JP5681947B2 - 無線電力伝送装置、ならびに無線電力伝送装置を備える発電装置および発電システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導や電磁波の伝播の代わりに磁気共振を利用して電力を無線で伝送する磁気共振型の無線電力伝送装置に関する。また、本発明は、太陽電池などの発電部によって生成された電気エネルギの電圧を磁気共振型の無線電力伝送によって上昇させる発電装置および発電システムに関する。

一般の太陽光発電システムでは、多数の太陽電池（以下、簡単に「セル」と称する場合がある）を金属枠内に配列し、セル間を相互接続した「太陽電池モジュール」が使用される。太陽電池モジュール（以下、簡単に「モジュール」と称する場合がある）の前面にはガラス板が設けられ、各セルは大気からシールされた状態で動作する。このような太陽電池モジュールを敷設することにより、太陽光発電システムを構築することができる。

このような太陽光発電システムを導入する上で、セルおよびモジュールの製造コストが高いということが障壁になっているが、セルやモジュールを敷設してシステムを構成するコストが高いということも導入障壁として無視できない。敷設作業が高所になるほど、危険かつ高コストとなるため、太陽光発電システムの更なる普及に対して深刻な課題となっている。また、新築ではない建物に太陽光発電システムを導入する場合は、屋外に敷設した太陽光発電部と建物内部の電子機器と接続するための配線工事を施すことが困難であり、このことも、普及に対する大きな課題となっている。

後述するように、個々のセルの出力電圧が低いため、従来の太陽光発電システムでは、電子機器の動作に必要な電圧を得るためには、多数の太陽電池セルを接続する必要があり、多数の接続箇所における信頼性の低下がシステム全体の長期信頼性を低下させる大きな要因ともなっている。また、長期動作中に劣化したモジュールや接続配線を交換する場合も、高所での作業を要するため、維持コストが高いという問題もある。

従来の太陽光発電装置の一例として、屋外から壁材を介して屋内へ無線でエネルギを供給する電力システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電力供給システムでは、壁を介したＲＦ（高周波：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）エネルギの伝送を電磁誘導方式によって実現している。

一方、特許文献２は、２つの共振器の間で空間を介してエネルギを伝送する新しい無線エネルギ伝送装置を開示している。この無線エネルギ伝送装置では、共振器の周辺の空間に生じる共振周波数の振動エネルギのしみ出し（エバネッセント・テール）を介して２つの共振器を結合することにより、振動エネルギを無線（非接触）で伝送する。

特開２００６−１３６０４５号公報（第５の実施形態、図１６） 米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図１２、図１４）

特許文献１に記載されている電力伝送システムでは、個々のセルから出力さされる電圧が低いという太陽光発電デバイスに固有の課題を解決することができない。太陽光発電分野において、現在、エネルギ変換効率が高いということから広く使用されている結晶シリコン系の１個の太陽電池（セル）の出力電圧Ｖｃは０．５Ｖ程度であり、極めて低い。例えば、太陽光発電部からの直流出力を交流に変換する場合、一般の変換回路（パワーコンディショナ）の動作効率が３００Ｖｄｃ程度の入力電圧に対して最大化されるため、高効率での変換を実行するには、数百個ものセルを直列に接続することにより、太陽光発電部の出力電圧を３００Ｖ程度に高めることが必要になる。また、家庭内配電である単相３線（１００Ｖあるいは２００Ｖ）の系統に連系する場合、太陽光発電部の出力電圧をパワーコンディショナによって２００倍以上に昇圧することも考えられるが、昇圧時における電力効率の低下を考慮すると、やはり多数のセルを直列に接続して太陽光発電部の出力電圧をできるだけ高めることが求められる。

なお、太陽光発電システム内で直流から交流への変換を行わない場合でも、同様の問題が生じ得る。昨今注目を集めている直流給電システムでも、使用が検討されている電圧は、４８Ｖｄｃ、あるいは３００〜４００Ｖｄｃの大きさである。このため、直流給電システムへ太陽光エネルギーを供給する場合でも、やはり数十から数百個の太陽電池セルを直列に接続する必要がある。

直列に接続されるセルやモジュールの個数が増大するほど、敷設領域の一部が日陰になった場合（パーシャルシェイディング）や、敷設されるセルやモジュールの一部で特性が劣化した場合に、システム全体の性能低下を招き易くなる。このような問題を回避するため、モジュール内にバイパスダイオードを導入することが一般的に行われるが、発熱やコスト増などの問題を招き、好ましくない。一方、昇圧機能を有する一般的なＤＣ／ＤＣコンバータを用いて昇圧を行う場合でも、直列に接続されたセルの個数を大幅に低減できるほどの高い昇圧比を高効率に実現することは困難である。

また、特許文献２の無線エネルギ伝送装置での昇圧特性は、従来のトランス技術によってもたらされる昇圧特性でしかなく、本発明の課題を解決するには不十分である。

本発明の１つの実施形態は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その１つの目的は、発電部の低い出力電圧を効果的に上昇させることができる無線電力伝送装置を提供することにある。

本発明の無線電力伝送装置は、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナとを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

本発明の発電装置は、直流エネルギを出力する発電部と、前記発電部に接続された無線電力伝送装置とを備える発電装置であって、前記無線電力伝送装置は、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナとを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

好ましい実施形態において、前記発電部は、太陽光発電部である。

好ましい実施形態において、前記太陽光発電部は結晶系シリコンを用いた太陽光発電部である。

好ましい実施形態において、前記第２アンテナの出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、前記発振器の出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが相互に実質的に等しい。

好ましい実施形態において、前記発振器の出力端子と前記第１アンテナの入力端子とが接続された状態において、前記第２アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔと後段に接続する負荷の入力インピーダンスとが実質的に等しい。

好ましい実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

好ましい実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

好ましい実施形態において、前記発電部および前記第１アンテナは、建物の外側に配置され、前記第２アンテナは、前記建物の内部に設置されている。

好ましい実施形態において、前記第１インダクタおよび前記第２インダクタは、いずれも空芯スパイラル構造を有している。

好ましい実施形態において、Ｌ１＜Ｌ２である。

好ましい実施形態において、第２インダクタの巻数Ｎ２は前記第１インダクタの巻数Ｎ１よりも大きい。

好ましい実施形態において、前記第２インダクタの面積は、前記第１インダクタの面積よりも広い。

好ましい実施形態において、前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている。

好ましい実施形態において、前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の周縁に寄っている。

本発明の他の無線電力伝送装置は、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、前記第２アンテナから得られるＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流器とを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記整流器の昇圧比をＶｒｒ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する、無線電力伝送装置。

本発明の他の発電装置は、直流エネルギを出力する発電部と、前記発電部に接続された無線電力伝送装置とを備える発電装置であって、前記無線電力伝送装置は、直流エネルギを出力する発電部と、前記発電部に接続された無線電力伝送装置とを備える発電装置であって、前記無線電力伝送装置は、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、前記第２アンテナから得られるＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流器とを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記整流器の昇圧比をＶｒｒ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する。

好ましい実施形態において、前記発電部は、太陽光発電部である。

好ましい実施形態において、前記整流器の出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、前記発振器の出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが実質的に等しい。

好ましい実施形態において、前記発振器の出力端子と前記第１アンテナの入力端子とが接続された状態で、前記整流器の出力インピーダンスＺｒｏｕｔと後段に接続する負荷の入力インピーダンスとが実質的に等しい。

好ましい実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する。

好ましい実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧２３０４×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

好ましい実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する。

好ましい実施形態において、前記整流器は、昇圧比Ｖｒｒが２以上の倍電圧整流回路である。

本発明の発電システムは、複数の発電装置を備える発電システムであって、前記複数の発電装置に含まれる少なくとも２つの発電装置の出力側端子が並列に接続されており、前記少なくとも２つの発電装置は、それぞれ、上記いずれか発電装置である。

本発明の無線電力伝送装置の好ましい実施形態によれば、磁気共振を利用してアンテナ間の伝送を行うときに昇圧を実現できる。また、本発明の発電装置および発電システの好ましい実施形態によれば、空間を介した非接触の無線エネルギ伝送を行うことができる。そのため、例えば屋外に設置された発電部で発生させたエネルギを建物の電子機器に昇圧しながら伝送することが可能なる。本発明の或る実施形態によれば、発電装置の敷設コストを低減し、発電部の一部が劣化した時の交換作業を簡便化することも可能になる。

さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、発電部の出力電圧を簡単に上昇させることができるため、出力電圧の低い発電素子（太陽電池）を直列に接続して発電部を構成する場合に、発電素子の接続個数を大幅に低減することが可能になる。そのため、本発明のある実施形態における発電装置を並列に接続して太陽光発電システムを構築した場合には、パーシャルシェイディングに対する特性劣化を低減し、安定した電力供給を実現することが可能になる。

本発明の無線電力伝送装置の基本構成を示す図である。 本発明の無線電力伝送装置におけるアンテナの等価回路を示す図である。 本発明による発電装置の構成を示す図である。 本発明による発電装置の使用例を示す模式図である。 本発明の他の無線電力伝送装置（整流回路付）の基本構成を示す図である。 本発明による他の発電装置（整流回路付）の構成を示す図である。 本発明による発電装置の第１の実施形態を示す図である。 本発明による発電装置の第１の実施形態における無線伝送部の等価回路図である。 本発明による発電装置の第１の実施形態の改変例を示す図である。 （ａ）は、２つのインダクタの配置例を示す平面図であり、（ｂ）は、その模式的な断面図である。 本発明による発電装置の第１の実施形態を示す図である。 （ａ）は、本発明による発電装置の第２の実施形態で使用可能な半波倍電圧整流回路の回路図であり、（ｂ）は、第２の実施形態で使用可能な両波倍電圧整流回路の回路図である。 本発明による発電システムの実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施例における無線伝送部の入力インピーダンスＺｉｎおよび出力インピーダンスＺｏｕｔのアンテナ間隔依存性を示すグラフである。 本発明の実施例における無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび無線伝送効率のアンテナ間隔依存を示すグラフである。 本発明の実施例１における無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび無線伝送効率のアンテナ間隔依存性を示すグラフである。

本発明による無線電力伝送装置および発電装置の好ましい実施形態を説明する前に、まず、図１から図６を参照しながら、本発明の基本構成を簡単に説明する。

図１は、本発明による無線電力伝送装置の基本構成の一例を示している。この例の無線電力伝送装置は、発振周波数ｆ０の発振器１０３と、共振周波数ｆＴの第１アンテナと、共振周波数ｆＲの第２アンテナ１０９とを備えており、共振周波数ｆＴおよび共振周波数ｆＲは、いずれも、周波数ｆ０に等しく設定されている。周波数ｆ０は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、より好ましくは１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、さらに好ましくは５００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚに設定される。なお、用途によっては、１０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ、あるいは、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲に設定される。

発振器１０３は、直流エネルギ（電力）を受け取り、この直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する（ＤＣ−ＲＦ変換）。発振器１０３から出力されたＲＦエネルギは、発振器１０３に接続された第１アンテナ１０７に入力される。共振周波数が等しくなるように設計された第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９は、互いの共振器が形成する共振磁界によって結合され、第２アンテナ１０９は、第１アンテナ１０７によって送出されたＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取ることができる。第２アンテナ１０９は、第１アンテナ１０７に接触しておらず、第１アンテナ１０７から例えば数ｍｍ〜数ｍ程度は離間している。

本発明の無線電力伝送装置における「アンテナ」は、共振器の電磁界の近接成分（エバネッセント・テール）を利用した結合を利用して２つの物体間でエネルギ伝送を行うための要素である。共振電磁界を利用した無線電力伝送によれば、電磁波を遠方に伝播させるときに生じるエネルギ損失が生じないため、極めて高い効率で電力を伝送することが可能になる。このような共振電磁界（近接場）の結合を利用したエネルギ伝送では、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の非接触電力伝送に比べて損失が少ない。また、本発明のある実施形態では、例えば数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間でエネルギを伝送することが可能になる。

このような原理に基づく無線電力伝送を行うには、２つの共振アンテナ間で磁気共振による結合を生じさせる必要がある。上述のように、本発明における共振周波数ｆＴおよび共振周波数ｆＲは、いずれも、発振器１０３の周波数ｆ０に等しく設定されるが、厳密に周波数ｆ０に等しく設定される必要はなく、実質的に等しく設定されていれば良い。ｆＴおよびｆＲのいずれも、周波数ｆ０と完全に一致する必要は無い。共振器間の結合に基づき高効率なエネルギー伝送を実現するためには、ｆＴ＝ｆＲが理想的であるが、ｆＴとｆＲとの差異が充分に小さければよい。本明細書において、「周波数ｆＴが周波数ｆＲに等しい」とは、以下の式１が満足される場合であると定義する。
（式１） ｜ｆＴ−ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲ

ここで、ＱＴは第１アンテナの共振器としてのＱ値、ＱＲは第２アンテナの共振器としてのＱ値である。一般に、共振周波数をＸ、共振器のＱ値をＱｘとした場合、この共振器の共振が生じる帯域はＸ／Ｑｘに相当する。｜ｆＴ−ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲの関係が設立すれば、２つの共振器間で磁気共振によるエネルギ伝送が実現する。

次に、図２を参照する。図２は、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の等価回路を示す図である。図２に示すように、本発明における第１アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂが直列に接続された直列共振回路であり、第２アンテナ１０９は、第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂが並列に接続された並列共振回路である。なお、第１アンテナ１０７の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、第２アンテナ１０９の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。

本発明では、発振器１０３の昇圧比をＶｏｃ、第１インダクタ１０７ａのインダクタンスをＬ１、第２インダクタ１０９ａのインダクタンスをＬ２、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との結合係数をｋとするとき、以下の関係が満足するようにＬ１、Ｌ２、ｋ、Ｖｏｃの値が決定されている。
（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²

上記の関係を満足するとき、無線電力伝送を経ることで、出力されるＲＦエネルギーの電圧を入力される直流エネルギの電圧に対して２倍以上に高めること（昇圧比：２以上）が可能になる。このような昇圧が実現する理由については、後に詳しく説明する。なお、今後、昇圧比とはシステム内における該当回路ブロック（複数の回路ブロックが接続された回路ブロック群も含む）における入出力エネルギーの電圧比として定義する。例えば、直流電圧（Ｖｄｃ）が交流電圧（実効電圧Ｖａｃ）に上昇したとき、昇圧比はＶａｃ／Ｖｄｃである。なお、回路ブロックは、発振部１０３、第１アンテナ１０７、第２アンテナ１０９、後述する発電部１０１および整流器１１５などの要素である。

本発明の無線電力伝送装置によれば、無線によって電力を伝送するに際して、低電圧のエネルギ（電力）を伝送時に効率的に昇圧することができる。

図３は、本発明による発電装置の構成を示している。この発電装置は、図１に示す無線電力伝送装置と、無線電力伝送装置の発振器１０３に直流エネルギを供給する発電部１０１とを備えている。本発明の発電装置によれば、発電部１０１の出力電圧が低い場合でも、昇圧効果により、高電圧の電力を出力することが可能である。したがって、本発明の発電装置によれば、例えば太陽電池（セル）から構成された発電部（太陽光発電部）が生成する低電圧のエネルギ（電力）を伝送時に効率的に昇圧することができる。このため、直列に接続されるべきセルの個数を大幅に低減することが可能になる。その結果、敷設費用や維持費用を低減できる、普及に適した新しい太陽光発電システムを提供することが可能になる。

図４は、本発明による無線電力伝送装置を備えた発電装置の使用例を示す模式図である。図示されている発電装置は、建物２００の外部（屋外）に設置された太陽光発電部１０１と、建物２００の内部に存在する電子機器に電力を伝送するための無線伝送部１０５とを備えている。太陽光発電部１０１は、発電デバイスとして、接続された複数の太陽電池を有している。無線伝送部１０５は、建物２００の壁１１１を介して対向する第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを有している。第１アンテナ１０７は、屋外の太陽光発電部１０１に接続されており、第２アンテナ１０９は屋内の電子機器に接続されている。なお、太陽光発電部１０１は、屋根に設置される必要は無く、建物２００の壁１１１上に設置されても良いし、他の建物に設置されていても良い。

なお、本発明における発電部を構成する発電デバイスは太陽電池に限定されず、他の発電デバイスであってもよい。例えば、発電部は燃料電池を有していても良い。燃料電池は、比較的に低い電圧のＤＣエネルギを出力し、高電圧系統と連結して用いられるため、本発明の昇圧効果は有用である。

図５は、本発明による他の無線電力伝送装置を示す図である。この無線電力伝送装置が前述の無線電力伝送装置（図２）と異なる点は、第２アンテナ１０９に接続された整流回路（整流器）１１５を備えている点にある。この整流回路１１５の働きにより、無線電力伝送装置から直流エネルギを出力させることが可能になる。図６は、このタイプの無線電力伝送装置を備える本発明の発電装置を示している。図６の発電装置によれば、低電圧の直流エネルギを出力する発電部１０１を用いても、無線電力伝送時の昇圧効果により、充分に高い電圧に昇圧された直流エネルギを出力することができる。

なお、整流回路１１５の昇圧比をＶｒｒとすると、第２アンテナ１０９に整流回路１１５が接続されている場合には、以下の関係を満足するときに２倍以上の昇圧を実現することが可能になる。
（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²
この点についても、詳細な説明は後述する。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

（実施形態１）
まず、図７および図８を参照しながら、本発明による発電装置の第１の実施形態を説明する。図７は、本実施形態を示す透視模式図であり、図８は、図７に示す無線伝送部１０５の等価回路図である。図７、図８において、図１、図２に示した構成要素に対応する構成要素には同じ参照符号を付している。

本実施形態の発電装置は、図７に示すように、発電部１０１と、発振器１０３と、無線伝送部１０５とを備えており、これらは直列に接続されている。

本実施形態における発電部１０１は、直列に接続された複数の太陽電池（セル）を有している。太陽電池としては、発電効率向上の観点から、結晶シリコン系の太陽光発電素子を用いることが好ましい。しかし、本発明に使用可能な太陽電池は、ガリウム砒素、ＣＩＳ系などの化合物半導体材料を用いた各種の太陽光発電素子であってもよいし、有機材料を用いた各種の太陽光発電素子であってもよい。また、使用する半導体の結晶構造は、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれであってもよい。各種半導体材料を積層したタンデム型の太陽光発電素子を利用してもよい。

発振器１０３には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができるし、ドハーティ増幅器を用いてもよい。歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを配置することにより、高効率な正弦波を生成してもよい。

無線伝送部１０５は、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを有している。伝送効率の観点から、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９は、対向するように配置されることが好ましい。ただし、アンテナ１０７、１０９の配置は、対向配置に限定されず、両者が直交しないように配置されていればよい。

発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振器１０３でＲＦエネルギに高い効率で変換される。このＲＦエネルギは、無線伝送部１０５により、空間（壁１１１）を介して無線によって伝送され、出力端子１１９から出力される。

図示されている第１アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂからなる直列共振回路であり、第２アンテナ１０９は第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂからなる並列共振回路である。第１アンテナ１０７の共振周波数ｆＴおよび第２アンテナ１０９の共振周波数ｆＲは、それぞれ、発振器１０３によって生成されるＲＦエネルギの周波数ｆ０にほぼ等しくなるよう設定されている。また、本実施形態における第２アンテナ１０９の出力インピーダンスＺｏｕｔは、発振器１０３の入力直流インピーダンスＺｉｄｃよりも高い値に設定されている。

前述した原理により、本実施形態では、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との距離を例えば数ｍｍ〜数ｍの距離に設定することができ、両者の間に壁１１１が存在しても、高い効率でエネルギを伝送できる。なお、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との間に壁１１１が存在せず、単なる空間が存在する場合でも、非接触でエネルギを伝送できることは言うまでもない。

また、本実施形態では、このような無線による非接触接続を実現できるだけではなく、第１アンテナ１０７に流入するＲＦエネルギの入力電圧に対して、第２アンテナ１０９の側で昇圧されたＲＦエネルギとして取り出すことが可能となる。

回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑圧し、総合発電効率を改善するためには、第２アンテナ１０９の出力端子が負荷に接続された状態において、発振器１０３の出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとを等しくすることが好ましい。また、同様に、発振器１０３が第１アンテナ１０７に接続された状態で、第２アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔが、接続される負荷の抵抗値Ｒと等しくすることが好ましい。

なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「等しい」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、ほぼ等しい場合を含み、具体的には、２つのインピーダンスの差異が、大きい方のインピーダンスの２５％以下である場合を含むものと定義する。

第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との間は、壁１１１が存在する必要はなく、障害物を介することなく第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とが対向していてもよい。また、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを隔てるものが屋根であってもかまわない。

なお、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の両方が屋内に配置されていてもよいし、屋外に配置されていてもよい。このような場合でも、２つのアンテナ間で無線電力伝送を行う際に昇圧を行うことができる。第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の両方が屋内に設置されている場合、屋外の太陽光発電部１０１と第１アンテナ１０７との接続は、例えば建物２００の壁１１１に設けた開口部を介した有線によって実現され得る。また、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の両方が屋外に設置されている場合、屋内の電子機器と第２アンテナ１０９との接続も、例えば建物２００の壁１１１に設けた開口部を介した有線によって実現され得る。屋内外の有線接続を省略するためには、図７に示す例のように、第１アンテナ１０７を屋外に設置し、第２アンテナ１０９を屋内に設置することが好ましい。

本実施形態における無線電力伝送の効率は、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との間隔（アンテナ間隔）や、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９を構成する回路素子の損失の大きさに依存する。なお、「アンテナ間隔」とは、実質的に２つのインダクタ１０７ａ、１０９ａの間隔である。アンテナ間隔は、アンテナの配置領域（アンテナにによって占有される領域）の大きさを基準に評価することができる。

好ましい実施形態において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、いずれも、平面状に広がり、両者は互いに平行に対向するように配置される。ここで、アンテナの配置領域の大きさとは、サイズが相対的に小さなアンテナの配置領域の大きさを意味し、アンテナを構成するインダクタの外形が円形の場合はインダクタの直径、正方形の場合はインダクタの一辺の長さ、長方形の場合はインダクタの短辺の長さに定義されるものとする。本実施形態によれば、アンテナ間隔が、アンテナの配置領域の大きさの１．５倍程度であっても、９０％以上の無線伝送効率でエネルギを伝送することが可能である。また、無線伝送部１０５の出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して７８３２倍以上に増大させることも可能である。

本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、それぞれ、巻数Ｎ１、Ｎ２のスパイラル構造を有している（Ｎ１＞１、Ｎ２＞１）が、巻数が１のループ構造を有していてもよい。これらのインダクタ１０７ａ、１０９ａは、一層の導電体パターンから構成されている必要は無く、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。

第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。ＲＦエネルギの高周波電流は、導電体の表面を集中して流れるため、発電効率を高めるため、導電体の表面を高導電率材料で被覆してもよい。導電体の断面中央に空洞を有する構成からインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すると、軽量化を実現することができる。更に、リッツ線などの並列配線構造を採用してインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すれば、単位長さ辺りの導体損失を低減できるため、直列共振回路、および並列共振回路のＱ値を向上させることができ、より高い効率で電力伝送が可能になる。

製造コストを抑制するために、インク印刷技術を用いて、配線を一括して形成することも可能である。第１インダクタ１０７ａおよび／または第２インダクタ１０９ａの周辺に磁性体を配置してもよいが、第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの結合係数を極端に高い値に設定することは好ましくない。このため、インダクタ１０７ａ、１０９ａの間の結合係数を適度な値に設定できる空芯スパイラル構造を有するインダクタを用いることがより好ましい。

第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂには、例えばチップ形状、リード形状を有する、あらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂとして機能させることも可能である。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂをＭＩＭキャパシタから構成する場合は、公知の半導体プロセスまたは多層基板プロセスを用いて低損失の容量回路を形成できる。

長期信頼性を高めるという観点から、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９を構成する部品（インダクタおよび容量素子など）は保護装置１１７内に格納されることが好ましい。また、保護装置１１７には防水加工が施されることが好ましい。

伝送損失を最小化するためには、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９は、できるだけ近接して配置されることが好ましい。ただし、昇圧比を所望の値に調整する目的で保護装置１１７内における位置を調整してもよい。

保護装置１１７は、壁１１１や屋根などの外部部材に直接に固定されていてもよい。第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との磁界結合の強さに影響を与えない範囲で、保護装置１１７および外部部材にそれぞれ強磁性体および磁石を設けることにより、強磁性体と磁石との間に働く磁力を利用し、保護装置１１７を外部部材に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。あるいは、保護装置１１７および外部部材のいずれか一方に吸盤を設けることにより、保護装置１１７を外部部材に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。

次に、図８を参照しながら、本発明の発電装置によって得られる昇圧効果を説明する。

ここでは、送電側の第１アンテナ１０７と受電側の第２アンテナ１０９とが結合係数ｋで結合しているものとする。結合係数は、同一周波数ｆ０で共振する２つの共振器（アンテナ１０７、１０９）を近接させた際に分離する２つの共振周波数ｆＬ、ｆＨを計測することにより、以下の式から導かられる。
（式２） ｋ＝（ｆＨ²−ｆＬ²）／（ｆＨ²＋ｆＬ²）

なお、発振器１０３の周波数ｆ０は、共振周波数ｆＬ、ｆＨの近傍に設定することが好ましい。より詳しくは、共振周波数ｆＬ、ｆＨにおける結合共振器対のＱ値を、それぞれ、ＱＬ、ＱＨとするとき、以下の式３を満たすようにｆ０を設定することが好ましい。
（式３）ｆＬ−ｆＬ／ＱＬ≦ｆ０≦ｆＨ＋ｆＨ／ＱＨ

また、インダクタンスＬ１の第１インダクタ１０７ａとインダクタンスＬ２の第２インダクタ１０９ａとの間に生じる相互インダクタンスＭと結合係数ｋとの間には、以下の関係が成立する。
（式４） Ｍ＝ｋ×（Ｌ１×Ｌ２）^0.5

このように、結合係数ｋは、インダクタ間または共振器間の結合強度の指標として従来から用いられている公知の結合係数と同一の指標である。結合係数ｋは、０＜ｋ＜１の関係を満たす数値を有する。従来の電磁誘導によるエネルギ伝送では、結合係数ｋを可能な限り大きく、ほぼ１に等しくなるように、アンテナの構成および配置関係が設計される。後述するように、本発明では、結合係数ｋを１に近い値に設定する必要はなく、０．５以下の値に設定することも可能である。

第２アンテナ１０９の並列型共振回路において、第２インダクタ１０９ａを流れる高周波電流をＩＬ２、第２容量素子１０９ｂを流れる高周波電流をＩＣ２とすると、図８に示す向きに流れる出力高周波電流Ｉ２は、以下の式によって表される。
（式５） Ｉ２＝−ＩＬ２−ＩＣ２

また、第１インダクタ１０７ａを流れる高周波電流をＩＬ１とすると、第２インダクタ１０９ａを流れる高周波電流ＩＬ２、第２容量素子１０９ｂを流れる高周波電流ＩＣ２、第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２、第２インダクタ１０９ａの寄生抵抗Ｒ２、第１インダクタ１０７ａのインダクタンスＬ１、第２容量素子１０９ｂのキャパシタンスＣ２を用いて、以下の式が導かれる。
（式６） （Ｒ２＋ｊωＬ２）×ＩＬ２＋ｊωＭ×ＩＬ１＝ＩＣ２／（ｊωＣ２）

第２アンテナ１０９では共振条件が成立しているため、以下の（式７）が成立している。
（式７） ωＬ２＝１／（ωＣ２）

上記の（式５）〜（式７）から、以下の式が成立する。
（式８） Ｒ２×ＩＬ２＋ｊωＭ×ＩＬ１＝ｊωＬ２×Ｉ２

（式８）を変形して以下の式を得る。
（式９） Ｉ２＝ｋ×（Ｌ１／Ｌ２）^0.5×ＩＬ１−ｊ（Ｒ２／ωＬ２）×ＩＬ２

一方、第１アンテナ１０７の共振器の低損失性を評価する指標Ｑ値は、（式１０）の式によって表される。
（式１０） Ｑ２＝ωＬ２／Ｒ２

ここで、共振器のＱ値が非常に高い場合、（式６）の右辺第２項を無視する近似が成り立つ。よって、最終的に、以下の（式１１）により、第２アンテナ１０９で生じる高周波電流（出力電流）Ｉ２の大きさが導出される。
（式１１） Ｉ２＝ｋ×（Ｌ１／Ｌ２）^0.5×ＩＬ１

ここで、高周波電流Ｉ２は、送電側の共振器（第１アンテナ１０７）に入力される高周波電流Ｉ１（＝第１インダクタ１０７ａを流れる高周波電流ＩＬ１）、共振器（アンテナ）間の結合係数ｋ、第１および第２インダクタンスＬ１、Ｌ２に依存する。

上記の（式１１）から、本実施形態の発電装置の昇流比Ｉｒは、次の（式１２）によって表される。
（式１２） Ｉｒ＝｜Ｉ２／Ｉ１｜／Ｖｏｃ＝ｋ／Ｖｏｃ×（Ｌ１／Ｌ２）^0.5

また、昇圧比Ｖｒおよびインピーダンス変換比Ｚｒは、それぞれ、（式１３）および（式１４）によって表される。
（式１３） Ｖｒ＝（Ｖｏｃ／ｋ）×（Ｌ２／Ｌ１）^0.5
（式１４） Ｚｒ＝（Ｖｏｃ／ｋ）²×（Ｌ２／Ｌ１）

（式１３）からわかるように、（Ｌ２／Ｌ１）＞（ｋ／Ｖｏｃ）²の条件が成立するとき、昇圧比Ｖｒは１よりも大きくなる。このことから、結合係数ｋが小さくなると、昇圧比Ｖｒが上昇することがわかる。従来の電磁誘導によるエネルギ伝送では、結合係数ｋを低下させることは、伝送効率の大幅な低下につながっていたが、本発明の磁気共振方式では、結合係数ｋを低下させても伝送効率の大幅な低下には至らない。特に、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の各々を構成する共振器のＱ値を高い値に設定すれば、昇圧比Ｖｒを増大させながら、伝送効率の低下を抑制することが可能である。

太陽光発電システムにおけるパーシャルシェイディングの影響を回避するためには、多数の太陽光発電部を直列に接続する構成よりも、複数の太陽光発電部を並列に接続する構成を採用することが好ましい。２つの太陽光発電部を直列に接続する場合と同等の電圧特性を、２つの太陽光発電部を並列に接続することによって得るためには、各太陽光発電部の出力電圧を２倍に昇圧する必要がある。

（式１２）から、昇圧比Ｖｒが２に等しくなるのは、（Ｌ２／Ｌ１）≧４×（ｋ／Ｖｏｃ）²の関係が満足されるときである。本発明では、（Ｌ２／Ｌ１）≧４×（ｋ／Ｖｏｃ）²の関係が満足されるため、２以上の昇圧比Ｖｒが実現できる。

（Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／Ｖｏｃ）²の関係が成立すると、１０倍以上の昇圧比Ｖｒを実現することができる。（Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／Ｖｏｃ）²の関係が成立すると、１００倍以上の昇圧比Ｖｒを実現することができる。

本実施形態の発電部では、このように高い昇圧比Ｖｒを実現するように、ｋ、Ｖｏｃ、Ｌ２、Ｌ１の大きさを設定することは容易である。

以下、本実施形態の無線電力伝送装置の効果を従来の無線電力伝送装置と比較しながら説明する。

特許文献２に開示されている無線電力伝送装置では、２つの磁気共振器の間でエネルギが伝送されるが、その無線電力伝送装置は、２つの共振器で同一の共振方式を採用しているため、伝送に際して昇圧効果が発現しない。本発明の無線電力伝送装置によって得られる出力電圧の上昇効果は、第１アンテナの側に直列磁気共振構造を採用するとともに、第２アンテナの側に並列磁気共振構造を採用し、これらの異なる共振構造の間でエネルギの伝送が行われたときに生じる新規な効果である。

なお、直列共振回路や並列共振回路は、ＲＦタグに代表される従来の無線通信システムでも使用され得る。しかし、無線通信システムの高周波ブロックの特性試験に用いる測定器の測定端子の終端インピーダンスや高周波ケーブルの特性インピーダンスは、基本的に５０Ωに設定されている。よって、無線通信システムのアンテナとの接続点では、送信機器内でも受信機器内でも、インピーダンスを５０Ωにあわせて回路ブロック間を接続するのが一般的である。

一方、本発明における無線伝送部での入出力インピーダンス変換比Ｚｒは、後述の実施例においても１００を超えたり、条件によっては２００００を超えていたり、と極めて高い値を示すように設定される。このような高い入出力インピーダンス変換比Ｚｒは、従来の通信システムでは考慮の対象外である。

また、本発明では、２つの共振器(アンテナ)間の距離を大きく設定し、結合係数ｋを低く設定するほど、より高い昇圧比Ｖｒを得ることができるが、このことは、公知の通信システムに用いられてきた無線伝送部の構造および機能からは容易に想到し得ない効果である。

なお、電源回路などに利用されるトランスでは、２つのインダクタが近接しており、一種の無線電力伝送装置として機能している。しかし、これらのインダクタ間では、磁気共振型の結合は生じていない。なお、トランスでは、第１インダクタの巻数Ｎ１に対する第２インダクタの巻数Ｎ２の比率を大きくすることにより、昇圧効果を実現することも可能である。しかし、トランス昇圧回路によって例えば１０以上の昇圧比を実現しようとすると、巻数Ｎ２を巻数Ｎ１の１０倍以上に増加させる必要がある。巻数Ｎ２の大幅な増加は、第２インダクタにおける寄生抵抗成分Ｒ２を比例的に上昇させるため、伝送効率の低下を招いてしまう。この点、本発明では、巻数Ｎ１と巻数Ｎ２とが同じ値に設定されていても、高いＺｒを得ることができる。

本発明では、第１インダクタ１０７ａのインダクタンスＬ１と第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２とを等しく設定する必要はない。例えば、インダクタンスＬ２をインダクタンスＬ１より大きく設定することにより、昇圧比Ｖｒを高めることができる。

図９は、第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２を高めるため、第２インダクタ１０９ａの巻数Ｎ２を第１インダクタ１０７ａの巻数Ｎ１よりも大きな値に設定した実施形態を示す図である。Ｎ２／Ｎ１が１よりも大きいと、公知のトランス昇圧回路を用いて昇圧する場合に比べ、より低い損失で高い昇圧比を実現できる。

インダクタンスＬ２をインダクタンスＬ１より大きくするために、Ｎ２／Ｎ１を１よりも大きく設定する代わりに、あるいはＮ２／Ｎ１を１に設定したままで、第２アンテナ１０９の形成領域を第１アンテナ１０５の形成領域よりも拡大してもよい。

以下の説明において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａの少なくとも前面は、いずれも、平面的な形状を有しており、それらは互いに直交しないように配置されているものとする。図１０（ａ）は、第１アンテナ１０７の配置面に対して垂直に投影した、第２アンテナ１０９の配置領域１１３を示している。ここで、第１アンテナ１０７の「配置面」とは、第１インダクタ１０７ａの前面を含む１つの平面（第１配置面）であると定義する。図１０（ｂ）は、第１インダクタ１０７ａの配置面２４０を示す断面図である。図１０（ｂ）の例における第１インダクタ１０７ａは、配置面２４０に対して平行である。また、第２アンテナの配置領域とは、第１アンテナ１０７の配置面２４０に対して垂直に投影された第２インダクタ１０９ａの輪郭によって囲まれた領域であると定義する。

図１０（ａ）には、第１アンテナ１０７の配置面に対して垂直に投影された第１インダクタ１０７ａが示されている。図１０（ａ）に示す例では、第１アンテナ１０７の配置面に投影された第１インダクタ１０７ａが、配置領域１１３の内部に存在し、かつ、配置領域１１３の縁部に寄っている。このような配置構成を採用することにより、更に高い昇圧比を実現することができる。

無線伝送部１０５の昇圧比を調整するために、アンテナの形状およびサイズを非対称な組合せに設定した上で、第２アンテナよりも第１アンテナを大きく設定してもよい。

なお、アンテナの配置関係は図１０に示す例に限定されず、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを入れ替えた配置関係であってもよい。すなわち、図１０における「第１アンテナ１０７」を「第２アンテナ１０９」に置き換え、「配置領域１１３」を「第１アンテナ１０７の配置領域」に置き換えてもよい。ここで、「第１アンテナ１０７の配置領域」とは、第２アンテナ１０９の配置面に投影されたインダクタ１０７ａの輪郭によって囲まれた領域である。また、「第２アンテナ１０９の配置面」とは、第２インダクタ１０９ａの前面を含む１つの平面（第２配置面）であると定義する。伝送効率の観点から、第１配置面と第２配置面とは互いに平行な関係にあることが好ましいが、両者は厳密に平行である必要は無い。なお、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａは、平面的な形状を有している必要はない。

（実施形態２）
次に、図１１を参照しながら、本発明による発電装置の第２の実施形態を説明する。図１１は、本実施形態の発電装置の基本構成を示す図である。図１１において、第１の実施形態の構成要素に対応する構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略することとする。

本実施形態の発電装置が第１実施形態における発電装置と異なる第１の点は、第２アンテナ１０９の出力部に整流回路１１５が直列に接続されていることにある。

本実施形態の発電装置によっても、第１の実施形態における発電装置の効果と同様の効果を得ることができ、更に、直流の電力を出力として得ることができる。

回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑圧し、総合発電効率を改善するためには、整流回路１１５の出力端子が不図示の直流負荷または直流負荷システムに接続された状態において、発振器１０３の出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとをほぼ等しくすることが好ましい。また、同様に、発振器１０３が第１アンテナ１０７に接続された状態で、整流回路１１５の出力インピーダンスＺｒｏｕｔが、接続される不図示の直流負荷または直流負荷システムの抵抗値Ｒにほぼ等しく設定されることが好ましい。

整流回路１１５には様々な方式で整流を行う回路があり、両波整流やブリッジ整流回路を利用できる。図１２（ａ）は、半波倍電圧整流回路の回路図であり、図１２（ｂ）は両波倍電圧整流回路の回路図である。他にも、３倍以上の昇圧比を実現できる高倍圧整流回路方式がある。これらの整流回路は、いずれも、本発明に適用可能である。

図１２に例示される倍電圧整流回路を用いれば、整流回路１１５に入力されるＲＦ電圧の２倍に昇圧した直流電圧を出力させることが可能となる。このような整流回路１１５を用いると、無線伝送部１０５での昇圧効果に加えて、更なる昇圧効果を実現することが可能になる。

本実施形態では、実施形態１について導出した昇圧比Ｖｒおよびインピーダンス変換比Ｚｒが、それぞれ、整流回路１１５における昇圧比Ｖｒｒを用いて、以下の（式１５）（式１６）へと書き換えられる。
（式１５） Ｖｒ＝（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ／ｋ）×（Ｌ２／Ｌ１）^0.5
（式１６） Ｚｒ＝（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ／ｋ）²×（Ｌ２／Ｌ１）

本実施形態では、上記の（式１５）からわかるように、（Ｌ２／Ｌ１）＞（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²の関係を満足する場合に昇圧比を１より大きくすることが可能になる。

昇圧比Ｖｒを２以上にするためには、（Ｌ２／Ｌ１）≧４×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²での関係を満足する必要がある。（Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²の関係が成立するとき、１０倍以上の昇圧比Ｖｒを実現することができる。

本実施形態の発電装置によれば、直流給電システムを実現できる。直流給電システムの一例として、２４Ｖｄｃでの給電システムが検討されているが、（Ｌ２／Ｌ１）＝２３０４×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²の関係を満たすことにより、０．５Ｖから２４Ｖまで４８倍の昇圧を実現できる。このため、本発明を直流給電システムに適用する場合は、（Ｌ２／Ｌ１）≧２３０４×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²の関係を満足することが好ましい。また、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²の関係が成立すると、１００倍以上の昇圧比Ｖｒを達成することができる。

（実施形態３）
次に、図１３を参照しながら、本発明による発電システムの実施形態を説明する。図１３は、本実施形態における発電システムのブロック図である。図１３において、前述の実施形態における発電装置の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

図１３の発電システムは、並列的に接続された複数の発電装置１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎを含んでいる。本実施形態における発電装置１３１ａ〜１３１ｎは、いずれも、実施形態２の発電装置であるが、本発明の効果を得るには、並列に接続された少なくとも２つの発電装置が本発明の発電装置であればよい。

各発電装置１３１ａ〜１３１ｎは、直列に接続された太陽光発電部１０１、発振器１０３、第１アンテナ１０７、第２アンテナ１０９、および整流回路１１５を備えている。

太陽光発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振器１０３でＲＦエネルギに高い効率で変換される。このＲＦエネルギは、送電側の第１アンテナ１０７と受電側の第２アンテナ１０９との間で非接触に転送された後、整流回路１１５によって直流エネルギに変換され。各発電装置１３１ａ〜１３１ｎから出力された直流エネルギ（電力）は、並列接続によって加算された後、負荷１３３に供給される。

本実施形態によれば、発電装置１３１ａ〜１３１ｎの各々から得られる出力電圧が、個々の太陽光発電部によって得られる出力電圧よりも飛躍的に増大している。よって、発電装置１３１ａ〜１３１ｎを並列に接続しても、負荷１３３が要求する電圧値により近い値を実現することが可能である。

発電装置１３１ａ〜１３１ｎが並列に接続されているため、発電装置１３１ａ〜１３１ｎの一部の特性が劣化した場合や、発電装置１３１ａ〜１３１ｎに対する太陽光の照射条件に差異が生じた場合でも、従来の発電システムよりも安定した特性を得ることが可能となる。

負荷１３３は、例えば、一般の電気機器や蓄電池である。負荷１３３は、直流を交流へ変換するためのインバータ機能回路、昇降圧機能回路、または両機能の複合機能を持つパワーコンディショナ回路であってもよい。例えば負荷１３３のインピーダンスと整合させるため、本実施形態における発電システムの一部で発電装置が直列に接続されていてもよい。

（実施例１）
以下、本発明の実施例１を説明する。

まず、受光面側の形状が一辺１２ｃｍの正方形である９つの単結晶シリコン系太陽光発電素子（セル）を直列に接続し、出力電圧４．５Ｖ、出力電流１Ａ、出力インピーダンス４．５Ωの太陽光発電部を作製した。この太陽光発電部の出力端子に、出力周波数が３ＭＨｚ、出力インピーダンスＺｏｃが５Ωの発振器を接続した。Ｆ級増幅器により実現した発振器の効率は９５％であった。実施例１における発振器の昇圧比Ｚｏｃは１．０５である。

第１アンテナおよび第２アンテナは、その共振周波数が発振器の出力周波数に等しい３ＭＨｚとなるように設計した。第１アンテナは、インダクタンスが１．９８８μＨの第１インダクタとキャパシタンスが８３０ｐＦの第１容量素子とを直列に接続することによって作製した。第２アンテナは、インダクタンスが１．９８８μＨの第２インダクタとキャパシタンスが８３０ｐＦの第２容量素子とを並列に接続して作製した。第１および第２インダクタは、共に、直径８０μｍの銅配線を３０本ずつ互いに絶縁して並列に配置して構成したリッツ線により実現した。２つのインダクタの外形は共に一辺３６ｃｍの正方形であり、巻数は２に設定した。各アンテナ（共振器）のＱ値は１３５０であった。

第１アンテナと第２アンテナは、互いの形成面を平行に対向して配置し、対抗面間の間隔はｇ（ｃｍ）とした。この間隔ｇを５ｃｍから７５ｃｍまでの範囲で変化させながら、各ｇ値に対する共振器間の無線伝送効率を最大とする最適な入出力インピーダンスＺｉｎとＺｏｕｔを測定した。実際の測定は、以下の２段階の手順で行った。

第１に、２つのアンテナ（共振器）の入出力端子間の高周波特性を、５０Ωの端子インピーダンスのネットワークアナライザにて測定し、５０Ωを基準インピーダンスとする測定データを得た。

第２に、上記測定データを基に、端子での信号反射が最小化するような入出力端子のインピーダンス条件Ｚｉｎ、Ｚｏｕｔを回路シミュレータ上で導出した。

図１４は、導出したＺｉｎおよびＺｏｕｔのｇ依存性を示すグラフである。図１５は、無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび転送効率のｇ依存性を示すグラフである。

Ｚｒの値は、間隔ｇの全範囲で１を超えており、間隔ｇが大きくなるほど、Ｚｒが飛躍的に増大することがわかった。より詳しく説明すると、ｇ＝５ｃｍでＺｒは７．７であり、ｇ＝７．５ｃｍでＺｒは２０．６、ｇ＝７５ｃｍでは２３１５８に達した。

また、ｇ＝５ｍｍでの共振器間の結合係数ｋは０．３７６であり、（式１４）においてＶｏｃを１として無線伝送部のみのｋを導出した場合（＝０．３６１）と比較して４％の誤差しかなかった。以上の結果より、（式１４）の妥当性が証明された。

図１６は、図１５のグラフにおける１０ｃｍ≦ｇ≦４０ｃｍの範囲での特性を拡大して示したグラフである。一般的な建物の壁の厚さは、１０ｃｍから３０ｃｍ程度の範囲である。この範囲内に間隔ｇが含まれるとき、２０〜３６３という非常に大きいＺｒが得られた。

なお、ｇ＝２２．５の条件で得られた１４７という高いＺｒ値を、トランスによって得るためには、一次コイルの巻数に対する二次コイルの巻数の比を１２．１倍に設定する必要がある。本発明の実施例では、巻数比１の第１アンテナおよび第２アンテナを用いながら、Ｚｒを１４７に高めることができた。

上記の方法で導出した入出力インピーダンスＺｉｎ、Ｚｏｕｔに、入出力端子インピーダンスを整合させた場合の順方向通過特性は、本発明による発電装置内での無線伝送効率に相当する。図１６に示されるように、ｇ＝２２．５ｃｍでも、９８．３％という良好な無線伝送効率を得ることができた。

実施例１では、無線伝送部に前述の発振器を接続することにより、入力直流電圧から効率９３．１％でＲＦ出力を得ることが実現した。入力直流電圧に対する昇圧比は１２．７であった。入力された電力の一部は、回路ブロック間のわずかな不整合に起因する損失により、熱に変わったものと考えられる。

（比較例１〜３）
実施例１の場合と同様に、無線伝送部を送受共に共振周波数３ＭＨｚの共振器で実現した比較例１、２を作製した。実施例１と比較例１、２との間にある相違点は、比較例１、２における２つのアンテナ（共振器）の共振方式を等しくした点のみにある。すなわち、比較例１では、２つのアンテナをそれぞれＬＣ直列型共振器から構成し、比較例２では、２つのアンテナをそれぞれＬＣ並列共振器から構成した。各共振器の回路定数は、実施例１における回路定数と一致させた。更に、２つのアンテナが共振しないように構成された比較例３も作製した。

（実施例２）
実施例１では、第１アンテナにおける第１インダクタの巻数Ｎ１と第２アンテナにおける第２インダクタの巻数Ｎ２を等しく設定していたが、実施例２として巻数比が異なる発電装置を作製した。すなわち、実施例２では、巻数Ｎ２を２から４へ増やした。アンテナ外形サイズは実施例１と同様である。

（実施例３）
実施例１では、第１アンテナのサイズと第２アンテナのサイズとは同一であったが、実施例３として、第２アンテナのサイズを第１アンテナのサイズよりも拡大した発電装置を作製した。すなわち、実施例３では、第２アンテナの外形を規定する正方形の一辺を７２ｃｍとした。実施例３では、第１アンテナの重心と第２アンテナの重心を結ぶ線分が両アンテナの配置面とそれぞれ直交するよう配置した。

（実施例４）
実施例４では、実施例３における配置関係を変更した発電装置を作製した。すなわち、図１０に示したように、第１アンテナの配置面へ投影した、第２アンテナの配置領域（図中点線で図示）に対して、第１アンテナが該配置領域の実質的に内部であり、且つ縁部に相当する位置に配置した。

以下の表１は、実施例１、比較例１〜３、実施例２〜４における共振器の構成や、ｇ＝２２．５ｃｍの無線伝送部特性などを示している。

表１から明らかなように、実施例１ではワイヤレスでの高効率電力伝送を実現しつつ、極めて高い昇圧比Ｖｒを達成できることが明らかとなった。また、実施例２〜４によれば、実施例１を上回る良好なＺｒ、Ｖｒを得た。

（実施例５）
次に、実施例５として、実施例１の構成の第２アンテナ出力に、倍電圧整流回路を接続した発電装置を作製した。作製した半波倍電圧整流回路の直流変換効率は、共振周波数３ＭＨｚにおいて、９３．４％を示した。導入した整流回路では、入力高周波電圧に対して出力直流電圧が２倍の値となる昇圧比Ｖｒｒ＝２の昇圧機能が得られ、太陽光発電部の出力エネルギに対して、本発電装置の出力直流エネルギは８６．４％の強度であった。

（実施例６）
実施例６として、実施例１の構成の第２アンテナ出力に、ブリッジ整流回路を接続した発電装置を作製した。作製したブリッジ整流回路の直流変換効率は、共振周波数３ＭＨｚにおいて、９４．１％を示した。導入した整流回路では、太陽光発電部の出力エネルギに対して、本発電装置の出力直流エネルギは８７．０％の強度であった。

（実施例７）
実施例６の条件を一部変更し、Ｖｏｃ＝１．５２、ｇ＝１５ｃｍの条件で実施例７の発電装置を作製した。実施例７の発電装置の出力電圧は３０８Ｖであり、発電効率は８７．２％であった。

（実施例８、比較例４）
実施例７の発電装置を７個並列に接続し、実施例８の発電システムとし、出力電圧３０８Ｖ、２７．５Ｗの発電出力を得た。同様に、比較例４として太陽光発電セルを６３個直列に接続した発電システムを作製した。以下の表２は、実施例８と比較例４の特性を示した。

実施例８は、比較例４と比較して内部で７回の並列接続を用いたにも係わらず、出力電圧は９．８倍高い値であった。実施例８によれば、３００Ｖでの直流給電システムに対して最適な電圧値を提供する発電システムを実現することができる。

本発明は、発電装置の敷設コストを低減し、発電部の一部が劣化した時の交換作業を簡便化することを可能にする。また、本発明は、発電部の出力電圧を簡単に上昇させることができるため、出力電圧の低い発電素子（太陽電池）を直列に接続して発電部を構成する場合に、発電素子の接続個数を大幅に低減することが可能になる。このため、パーシャルシェイディングに対する特性劣化を低減し、安定した電力供給を実現する太陽光発電システムを構築できる。また、低電圧で出力される発電デバイスからの出力エネルギを高電圧な系統と連結して機能する発電システムである燃料電池システムにおいても、本発明の昇圧効果は有用である。

１０１ 発電部（太陽光発電部）
１０３ 発振器
１０５ 無線伝送部
１０７ 第１アンテナ（送電側の共振器）
１０７ａ 第１インダクタ
１０７ｂ 第１キャパシタ
１０９ 第２アンテナ（受電側の共振器）
１０９ａ 第２インダクタ
１０９ｂ 第２キャパシタ
１１１ 壁
１１３ 第１アンテナの配置面へ投影した第２アンテナの配置領域
１１５ 整流回路
１１７ 保護装置
１１９ 出力端子
１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎ 発電装置
１３３ 負荷

Claims (25)

1. 直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
   前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、
   前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、を備え、
   前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
   前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
   （Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する、無線電力伝送装置。
2. 直流エネルギを出力する発電部と、
   前記発電部に接続された無線電力伝送装置と、
   を備える発電装置であって、
   前記無線電力伝送装置は、
   直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
   前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、
   前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、
   を備え、
   前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
   前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
   （Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する、発電装置。
3. 前記発電部は、太陽光発電部である請求項２に記載の発電装置。
4. 前記太陽光発電部は結晶系シリコンを用いた太陽光発電部である請求項３に記載の発電装置。
5. 前記第２アンテナの出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、前記発振器の出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが相互に実質的に等しい請求項２から４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記発振器の出力端子と前記第１アンテナの入力端子とが接続された状態において、前記第２アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔと後段に接続する負荷の入力インピーダンスとが実質的に等しい請求項２から５のいずれかに記載の発電装置。
7. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する請求項２から６のいずれかに記載の発電装置。
8. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／Ｖｏｃ）²を満足する請求項２から７のいずれかに記載の発電装置。
9. 前記発電部および前記第１アンテナは、建物の外側に配置され、
   前記第２アンテナは、前記建物の内部に設置されている、請求項２から８のいずれかに記載の発電装置。
10. 前記第１インダクタおよび前記第２インダクタは、いずれも空芯スパイラル構造を有している請求項２から９のいずれかに記載の発電装置。
11. Ｌ１＜Ｌ２である請求項２から１０のいずれかに記載の発電装置。
12. 第２インダクタの巻数Ｎ２は前記第１インダクタの巻数Ｎ１よりも大きい請求項２から１１のいずれかに記載の発電装置。
13. 前記第２インダクタの面積は、前記第１インダクタの面積よりも広い請求項２から１２のいずれかに記載の発電装置。
14. 前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている、請求項１３に記載の発電装置。
15. 前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の周縁に寄っている、請求項１３または１４に記載の発電装置。
16. 直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
    前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、
    前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、
    前記第２アンテナから得られるＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流器と
    を備え、
    前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
    前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記整流器の昇圧比をＶｒｒ、第１インダクタのインダクタンスをＬ１、第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
    （Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する、無線電力伝送装置。
17. 直流エネルギを出力する発電部と、
    前記発電部に接続された無線電力伝送装置と、
    を備える発電装置であって、
    前記無線電力伝送装置は、
    直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
    共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含み、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナと、
    共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含み、前記第１アンテナによって送出された前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナと、
    前記第２アンテナから得られる前記ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流器と
    を備え、
    前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
    前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記整流器の昇圧比をＶｒｒ、前記第１インダクタのインダクタンスをＬ１、前記第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
    （Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する、発電装置。
18. 前記発電部は、太陽光発電部である請求項１７に記載の発電装置。
19. 前記整流器の出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、前記発振器の出力インピ−ダンスＺｏｃと前記第１アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが実質的に等しい請求項１７または１８に記載の発電装置。
20. 前記発振器の出力端子と前記第１アンテナの入力端子とが接続された状態において、前記整流器の出力インピーダンスＺｒｏｕｔと後段に接続する負荷の入力インピーダンスとが実質的に等しい請求項１７から１９のいずれかに記載の発電装置。
21. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する請求項１７から２０のいずれかに記載の発電装置。
22. （Ｌ２／Ｌ１）≧２３０４×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する請求項１７から２１のいずれかに記載の発電装置。
23. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｒｒ））²を満足する請求項１７から２２のいずれかに記載の発電装置。
24. 前記整流器は、前記昇圧比Ｖｒｒが２以上の倍電圧整流回路である請求項１７から２３のいずれかに記載の発電装置。
25. 複数の発電装置を備える発電システムであって、
    前記複数の発電装置に含まれる少なくとも２つの発電装置の出力側端子が並列に接続されており、
    前記少なくとも２つの発電装置は、それぞれ、請求項１７から２４のいずれかに記載の発電装置である、発電システム。

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