JP5987213B2 - 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 - Google Patents
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Description
(式1) |fT−fR|≦fT/QT+fR/QR
ここで、QTは送電アンテナの共振器としてのQ値、QRは受電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。
(L2/L1)≧4(k/Voc)2
(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。
まず、図12および図13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12は、本実施形態を示す透視模式図であり、図13は、図12に示す無線伝送部105の等価回路図である。図12、図13において、図5、図6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。
(式2) k=(fH2−fL2)/(fH2+fL2)
(式3)fL−fL/QL≦f0≦fH+fH/QH
(式4) M=k×(L1×L2)0.5
(式5) I2=−IL2−IC2
(式6) (R2+jωL2)×IL2+jωM×IL1=IC2/(jωC2)
(式7) ωL2=1/(ωC2)
(式8) R2×IL2+jωM×IL1=jωL2×I2
(式9) I2=k×(L1/L2)0.5×IL1−j(R2/ωL2)×IL2
(式10) Q2=ωL2/R2
(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(送電アンテナ107)に入力される高周波電流I1(=送電インダクタ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、送電インダクタ107aおよび受電インダクタ109aのインダクタンスL1、L2に依存する。
(式12) Ir=|I2/I1|/Voc=k/Voc×(L1/L2)0.5
(式13) Vr=(Voc/k)×(L2/L1)0.5
(式14) Zr=(Voc/k)2×(L2/L1)
次に、図19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。
(式15) Vr=(Voc×Vrr/k)×(L2/L1)0.5
(式16) Zr=(Voc×Vrr/k)2×(L2/L1)
次に、図21を参照しながら、本発明による発電装置の実施形態を説明する。図21は、本実施形態における発電装置のブロック図である。図21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。
次に、図22を参照しながら、本発明による発電装置の第4の実施形態を説明する。
(式17) Vr=(Voc×Vcon/k)×(L2/L1)0.5
(式18) Zr=(Voc×Vcon/k)2×(L2/L1)
次に、図23を参照しながら、本発明による発電装置の実施形態を説明する。図23は、本実施形態における発電装置のブロック図である。図23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。
本発明の発電装置では、複数の発電ユニットが並列に接続される。そして、個々の発電ユニットにおける無線電力伝送によって昇圧を行うことができる。このため、最初に1つの発電ユニットの実施例を説明し、その後、複数の発電ユニットを備える発電装置の実施例を説明する。
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a、bを作製した。実施例1と比較例a、bとの間にある相違点は、比較例a、bにおける2つのアンテナ(共振器)の共振方式を相互に等しくした点のみにある。すなわち、比較例a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b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cも作製した。なお、比較例a〜cは、昇圧効果と高効率動作の両立が出来なかったため、2つの発電ユニットの並列動作や近傍界測定は行わなかった。
次に、実施例2として、実施例1における受電アンテナの構成と同一の構成を有する受電アンテナの出力に、倍電圧整流回路を接続した発電ユニットを作製した。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、本発電ユニットが出力する直流エネルギは86.4%の強度であった。
実施例3として、実施例1の構成の受電アンテナ出力に、ブリッジ整流回路を接続した発電ユニットを作製した。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3の条件を一部変更し、Voc=1.52、g=15cmの条件で実施例4の発電ユニットを作製した。実施例4の発電ユニットの出力電圧は308Vであり、発電効率は87.2%であった。
実施例4の発電ユニットの構成と同じ構成を有する7個の発電ユニットを一列に並べ、これら全て並列に接続し、実施例5の発電装置を作製した。この発電装置では、出力電圧308V、27.5Wの発電出力を得た。同様に、比較例5として太陽光発電セルを63個直列に接続した発電装置を作製した。以下の表2に、実施例5と比較例5の特性を示した。
103 発振器
10a 第1の無線電力伝送部
10b 第2の無線電力伝送部
105 無線伝送部
107 送電アンテナ(送電側の共振器)
107a 第1インダクタ
107b 第1キャパシタ
109 受電アンテナ(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 送電アンテナの配置面へ投影した受電アンテナの配置領域
115 整流器
117 保護装置
119 出力端子
131a、131b・・・131n 発電ユニット
133a 負荷
133b 負荷/系統
135 位相調整回路
141 送受共振アンテナ対
141a、141b、141c、141d 送受共振アンテナ対
189 周波数変換回路
190 発振器駆動回路
192 制御部
193a、193b、・・・193n 発振器から出力されるRFエネルギ
195a、195b、・・・195n 共振磁界
197a、197b、・・・197n 受電アンテナから出力されるRFエネルギ
199 合成部
Claims (32)
- 第1および第2の無線電力伝送部であって、前記第1および第2の無線電力伝送部の各々が、
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送電アンテナであって、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容量素子を含む送電アンテナと、
前記送電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受電アンテナであって、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容量素子を含む受電アンテナと、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、
前記発振器に入力された前記直流エネルギの電圧に対する前記発振器から出力される前記RFエネルギの電圧の比である昇圧比を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、前記送電アンテナと前記受電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、第1および第2の無線電力伝送部と、
第1および第2の無線電力伝送部における前記受電アンテナから受け取ったRFエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第1の無線電力伝送部における前記共振磁界の位相と前記第2の無線電力伝送部における前記共振磁界の位相との位相差θresを90度以上180度以下にするように前記第1および第2の無線電力伝送部における前記発振器を制御する制御部と、
を備える無線電力伝送装置。 - 位相差θresが180度に設定されている請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 前記制御部は、前記第1の無線電力伝送部に含まれる前記発振器から送出されるRFエネルギの位相θtaと、前記第2の無線電力伝送部に含まれる前記発振器から送出されるRFエネルギの位相θtbとを制御し、それによって位相θtaと位相θtbとの間の位相差の絶対値θtを90度180度以下に設定する請求項1または2に記載の無線電力伝送装置。
- 前記位相差の絶対値θtが180度に設定される請求項3に記載の無線電力伝送装置。
- 第1および第2の発電ユニットであって、前記第1および第2の発電ユニットの各々が、
直流エネルギを出力する発電部と、
前記発電部から出力された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送電アンテナであって、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容量素子を含む送電アンテナと、
前記送電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受電アンテナであって、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容量素子を含む受電アンテナと、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、
前記発振器に入力された前記直流エネルギの電圧に対する前記発振器から出力される前記RFエネルギの電圧の比である昇圧比を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、前記送電アンテナと前記受電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、第1および第2の発電ユニットと、
前記第1および第2の発電ユニットにおける前記受電アンテナから受け取ったRFエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第1の発電ユニットにおける前記共振磁界の位相と前記第2の発電ユニットにおける前記共振磁界の位相との位相差θresを90度以上180度以下にするように前記第1および第2の発電ユニットにおける前記発振器を制御する制御部と、
を備える発電装置。 - 前記発電部は、太陽光発電部である請求項5に記載の発電装置。
- 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6に記載の発電装置。
- 前記受電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と送電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5から7のいずれかに記載の発電装置。
- 前記発振器の出力端子と前記送電アンテナの入力端子とが接続された状態において、前記受電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5から8のいずれかに記載の発電装置。
- (L2/L1)≧100×(k/Voc)2を満足する請求項5から9のいずれかに記載の発電装置。
- (L2/L1)≧10000×(k/Voc)2を満足する請求項5から10のいずれかに記載の発電装置。
- 前記発電部および前記送電アンテナは、建物の外側に配置され、
前記受電アンテナは、前記建物の内部に設置されている、請求項5から11のいずれかに記載の発電装置。 - 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5から11のいずれかに記載の発電装置。
- L1<L2である請求項5から13のいずれかに記載の発電装置。
- 前記第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5から14のいずれかに記載の発電装置。
- 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5から15のいずれかに記載の発電装置。
- 前記送電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、かつ、前記領域の周縁に寄っている、請求項16に記載の発電装置。
- 前記送電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16または17に記載の発電装置。
- 前記第1の発電ユニットにおける前記受電アンテナから出力されるRFエネルギの位相と前記第2の発電ユニットにおける前記受電アンテナから出力されるRFエネルギの位相とを一致させる位相調整部が、前記第1および第2の発電ユニットにおける前記受電アンテナと前記合成部との間に設けられている、請求項5から18のいずれかに記載の発電装置。
- 前記位相差は180度であり、
前記第1の発電ユニットにおける前記受電アンテナから出力されるRFエネルギの位相と前記第2の発電ユニットにおける前記受電アンテナから出力されるRFエネルギの位相とを一致させるように、前記第1および第2の発電ユニットにおける前記受電アンテナと前記合成部との接続極性を互いに反転させたことを特徴とする、請求項5から18のいずれかに記載の発電装置。 - 前記合成部から出力されたRFエネルギを前記RFエネルギの周波数よりも低い周波数の交流または直流に変換する周波数変換回路を備える請求項5から20のいずれかに記載の発電装置。
- 前記第1および第2の発電ユニットは、それぞれ、前記受電アンテナから出力されたRFエネルギを前記RFエネルギの周波数よりも低い周波数の交流または直流に変換する周波数変換回路を備える請求項5から20のいずれかに記載の発電装置。
- 前記合成部は、系統に接続されている請求項5から22のいずれかに記載の発電装置。
- 第1および第2の発電ユニットであって、前記第1および第2の発電ユニットの各々が、
直流エネルギを出力する発電部と、
前記発電部から出力された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送電アンテナであって、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容量素子を含む送電アンテナと、
前記送電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受電アンテナであって、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容量素子を含む受電アンテナと、
前記受電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、
前記発振器に入力された前記直流エネルギの電圧に対する前記発振器から出力される前記RFエネルギの電圧の比である昇圧比をVoc、前記整流器に入力された前記RFエネルギの電圧に対する前記整流器から出力される前記直流エネルギの電圧の比である昇圧比を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、前記送電アンテナと前記受電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、第1および第2の発電ユニットと、
前記第1および第2の発電ユニットにおける前記送電アンテナから受け取ったRFエネルギを合成して出力する出力部と、
前記第1の発電ユニットにおける前記共振磁界の位相と前記第2の発電ユニットにおける前記共振磁界の位相との位相差θresを90度以上180度以下にするように前記第1および第2の発電ユニットにおける前記発振器を制御する制御部と、
を備える発電装置。 - 前記発電部は、太陽光発電部である請求項24に記載の発電装置。
- 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と送電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24または25に記載の発電装置。
- 前記発振器の出力端子と前記送電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相互に実質的に等しい請求項24から26のいずれかに記載の発電装置。
- (L2/L1)≧100×(k/(Voc×Vrr))2を満足する請求項24から27のいずれかに記載の発電装置。
- (L2/L1)≧2304×(k/Voc)2を満足する請求項24から28のいずれかに記載の発電装置。
- (L2/L1)≧10000×(k/Voc)2を満足する請求項24から29のいずれかに記載の発電装置。
- 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請求項24から30のいずれかに記載の発電装置。
- N個(Nは4以上の整数)の発電ユニットと、前記発電ユニットの出力を並列に合成する合成部とを備える発電装置であって、
各発電ユニットは、
直流エネルギを出力する発電部と、
前記発電部から出力された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送電アンテナであって、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容量素子を含む送電アンテナと、
前記送電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受電アンテナであって、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容量素子を含む受電アンテナと、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、
前記発振器に入力された前記直流エネルギの電圧に対する前記発振器から出力される前記RFエネルギの電圧の比である昇圧比を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、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの結合係数をkとするとき、
(L2/L1)≧4(k/Voc)2を満足し、
前記発電装置は、前記N個の発電ユニットのうち、最近接する2つの発電ユニットの一方における前記共振磁界の位相と他方における前記共振磁界の位相との位相差θresを90度以上180度以下にするように各発電ユニットにおける前記発振器を制御する制御部を更に備える、発電装置。
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