JP2017199332A - 自立電源を補足するセンサネットワークへの給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサネットワークの電力を確実にする給電方法を提供する。
【解決手段】分散設置されたセンサ端末１とセンサ端末１に光ビーム３を照射する手段を有する光給電局２とを備えたセンサネットワークシステムであって、センサ端末１の電源装置は、光発電素子と蓄電素子と、蓄電素子の電圧値が閾値以下になった場合に信号を周期的に無線送信し、光給電局２は、分散設置されたセンサ端末１からの信号を受信すると光ビーム３を走査して分散設置されたセンサ端末１に順次照射し、センサ端末１が信号を送信しなくなるまで走査を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境発電素子を備えたセンサ端末への補充的給電方法に関する。

橋梁やトンネルなどの構造物に多くのセンサモジュールを取り付けて構造物モニタリングを行うシステムが開発されている。電源に一次電池を使うと交換が発生するので環境発電素子を使うことが基本に考えられているが、センサの種類とその消費電力、センサデータの回収頻度などが用途によって異なるため環境発電素子が生み出す電力で間に合うのかどうかが課題となっている。有効な環境発電素子として太陽電池が考えられているが、夜間や低照度環境では電力不足が危惧される。

外部から強制的に給電する方式が提案されており、多くはマイクロ波を使用した無線給電である（例えば特許文献１）。広域に電波エネルギーの場を作ることが可能なので広域に分散設置するセンサネットワークに有効と考えられているためである。しかし電波強度は輻射源からの距離の二乗に反比例して弱まる。広域にエネルギーを供給することの欠点である。また電波法規では自由に使用できる電波の空間線電力（アンテナへの供給電力）は１Ｗ以下と定められているので、実用的な電力が果たして供給できるのかが課題となる。広域で設置数の少ないセンサネットワークを構築しようとすればセンサ端末に対し１台の無線給電局を設置する可能性もあり、無線給電局の電源とセンサ端末の電源の双方を解決しなければならなくなる。

特許第５４５６３８０号公報

センサ端末の自立電源を効率的に補足するセンサネットワークの給電方法を提案する。

上記課題を解決するために、分散設置されたセンサ端末とセンサ端末に光ビームを照射する手段を有する光給電局とを備えたセンサネットワークシステムであって、センサ端末の電源装置は、光発電素子と蓄電素子と、蓄電素子の電圧値が閾値以下になった場合に信号を周期的に無線送信し、前記光給電局は、分散設置されたセンサ端末からの信号を受信すると光ビームを走査して分散設置されたセンサ端末に順次照射し、センサ端末が信号を送信しなくなるまで前記走査を繰り返すことを特徴とする。

他の解決策として、分散設置されたセンサ端末とセンサ端末に光ビームを照射する手段を有する光給電局とを備えたセンサネットワークシステムであって、センサ端末の電源装置は、光発電素子と蓄電素子と、蓄電素子の電圧値が閾値以下になった場合に端末に付与されたＩＤ信号を周期的に無線送信し、前記光給電局は、ＩＤ信号を発したセンサ端末に向けて光ビームを発射する手段を有することを特徴とする。

本発明は、一つのセンサ端末に一つのエネルギービームを供給する方式である。そのために光ビームを使用する。電波でも原理的に可能であるが、高度な技術開発が必要であり実用化に至っていない。光源からの発散光は平行光にして、さらに集光することが容易であり、強いエネルギーの光ビームを形成することが可能である。これをセンサ端末に順次照射する手段を設けて常時必要とする電力量を維持する。光ビームの発射はセンサ端末の要求に応じて行われるが、一つのセンサ端末の要求信号により全てのセンサ端末に光ビームを順次発射する方式と、電力を必要とするセンサ端末にのみ光ビームを発射する方式が可能である。

広域のセンサネットワークに無線給電が使用しにくい点が多々ある。前述のように電波ビームの遠距離指向性を上げる技術困難性、大電力の発射には申請・認可が必要であること、強い電波強度の環境に入ると人体への影響があること、他の無線機器との電波干渉を避けること、などが必要となる。

本発明は、センサ端末が環境光の発電素子を備え、これで不十分な電力を補うために遠距離照射可能な光ビームを光発電素子に照射して、センサネットワークの電源安定化を図るものである。

トンネルに設置されるセンサ端末に光ビームを照射する図。 センサ端末の機能ブロック図。 光給電局の機能ブロック図。

以下、本発明の実施の形態を図１から図３に基づいて説明する。図１はトンネルにセンサ端末１分散設置し、光ビーム３で照射している一例を示す。センサ端末１の機能ブロックを図２に示し、光給電局３の機能ブロックを図３に示す。センサ端末には光発電素子４が組み込まれ、環境光により蓄電素子に電力が蓄積される。センサモジュールが起動するには電圧（Ｖｍ）が必要であり、蓄電素子の電圧（Ｖｃ）は基本的には以下の値を維持しなければならない。
Ｖｃ≧（２Ｗｓ／Ｃ＋Ｖｍ^２）^１／２
Ｗｓ：センサモジュールの消費電力
余裕を持たせた閾値Ｖｏを設定しておき、ＶｃがＶｏ以下になると通信部を介してアンテナから信号を送信する。

光給電局（図３）が信号を受信すると、光学装置より光ビーム７を発射する。光学装置６は光ビームを形成するもので、ＬＥＤ光源５の発散光を反射鏡とコリメートレンズで平行光にし、集光レンズで光ビームの焦点を調整する。図には示していないが、光学装置６は光ビームがセンサ端末に照射するようにチルド駆動、回転駆動できるようにしておく。これらの駆動はレーザ光の光軸調整に使用されるピエゾアクチュエーターを使用した精密な駆動ステージとして汎用化されており、このような駆動ステージに光学装置を固定して光ビームの発射角度を調整する。光学装置より見たセンサ端末の位置を予め測定しておき、それをプログラム化（制御部の機能）しておく。そして駆動部を制御するようにする。センサ端末の位置測定に測量機を使用すれば、ｋｍオーダの遠距離でも精密に割り出すことができる。

一つの実施形態として、センサ端末からの充電要求信号を受信すると、光ビームは分散設置したセンサ端末に光ビームを順次照射していく方式がある。センサ端末に一定時間照射して次のセンサ端末に光ビームを照射する。充電要求信号は周期的に送信されるようにし、蓄電素子の電圧が閾値Ｖｏ以上になるまで、つまり信号を送信しなくなるまで全センサ端末への照射を繰り返す方式である。この場合、センサ端末の識別（ＩＤ）信号は不要で、信号を受信しなくなるまで照射の走査を繰り返すので制御が簡便になる。充電が不要なセンサ端末にも照射するので光給電局の消費電力は大きくなる。

蓄電素子はＬｉイオンキャパシタ、電気二重層コンデンサが好ましい。Ｌｉイオン二次電池は電流−電圧特性が平坦な形状をしており、電力容量が大きく取れるので自動車から携帯電話に至るまで使用されているが、コンデンサ、キャパシタに比べて充電時間が極めて長く、３０分から１時間程度を要する。これに比べてキャパシタ、コンデンサは数秒以下での充電が可能である。本発明は、一つのセンサ端末に対し一つの光ビームを照射する方式なので短時間の充電が必須となり、Ｌｉイオン二次電池は好ましくない。

光発電素子としては、シリコン系太陽電池（単結晶シリコン、多結晶シリコン）、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ、ＧａＡｓ系、及びそれらの接合系太陽電池、そして色素増感電池がある。エネルギー変換効率は１０％から３０％程度である。センサ端末は小型化が要求されるのでエネルギー変換効率の高い光発電素子が好適である。現在開発が進んでいる超格子ＩｎＧａＮ系の太陽電池、量子ドット太陽電池はエネルギー変換効率は６０％超が期待されており、センサネットワークのように小型で大量の端末が必要になる場合には有効である。現状の技術ではアモルファスシリコン太陽電池と色素増感電池が可視光の波長領域を吸収して発電するため、人口照明の環境や低照度の環境に対して好適である。図１のトンネルの例では、人工照明が取り付けられている場合が多く、しかも低照度環境であるためアモルファスシリコン太陽電池と色素増感電池が好ましい。エネルギー変換効率は白色ＬＥＤ光に対して約１０％程度であり、発電量は面積で決まる。一例として、色素増感電池の面積＝４０ｃｍ^２、照度＝５００Ｌｕｘでは約１．５ｍＷ（波長が５５０ｎｍ−５５５ｎｍ）の電力が期待できる。

光ビームの輝度（光束）や遠距離照射性はかなり自由な設計が可能である。高輝度ＬＥＤが容易に入手でき、コリメートレンズや集光レンズも安価なアクリルで成型できる。例えば、１ｋｍ先のターゲットに１００００Ｌｕｘの照度を実現することは可能である。前述の色素増感電池に適用すると、３０ｍＷの発電が期待できる。一般にセンサモジュールの消費電力は最大で１０ｍＷと言われている。その多くはセンサデータの送信を行う無線部が占める。したがってトンネルのような低照度環境では、スポット照明によるエネルギー供給が欠かせない。

もう一つの実施形態として、センサ端末からの信号にセンサ端末の識別（ＩＤ）情報を乗せ、充電要求のあったセンサ端末にのみ光ビームを発射する方式である。信号は周期的に送信するようにする。信号が送信されなくなったセンサ端末は光ビームの発射は中止する。この方式はプログラムが複雑になるが、光給電局の消費電力は小さく出来る。

本発明は、太陽光、あるいは照明などの環境エネルギーを発電に使用すると共に、外部から光ビームを照射する方式であるので、光発電素子をセンサ端末から離して自由に設置すると良い。双方の光照射に最適な傾き、位置を決めることができる。

また光給電局は複数台を設置しても良い。センサ端末が光給電局から遠ざかるにつれて光ビームの照射範囲が広がり、照度が低くなる。図１のトンネルの例では、トンネルの入り口付近と出口付近に光給電局を設置するのが好ましい。センサネットワークにおける光給電局は設置台数を少なく出来るので、電源は比較的自由である。既存の設置電源からケーブルで供給しても良いし、面積の大きな太陽電池を使用して電力量を確保しても良い。

以上、本発明をトンネルの例について説明したが、橋梁の構造物モニタリングや土砂災害防止のための土壌水分モニタリングなどにも適用することができる。広域のセンサネットワークに適用するのが効果的である。本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて種々の適用が可能である。

１ センサ端末
２ 光給電局
３ 光ビーム
４ 光発電素子
５ ＬＥＤ光源
６ 光学装置
７ 光ビーム

Claims (4)

1. 分散設置されたセンサ端末とセンサ端末に光ビームを照射する手段を有する光給電局とを備えたセンサネットワークシステムであって、
   センサ端末の電源装置は、光発電素子と蓄電素子と、蓄電素子の電圧値が閾値以下になった場合に信号を周期的に無線送信し、前記光給電局は、分散設置されたセンサ端末からの信号を受信すると光ビームを走査して分散設置されたセンサ端末に順次照射し、センサ端末が信号を送信しなくなるまで前記走査を繰り返すことを特徴とするセンサネットワークシステム。
2. 分散設置されたセンサ端末とセンサ端末に光ビームを照射する手段を有する光給電局とを備えたセンサネットワークシステムであって、
   センサ端末の電源装置は、光発電素子と蓄電素子と、蓄電素子の電圧値が閾値以下になった場合に端末に付与されたＩＤ信号を周期的に無線送信し、前記光給電局は、ＩＤ信号を発したセンサ端末に向けて光ビームを発射する手段を有することを特徴とするセンサネットワークシステム。
3. 前記光ビームはＬＥＤからの放射光を反射鏡とコリメートレンズにより平行光束とし、集光レンズを通した光ビームであることを特徴とする請求項１と２に記載のセンサネットワークシステム。
4. 前記光発電素子は、センサ端末から分離して設置できることを特徴とする請求項１乃至３に記載のセンサネットワークシステム。