定してもよいし、人為的に距離Ｒを決定する等してもよい。

また、上記実施形態では、受電アンテナ２０を形成するアンテナパネル２２各々をランダムに配置する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数のアンテナパネル２２を一組とし、この一組としたアンテナパネル２２毎にランダム配置してもよい。また、アンテナ素子２４各々をランダムに配置する形態、複数のアンテナ素子２４を一組として、一組としたアンテナ素子２４毎にランダム配置する形態としてもよい。

１０ ＳＳＰＳ
１４ マイクロ波送電部
１６ 送電アンテナ
１８ 受電設備
２０ 受電アンテナ
２２ アンテナパネル

Claims (4)

1. 複数のアンテナ体が平面状に配置されて形成され、送電装置から送電されてくる電磁波を受電する受電アンテナを備えた受電装置であって、
   複数の前記アンテナ体は、各々前記送電装置との距離にばらつきを有する受電装置。
2. 複数の前記アンテナ体は、前記送電装置から送電される電磁波の１波長の整数倍の長さを基準とした長さの範囲内でばらついている請求項１又は請求項２記載の受電装置。
3. 複数の前記アンテナ体は、前記送電装置に対する方向に各々位置が異なる、又は各々回転されることによって、各々前記送電装置との距離にばらつきを有する請求項１又は請求項２記載の受電装置。
4. 送電アンテナによって電磁波を送電する送電装置と、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の受電装置と、
   を備えた無線電力伝送システム。

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