JP6121095B2 - 送電装置及び無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、送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。

上記のような無線電力伝送システムとして、特許文献１には、複数のアンテナ素子が配列配置された複数のアンテナパネルを直線状又は平面状に接続した構成を有し、各アンテナ素子に入出力する信号の位相を制御することにより、受信設備から送電されたパイロット信号の到来方向に対し信号を放射するフェーズドアレイアンテナが記載されている。そして、特許文献１に記載のフェーズドアレイアンテナは、パイロット信号の到来方向とアンテナパネルとがなす到来方向角度に基づいて、パイロット信号の到来方向に直交するアンテナ基準線と各アンテナ素子との間の距離を算出し、算出されたそれぞれの距離に応じて、各アンテナ素子から放射させるマイクロ波（電磁波）の移相量を決定する。

特開２００６−２８７４５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているようなマイクロ波の送電方法では、送電されるマイクロ波が合成されて形成される送電ビームの形状が、半値幅の大きい鈍い形状となる。この結果、図９に示されるように、受電アンテナ１０２の領域外に位置し、受電アンテナ１０２で受電されずに無効となるマイクロ波（図９の楕円で囲まれた部分）が生じ、マイクロ波の受電効率が低下する場合があった。
この理由は、送電アンテナ１００を形成する各アンテナパネル１００Ａと受電アンテナ１０２を形成する各アンテナパネル１０２Ａとの距離は、各々等しいものの、送電アンテナ１００を形成する各アンテナパネル１００Ａと受電アンテナ１０２の中心との距離は、各々等しくないためである。このため、送電アンテナ１００から送電されるマイクロ波が受電アンテナ１０２の中心領域で収束されないため、受電アンテナ１０２で受電されないマイクロ波が生じる。

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、受電アンテナで受電される電磁波の効率を向上させる、送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、本発明の送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送電装置は、複数のアンテナ体で形成されて電磁波を送電する送電アンテナで形成され、近傍界で電磁波を送受電する無線電力伝送システムに備えられる送電装置であって、各前記アンテナ体は、各前記アンテナ体から送電された電磁波が該電磁波を受電する受電アンテナの中心領域に同位相で到達するように電磁波を送電する。

本構成によれば、送電装置は、複数のアンテナ体で形成されて電磁波を送電する送電アンテナで形成され、近傍界で電磁波を送受電する無線電力伝送システムに備えられる。そして、各アンテナ体は、各アンテナ体から送電された電磁波が受電アンテナの中心領域に同位相で到達するように、各々電磁波を送電する。これにより、半値幅のより小さい送電ビームが形成されることとなり、送電アンテナから送電されたものの、受電アンテナで受電されないマイクロ波を抑制することができる。
従って、本構成によれば、受電アンテナで受電される電磁波の効率を向上できる。また、送電ビームの半値幅を小さくするため、電磁波を送電又は受電するアンテナ面を小さくでき、送電アンテナ及び受電アンテナの大きさをより小型化できる。

また、上記第一態様では、各前記アンテナ体が、各々の中心と前記受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるパラボラ形状面において、同位相となるように電磁波を送電することが好ましい。

本構成によれば、各アンテナ体の中心と受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるパラボラ形状面を仮想送電面とし、仮想送電面に対して同位相となるように各アンテナ体が電磁波を送電することによって、容易に半値幅のより小さい送電ビームを形成できる。

また、上記第一態様では、各前記アンテナ体が、前記パラボラ形状面と一致するように配置されて前記送電アンテナを形成し、各々同位相の電磁波を送電することが好ましい。

本構成によれば、送電アンテナを形成する各アンテナ体の中心と受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるので、受電アンテナの中心領域に合成された電磁波が収束し、半値幅の小さい鋭いビーム形状の送電ビームを形成することができる。

また、上記第一態様では、各前記アンテナ体が、平面状に配置されて前記送電アンテナを形成し、前記パラボラ形状面において同位相となるように、前記受電アンテナの中心領域から離れた前記アンテナほど速い位相で電磁波を送電することが好ましい。

本構成によれば、各アンテナ体が平面状に配置されて送電アンテナを形成する。そして、各アンテナ体は、パラボラ形状面において同位相となるように、受電アンテナの中心領域から離れたアンテナほど速い位相で電磁波を送電する。これにより、送電アンテナの形状をパラボラ形状面とすることなく、受電アンテナの中心領域に合成された電磁波が収束し、半値幅の小さい鋭いビーム形状の送電ビームを形成することができる。

また、本発明の第二態様に係る無線電力伝送システムは、上記記載の送電装置と、前記送電装置から送電された電磁波を受電アンテナによって受電する受電装置と、を備える。

本発明によれば、受電アンテナで受電される電磁波の効率を向上させる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る離島電力伝送システムの概略図である。 本発明の第１実施形態に係る送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。 遠方界と近傍界とを示した模式図である。 本発明の第１実施形態に係る送電アンテナの側面と、送電アンテナから送電されるマイクロ波のビーム形状を示した図である。 発明の第１実施形態に係る受電アンテナで受電されるマイクロ波の電力密度を規格化して示した解析結果の一例である。 従来の受電アンテナで受電されるマイクロ波の電力密度を規格化して示した解析結果の一例である。 本発明の第２実施形態に係る受電アンテナの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る送電アンテナの側面と、送電アンテナから送電されるマイクロ波のビーム形状を示した図である。 従来の送電アンテナの側面と、送電アンテナから送電されるマイクロ波のビーム形状を示した図である。

以下に、本発明に係る送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。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。本第１実施形態では、本発明を離島電力伝送システムに適用した場合を例に挙げて説明する。
図１は、本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０の概略図である。本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、一例として、送電設備１４が、発電した電力をマイクロ波（電磁波）に変換し、マイクロ波を送電アンテナ（フェーズドアレイアンテナ）１２から離島に配置された受電アンテナ（フェーズドアレイアンテナ）１６を備えた受電設備１８へ向けて送電する。受電設備１８は、受電アンテナ１６で受電したマイクロ波を再び電力に変換し、送電網２０へ送電する。

図２は、本第１実施形態に係る送電アンテナ１２の概略構成を示した図である。
図２に示されるように、本第１実施形態に係る送電アンテナ１２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、このようなアンテナパネル２２が互いに結合されていることにより、パネル全体として約５０ｍ四方の大型の送電アンテナ１２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、従来のマイクロ波の送電方法では、送電されるマイクロ波が合成されて形成される送電ビームの形状が、半値幅の大きい鈍い形状となっていた。このため、受電アンテナ１６の領域外に位置し、受電アンテナ１６で受電されずに無効となるマイクロ波が生じ、マイクロ波の受電効率が低下する場合があった。

ここで、一般的なアンテナでは、無限遠である遠方界に電磁波を放射させることを前提に設計している。
図３は、遠方界と近傍界とを示した模式図であり、近傍界と遠方界との境界を示すアンテナからの距離Ｌは、アンテナの幅Ｄと放射される角度θによって、下記（１）式で表わされる。

角度θは、アンテナの幅Ｄと電磁波の波長λとによって、下記（２）式で表わされる。

この距離Ｌ内に、送電アンテナ１２から送電されたマイクロ波を受電する受電アンテナ１６が配置されていれば、近傍界でのマイクロ波の送電ということとなる。
離島電力伝送システム１０では、例えば送電アンテナ１２の幅Ｄが５０ｍ、マイクロ波の波長λが１２ｃｍであり、この場合、距離Ｌは２０．８ｋｍとなる。そして、離島電力伝送システム１０では、この距離Ｌ内に受電アンテナ１６が配置される。すなわち、離島電力伝送システム１０は、近傍界でマイクロ波を送受電する。

このように、離島電力伝送システム１０では、マイクロ波の送電を近傍界で行うので、一般的なアンテナと異なり、マイクロ波を無限遠に放射させる必要がない。このため、離島電力伝送システム１０では、送電するマイクロ波を受電アンテナ１６で収束させることができる。

そこで、本第１実施形態では、送電アンテナ１２から送電させるマイクロ波を半値幅の小さい鋭いビーム形状とすることによって、受電アンテナ１６で受電されないマイクロ波を抑制することを実現させる。

具体的には、送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２が、各アンテナパネル２２から送電されたマイクロ波が受電アンテナ１６の中心領域に同位相で到達するように、各々マイクロ波を送電する。これにより、半値幅のより小さい送電ビームが形成されることとなり、受電アンテナ１６で受電されないマイクロ波を抑制することができる。
なお、中心領域とは、受電アンテナ１６の中心を含む所定領域のことであり、受電アンテナ１６の中心と同義とする。

図４は、本第１実施形態に係る送電アンテナ１２の側面と、送電アンテナ１２から送電されるマイクロ波のビーム形状（電力密度分布）を示した図である。
各アンテナパネル２２が、受電アンテナ１６の中心領域に同位相で到達するように、各々マイクロ波を送電するために、各アンテナパネル２２が、各々の中心と受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるパラボラ形状面４０を仮想送電面とし、パラボラ形状面４０に対して、同位相となるようにマイクロ波を送電する。なお、アンテナパネル２２の中心と受電アンテナの中心との間の距離が等しいとは、アンテナパネル２２の中心と受電アンテナの中心とを結ぶ線が角度として数度程度ずれた範囲をも含むものとする。

より具体的には、本第１実施形態に係る各アンテナパネル２２は、パラボラ形状面４０と一致するように配置されることで送電アンテナ１２を形成し、各々同位相のマイクロ波を送電する。

これにより、送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２の中心と受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるので、受電アンテナ１６の中心領域に合成されたマイクロ波が収束し、従来に比べ、半値幅の小さい鋭い電力密度分布を有するビーム形状の送電ビームを形成することができる。
この結果、受電アンテナ１６で受電されずに無効となるマイクロ波は、低減されることとなる。

図５は、本第１実施形態に係る受電アンテナ１６で受電されるマイクロ波の電力密度を規格化して示した解析結果の一例である。一方、図６は、従来の受電アンテナで受電されるマイクロ波の電力密度を規格化して示した解析結果の一例である。
図５と図６を比較して分かるように、本第１実施形態に係る受電アンテナ１６で受電されるマイクロ波の電力密度は、従来に比べて中心領域において大幅に上昇している。また、本第１実施形態に係る無線電力伝送効率は約９０％であり、従来の無線電力伝送効率が約８４％であることに比べ、向上する結果が得られた。

以上説明したように、本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、複数のアンテナパネル２２で形成されてマイクロ波を送電する送電アンテナ１２を備えた送電設備１４を有し、各アンテナパネル２２は、各アンテナパネル２２から送電されたマイクロ波が受電アンテナ１６の中心領域に同位相で到達するように、各々マイクロ波を送電する。
従って、本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、受電アンテナ１６で受電されるマイクロ波の効率を向上できる。また、送電ビームの半値幅を小さくするため、マイクロ波を送電又は受電するアンテナ面を小さくでき、送電アンテナ１２及び受電アンテナ１６の大きさをより小型化できる。

また、本第１実施形態に係る送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２は、各々の中心と受電アンテナ１６の中心との間の距離が等しくなるパラボラ形状面４０において、同位相となるようにマイクロ波を送電する。
さらに、本第１実施形態に係る送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２は、パラボラ形状面４０と一致するように配置されて送電アンテナ１２を形成し、各々同位相のマイクロ波を送電するので、半値幅の小さい鋭いビーム形状の送電ビームを形成することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、本第２実施形態に係る離島電力伝送システム１０及び送電アンテナ１２の構成は、図１，２に示す第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０及び送電アンテナ１２の構成と同様であるので説明を省略する。
なお、本第２実施形態に係る送電アンテナ１２は、第１実施形態に係る送電アンテナ１２のように、複数のアンテナパネル２２がパラボラ形状となるように配置されておらず、複数のアンテナパネル２２が、平面状に配置されている。

次に、本第２実施形態に係る送電アンテナ１２の電気的構成について、図７を参照して説明する。

図７において、演算処理部５０は、マイクロコンピュータを備えており、仮想送電面であるパラボラ形状面４０（図８も参照）において、同位相となるように、各アンテナ素子２４から出力されるマイクロ波の移相量を示した位相信号をアンテナ素子２４毎に演算し、各可変移相器８０へ出力する。より具体的には、演算処理部５０は、パラボラ形状面４０において同位相となるように、受電アンテナ１６の中心から離れたアンテナパネル２２を形成するアンテナ素子２４ほど、速い位相の位相信号を演算する。

マイクロ波発生部６０は、基準マイクロ波信号を生成して分波回路７０へ出力する。分波回路７０は、入力された基準マイクロ波信号を分波して、各アンテナ素子２４にそれぞれ対応して設けられている可変移相器８０に出力する。
各可変移相器８０は、演算処理回路５０からそれぞれ入力された位相信号に基づいて、分波回路７０から入力された基準位相のマイクロ波に移相量を生じさせ、電力増幅器９０へ出力する。
電力増幅器９０は、アンテナ素子２４にそれぞれ対応して設けられ、送電網２０を介して供給された電力を可変移相器８０から出力される信号の位相及び周波数のマイクロ波へ増幅し、アンテナ素子２４へ出力する。
アンテナ素子２４は、それぞれ電力増幅された各位相差を有するマイクロ波を受電設備１８に向けて送電する。

図８は、本第２実施形態に係る送電アンテナ１２の側面と、送電アンテナ１２から送電されるマイクロ波のビーム形状（電力密度分布）を示した図である。

本第２実施形態に係る送電アンテナ１２は、上述したように、複数のアンテナパネル２２が平面状に配置されている。
このため、送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２から送電されるマイクロ波は、演算処理部５０で演算された位相信号に基づいて、受電アンテナ１６の中心から離れたアンテナパネル２２ほど速い位相で送電される。

これにより、送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２から送電されるマイクロ波は、仮想送電面であるパラボラ形状面４０において同位相となる。従って、受電アンテナ１６の中心領域に合成されたマイクロ波が収束し、従来に比べ、半値幅の小さい鋭い電力密度分布を有するビーム形状の送電ビームを形成することができる。
この結果、受電アンテナ１６で受電されずに無効となるマイクロ波は、低減されることとなる。

以上説明したように、本第２実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、複数のアンテナパネル２２が平面状に配置されて送電アンテナ１２を形成する。そして、送電アンテナ１２を形成する各アンテナパネル２２は、パラボラ形状面において同位相となるように、受電アンテナ１６の中心から離れたアンテナほど速い位相でマイクロ波を送電する。
これにより、本第２実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、送電アンテナ１２の形状をパラボラ形状面とすることなく、受電アンテナ１６の中心領域に合成されたマイクロ波が収束し、半値幅の小さい鋭いビーム形状の送電ビームを形成することができる。

以上、本発明を、上記各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各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。

また、上記実施形態では、本発明を離島電力伝送システム１０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、ＳＳＰＳ等、電磁波により電力を送電し、かつ近傍界で電磁波を受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。

１０ 離島電力伝送システム
１２ 送電アンテナ
１４ 送電設備
１６ 受電アンテナ
１８ 受電設備
２２ アンテナパネル
４０ パラボラ形状面

Claims (4)

1. 複数のアンテナ体で形成されて電磁波を送電する送電アンテナで形成され、近傍界で電磁波を送受電する無線電力伝送システムに備えられる送電装置であって、
   各前記アンテナ体は、各前記アンテナ体から送電された電磁波が該電磁波を受電する受電アンテナの中心領域に同位相で到達するように電磁波を送電し、
   各前記アンテナ体は、各々の中心と前記受電アンテナの中心との間の距離が等しくなるパラボラ形状面において、同位相となるように電磁波を送電する送電装置。
2. 各前記アンテナ体は、前記パラボラ形状面と一致するように配置されて前記送電アンテナを形成し、各々同位相の電磁波を送電する請求項１記載の送電装置。
3. 各前記アンテナ体は、平面状に配置されて前記送電アンテナを形成し、前記パラボラ形状面において同位相となるように、前記受電アンテナの中心から離れた前記アンテナ体ほど速い位相で電磁波を送電する請求項１記載の送電装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の送電装置と、
   前記送電装置から送電された電磁波を受電アンテナによって受電する受電装置と、
   を備えた無線電力伝送システム。

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