JPWO2013076936A1 - 発電システムおよび無線電力伝送システム - Google Patents
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Abstract
発電システムは、発電した電力を共振器間の磁界結合によって無線で伝送する複数の発電ユニット(1000−1〜1000−N)と、各発電ユニットの交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部(121)と、各発電ユニットの直流変換出力部から出力された直流エネルギを合成して直流負荷に供給する直流合成部(122)と、交流負荷および直流負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各発電ユニットの出力切替部に制御信号を送出することにより、各発電ユニットの出力を制御する出力制御部(130)とを備える。
Description
本発明は、複数の発電ユニットによって発電された電力を、効率的に配電する発電システムおよび無線電力伝送システムに関する。
従来から、建物に設置された負荷(照明などの電気製品)に交流電力および直流電力を配給する配電システムが提案されている。例えば、特許文献1には、部屋の壁などに取り付けられた交流電源用コンセントに、直流電力を出力する端子を設けることにより、交流電力だけでなく直流電力を供給できる配電システムが開示されている。この配電システムは、変圧器および整流器を有する分電盤と、直流出力端子が設けられた交流電源用コンセントとを備えている。変圧器は、100Vまたは200Vの交流電圧を、交流負荷が使用する6V、3V、1.5Vの交流電圧に変換して整流器に出力する。整流器は、変圧器から出力された交流電圧を整流することによって、6V、3V、1.5Vの直流電圧に変換し、コンセントに設けられた直流出力端子に出力する。このような構成により、商用交流電源から供給された電力を、交流負荷および直流負荷に配給することができる。
一方、環境保護の観点から、住宅に太陽光発電システムや燃料電池発電システムを設置することが普及しつつある。これらの発電システムでは、太陽電池や燃料電池によって発電された直流電力は、パワーコンディショナーによって交流電力に変換される。変換された交流電力は、例えば住宅内の交流送電系統に出力される。太陽光発電システムでは、住宅内の負荷によって消費される電力が太陽光発電システムによって発電される電力よりも小さい場合、発電される電力の余剰分が商用電源の送電系統に供給(逆潮流)される。これにより、電力会社に電力を売ること(売電)が可能である。
特許文献1に開示された配電システムと発電システムとをそのまま組み合わせた場合、太陽電池や燃料電池などの発電デバイスから出力された直流電力を直流負荷に供給する際に損失が発生する。具体的には、出力された直流電力を一旦パワーコンディショナーによって交流電力に変換し、再度配電システムにおいて直流電力に変換することになるため、電力変換による損失が大きくなる。
この問題に対して、特許文献2は、発電デバイスから出力される直流電力を、直流負荷に直接的かつ優先的に配電する配電システムを開示している。このシステムは、発電デバイスの出力電力ラインに直流負荷および交流負荷を並列に接続し、直流負荷への配電を優先的に行うように構成されている。これにより、直流負荷への配電の際に余分な電力変換による損失が発生しないようにしている。
一方、特許文献3は、2つの共振器の間で空間を介してエネルギ(電力)を伝送する新しい無線電力伝送装置を開示している。この無線電力伝送装置では、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。このような、共振器として磁界分布を利用するエネルギ伝送方式は、「共振磁界結合方式」と呼ばれる。
共振磁界結合方式の無線電力伝送システムと発電システムとを組み合わせた無線電力伝送型発電システムが提案されている(例えば特許文献4)。このシステムでは、発電デバイスによって発電された直流電力は、無線電力伝送部において高周波の交流電力(以下、「高周波電力」または「高周波エネルギ」と呼ぶことがある。)に変換され、一対のアンテナによって無線で伝送される。伝送された高周波電力は、例えば整流されてパワーコンディショナーに入力された後、負荷に供給される。
特許文献2に開示された直流配電システムは、太陽光発電パネル全体から出力された電力を直流負荷および交流負荷に振り分けるように構成されている。このため、日射量やパネル温度が変動した際の最大出力追従制御は、パネルごとではなく、システム全体で行われる。その結果、例えば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、システム全体の性能が低下しやすく、発電量が減少する可能性がある。
本発明の実施形態は、上記の課題に鑑み、複数の発電ユニットからの出力を効率的に配電できる無線電力伝送型発電システムを提供する。
本発明の実施形態による発電システムは、各発電ユニットが、直流エネルギを出力する発電デバイスと、前記発電デバイスから出力された前記直流エネルギを高周波エネルギに変換して出力する発振器と、前記発振器から出力された前記高周波エネルギを送出する送電アンテナと、前記送電アンテナによって送出された前記高周波エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、高周波エネルギを相対的に低い周波数の交流エネルギに変換して出力する交流変換出力部と、高周波エネルギを直流エネルギに変換して出力する直流変換出力部と、前記交流変換出力部および前記直流変換出力部を含む複数の出力部を前記受電アンテナに接続する出力切替部であって、制御信号に基づいて前記受電アンテナが受け取った前記高周波エネルギを前記複数の出力部のいずれかに送出する出力切替部とを有する複数の発電ユニットと、各発電ユニットの前記交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部と、各発電ユニットの前記直流変換出力部から出力された直流エネルギを合成して直流負荷に供給する直流合成部と、前記交流負荷および前記直流負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各発電ユニットの前記出力切替部に前記制御信号を送出することにより、各発電ユニットの出力を制御する出力制御部とを備えている。
本発明のある実施形態によれば、全ての発電ユニットの出力を一括で所定電圧の交流電力または直流電力に変換する場合と比較して、システム全体の電力変換回数を減らすことができる。このため、各発電ユニットによって発電された電力を効率よく配電することができる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、同一または対応する要素には同一の参照符号を付している。
本実施形態による発電システムは、戸建て住宅に用いられる太陽光発電システムである。なお、本実施形態の発電システムは、戸建て住宅だけでなく、集合住宅の各住戸や事務所、ビル等の建物にも適用できる。
<全体構成>
図1は、本実施形態による発電システム100の全体構成を示すブロック図である。なお、図1には、発電システム100の構成要素ではない交流(AC)負荷R1、直流(DC)負荷R2、高周波(HF)負荷R3、および商用系統電源Pも示されている。交流負荷R1は、交流電力によって動作するAC家電などの全ての負荷を表している。直流負荷R2は、直流電力によって動作するDC家電や蓄電池などの全ての負荷を表している。高周波負荷R3は、高周波電力によって動作する、無線電力伝送応用家電や非接触充電が可能な電気自動車などの全ての負荷を表している。交流負荷R1、直流負荷R2、高周波負荷R3を構成する各負荷は、住宅の内部または住宅の周辺に設置されており、商用系統電源Pから交流電力(50Vまたは60V)が供給されている。図1には示されていないが、住宅には、商用系統電源Pから供給された交流電力に、変圧、整流、周波数変換などの必要な処理を行って各負荷に分配する分電盤が設置されている。
図1は、本実施形態による発電システム100の全体構成を示すブロック図である。なお、図1には、発電システム100の構成要素ではない交流(AC)負荷R1、直流(DC)負荷R2、高周波(HF)負荷R3、および商用系統電源Pも示されている。交流負荷R1は、交流電力によって動作するAC家電などの全ての負荷を表している。直流負荷R2は、直流電力によって動作するDC家電や蓄電池などの全ての負荷を表している。高周波負荷R3は、高周波電力によって動作する、無線電力伝送応用家電や非接触充電が可能な電気自動車などの全ての負荷を表している。交流負荷R1、直流負荷R2、高周波負荷R3を構成する各負荷は、住宅の内部または住宅の周辺に設置されており、商用系統電源Pから交流電力(50Vまたは60V)が供給されている。図1には示されていないが、住宅には、商用系統電源Pから供給された交流電力に、変圧、整流、周波数変換などの必要な処理を行って各負荷に分配する分電盤が設置されている。
本明細書における「高周波」とは、商用交流電源の周波数(50Hzまたは60Hz)よりも高い周波数を意味する。例えば、数百Hz〜300GHz、より好ましくは100kHz〜10GHz、さらに好ましくは500kHz〜20MHzの周波数帯が用いられ得る。なお、用途によっては、10kHz〜1GHz、あるいは、20kHz〜20MHzの範囲の周波数帯も利用され得る。本実施形態では、例えば、10kHz〜10MHz帯の周波数を用いた無線電力伝送によって電気自動車または無線電力応用家電に設けられた二次電池への充電を行うことができる。
図1に示す発電システム100は、N個(Nは2以上の整数)の発電ユニット1000−1〜1000−Nを備えている。各発電ユニットは、太陽電池パネル1枚分の出力を無線伝送して、交流電力、直流電力、高周波電力の3つの出力形態の中から選択された1つの出力形態で出力できる。発電ユニットの数Nは、要求される電力量に応じて適宜設定される。例えば、要求される電力量が3kWで、太陽電池パネル1枚分の発電量が200Wの場合、発電ユニットの数は15個程度となる。
発電システム100はまた、各発電ユニットに接続された交流合成部121、直流合成部122、高周波合成部123を備えている。交流合成部121は、各発電ユニットから出力された交流電力を合成して交流負荷R1に供給する。直流合成部122は、各発電ユニットから出力された直流電力を合成して直流負荷R2に供給する。高周波合成部123は、各発電ユニットから出力された高周波電力を合成して高周波負荷R3に供給する。
発電システム100はさらに、交流負荷R1の消費電力を検出する交流電力検出部201と、直流負荷R2の消費電力を検出する直流電力検出部202と、高周波負荷R3の消費電力を検出する高周波電力検出部203と、各負荷の消費電力に基づいて各発電ユニットの出力を制御する出力制御部130とを備えている。以下、各部の構成をより詳細に説明する。
<発電ユニット>
図2は、個々の発電ユニット1000−1〜1000−Nの構成を示すブロック図である。各発電ユニットは、太陽電池パネルによって直流電力を生成する発電デバイス101と、発電デバイス101によって生成された直流電力を高周波電力に変換する発振器102と、高周波電力を送出する送電アンテナ107と、送出された高周波電力の少なくとも一部を受け取って出力する受電アンテナ108とを有している。これにより、発電デバイス101によって発電された電力は、送・受電アンテナを介して無線で伝送される。また、各発電ユニットは、受電アンテナ108から出力された高周波電力を受けて、交流、直流、高周波電力のうち、選択されたいずれかの電力を出力する出力部114と、受電アンテナ108から出力された高周波電力の大きさを検出する発電量検出部110とを有している。出力部114は、高周波電力を相対的に低い周波数の交流電力に変換して出力する交流変換出力部111と、高周波電力を直流電力に変換して出力する直流変換出力部112と、高周波電力を変換せずにそのまま出力する高周波出力部113と、交流変換出力部111、直流変換出力部112、および高周波出力部113を受電アンテナ108に電気的に接続する出力切替部109とを有している。出力切替部109は、図1に示す出力制御部130から制御信号を受けて出力先を切り換える。出力制御部130による制御の詳細については後述する。
図2は、個々の発電ユニット1000−1〜1000−Nの構成を示すブロック図である。各発電ユニットは、太陽電池パネルによって直流電力を生成する発電デバイス101と、発電デバイス101によって生成された直流電力を高周波電力に変換する発振器102と、高周波電力を送出する送電アンテナ107と、送出された高周波電力の少なくとも一部を受け取って出力する受電アンテナ108とを有している。これにより、発電デバイス101によって発電された電力は、送・受電アンテナを介して無線で伝送される。また、各発電ユニットは、受電アンテナ108から出力された高周波電力を受けて、交流、直流、高周波電力のうち、選択されたいずれかの電力を出力する出力部114と、受電アンテナ108から出力された高周波電力の大きさを検出する発電量検出部110とを有している。出力部114は、高周波電力を相対的に低い周波数の交流電力に変換して出力する交流変換出力部111と、高周波電力を直流電力に変換して出力する直流変換出力部112と、高周波電力を変換せずにそのまま出力する高周波出力部113と、交流変換出力部111、直流変換出力部112、および高周波出力部113を受電アンテナ108に電気的に接続する出力切替部109とを有している。出力切替部109は、図1に示す出力制御部130から制御信号を受けて出力先を切り換える。出力制御部130による制御の詳細については後述する。
<発電デバイス>
本実施形態における発電デバイス101は、直列に接続された複数の太陽光発電モジュールを有する太陽光発電デバイスである。太陽光発電モジュールとしては、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できる。しかし、太陽光発電モジュールは、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モジュールであってもよいし、有機材料を用いた各種の太陽光発電モジュールであってもよい。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モジュールを利用してもよい。発電デバイス101によって発電された直流電力は、発振器102に送られる。
本実施形態における発電デバイス101は、直列に接続された複数の太陽光発電モジュールを有する太陽光発電デバイスである。太陽光発電モジュールとしては、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できる。しかし、太陽光発電モジュールは、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モジュールであってもよいし、有機材料を用いた各種の太陽光発電モジュールであってもよい。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モジュールを利用してもよい。発電デバイス101によって発電された直流電力は、発振器102に送られる。
<発振器>
発振器102は、例えば発振周波数がf0に設定された、いわゆるE級発振回路またはD級発振回路である。あるいは、これらの代わりにF級増幅器や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。
発振器102は、例えば発振周波数がf0に設定された、いわゆるE級発振回路またはD級発振回路である。あるいは、これらの代わりにF級増幅器や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。
発振周波数f0は、商用交流電源の周波数(50Hzまたは60Hz)よりも高い周波数に設定される。例えば数百Hz〜300GHz、より好ましくは100kHz〜10GHz、さらに好ましくは500kHz〜20MHzに設定され得る。なお、用途によっては、10kHz〜1GHz、あるいは、20kHz〜20MHzの範囲に設定され得る。
図3は、本実施形態における発振器102の回路構成の一例を示す図である。本構成は、一般にE級発振回路と呼ばれる構成である。発振器102は、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)などのスイッチング素子21と、インダクタ22と、キャパシタ24と、直列共振回路を構成するインダクタ23およびキャパシタ25とを含んでいる。スイッチング素子21へのゲート駆動パルスとして周波数f0のパルス列が入力される。インダクタ22、23のインダクタンスおよびキャパシタ24、25の容量は、発振器102から出力される高周波電力の周波数がf0になるように調整されている。このような構成により、発電デバイス101から入力される直流電力は、周波数f0の高周波電力に変換され、送電アンテナ107に送られる。
<送電アンテナおよび受電アンテナ>
送電アンテナ107は、図4に示すように、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る。一方、受電アンテナ108は、第2インダクタ108aおよび第2容量素子108bが並列に接続された並列共振回路である。各アンテナの共振周波数は、発振器102の発振周波数f0にほぼ等しくなるように設定されている。また、送電アンテナ107の直列共振回路は寄生抵抗成分R1を有し、受電アンテナ108の並列共振回路は寄生抵抗成分R2を有している。送電アンテナ107に入力された高周波電力は、送電アンテナ107と受電アンテナ108との間の共振磁界結合によって受電アンテナ108に無線で伝送される。
送電アンテナ107は、図4に示すように、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る。一方、受電アンテナ108は、第2インダクタ108aおよび第2容量素子108bが並列に接続された並列共振回路である。各アンテナの共振周波数は、発振器102の発振周波数f0にほぼ等しくなるように設定されている。また、送電アンテナ107の直列共振回路は寄生抵抗成分R1を有し、受電アンテナ108の並列共振回路は寄生抵抗成分R2を有している。送電アンテナ107に入力された高周波電力は、送電アンテナ107と受電アンテナ108との間の共振磁界結合によって受電アンテナ108に無線で伝送される。
送電アンテナ107および受電アンテナ108は、互いに接触しておらず、例えば数mm〜数m程度は離間している。送電アンテナ107および受電アンテナ108は、信号伝送を行う通常のアンテナではなく、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(電力)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伝送距離を長くすることができる。例えば、数メートルも離れた2つのアンテナ間でエネルギを伝送することが可能である。
このような原理に基づく無線電力伝送を行うには、2つのアンテナ間で共振磁界による結合を生じさせる必要がある。特に、高効率なエネルギ伝送を実現するために、送電アンテナ107の共振周波数fTと、受電アンテナ108の共振周波数fRとは、近い値に設定される。本実施形態ではfT≒fR=f0とするが、送電アンテナ107および受電アンテナ108は、周波数f0の共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することが可能であれば、厳密にfT≒fR=f0を満足する必要はない。
本実施形態では、発振器102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108aのインダクタンスをL2、第1アンテナ107と第2アンテナ108との結合係数をkとするとき、以下の関係を満足するようにL1、L2、k、Vocの値が決定されている。
(式1) (L2/L1)≧4(k/Voc)2
(式1) (L2/L1)≧4(k/Voc)2
後に詳しく説明するように、式1の関係を満足するとき、無線伝送を経ることで、出力される高周波電力の電圧を発振器102に入力される直流電力の電圧に対して2倍以上に高めること(昇圧比:2以上)が可能になる。この作用により、低電圧の電力を伝送時に効率的に昇圧することができ、発電デバイス101の出力電圧が低い場合でも、昇圧効果により、任意の高電圧の電力を出力することが可能となる。上記の関係が満足されている場合、複数の発電デバイス101を直列接続して電圧を上げる必要がなく、各発電ユニットを並列に動作させることができる。
送電アンテナ107および受電アンテナ108は、伝送効率の観点から、対向するように配置され得る。ただし、対向に配置されていない場合であっても、両者が直交しないように配置されていればよい。
回路ブロック間でのエネルギの多重反射を抑制し、総合発電効率を改善するためには、受電アンテナ108の出力端子が後続の出力部114などに接続された状態において、発振器102から出力される周波数f0のエネルギの出力インピ−ダンスと送電アンテナ107の入力インピーダンスとを等しくすることができる。
本実施形態における電力伝送の効率は、送電アンテナ107と受電アンテナ108との間隔(アンテナ間隔)や、送電アンテナ107と受電アンテナ108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、実質的に送電アンテナ107が有するインダクタ107aと、受電アンテナ108が有するインダクタ108aとの間隔である。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。
本実施形態において、送電アンテナ107が有するインダクタ107aおよび受電アンテナ108が有するインダクタ108a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い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。
本実施形態における送電アンテナ107が有するインダクタ107aおよび受電アンテナ108が有するインダクタ108a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、インダクタ107a、108aは、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、108aは、一層の導電体パターンから構成されている必要はなく、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。
また、これらのインダクタ107a、108a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。発振器102から出力されるエネルギの高周波電流成分は、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これらのインダクタを形成すると、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を形成すれば、単位長さ辺りの導体損失を低減できる。これにより、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る。その結果、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。送電アンテナ107および受電アンテナ108が有するインダクタの周辺に磁性体を配置してもよいが、これらのインダクタ間の結合係数k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、結合係数k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できる。
各インダクタは、一般的にはコイル形状を有している。しかし、そのような形状に限定されない。高周波では、ある程度の線長をもつ導体は、インダクタンスをもつため、インダクタとして機能する。また、他の例として、ビーズ状のフェライトに導線を通しただけのものでもインダクタとして機能する。
送電アンテナ107および受電アンテナ108が有する容量素子には、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、容量素子として機能させることも可能である。これらの容量素子を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。
送電アンテナ107および受電アンテナ108の各々を構成する共振器のQ値は、システムが要求するアンテナ間電力伝送の伝送効率、および結合係数kの値にも依存するが、好ましくは100以上、さらに好ましくは200以上、更に好ましくは500以上、更に好ましくは1000以上に設定される。高いQ値を実現するには、上述のリッツ線の採用が効果的である。
<出力切替部>
無線電力伝送によって昇圧された高周波電力は、出力切替部109へ送られる。出力切替部109は、例えば公知の半導体スイッチであり、出力制御部130から送られる制御信号に従って、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波出力部113のいずれかを受電アンテナ108に電気的に接続する。これにより、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波出力部113のいずれかに受電アンテナ108が受け取った高周波電力が送られる。
無線電力伝送によって昇圧された高周波電力は、出力切替部109へ送られる。出力切替部109は、例えば公知の半導体スイッチであり、出力制御部130から送られる制御信号に従って、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波出力部113のいずれかを受電アンテナ108に電気的に接続する。これにより、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波出力部113のいずれかに受電アンテナ108が受け取った高周波電力が送られる。
<直流変換出力部>
直流変換出力部112は、入力された高周波電力を直流電力に変換し、直流合成部122に出力する。直流変換出力部112は、半波整流回路、両波整流回路、ブリッジ整流回路などの整流回路である。図5Aは半波倍電圧整流回路の回路図の一例であり、図5Bは両波倍電圧整流回路の回路図の一例である。いずれの整流回路もダイオードなどの受動素子を含んでいる。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、本実施形態に適用可能である。
直流変換出力部112は、入力された高周波電力を直流電力に変換し、直流合成部122に出力する。直流変換出力部112は、半波整流回路、両波整流回路、ブリッジ整流回路などの整流回路である。図5Aは半波倍電圧整流回路の回路図の一例であり、図5Bは両波倍電圧整流回路の回路図の一例である。いずれの整流回路もダイオードなどの受動素子を含んでいる。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、本実施形態に適用可能である。
図5A、図5Bに例示される倍電圧整流回路を用いれば、直流変換出力部112に入力される電圧の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を用いれば、無線電力伝送による昇圧効果に加えて、更なる昇圧効果を実現できる。
なお、整流回路は、上述したようなダイオード等の受動素子を有する回路に限定されない。例えば同期整流回路のように、外部クロックによってFETのゲートをON/OFF制御して整流する回路を採用してもよい。
<交流変換出力部>
交流変換出力部111は、入力された高周波電力を商用系統電源の周波数と同じ50Hzまたは60Hzの交流電力に変換し、交流合成部121に出力する。交流変換出力部111の周波数変換方法として、例えば一旦直流電力に変換した後、50Hzまたは60Hzの交流に変換する方法が適用できる。整流回路の後段において、直流電力を交流電力に変換する回路としては、例えばインバータを利用することができる。図6Aは単相出力のインバータの回路図であり、図6Bは三相出力のインバータの回路図である。また、図6CはV接点インバータの回路図である。
交流変換出力部111は、入力された高周波電力を商用系統電源の周波数と同じ50Hzまたは60Hzの交流電力に変換し、交流合成部121に出力する。交流変換出力部111の周波数変換方法として、例えば一旦直流電力に変換した後、50Hzまたは60Hzの交流に変換する方法が適用できる。整流回路の後段において、直流電力を交流電力に変換する回路としては、例えばインバータを利用することができる。図6Aは単相出力のインバータの回路図であり、図6Bは三相出力のインバータの回路図である。また、図6CはV接点インバータの回路図である。
図6Aから図6Cに例示されるインバータを用いれば、整流後の直流電力を、負荷や系統の周波数に合わせて変換し、出力することができる。また、後段でDC−AC変換を行った後に交流フィルタを通過させてもよい。このようなフィルタを用いることにより、例えば系統への潮流、即ち売電を行う場合に、望ましくない高調波やノイズ成分等を除去できる。
さらに、図7に例示する昇圧チョッパ回路を、インバータ回路の前段に設けてもよい。昇圧チョッパ回路を設けることにより、直流エネルギの電圧を予め高めてから、インバータ回路で交流エネルギに変換することができる。
交流変換出力部111の上記の例は、周波数f0の交流から直流に変換する整流回路と、直流から周波数50Hzまたは60Hzの交流に変換するインバータとを備えているが、交流変換出力部111は、このような構成に限定されない。図8Aに例示する間接方式のマトリクスコンバータ(インダイレクト・マトリクスコンバータ)を用いても、上記と同様の変換を行うことができる。
また、交流変換出力部111は、周波数f0の高周波エネルギから周波数50Hzまたは60Hzの交流エネルギに直接変換する回路であってもよい。図8Bに例示される直接方式のマトリクスコンバータを用いれば、伝送される周波数f0の高周波エネルギを、例えば系統の周波数50Hzまたは60Hzの三相交流エネルギへ直接変換することが可能となる。また、マトリクスコンバータの前段に高周波フィルタを設けることにより、交流周波数foutへの変換にとって望ましくない高調波やノイズ成分を除去してもよい。
<高周波出力部>
高周波出力部113は、入力された高周波電力を、変換することなく高周波合成部123に伝送する。高周波出力部113は、高周波合成部123に接続された出力端子を含む回路部分である。なお、出力切替部109と高周波合成部123とが直接接続され、間に何も設けられていなくてもよい。その場合、出力切替部109と高周波合成部123との間の伝送路が高周波出力部113に対応する。
高周波出力部113は、入力された高周波電力を、変換することなく高周波合成部123に伝送する。高周波出力部113は、高周波合成部123に接続された出力端子を含む回路部分である。なお、出力切替部109と高周波合成部123とが直接接続され、間に何も設けられていなくてもよい。その場合、出力切替部109と高周波合成部123との間の伝送路が高周波出力部113に対応する。
<発電量検出部>
また、受電アンテナ108の後段には発電量検出部110が接続されている。発電量検出部110は、例えば公知の電力計であり、受電アンテナ108が受け取った高周波電力の電力量を計測し、その結果を出力制御部130へ送る。
また、受電アンテナ108の後段には発電量検出部110が接続されている。発電量検出部110は、例えば公知の電力計であり、受電アンテナ108が受け取った高周波電力の電力量を計測し、その結果を出力制御部130へ送る。
<直流合成部、交流合成部、高周波合成部>
次に、直流合成部122、交流合成部121、および高周波合成部123の構成を説明する。
次に、直流合成部122、交流合成部121、および高周波合成部123の構成を説明する。
直流合成部122は、各発電ユニットから入力される直流電圧を直流負荷R2に必要な電圧に合わせて合成し、直流負荷R2へ出力する。直流合成部122は、例えば図9に示す回路構成を有する。この例の直流合成部122は、各発電ユニットのプラス側の出力端子同士およびマイナス側の出力端子同士が伝送線に接続された構成を有している。直流合成部122は、図9に示すように、接続点間における逆電流を防ぐための複数のダイオードを含み得る。このような構成により、複数の発電ユニットからの直流出力が合成される。なお、直流合成部122は、図9に示す構成に限らず、複数の発電ユニットから出力される直流電力を合成できればどのような構成であってもよい。
交流合成部121は、各発電ユニットから入力される交流電力の電圧、位相を合わせて合成し、交流負荷R1へ出力する。交流合成部121は、交流負荷R1へ出力するのみならず、商用系統電源へ出力(逆潮流)してもよい。
高周波合成部123は、各発電ユニットから入力される高周波電力の電圧を高周波負荷に必要な電圧に合わせて合成し、高周波負荷R3へ出力する。高周波合成部123は、交流合成部121と同様の構成を有する。
交流合成部121および高周波合成部123は、直流合成部122と同様、図9に示す回路構成を有していてもよいし、他の構成を有していてもよい。図10は、他の構成例を示す図である。この例では、交流合成部121および高周波合成部123は、図10に示すように、変圧器の構造を有する。複数の発電ユニット1000−1〜1000−Nからの導電線が、1次巻線として鉄などの導電体の一方の側に巻きつけられ、他方の側の2次巻線からの出力が交流負荷R1または高周波負荷R3に供給される。
なお、合成効率を最大化するためには、各発電ユニットから出力されるエネルギの電圧を、全て一致させることができる。電圧を全て一致させる方法として、図4に示す各パラメータを適応的に変化させることによって昇圧比を調整する方法が適用可能である。例えば、L1、L2を変更する場合、異なる巻き線のインダクタを複数用意し、それらを適宜切り替えればよい。また、結合係数kを調整する場合、送電・受電アンテナの位置関係(距離または対向ずれ量)を適宜変更すればよい。また、発振器102の駆動周波数を変更したり、駆動パルスの幅(デューティ比)を変更することによって出力電圧を調整してもよい。また、交流合成部121および高周波合成部123においては、合成効率向上の観点から、入力される全ての電力の位相を一致させてもよい。
<交流電力検出部、直流電力検出部、高周波電力検出部>
交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203は、例えば公知の電流計である。交流電力検出部201は、商用系統電源Pから交流負荷R1へ流入する電流を検出することによって交流負荷R1の消費電力(負荷量)を検出する。直流電力検出部202は、商用系統電源Pから直流負荷R2へ流入する電流を検出することによって直流負荷R2の消費電力を検出する。高周波電力検出部203は、商用系統電源Pから高周波負荷R3へ流入する電流を検出することによって高周波負荷R3の消費電力を検出する。具体的には、各負荷が変化すると、消費電力が変化するため、商用系統電源Pからその負荷に流入する電流が変化する。その負荷に印加される電圧は一定であるため、電流を検出すれば、消費電力および負荷量を検出することができる。このように、本明細書では、電力の検出には、電流を検出することによって間接的に電力を検出する方法も含まれるものとする。なお、商用系統電源Pから各負荷へ流入する電流ではなく、交流合成部121、直流合成部122、高周波合成部123の側から各負荷へ流入する電流を検出してもよい。また、電流を検出するのではなく、電力計などによって負荷の消費電力を直接検出してもよい。交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203によって検出された消費電力(負荷量)を示す情報は、出力制御部130に送られる。
交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203は、例えば公知の電流計である。交流電力検出部201は、商用系統電源Pから交流負荷R1へ流入する電流を検出することによって交流負荷R1の消費電力(負荷量)を検出する。直流電力検出部202は、商用系統電源Pから直流負荷R2へ流入する電流を検出することによって直流負荷R2の消費電力を検出する。高周波電力検出部203は、商用系統電源Pから高周波負荷R3へ流入する電流を検出することによって高周波負荷R3の消費電力を検出する。具体的には、各負荷が変化すると、消費電力が変化するため、商用系統電源Pからその負荷に流入する電流が変化する。その負荷に印加される電圧は一定であるため、電流を検出すれば、消費電力および負荷量を検出することができる。このように、本明細書では、電力の検出には、電流を検出することによって間接的に電力を検出する方法も含まれるものとする。なお、商用系統電源Pから各負荷へ流入する電流ではなく、交流合成部121、直流合成部122、高周波合成部123の側から各負荷へ流入する電流を検出してもよい。また、電流を検出するのではなく、電力計などによって負荷の消費電力を直接検出してもよい。交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203によって検出された消費電力(負荷量)を示す情報は、出力制御部130に送られる。
<出力制御部>
次に、出力制御部130の動作を説明する。出力制御部130は、例えばCPU(Central Processing Unit)を含むハードウェアと、プログラムとの組み合わせにより、各発電ユニットの出力を制御する。出力制御部130には、各発電ユニットの発電量検出部110から発電量を示す情報が入力されるとともに、交流負荷検出部201、直流負荷検出部202、高周波負荷検出部203によって検出された負荷の消費電力(または負荷量)を示す情報も入力される。出力制御部130は、各発電ユニットの発電量および各負荷における消費電力の情報に基づき、以下のルールに従って、各発電ユニットについて、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波合成部123のいずれから電力を出力するかを決定する。そして、各発電ユニットの出力切替部109に、出力先を指示する指令(制御信号)を送る。
次に、出力制御部130の動作を説明する。出力制御部130は、例えばCPU(Central Processing Unit)を含むハードウェアと、プログラムとの組み合わせにより、各発電ユニットの出力を制御する。出力制御部130には、各発電ユニットの発電量検出部110から発電量を示す情報が入力されるとともに、交流負荷検出部201、直流負荷検出部202、高周波負荷検出部203によって検出された負荷の消費電力(または負荷量)を示す情報も入力される。出力制御部130は、各発電ユニットの発電量および各負荷における消費電力の情報に基づき、以下のルールに従って、各発電ユニットについて、交流変換出力部111、直流変換出力部112、高周波合成部123のいずれから電力を出力するかを決定する。そして、各発電ユニットの出力切替部109に、出力先を指示する指令(制御信号)を送る。
ここで、初期状態においては、各負荷への電力は、商用系統電源Pから供給されているものとする。そして、各発電ユニットの出力切替部109は、高周波電力を交流変換出力部111に送出するように設定されているものとする。この状態から、各発電ユニットにおいて発電が開始されるタイミングで、出力制御部130による制御が開始されるものとする。
出力制御部130は、まず、高周波負荷R3の消費電力が充足されるまで、第1の発電ユニット1000−1から順に、出力切替部109の出力先を、交流変換出力部111から高周波出力部113に切り換えていく。ここで、出力先が高周波出力部113に切り替えられた発電ユニットの発電量の総和が、高周波負荷R3の消費電力を超える直前まで切り替えられる。出力制御部130は、次の発電ユニットの出力先を切り替えた場合に発電量の総和が高周波負荷R3の消費電力を超えてしまうと判断した場合、次の発電ユニットからは、出力切替部109の出力先を直流変換出力部112に切り替える。そして、出力先が直流変換出力部112に切り換えられた発電ユニットの発電量の総和が直流負荷R2の消費電力を超える直前まで、残りの発電ユニットの出力先が直流変換出力部112に順次切り替えられる。直流負荷R2の消費電力がほぼ充足されると、出力切替部109の出力の切替は終了する。残りの発電ユニットについては、交流変換出力部111を介して電力を交流合成部121に出力する。以上の動作により、高周波負荷R3および直流負荷R2が必要とする電力は、出力先が切り替えられた発電ユニットから供給され、交流負荷R3が必要とする電力は、残りの発電ユニットから供給される。
以上の動作は、発電量が十分大きい場合の例であるが、発電量が不足する場合、不足する電力は、商用系統電源Pから供給される。また、発電量が、全負荷が要求する消費電力を超える場合、その余剰電力は、商用系統電源Pに逆潮流(売電)され得る。
図11は、ある時点における各発電ユニットの発電量と、各負荷の消費電力の例を示す表である。計測の結果、発電ユニット1〜Nによる発電量が、それぞれP1〜PNであったとする。また、交流負荷、直流負荷、高周波負荷の消費電力が、それぞれPAC、PDC、PHFであったとする。
図12Aは、上記の制御の結果の例を示す図である。この例では、P1〜Piの総和が高周波負荷R3の消費電力PHFをほぼ充足し、Pi+1〜Pjの総和が直流負荷R2の消費電力PDCをほぼ充足しているが、Pj+1〜PNの総和は、交流負荷R1の消費電力PACに達していない。このような場合、交流負荷R1に対する発電量の不足分は、商用交流電源Pより補充される。
図12Bは、上記の制御結果の他の例を示す図である。この例では、P1〜Piの総和が高周波負荷の消費電力PHFをほぼ充足し、Pi+1〜Pjの総和が直流負荷の消費電力PDCをほぼ充足し、Pj+1〜PNの総和は、交流負荷の消費電力PACを超過している。このような場合、発電量の超過分は、商用交流電源Pに逆潮流(売電)することができる。
なお、上記の例では、発電量が直流負荷R2および高周波負荷R3の消費電力を充足しているが、不足する場合もあり得る。その場合、不足分は、商用交流電源Pより補充される。また、本実施形態の制御では、発電量の総和が、直流負荷R2および高周波負荷R3の消費電力に達する直前で出力が切り替えられるため、直流負荷R2および高周波負荷R3について、僅かに電力が不足する。この不足分は、商用交流電源Pより補充される。
図13は、出力制御部130による上記の出力制御のアルゴリズムの例を示すフローチャートである。まず、ステップS100において、出力制御部130は、発電ユニット1〜Nの出力切替部109の出力先を交流変換出力部111に設定する。次に、ステップS101において、変数kに1が代入される。続いて、ステップS102において、発電ユニットkの出力切替部109の出力先が高周波出力部113に切り替えられる。ステップS103において、出力切替部109の出力先が高周波出力部113に切り替えられた発電ユニットの発電量の総和が、高周波負荷R3の消費電力を超えているか否かが判断される。超えていないと判断された場合、ステップS104において、変数kに1が加算され、ステップS105において、kとNとの大小関係が判断される。kがNよりも大きくないと判断された場合、ステップS102に戻り、次の発電ユニットの出力切替部109の出力先が高周波出力部113に切り替えられる。ステップS105において、kがNよりも大きいと判断された場合、処理は終了する。
ステップS103において、出力切替部109の出力先が高周波出力部113に切り替えられた発電ユニットの発電量の総和が、高周波負荷R3の消費電力を超えていると判断された場合、ステップS106に進む。ステップS106において、出力制御部130は、発電ユニットkの出力切替部109の出力先を直流変換出力部112に切り替える。そして、ステップS107において、出力切替部109の出力先が直流変換出力部112に切り替えられた発電ユニットの発電量の総和が直流負荷R2の消費電力を超えるか否かが判断される。超えていると判断された場合、処理は終了し、超えていないと判断された場合、ステップS108に進む。ステップS108において、変数kに1が加算され、ステップS109において、kとNとの大小関係が判断される。kがNよりも大きくないと判断された場合、ステップS106に戻り、次の発電ユニットの出力切替部109の出力先が直流変換出力部112に切り替えられる。ステップS109において、kがNよりも大きいと判断された場合、処理は終了する。
出力制御部130は、以上の制御を、各発電デバイスの発電量および/または各負荷の消費電力の変動に応じて、動的に実行する。例えば、直流負荷量が減少した場合、それまで直流変換出力部112を出力先として指定していた1つの発電ユニットに対し、出力先を交流変換出力部111に切り替えるように、出力切替部109に指示する。この制御は、一定時間(例えば数ミリ秒)ごとに行われてもよい。
各負荷の負荷量または消費電力が変化したか否かは、例えば商用系統電源Pから各負荷に流れる電流の値によって判断できる。例えば、負荷が増加した場合、商用系統電源Pから流入する電流が増加する。この場合、電流をゼロに近づけるように、一部の発電ユニットの出力を切り換えればよい。
以上のように、本実施形態における出力制御部130は、発電ユニット毎に受電アンテナ108が受けた高周波電力の出力先を、高周波出力部113、直流変換出力部112、交流変換出力部113の順で切り替えるように制御する。これにより、各発電ユニットの発電電力を無駄なく、各負荷に割り当てることができる。その結果、全ての発電ユニットの高周波電力を一括で交流電力または直流電力に変換する場合と比較して、各発電ユニットにおける電力変換の回数を減らすことができるため、システム全体の変換効率を向上させることができる。
従来の直流配電システムを無線電力伝送型発電システムと組み合わせた場合、住宅内の高周波負荷(例えば、非接触充電が可能な電気自動車や家電製品)に電力を供給するためには、交流電力または直流電力から高周波電力への変換が必要となるため、損失が大きくなる。これに対して、本実施形態による発電システムでは、無線で伝送される高周波電力を変換することなくそのまま高周波負荷に供給できるため、電力変換による効率の低下を抑えることができる。
なお、本実施形態では、各発電ユニットの出力の切り替えの順序に関して、高周波出力、直流出力、交流出力の順で優先するように切り替えているが、この順序は異なっていてもよい。例えば、直流出力よりも交流出力を優先してもよいし、高周波出力よりも直流出力または交流出力を優先してもよい。ただし、発電ユニット内で電力変換が行われない高周波出力を優先することにより、電力変換による効率の低下を最小限に抑えることができる。直流出力および交流出力のいずれを優先するかは、両者の変換効率に基づいて、例えば変換効率の高い方を優先するように決定してもよい。
出力制御部130による制御は、上記の例に限らず、各負荷の少なくとも1つの消費電力(負荷量および電流を含む)に基づいて各発電ユニットの出力先を決定するように構成されていれば、どのような制御であってもよい。例えば、交流負荷R1への電力供給を優先する場合、交流負荷R1の消費電力のみに基づいて交流負荷R1への配電を行い、残りはすべて高周波負荷R3に配電するという制御もあり得る。
<無線電力伝送による昇圧効果>
次に、図14を参照しながら、本実施形態における各発電ユニットにおける無線電力伝送によって得られる昇圧効果を説明する。まず、受電アンテナ108の後段で周波数の変換が行われない場合、すなわち、高周波出力部113を経由して出力する場合の昇圧効果を説明する。
次に、図14を参照しながら、本実施形態における各発電ユニットにおける無線電力伝送によって得られる昇圧効果を説明する。まず、受電アンテナ108の後段で周波数の変換が行われない場合、すなわち、高周波出力部113を経由して出力する場合の昇圧効果を説明する。
一般に、固有の共振周波数を有する2つの共振器が電磁的に結合した場合、共振周波数が変化することが知られている。本実施形態のように、2つの共振器の共振周波数が同一(周波数:f0)であったとしても、共振器対としての共振周波数は2つの周波数に分離する。結合した共振器対が示す2つの共振周波数のうち、周波数が高いものを偶モードの共振周波数と呼ぶ。一方、周波数が低いものを奇モードの共振周波数と呼ぶ。以下、偶モードの共振周波数をfL、奇モードの共振周波数をfHと表す。
ここで、送電アンテナ107と受電アンテナ108とが結合係数kで結合しているものとする。結合係数kは、fL、fHを用いて、以下の式2で表される。
(式2) k=(fH2−fL2)/(fH2+fL2)
結合が強いほどkは大きい値となり、2つの共振周波数の分離量が増大する。
(式2) k=(fH2−fL2)/(fH2+fL2)
結合が強いほどkは大きい値となり、2つの共振周波数の分離量が増大する。
なお、発振器102の周波数f0は、共振周波数fL、fHの近傍に設定することができる。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を設定することができる。
(式3) fL−fL/QL ≦ f0 ≦ fH+fH/QH
(式3) fL−fL/QL ≦ f0 ≦ fH+fH/QH
また、インダクタンスL1をもつインダクタ107aとインダクタンスL2をもつインダクタ108aとの間に生じる相互インダクタンスSと結合係数kとの間には、以下の関係が成立する。
(式4) S=k×(L1×L2)0.5
(式4) S=k×(L1×L2)0.5
受電アンテナ108の並列共振回路において、インダクタ108aに流れる高周波電流をIL2、容量素子108bを流れる高周波電流をIC2とすると、図14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
(式5) I2=−IL2−IC2
また、送電アンテナ107が有するインダクタ107aを流れる高周波電流をIL1とすると、受電アンテナ108のインダクタ108aを流れる高周波電流IL2、容量素子108bを流れる高周波電流IC2、インダクタ108aのインダクタンスL2、インダクタ108aの寄生抵抗R2、送電アンテナ107のインダクタ107aのインダクタンスL1、容量素子108b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)
ここで、ω=2πf0である。受電アンテナ108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)
(式6) (R2+jωL2)×IL2+jωM×IL1=IC2/(jωC2)
ここで、ω=2πf0である。受電アンテナ108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+jωk×IL1=jωL2×I2
(式8) R2×IL2+jωk×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
(式9) I2=k×(L1/L2)0.5×IL1−j(R2/ωL2)×IL2
一方、送電アンテナ107の共振器の低損失性を評価する指標Q値は、(式10)によって表される。
(式10) Q2=ωL2/R2
(式10) Q2=ωL2/R2
ここで、共振器のQ値が非常に高い場合、(式9)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、受電アンテナ108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
(式11) I2=k×(L1/L2)0.5×IL1
式11からわかるように、高周波電流I2は、送電アンテナ107に入力される高周波電流I1(=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、インダクタンスL1、L2に依存する。
上記の(式11)から、本実施形態における各発電ユニット100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
(式12) Ir=|I2/I1|/Voc=k/Voc×(L1/L2)0.5
なお、(式12)に示す発電ユニット100の昇流比とは、送電アンテナ107および受電アンテナ108間の昇流比と、発振器103の昇流比(同昇圧比Vocの逆数)との積で表される。
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) 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、本実施形態における共振磁界結合方式では、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、送電アンテナ107および受電アンテナ108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ではなく、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できる。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。本実施形態では、(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。
また、(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。さらに、(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。
本実施形態の発電ユニットおよび発電システムでは、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。
<出力部を含めた昇圧効果>
本実施形態における出力部114では、変換方法によって出力部114の入出力電圧比、即ち昇圧比Vtrが異なる。例えば、倍電圧整流回路を用いた場合、電圧を2倍に昇圧することができるが、マトリクスコンバータを用いた場合、最大で約0.87倍にしか昇圧できない。さらに、交流フィルタや高周波フィルタの有無、昇圧チョッパ回路の動作条件や回路損失等によっても、昇圧比Vtrは変動する。例えば系統へエネルギを潮流するためには、出力部114からの出力電圧Vsysを、V0±Vf(V)に収める必要がある。ここで、電圧V0は系統の電圧であり、VfはV0からの許容されるズレ幅である。「V0±Vf」は、「V0−Vf」から「V0+Vf」までの範囲を示す。
本実施形態における出力部114では、変換方法によって出力部114の入出力電圧比、即ち昇圧比Vtrが異なる。例えば、倍電圧整流回路を用いた場合、電圧を2倍に昇圧することができるが、マトリクスコンバータを用いた場合、最大で約0.87倍にしか昇圧できない。さらに、交流フィルタや高周波フィルタの有無、昇圧チョッパ回路の動作条件や回路損失等によっても、昇圧比Vtrは変動する。例えば系統へエネルギを潮流するためには、出力部114からの出力電圧Vsysを、V0±Vf(V)に収める必要がある。ここで、電圧V0は系統の電圧であり、VfはV0からの許容されるズレ幅である。「V0±Vf」は、「V0−Vf」から「V0+Vf」までの範囲を示す。
一例として、日本の電力系統への潮流に関しては、V0=202,Vf=20と定められている。発電デバイスから出力されるエネルギの電圧をVgenとした場合、本実施形態における発電ユニット全体の昇圧比Vr(=Vsys/Vgen)およびインピーダンス変換比Zrは、それぞれ、出力部114における昇圧比Vtrを用いて、以下の(式15)、(式16)へと書き換えられる。
(式15) Vr=(Voc×Vtr/k)×(L2/L1)0.5
(式16) Zr=(Voc×Vtr/k)2×(L2/L1)
(式15) Vr=(Voc×Vtr/k)×(L2/L1)0.5
(式16) Zr=(Voc×Vtr/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×Vtr))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×Vtr))2での関係を満足する必要がある。(L2/L1)≧100×(k/(Voc×Vtr))2の関係が成立するとき、10倍以上の昇圧比Vrを実現できる。例えば、Vgen=40V、Vsys=182〜222V(202±20V)である場合、Vr=4.55〜5.55の範囲に設定すればよい。したがって、4.552×(k/(Voc×Vtr))2 ≦ (L2/L1) ≦ 5.552×(k/(Voc×Vtr))2を満足するように、L1、L2、k、Voc、およびVtrを調整すればよいことになる。このように、Vgenの値が40Vで固定の場合、昇圧比Vrは4.55〜5.55のいずれかの値で変動しても、Vsysを182〜222Vに収めることが可能となる。
<変形例>
本実施形態では、図4に示すように、各発電ユニットにおいて、送電アンテナ107は直列共振回路であり、受電アンテナ108は並列共振回路であるが、本発明は、このような組み合わせに限定されない。例えば、送電アンテナ107が並列共振回路で、受電アンテナが直列共振回路であってもよい。また、両アンテナが共に直列共振回路であってもよいし、共に並列共振回路であってもよい。また、本実施形態では、式1に示す昇圧条件が成立しているが、本発明においてこの条件は必須ではない。
本実施形態では、図4に示すように、各発電ユニットにおいて、送電アンテナ107は直列共振回路であり、受電アンテナ108は並列共振回路であるが、本発明は、このような組み合わせに限定されない。例えば、送電アンテナ107が並列共振回路で、受電アンテナが直列共振回路であってもよい。また、両アンテナが共に直列共振回路であってもよいし、共に並列共振回路であってもよい。また、本実施形態では、式1に示す昇圧条件が成立しているが、本発明においてこの条件は必須ではない。
本実施形態では、各発電ユニットの構成はいずれも同一であるが、一部に異なる構成の発電ユニットが含まれていてもよい。例えば、交流、直流、高周波の3種類の出力形態ではなく、これらのうち1種類または2種類の出力形態で電力を出力する発電ユニットが含まれていてもよい。また、発振器102から出力される高周波エネルギの周波数f0は、全ての発電ユニットで厳密に一致している必要はない。
本実施形態では、交流変換出力部111は、入力された高周波電力を、50Hzまたは60Hzの交流電力に変換するが、それ以外の周波数の交流電力に変換してもよい。交流変換出力部111は、高周波電力の周波数よりも低い周波数であれば、どのような周波数に変換してもよい。
また、高周波出力部113および高周波合成部123が設けられていなくてもよい。その場合、各発電ユニットの出力切替部109は、受電アンテナ108が受け取った高周波エネルギを、交流変換出力部111または直流変換出力部112に送出するように構成される。高周波負荷が設置されていない場合、高周波エネルギをそのまま利用することはないため、高周波出力部113および高周波合成部123は不要である。
また、発電量検出部110が設けられていなくてもよい。発電量検出部110を設けない場合、出力制御部130は、例えば発電ユニット1からNまで順に出力先を切り替えるようにすればよい。この場合、効率改善効果は小さくなるが、制御部130の制御を簡単にすることができるという利点がある。
また、上記の実施形態では、各負荷の消費電力を、交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203によって検出したが、このような構成に限られない。例えば、出力制御部130自身が各負荷の電流値などを検出することによって消費電力を検出してもよい。出力制御部130が各負荷の消費電力を検出できれば、消費電力の計測の方法は任意の方法でよい。
図15は、上記の実施形態の発電システム100から、高周波出力部113、高周波合成部123、発電量検出部110、交流電力検出部201、直流電力検出部202、高周波電力検出部203を除き、2つの発電ユニットを含む構成を示すブロック図である。図15に示すように、発電システム100は、最低限2つの発電ユニット1000−1、1000−2を備えていればよい。また、各発電ユニットは、高周波出力部113を有していなくてもよい。
図15に示す発電システム100では、受電アンテナ108が受け取った高周波エネルギは、交流変換出力部111または直流変換出力部112に伝送される。出力制御部130は、直流負荷R2および交流負荷R1の少なくとも一方の消費電力に基づいて、出力切替部109を制御する。このような構成により、交流負荷R1および直流負荷R2に効率よく配電することが可能となる。
なお、以上の実施形態における発電システム100は、太陽光発電システムに限定されず、燃料電池発電システムなどの他の発電システムに適用することもできる。また、直流負荷R2は、直流電力で動作する電気機器のみから構成されている必要はなく、蓄電池を含んでいてもよい。そのような蓄電池が設けられていれば、例えば、全ての負荷に電力を供給し、なおかつ発電された電力が余る場合、売電のみならず当該蓄電池に充電することも可能である。
以上の実施形態では、各発電ユニットが発電デバイスを有しているが、発電デバイスを除いた無線電力伝送システムを構築してもよい。発電デバイスとは独立に構築された無線電力伝送システムに、別途販売されている発電デバイスを事後的に追加して上記の発電システムを構築することができる。
本発明による発電システムおよび送電システムは、発電された電力を効率良く、各負荷に配電できるため、例えば太陽光発電システムや燃料電池発電システムに有用である。
21 スイッチング素子
22、23 インダクタ
24、25 キャパシタ
1000−1〜1000−N 発電ユニット
100 発電システム
101 発電デバイス
102 発振器
107 送電アンテナ
107a 送電アンテナにおけるインダクタ
107b 送電アンテナにおけるキャパシタ
108 受電アンテナ
108a 受電アンテナにおけるインダクタ
108b 受電アンテナにおけるキャパシタ
109 出力切替部
110 発電量検出部
111 交流変換出力部
112 直流変換出力部
113 高周波出力部
114 出力部
121 交流合成部
122 直流合成部
123 高周波合成部
201 交流電力検出部
202 直流電力検出部
203 高周波電力検出部
22、23 インダクタ
24、25 キャパシタ
1000−1〜1000−N 発電ユニット
100 発電システム
101 発電デバイス
102 発振器
107 送電アンテナ
107a 送電アンテナにおけるインダクタ
107b 送電アンテナにおけるキャパシタ
108 受電アンテナ
108a 受電アンテナにおけるインダクタ
108b 受電アンテナにおけるキャパシタ
109 出力切替部
110 発電量検出部
111 交流変換出力部
112 直流変換出力部
113 高周波出力部
114 出力部
121 交流合成部
122 直流合成部
123 高周波合成部
201 交流電力検出部
202 直流電力検出部
203 高周波電力検出部
Claims (15)
- 各発電ユニットが、
直流エネルギを出力する発電デバイスと、
前記発電デバイスから出力された前記直流エネルギを高周波エネルギに変換して出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記高周波エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記高周波エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
高周波エネルギを相対的に低い周波数の交流エネルギに変換して出力する交流変換出力部と、
高周波エネルギを直流エネルギに変換して出力する直流変換出力部と、
前記交流変換出力部および前記直流変換出力部を含む複数の出力部を前記受電アンテナに接続する出力切替部であって、制御信号に基づいて前記受電アンテナが受け取った前記高周波エネルギを前記複数の出力部のいずれかに送出する出力切替部と、
を有する複数の発電ユニットと、
各発電ユニットの前記交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部と、
各発電ユニットの前記直流変換出力部から出力された直流エネルギを合成して直流負荷に供給する直流合成部と、
前記交流負荷および前記直流負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各発電ユニットの前記出力切替部に前記制御信号を送出することにより、各発電ユニットの出力を制御する出力制御部と、
を備える発電システム。 - 前記出力制御部は、前記交流負荷および前記直流負荷の両方の消費電力に基づいて、前記制御信号を生成する、請求項1に記載の発電システム。
- 前記交流負荷の消費電力を検出して前記出力制御部に通知する交流電力検出部と、
前記直流負荷の消費電力を検出して前記出力制御部に通知する直流電力検出部と、
をさらに備えている、請求項1または2に記載の発電システム。 - 各発電ユニットは、前記受電アンテナから出力された前記高周波エネルギの大きさを検出する発電量検出部をさらに有し、
前記出力制御部は、さらに、前記発電量検出部によって検出された前記高周波エネルギの大きさに基づいて、前記制御信号を生成する、請求項1から3のいずれかに記載の発電システム。 - 各発電ユニットは、受け取った高周波エネルギを変換することなく出力する高周波出力部をさらに有し、
各発電ユニットの前記高周波出力部から出力された前記高周波エネルギを合成して高周波負荷に供給する高周波合成部をさらに備え、
前記出力制御部は、さらに前記高周波負荷の消費電力に基づいて、各発電ユニットの出力を制御する、請求項1から4のいずれかに記載の発電システム。 - 前記出力制御部は、前記高周波負荷への電力供給を、前記交流負荷および前記直流負荷への電力供給よりも優先するように各発電ユニットの出力を制御する、請求項5に記載の発電システム。
- 各発電ユニットは、前記高周波負荷の消費電力を検出して前記出力制御部に通知する高周波電力検出部をさらに備えている、請求項5または6のいずれかに記載の発電システム。
- 前記出力制御部は、前記交流負荷、前記直流負荷、および前記高周波負荷に流れる電流量から検出された各負荷の消費電力に基づいて、各発電ユニットの出力を制御する、請求項5から7のいずれかに記載の発電システム。
- 前記出力制御部は、前記交流負荷、前記直流負荷、および前記高周波負荷に流れる電流量が0に近づくように各発電ユニットにおける前記出力切替部に前記制御信号を送出する、請求項8に記載の発電システム。
- 前記交流合成部は、系統電源に連系されている、請求項1から9のいずれかに記載の発電システム。
- 各発電ユニットにおける前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの一方は直列共振回路であり、他方は並列共振回路である、請求項1から10のいずれかに記載の発電システム。
- 各発電ユニットにおける前記発振器の昇圧比をVoc、
前記送電アンテナが有するインダクタのインダクタンスをL1、
前記受電アンテナが有する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)≧(k/Voc)2
を満足する、請求項11に記載の発電システム。 - 各発電ユニットが、
直流エネルギを出力する発電デバイスと、
前記発電デバイスから出力された前記直流エネルギを高周波エネルギに変換して出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記高周波エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記高周波エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
高周波エネルギを相対的に低い周波数の交流エネルギに変換して出力する交流変換出力部と、
高周波エネルギを変換することなく出力する高周波出力部と、
前記交流変換出力部および前記高周波出力部を含む複数の出力部を前記受電アンテナに接続する出力切替部であって、制御信号に基づいて前記受電アンテナが受け取った前記高周波エネルギを前記複数の出力部のいずれかに送出する出力切替部と、
を有する複数の発電ユニットと、
各発電ユニットの前記交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部と、
各発電ユニットの前記高周波出力部から出力された高周波エネルギを合成して高周波負荷に供給する高周波合成部と、
前記交流負荷および前記高周波負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各発電ユニットの前記出力切替部に前記制御信号を送出することにより、各発電ユニットの出力を制御する出力制御部と、
を備える発電システム。 - 請求項1から12のいずれかに記載の発電システムにおいて用いられる無線電力伝送システムであって、
送電ユニットが、
直流エネルギを高周波エネルギに変換して出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記高周波エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記高周波エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
高周波エネルギを相対的に低い周波数の交流エネルギに変換して出力する交流変換出力部と、
高周波エネルギを直流エネルギに変換して出力する直流変換出力部と、
前記交流変換出力部および前記直流変換出力部を含む複数の出力部を前記受電アンテナに接続する出力切替部であって、制御信号に基づいて前記受電アンテナが受け取った前記高周波エネルギを前記複数の出力部のいずれかに送出する出力切替部と、
を有する複数の送電ユニットと、
各送電ユニットの前記交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部と、
各送電ユニットの前記直流変換出力部から出力された直流エネルギを合成して直流負荷に供給する直流合成部と、
前記交流負荷および前記直流負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各送電ユニットの前記出力切替部に前記制御信号を送出することにより、各送電ユニットの出力を制御する出力制御部と、
を備える送電システム。 - 請求項13に記載の発電システムに用いられる送電システムであって、
各ユニットが、
直流エネルギを高周波エネルギに変換して出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記高周波エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記高周波エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
高周波エネルギを相対的に低い周波数の交流エネルギに変換して出力する交流変換出力部と、
高周波エネルギを変換することなく出力する高周波出力部と、
前記交流変換出力部および前記高周波出力部を含む複数の出力部を前記受電アンテナに接続する出力切替部であって、制御信号に基づいて前記受電アンテナが受け取った前記高周波エネルギを前記複数の出力部のいずれかに送出する出力切替部と、
を有する複数の送電ユニットと、
各送電ユニットの前記交流変換出力部から出力された交流エネルギを合成して交流負荷に供給する交流合成部と、
各送電ユニットの前記高周波出力部から出力された高周波エネルギを合成して高周波負荷に供給する高周波合成部と、
前記交流負荷および前記高周波負荷の少なくとも一方の消費電力に基づいて、各送電ユニットの前記出力切替部に前記制御信号を送出することにより、各送電ユニットの出力を制御する出力制御部と、
を備える送電システム。
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