WO2011138860A1

WO2011138860A1 - 発電装置、発電システム、および無線電力伝送装置

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Publication number: WO2011138860A1
Application number: PCT/JP2011/002491
Authority: WO
Inventors: 山本　浩司; 菅野　浩
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-11-10
Also published as: JP5838324B2; US20110266882A1; JPWO2011138860A1; US8829728B2; CN102439820A; EP2568571B1; CN105914904A; CN102439820B; CN105914904B; EP2568571A1; EP2568571A4

Abstract

　発電装置は、直流エネルギを出力する発電部１０１と、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振部１０２と、ＲＦエネルギを送出する送電アンテナ１０７と、送電アンテナ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受電アンテナ１０８と、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて発振部１０２の入力インピーダンスを変化させることによって発電部１０１の入力インピーダンスを発振部１０２の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部１１０とを備えている。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。送電アンテナ１０７の共振周波数ｆＴおよび受電アンテナ１０８の共振周波数ｆＲは、いずれも、ＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しく設定されている。

Description

発電装置、発電システム、および無線電力伝送装置

　本発明は、空間を介してエネルギ供給を行う発電装置、発電システム、および無線電力伝送装置に関する。

　天然資源の枯渇や地球温暖化対策の観点から、二酸化炭素を排出しない太陽光発電に対する関心がますます高まりつつある。近年、多数の太陽光発電素子（太陽電池：以下、簡単に「セル」と称する場合がある）を大面積のエリアに敷設し、大電力を発生させる工場も現実になりつつある。家庭用の太陽光発電装置も、これまでは、建物の屋根などへ敷設することが主であったが、建物の壁面に配置することも検討されるようになってきた。

　一般の太陽光発電システムでは、多数のセル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。また、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を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）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、固体高分子形などの燃料電池を利用した発電システムも普及が広がりつつある。このような発電システムにおいても、個々のセルの出力電圧は比較的低く、高電圧を得るためには多数のセルを直列接続する必要がある。このため、太陽光発電デバイスと同様、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要因となる。

　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。共振器として磁界分布を利用するエネルギ伝送方式のことを以下、磁気共振方式と呼ぶ。

　磁気共振方式による無線電力伝送は、従来の電磁誘導方式と比較して、伝送距離の飛躍的な拡大を可能とする。すなわち、共振器間の結合ｋが各共振器の減衰定数Γ１、Γ２の積の１／２乗と比較して大きい場合、良好なエネルギ伝送が可能であるとしている。

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６、図１１）

　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）の動作効率は、３００Ｖｄｃ程度の入力電圧に対して最大化される。このため、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倍以上に昇圧する必要がある。しかしながら、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などで使用が検討されている電圧は、４８Ｖｄｃ、あるいは３００～４００Ｖｄｃ程度である。このため、直流給電システムでも、やはり数十から数百個の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。しかし、モジュール内にバイパスダイオードを導入することは、発熱やコスト増などの問題を招くため、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、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。

　一方、磁気共振方式による無線電力伝送を行う場合、受電アンテナの出力端子が負荷へと接続された状態において、発振器から出力されるＲＦエネルギの出力インピ－ダンスＺｏｃと、送電アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとを、ほぼ等しくすることが好ましい。また、発振器を送電アンテナへ接続した状態において、受電アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔと、受電アンテナに接続される負荷の抵抗値Ｒとをほぼ等しくすることが好ましい。これらの条件は、回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑制し、総合発電効率を高めるために有効な条件である。

　しかしながら、太陽電池セルにおいては、照射する太陽光の強度やセルの温度などの環境条件によって出力インピーダンスが変化することがある。このため、固定の負荷を太陽電池によって駆動するとき、照射する太陽光の強度やセルの温度変化によってセルの出力インピーダンスと伝送路のインピーダンスとの間に不整合が生じる。その結果、電力の伝達効率が低下するという課題がある。

　また、燃料電池による発電システムにおいても、発電部の環境条件によって出力インピーダンスが変動するという課題がある。例えば、注入する水素ガスの圧力やセルの温度の変動によって発電部の出力インピーダンスが変動することがある。このような環境変動のもとでは安定したエネルギ出力を維持することが困難である。

　本発明は、上記の課題を解決するものである。本発明は、発電部からの低い出力電圧を飛躍的に昇圧するとともに、太陽光照射状態や温度等の環境変動に対しても安定したエネルギ出力を維持できる発電装置、および発電システムを提供する。また、本発明によれば、無線で電力が伝送されるため、敷設作業や一部のセルやモジュールの取り替え作業を簡便にすることができる。

　本発明は、太陽光発電システムのみならず、固体高分子形などの燃料電池発電装置にも応用することができる。本発明によれば、発電スタックにおけるセル毎に低い出力電圧を飛躍的に昇圧できるとともに、入力する水素ガスの圧力や環境温度の変動に対して安定したエネルギ出力を維持することができる。また、一部のセルが故障した場合にセルの取り替え作業を簡便にすることができる。

　本発明の発電装置は、直流エネルギを出力する発電部と、前記直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振部と、前記ＲＦ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ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流部と、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて前記発振部の入力インピーダンスを変化させることによって前記発振部の入力インピーダンスを前記発電部の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部と、を備えている。前記送電アンテナは、直列共振回路であり、前記受電アンテナは、並列共振回路であり、前記送電アンテナの共振周波数ｆＴおよび前記受電アンテナの共振周波数ｆＲは、いずれも前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しく設定されている。

　好ましい実施形態において、発電装置は、前記発電部の出力電流および出力電圧を計測する計測部を備え、前記計測部によって計測された前記出力電流および前記出力電圧から前記発電部の出力インピーダンスの値を検出する。

　好ましい実施形態において、発電装置は、前記発振部と前記送電アンテナとの間に設けられ、前記送電アンテナの入力インピーダンスを前記発振部の出力インピーダンスに整合させる発振部インピーダンス整合部を備え、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることにより、前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記発振部の出力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを前記発振部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記発振部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の発振器を有し、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の発振器のうちの１つを選択し、選択した前記発振器に電流が流れるようにすることによって前記発振部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記発振部インピーダンス整合部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整合回路を有し、前記送電側制御部は、前記発振部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の整合回路のうちの１つを選択し、選択した前記整合回路に電流が流れるようにすることによって前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記発振部インピーダンス整合部は、複数の容量素子と複数のインダクタとを有し、前記送電側制御部は、前記発振部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の容量素子および前記複数のインダクタのうちのいずれかを含む組み合わせを選択し、選択した組み合わせに含まれる前記容量素子および前記インダクタに電流が流れるようにすることによって前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記送電アンテナは、直列接続された複数のインダクタと、前記複数のインダクタに直列に接続された複数の容量素子とを有し、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つおよび前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つのインダクタおよび選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記送電アンテナは、互いに異なるインダクタンスをもつ並列配置された複数の第１インダクタと、前記複数の第１インダクタに近接して配置された第２インダクタとを有し、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の第１インダクタのうちの１つを選択し、選択した前記第１インダクタに電流が流れるようにすることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記送電アンテナは、インダクタと、前記インダクタに直列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を含む可動部とを有し、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記インダクタと前記可動部との距離を変化させ、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることによって前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記送電アンテナは、互いに異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有し、前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の共振器の１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、発電装置は、前記受電アンテナと前記整流部との間に設けられ、前記整流部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる整流部インピーダンス整合部と、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることにより、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる受電側制御部とを備える。

　好ましい実施形態において、前記受電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記整流部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部の入力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記受電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記発電部の環境変数を計測する環境条件センシング部を備え、前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記整流部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部の入力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスに整合させる。

　好ましい実施形態において、前記整流部インピーダンス整合部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整合回路を有し、前記受電側制御部は、前記複数の整合回路のうちの１つの整合回路を選択し、選択した前記整合回路に電流が流れるようにすることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記整流部インピーダンス整合部は、複数の容量素子と複数のインダクタとを有し、前記受電側制御部は、前記複数の容量素子および前記複数のインダクタのうちのいずれかを含む組み合わせを選択し、選択した組み合わせに含まれる前記容量素子および前記インダクタに電流が流れるようにすることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記整流部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整流器を有し、前記受電側制御部は、前記複数の整流器のうちの１つの整流器を選択し、選択した前記整流器に電流が流れるようにすることによって前記整流部の入力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記受電アンテナは、直列接続された複数のインダクタと、前記複数のインダクタに並列に接続された複数の容量素子とを有し、前記受電側制御部は、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つおよび前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つのインダクタおよび選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記受電アンテナは、互いに異なるインダクタンスを持つ並列配置された複数の第１インダクタと、前記複数の第１インダクタに近接して配置された第２インダクタとを有し、前記受電側制御部は、前記複数の第１インダクタのうちの１つを選択し、選択した前記第１インダクタに電流が流れるようにすることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記受電アンテナは、インダクタと、前記インダクタに並列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を含む可動部とを有し、前記受電側制御部は、前記インダクタと前記可動部との距離を変化させ、前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記受電アンテナは、互いに異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有し、前記受電側制御部は、前記複数の共振器の１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる。

　好ましい実施形態において、前記環境変数は、前記発電部における太陽光の放射照度を示す変数を含んでいる。

　好ましい実施形態において、前記環境変数は、前記発電部における温度を示す変数を含んでいる。

　好ましい実施形態において、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数は、無線によって前記受電側制御部へ送信される。

　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、前記太陽光発電部および前記送電アンテナは建物の外側に設置され、前記受電アンテナは前記建物の内部に設置されている。

　好ましい実施形態において、前記太陽光発電部、前記送電アンテナ、および前記受電アンテナは建物の外に設置され、前記送電アンテナの少なくとも一部と前記受電アンテナの少なくとも一部とが対向するように配置されている。

　好ましい実施形態において、前記発振部の昇圧比をＶｏｃ、前記送電アンテナにおけるインダクタンスをＬ１、前記受電アンテナにおけるインダクタンスを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。

　好ましい実施形態において、前記整流部の出力電圧は２００～３００Vの範囲内にある。

　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、本発明の上記いずれかの発電装置である、発電システム。

　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部と、前記ＲＦ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ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流部と、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて前記発振部の入力インピーダンスを変化させることによって前記発振部の入力インピーダンスを前記発電部の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部と、を備え、前記送電アンテナは、直列共振回路であり、前記受電アンテナは、並列共振回路であり、前記送電アンテナの共振周波数ｆＴおよび前記受電アンテナの共振周波数ｆＲは、いずれも前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しく設定されている。

　本発明の発電装置によれば、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内の電子機器に伝送することが可能になる。このため、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ときの交換作業を簡便化することが可能になる。

　さらに、本発明によれば、発電デバイスの動作環境状態に応じて発電デバイスの出力インピーダンスと伝送路のインピーダンスとを整合させることができる。そのため、例えば太陽光の放射照度や温度等の変動による発電デバイス要素ごとの特性変動に起因する特性劣化が少なく、高効率で安定した発電装置を実現できる。また、本発明の発電装置を複数並列することにより、高効率で安定した発電システムを構築することができる。さらに、本発明の無線電力伝送装置によれば、入力された直流エネルギを高効率かつ安定的に伝送することができる。

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無線伝送部の等価回路を示す図である。本発明による発電装置の使用例を示す模式図である。本発明による他の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送電アンテナおよび受電アンテナの構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側制御部によるインピーダンス整合の概略を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側のインピーダンス整合の処理の流れを示すフロー図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側制御部および発振部の構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側制御部および発振部インピーダンス整合部の構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側制御部および発振部インピーダンス整合部の他の構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における送電側制御部および送電アンテナの構成を示す図である。（ａ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における送電アンテナの第１の構成例を示す図であり、（ｂ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における送電アンテナの第２の構成例を示す図であり、（ｃ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における送電アンテナの第３の構成例を示す図であり、（ｄ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における送電アンテナの第４の構成例を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側制御部によるインピーダンス整合の概略を示す図である。太陽光の放射照度ごとの発電部の出力電圧に対する出力インピーダンスの変動を示すグラフである。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側のインピーダンス整合の処理の流れを示すフロー図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側制御部および受電アンテナの構成を示す図である。（ａ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における受電アンテナの第１の構成例を示す図であり、（ｂ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における受電アンテナの第２の構成例を示す図であり、（ｃ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における受電アンテナの第３の構成例を示す図であり、（ｄ）は、本発明による発電装置の第１の実施形態における受電アンテナの第４の構成例を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側制御部および整流部インピーダンス整合部の構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側制御部および整流部インピーダンス整合部の他の構成を示す図である。本発明による発電装置の第１の実施形態における受電側制御部および整流部の構成を示す図である。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。

　本発明による発電装置、発電システム、および無線電力伝送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４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、本発明による発電装置の基本構成を示している。この例の発電装置は、直流エネルギを出力する発電部１０１と、発振周波数ｆ０の高周波（ＲＦ）エネルギを出力する発振部１０２と、共振周波数ｆＴの送電アンテナ１０７と、共振周波数ｆＲの受電アンテナ１０８と、ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流部１０６とを備えている。発電装置は、さらに、発振部１０２の入力インピーダンスを発電部１０１の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部１１０を備えている。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。

　発振部１０２は、発電部１０１から出力された直流エネルギ（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）。発振部１０２から出力されたＲＦエネルギは、発振部１０２に接続された送電アンテナ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送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８は、互いの共振器が形成する共振磁界によって結合される。これによって受電アンテナ１０８は、送電アンテナ１０７によって送出されたＲＦエネルギの少なくとも一部を効率良く受け取ることができる。受電アンテナ１０８は、送電アンテナ１０７に接触しておらず、送電アンテナ１０７から例えば数ｃｍ～数ｍ程度は離間している。受電アンテナ１０８が受けたＲＦエネルギは、整流部１０６に入力され、直流エネルギに変換される。

　本発明における送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて発振部１０２の入力インピーダンスを動的に変化させる。これによって、発電部１０２の入力インピーダンスと発電部１０１の出力インピーダンスとが整合した状態を保つことが可能になる。そのため、本発明による発電装置は、発電部１０１の環境条件などの変動に起因して発電部１０１の出力電流電圧特性が変動する場合において、従来の発電装置と比較して総合発電効率を向上させることができる。

　本発明の発電装置における「アンテナ」は、電磁波の送信または受信を行うための通常のアンテナではなく、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だけではなく、例えば数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間で高効率に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、発振部１０２の周波数ｆ０に等しく設定されるが、ｆＴおよび／またはｆＲは、周波数ｆ０と完全に一致する必要はない。共振器間の結合に基づき高効率なエネルギ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は送電アンテナの共振器としてのＱ値、ＱＲは受電アンテナ１０８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。上記の式１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、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８の等価回路の一例を示す図である。図示される例では、送電アンテナ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る。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。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。なお、本発明の送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８は、図示される回路構成に限られない。本発明において、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ればよい。

　本発明の好ましい実施形態では、発振部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、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との間の結合係数をｋとするとき、以下の関係が満足するようにＬ１、Ｌ２、ｋ、Ｖｏｃの値が決定される。
　（Ｌ２／Ｌ１）≧４（ｋ／Ｖｏｃ）²

　上記の関係を満足するとき、入力される直流エネルギの電圧を無線電力伝送に際して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。このように、本発明の発電装置によれば、パラメータＬ１、Ｌ２、ｋ、Ｖｏｃを好適に設定することにより、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。

　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、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３は、本発明による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１０４とを備えている。無線伝送部１０４は、建物２００の壁１２１を介して対向する送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とを有している。送電アンテナ１０７は、屋外の太陽光発電部１０１に接続されており、受電アンテナ１０８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１２１上に設置されてもよいし、他の建物に設置されていても良い。また、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とはともに屋外に設置されていてもよい。その場合でも、送電アンテナ１０７の少なくとも一部と前記受電アンテナ１０８の少なくとも一部とが対向するように配置されていればよい。

　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よい。燃料電池は、比較的低い電圧の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４は、前述のインピーダンス整合の効果をさらに高めることができる発電装置の構成の一例を示す図である。この発電装置は、図１に示す発電装置の構成要素に加え、さらに発振部インピーダンス整合部１０３と、整流部インピーダンス整合部１０５と、受電側制御部１１２とを備えている。

　発振部インピーダンス整合部１０３は、発振部１０２と送電アンテナ１０７との間に配置され、発振部１０２の出力インピーダンスと送電アンテナ１０７の入力インピーダンスとを整合させる。送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、発振部１０２だけでなく、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７の入出力インピーダンスを変化させる。これにより、送電側の各回路ブロック間のインピーダンスを整合させることができる。

　整流部インピーダンス整合部１０５は、受電アンテナ１０８と整流部１０６との間に配置され、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスと整流部１０６の入力インピーダンスとを整合させる。受電側制御部１１２は、発電部１０１の出力インピーダンスの変動または発電部の環境条件の変動に応じて、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６の入出力インピーダンスを変化させる。これにより、受電側の各回路ブロック間のインピーダンスを整合させることができる。

　このように、図４に示される構成によれば、発電部１０１の環境条件の変動、または発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、回路ブロック間のインピーダンスを整合させることができる。このため、回路ブロック間の多重反射を抑えることができ、発電装置の総合発電効率をさらに高めることができる。

　本発明において、複数の発電装置を並列に接続することにより、さらに安定した特性を有する発電システムを構築することができる。また、前述の図１に示す発電装置の構成要素のうち、発電部１０１を除いた構成要素を備える無線電力伝送装置を構成することができる。すなわち、本発明の無線電力伝送装置は、発振部１０２と、送電アンテナ１０７と、受電アンテナ１０８と、整流部１０６と、送電側制御部１１０とを備える。このような無線電力伝送装置によれば、上記の原理により、外部から供給された直流エネルギを無線で効率的に外部の負荷に伝送することができる。

　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５～図２１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５～図２１において、図１～４に示す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。

　図５は、本実施形態の発電装置の概略構成図である。本実施形態の発電装置は、図示されるように、発電部１０１と、発振部１０２と、発振部インピーダンス整合部１０３と、無線伝送部１０４と、整流部インピーダンス整合部１０５と、整流部１０６とを備えており、これらは直列に接続されている。また、整流部１０６の後段には負荷１１３が接続されている。発電装置は、さらに、発電部１０１の出力電流および出力電圧を計測する出力電流電圧計測部１０９と、送電側の各回路ブロックにおけるインピーダンスを整合させる送電側制御部１１０と、発電部１０１の環境変数を計測する環境条件センシング部１１１と、受電側の各回路ブロックにおけるインピーダンスを整合させる受電側制御部１１２とを備えている。本実施形態の発電装置では、送電側制御部１１０は、出力電流電圧計測部１０９からの出力に基づいて送電側の各回路ブロックにおけるインピーダンスを整合させる。受電側制御部１１２は、環境条件センシング部１１１からの出力に基づいて受電側の各回路ブロックにおけるインピーダンスを整合させる。送電側制御部１１０および受電側制御部１１２は、例えばＣＰＵ等によって構成される。

　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。

　発振部１０２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１０４は、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とを有している。伝送効率の観点から、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８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、１０８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。

　整流部１０６には、様々な方式で整流を行う回路が利用可能であり、例えば両波整流やブリッジ整流回路を利用できる。また、倍電圧整流回路を用いれば、整流部１０６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。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を用いることができる。このような昇圧機能をもつ整流回路を整流部１０６として用いると、無線伝送部１０４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。

　発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振部１０２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１０４により、空間（壁）を介して非接触に伝送され、整流部１０６によって直流エネルギに変換され、負荷１１３に供給される。

　負荷１１３は、例えば、一般の電気機器や蓄電池である。負荷１１３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、または双方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。

　出力電流電圧計測部１０９は、発電部１０１から出力される電流および電圧を測定する測定器を備え、測定結果を送電側制御部１１０に送信する。送電側制御部１１０は、出力電流電圧計測部１０１からの測定結果を受け、発電部１０１の出力インピーダンスを算出する。送電側制御部１１０は、算出した発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを変化させる。これにより、送電側の各部におけるインピーダンスを整合させることができる。

　発電環境条件センシング部１１１は、発電部１０１の近傍に設置され、発電部における発電環境条件（以下、「環境変数」と呼ぶ。）を計測するセンサである。本実施形態における環境変数は、例えば、発電部１０１の表面に照射されている太陽光の放射照度、または発電部１０１の温度である。環境条件センシング部１１１は、計測した環境変数を受電側制御部１１２に有線または無線で送信する。受電側制御部１１２は、環境条件センシング部１１１から送信された環境変数の変動に応じて、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６のインピーダンスを変化させる。これにより、受電側の回路ブロック間のインピーダンスを整合させる。

　以下、図６を参照しながら、無線伝送部１０４の構成および動作を説明する。

　本実施形態における送電アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂを含む直列共振回路である。また、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を含む並列共振回路である。送電アンテナ１０７の共振周波数ｆＴおよび受電アンテナ１０８の共振周波数ｆＲは、それぞれ、発振部１０２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受電アンテナ１０８の出力インピーダンスＺｏｕｔは、発振部１０２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、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との距離を例えば数ｃｍ～数ｍの距離に設定することができ、両者の間に壁１２１が存在しても、高い効率でエネルギを伝送できる。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、送電アンテナ１０７に流入するＲＦエネルギの入力電圧に対して、受電アンテナ１０８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。

　本実施形態において、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との間は、壁１２１（図３）が存在していてもよいし、障害物を介することなく送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とが対向していてもよい。また、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とを隔てるものが屋根であってもかまわない。

　なお、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８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。送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８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と送電アンテナ１０７との接続は、例えば建物２００の壁１２１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、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８の両方が屋外に設置されている場合、屋内の電子機器と受電アンテナ１０８との接続も、例えば建物２００の壁１２１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３に示す例のように、送電アンテナ１０７を屋外に設置し、受電アンテナ１０８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、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２つのインダクタ１０７ａ、１０８ａの間隔である。アンテナ間隔は、アンテナの配置エリア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、アンテナの配置エリアの大きさとは、サイズが相対的に小さなアンテナの配置エリアの大きさを意味し、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、アンテナの配置エリアの大きさの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。

　次に、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、送電側の送電アンテナ１０７と受電側の受電アンテナ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、同一周波数ｆ０で共振する２つの共振器（アンテナ１０７、１０８）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、以下の式から導かれる。
　（式２）　ｋ＝（ｆＨ²－ｆＬ²）／（ｆＨ²＋ｆＬ²）

　なお、発振部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１０８ａ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

　受電アンテナ１０８の並列型共振回路において、第２インダクタ１０８ａを流れる高周波電流をＩＬ２、第２容量素子１０８ｂを流れる高周波電流をＩＣ２とすると、図６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１０８ａを流れる高周波電流ＩＬ２、第２容量素子１０８ｂを流れる高周波電流ＩＣ２、第２インダクタ１０８ａのインダクタンスＬ２、第２インダクタ１０８ａ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）

　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、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）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、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
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（＝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る。しかし、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、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。

　さらに、本実施形態の発電装置では、発電部１０１の出力インピーダンスや環境変数の変動に応じて各回路ブロックのインピーダンスが整合されるため、回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑制し、総合発電効率を改善することができる。

　以下、本実施形態におけるインピーダンス整合についてさらに詳しく説明する。

　図７は、本実施形態における送電側制御部１１０の構成および他の構成要素との関連を示す図である。送電側制御部１１０は、出力先における入力インピーダンスを変化させるスイッチング制御部１１０ａと、発電部の出力インピーダンスの変動に応じて出力先の入力インピーダンスを変化させるために参照するデータが記録されたインピーダンス対応テーブル１１０ｂとを備えている。ここで、出力先とは、発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７を指す。インピーダンス対応テーブル１１０ｂは、例えば不図示のメモリに格納されている。本実施形態における発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７は、インピーダンス制御のための複数のスイッチを有している。各機能部における複数のスイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせを変えることにより、各機能部におけるインピーダンスを変化させることができる。インピーダンス対応テーブル１１０ｂは、発電部１０１の出力インピーダンスの範囲と、出力先における各スイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせとの対応付けが記録されており、予め設計時に設定されている。インピーダンス対応テーブル１１０ｂは、例えば以下の表１に示されるようなテーブルである。表１では、発振部におけるスイッチＱ１～Ｑ３に関する列のみが記載されているが、実際のテーブルには、他の機能部のスイッチに関する列も含まれる。

　図８は、本実施形態におけるインピーダンス整合の処理の流れを示すフロー図である。まず、送電側制御部１１０は、出力電流電圧計測部１０９によって計測された電流（Ｉ）および電圧（Ｖ）から、発電部１０１の出力インピーダンス（Ｚ＝Ｖ／Ｉ）を測定する。測定されたＺの値に基づいて、インピーダンス対応テーブル１１０ｂから、出力先ごとの対応するスイッチの組み合わせを決定する。決定した組み合わせに対応するインピーダンスが、現時点で設定されているインピーダンスと異なる場合、上記スイッチの組み合わせに従って出力先のスイッチのＯＮ、ＯＦＦが切り替えられる。決定した組み合わせに対応するインピーダンスが、現時点で設定されているインピーダンスと同じである場合、スイッチの切り替えは行われない。

　図８に示される送電側制御部１１０における処理の開始タイミングは、一定時間ごとであってもよいし、発電部１０１の出力インピーダンスの値の変動が予め定めた値以上になったときに行うものとしてもよい。このような制御により、発電部１０１の後段の発振部１０２、発振部インピーダンス制御部１０３、および送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを、発電部１０１の出力インピーダンスに整合させることができる。このように、環境条件によって変動する発電部１０１の出力インピーダンスに各機能部の入力インピーダンスを整合させることによって発電部１０１から常に最大の出力電力を取り出すことができる。

　なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「整合する」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、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。

　以下、各機能部におけるインピーダンス整合を、より具体的に説明する。

　図９は、発振部１０２におけるインピーダンス整合の具体例を示す図である。本実施形態における発振部１０２は、複数の発振器１～３を備えている。各発振器は、異なる入力インピーダンスの範囲で効率がピークになるように設計されている。各発振器に対応してスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３が設けられている。Ｑ１からＱ３のうちのいずれかのスイッチをＯＮにし、残りのスイッチをＯＦＦにすることによってＯＮに対応する１つの発振器にのみ電流が流れるように制御することができる。なお、発振器の数は３個である必要はなく、何個であってもよい。送電側制御部１１０におけるスイッチング制御部１１０ａは、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、対応するスイッチのみをＯＮにすることによって発電部１０１の出力インピーダンスに整合する発振器が選択される。その結果、発電効率を向上させることができる。

　発振部１０２におけるインピーダンス整合の一例として、入力インピーダンスＺが、発振器１ではＺ≦１０Ω、発振器２では１０Ω＜Ｚ≦２５Ω、発振器３では２５Ω＜Ｚのときに効率がピークになるように設計されている場合を考える。この場合、インピーダンス対応テーブルは、表１において、Ｚ１＝１０Ω、Ｚ２＝２５Ωとしたものになる。例えば、出力電流電圧計測部１０９の出力から得られる発電部１０１の出力インピーダンスが８Ωである場合、送電側制御部１１０のスイッチング制御部１１０ａは、スイッチＱ１をＯＮにし、その他のスイッチをＯＦＦにするように発振部１０２の各スイッチの切り替えを行う。これにより、発振部１０２は、発電部の出力インピーダンスが変動しても効率を維持することができる。

　図１０は、発振部インピーダンス整合部１０３におけるインピーダンス整合の具体例を示す図である。発振部インピーダンス整合部１０３は、発振部１０２の出力インピーダンスに後段の送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを整合させるための複数の整合回路１～４を備えている。各整合回路に対応してスイッチＱ１～Ｑ４が設けられている。Ｑ１からＱ４のうちのいずれかのスイッチをＯＮにし、残りのスイッチをＯＦＦにすることによってＯＮに対応する１つの整合回路にのみ電流が流れるように制御することができる。なお、整合回路の数は４個である必要はなく、何個であってもよい。送電側制御部１１０は、前述の発振部１０２におけるスイッチング制御と同様、発電部１０１の出力インピーダンスに対応する整合回路に選択的に電流が流れるように各スイッチのＯＮ、ＯＦＦを切り替える。これにより、発振部１０２の出力インピーダンスに発振部インピーダンス整合部１０３の入力インピーダンスを整合させることができる。その結果、発振部１０２の出力インピーダンスに送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを整合させることが可能となる。以上のようなインピーダンス整合により、送電アンテナ１０７におけるＲＦエネルギの多重反射を低減することができ、伝送効率を維持することが可能となる。

　図１１は、発振部インピーダンス整合部１０３におけるインピーダンス整合の他の具体例を示す図である。図示される構成では、整合回路の内部インダクタンスや容量を切り替えることによって図１０に示す構成と同様の制御が可能となる。以下の表２は、この構成におけるインピーダンス対応テーブルの一例を示している。インピーダンス対応テーブルには、発電部１０１の出力インピーダンスの値に応じて、対応するスイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせが記録されている。インピーダンス対応テーブルに従って回路内のスイッチを切り替えることによって複数の整合回路の中から１つの整合回路を選択する場合と同様の制御が可能となる。この構成によっても、発振部１０２の出力インピーダンスに後段の送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを整合させることができる。

　次に、図１２および図１３を参照しながら、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス整合の具体例を説明する。

　図１２は、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス整合を示す構成図である。図示されるように、送電アンテナ１０７は、送電アンテナインピーダンス可変部１１７に接続されている。送電アンテナインピーダンス可変部１１７は、複数のインピーダンス可変方式の中から少なくとも１つの可変方式を選択する。スイッチング制御部１１０ａは、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、インピーダンス対応テーブル１１０ｂに従って、送電アンテナ１０７における複数のスイッチを制御する。これによって送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを発振部インピーダンス整合部１０３の出力インピーダンスに整合させることができる。

　図１３（ａ）～（ｄ）は、送電アンテナインピーダンス可変部１１７によって選択され得る、送電アンテナ１０７における可変方式の例を示す図である。

　図１３（ａ）は、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス可変方式の第１の例を示している。この例では、送電アンテナ１０７は、直列接続された複数のインダクタと、それらに直列に接続された複数の容量素子とを有している。この回路には複数のスイッチが設けられており、送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの値に基づいて、これらのスイッチを切り替える。すなわち、送電側制御部１１０は、これらのインダクタのうちの少なくとも１つおよびこれらの容量素子のうちの少なくとも１つに選択的に電流が流れるように制御する。これにより、送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを変化させる。

　図１３（ｂ）は、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス可変方式の第２の例を示している。送電アンテナ１０７は、互いに異なるインダクタンスをもつ並列配置された複数のインダクタ１０７ａａと、これらのインダクタに近接して配置されたインダクタ１０７ａｂとを有している。これは、複数のインダクタ１０７ａａのうちの１つからインダクタ１０７ａｂに電磁誘導の原理によって電力を伝送する受動回路を有する構成である。この方式では、電流が流れるインダクタ１０７ａａを切り替えることによってインダクタ１０７ａａと１０７ａｂとで形成されるインダクタンス成分と、インダクタ１０７ａａと１０７ａｂとの間の容量成分とが変化し、インピーダンスを変化させることができる。送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの値に基づいて、複数のインダクタ１０７ａａのうちの１つを選択し、選択したインダクタ１０７ａａに電流が流れるようにスイッチを切り替える。これにより、送電側制御部１１０は、送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる。

　図１３（ｃ）は、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス可変方式の第３の例を示している。この例では、送電アンテナ１０７は、インダクタと、インダクタに直列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を有する可動部１１５とを有している。このような構成により、金属体を近づけることによって容量成分を変化させ、磁性体を近づけることによってインダクタンス成分を変化させることができる。これにより、送電アンテナ１０７の入出力インピーダンスを変化させることができる。また、複数の容量素子に接続されたスイッチを開閉することによっても送電アンテナ１０７の入出力インピーダンスを変化させることができる。送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの値に基づいて、インダクタと可動部との距離を変化させるともに、複数の容量素子のうちの少なくとも１つに電流が流れるようにスイッチの開閉制御を行う。これによって発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを変化させることができる。

　図１３（ｄ）は、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス可変方式の第４の例を示している。この例では、送電アンテナ１０７は、異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有する。これらの共振器は並列に配置され、発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて使用する共振器が切り替えられる。送電側制御部１１０は、発電部１０１の出力インピーダンスの値に基づいて、複数の共振器から１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを変化させる。この際、使用しない共振器に電力が伝送されることを防ぐため、使用しない共振器は接地されない。

　送電アンテナインピーダンス可変部は、例えば上記の４つの方式のうち、少なくとも１つの方式を用いて送電アンテナ１０７のインピーダンスを変化させる。これにより、発振部インピーダンス整合部１０３の出力インピーダンスに送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを整合させることができる。なお、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス整合の方式は、上記の４つの方式に限られない。発電部１０１の出力インピーダンスの変動に応じて送電アンテナ１０７の入力インピーダンスを変化させることができればどのような方式であってもよい。

　次に受電側のインピーダンス整合について説明する。

　図１４は、本実施形態における受電側制御部１１２の構成および他の構成要素との関連を示す図である。受電側制御部１１２は、出力先における入力インピーダンスを変化させるスイッチング制御部１１２ａと、発電部の出力インピーダンスの変動に応じて出力先の入力インピーダンスを変化させるために参照するデータが記録されたインピーダンス対応テーブル１１２ｂとを備えている。ここで、出力先とは、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６を指す。インピーダンス対応テーブル１１２ｂは、例えば不図示のメモリに格納されている。本実施形態における受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６は、インピーダンス制御のための複数のスイッチを有している。これらの機能部における複数のスイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせを変えることにより、各機能部におけるインピーダンスを変化させることができる。インピーダンス対応テーブル１１２ｂは、発電部１０１の出力インピーダンスの範囲と、出力先における各スイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせとの対応付けが記録されており、予め設計時に設定されている。インピーダンス対応テーブル１１２ｂは、上記の表１と同様のテーブルであり、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６スイッチに関する列を含んでいる。なお、インピーダンス対応テーブル１１２ｂは、送電側制御部１１０におけるインピーダンス対応テーブル１１０ｂと共通のテーブルであってもよい。

　本実施形態の発電装置は、さらに、受電アンテナ１０８の出力電力および整流部インピーダンス整合部１０５の出力電力を計測し、スイッチング制御部１１２ａに入力する出力電力計測部１２０を備えている。スイッチング制御部１１２ａは、入力された出力電力に基づいて後述するスイッチング制御を行う。

　受電側制御部１１２は、環境条件センシング部１１１で計測される発電部１０１における環境変数の変動に応じて、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６のインピーダンスを変化させる。本実施形態では、環境変数は太陽光の放射照度を表すものとする。なお、環境変数は、発電部１０１の温度など、発電部１０１の出力インピーダンスの変動をもたらす他のパラメータまたはそれらの組み合わせであってもよい。

　図１５は、ある太陽光発電デバイスにおける放射照度ごとのセルの出力電圧に対する出力インピーダンスの変化を示すグラフである。図中において、横軸は、発電部１０１の出力電圧を表し、縦軸は、発電部１０１の出力インピーダンスを表している。黒塗りあるいは太線で示した点は、各放射照度において出力電力が最大になる点である。図示される例では、電圧が一定の場合、放射照度が高くなるほど出力インピーダンスは低下する。このように発電部１０１の受光面における放射照度が変動すると、発電部１０１の出力インピーダンスは変動する。

　本実施形態では、放射照度ごとに発電部１０１の出力電力が最大となる出力インピーダンスおよび出力電圧が予め計測され、特性情報として受電側制御部１１２に記録されている。受電側制御部１１２は、記録された特性情報および環境条件センシング部１１１からの入力値に基づき、現時刻での放射照度における発電部１０１の出力電力が最大となる出力インピーダンスおよび出力電圧を求める。次に、求めた出力インピーダンスの値およびインピーダンス対応テーブル１１２ｂに基づいて、各部のスイッチを切り替えることにより、各部のインピーダンスを切り替える。

　図１６は、本実施形態におけるインピーダンス整合の処理の流れを示すフロー図である。まず、受電側制御部１１２は、環境条件センシング部１１１によって計測された発電部１０１の環境変数（放射照度）から、発電部１０１の出力インピーダンス（Ｚ＝Ｖ／Ｉ）を推定する（Ｓ２０）。推定されたＺの値に基づいて、インピーダンス対応テーブル１１２ｂから、出力先ごとの対応するスイッチの組み合わせを示す情報を読み出す（Ｓ２２）。読み出した情報に基づいて各機能部のスイッチを切り替える（Ｓ２４）。スイッチの切り替えによって出力電力計測部１２０の出力が切り替える前と比較して大きくならなかった場合、切り替える前のスイッチの組み合わせに戻して処理を終了する（Ｓ３４）。スイッチの切り替えによって出力電力計測部１２０の出力が切り替える前と比較して大きくなった場合、より小さいインピーダンスになるようにスイッチを切り替える（Ｓ４０）。スイッチの切り替えによって出力電力計測部１２０の出力が切り替える前と比較して小さくなった場合、切り替える前のスイッチの組み合わせに戻して処理を終了する（Ｓ３４）。スイッチの切り替えによって出力電力計測部１２０の出力が切り替える前と比較して小さくならなかった場合、再度、より小さいインピーダンスになるようにスイッチを切り替え（Ｓ４０）、以後、収束するまで同様の処理を繰り返す。

　図１６に示される受電側制御部１１２における処理の開始タイミングは、一定時間ごとであってもよいし、推定される発電部１０１の出力インピーダンスの値の変動が予め定めた値以上になったときに行うものとしてもよい。また、送電側制御部１１０による処理の開始タイミングと同時でもよいし、異なっていてもよい。受電側制御部１１２は、以上の処理フローに従ってインピーダンスの切り替えを行うことによって受電側の各回路ブロックのインピーダンスの整合を保つ。

　以下、各機能部におけるインピーダンス整合を、より具体的に説明する。
図１７は、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス整合を示す構成図である。図示されるように、受電アンテナ１０８は、受電アンテナインピーダンス可変部１１９に接続されている。受電アンテナインピーダンス可変部１１９は、複数のインピーダンス可変方式の中から少なくとも１つの可変方式を選択する。スイッチング制御部１１２ａは、環境変数の変動に応じて、インピーダンス対応テーブル１１２ｂに従って、受電アンテナ１０８における複数のスイッチを制御する。これによって受電アンテナ１０８を送電アンテナ１０７に整合させるとともに、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスを整流部インピーダンス整合部１０５の入力インピーダンスに整合させることができる。

　図１８（ａ）～（ｄ）は、受電アンテナインピーダンス可変部１１９によって選択され得る、受電アンテナ１０８における可変方式の例を示す図である。

　図１８（ａ）は、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス可変方式の第１の例を示している。この例では、受電アンテナ１０８は、直列接続された複数のインダクタと、それらに並列に接続された複数の容量素子とを有している。この回路には複数のスイッチが設けられており、受電側制御部１１２は、環境変数の値に基づいて、これらのスイッチを切り替える。すなわち、受電側制御部１１２は、これらのインダクタのうちの少なくとも１つおよびこれらの容量素子のうちの少なくとも１つに選択的に電流が流れるように制御する。これにより、受電側制御部１１２は、発電部１０１の環境変数の変動に応じて受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させる。

　図１８（ｂ）は、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス可変方式の第２の例を示している。受電アンテナ１０８は、互いに異なるインダクタンスをもつ並列配置された複数のインダクタ１０８ａａと、これらのインダクタに近接して配置されたインダクタ１０８ａｂとを有している。これは、複数のインダクタ１０８ａａのうちの１つからインダクタ１０８ａｂに電磁誘導の原理によって電力を伝送する受動回路を有する構成である。この方式では、電流が流れるインダクタ１０８ａａを切り替えることによってインダクタ１０８ａａと１０８ａｂとで形成されるインダクタンス成分と、インダクタ１０８ａａと１０８ａｂとの間の容量成分とが変化し、インピーダンスを変化させることができる。受電側制御部１１２は、環境変数の値に基づいて、複数のインダクタ１０８ａａのうちの１つを選択し、選択したインダクタ１０８ａａに電流が流れるようにスイッチを切り替える。これにより、受電側制御部１１２は、受電アンテナのインピーダンスを変化させる。

　図１８（ｃ）は、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス可変方式の第３の例を示している。この例では、受電アンテナ１０８は、インダクタと、インダクタに直列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を有する可動部１１５とを有している。このような構成により、金属体を近づけることによって容量成分を変化させ、磁性体を近づけることによってインダクタンス成分を変化させることができる。これにより、受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させることができる。また、複数の容量素子に接続されたスイッチを開閉することによっても受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させることができる。受電側制御部１１２は、環境変数の値に基づいて、インダクタと可動部との距離を変化させるともに、複数の容量素子のうちの少なくとも１つに電流が流れるようにスイッチの開閉制御を行う。これによって環境変数の変動に応じて受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させることができる。

　図１８（ｄ）は、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス可変方式の第４の例を示している。この例では、受電アンテナ１０８は、異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有する。これらの共振器は並列に接続され、環境変数の変動に応じて使用する共振器が切り替えられる。受電側制御部１１２は、環境変数の値に基づいて、複数の共振器から１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させる。この際、使用しない共振器に電力が伝送されることを防ぐため、使用しない共振器は接地されない。

　受電アンテナインピーダンス可変部１１９は、例えば上記の４つの方式のうち、少なくとも１つの方式を用いて受電アンテナ１０８のインピーダンスを変化させる。これにより、整流部インピーダンス整合部１０５の入力インピーダンスに受電アンテナ１０８の出力インピーダンスを整合させることができる。なお、受電アンテナ１０８におけるインピーダンス整合の方式は、上記の４つの方式に限られない。環境変数の変動に応じて受電アンテナ１０８の入出力インピーダンスを変化させることができればどのような方式であってもよい。

　図１９は、整流部インピーダンス整合部１０５におけるインピーダンス整合の具体例を示す図である。整流部インピーダンス整合部１０５は、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスに後段の整流部１０６の入力インピーダンスを整合させるための複数の整合回路１～４を備えている。各整合回路に対応してスイッチＱ１～Ｑ４が設けられている。Ｑ１からＱ４のうちのいずれかのスイッチをＯＮにし、残りのスイッチをＯＦＦにすることによってＯＮに対応する１つの整合回路にのみ電流が流れるように制御することができる。なお、整合回路の数は４個である必要はなく、何個であってもよい。受電側制御部１１２は、前述の受電アンテナ１０８におけるスイッチング制御と同様、推定される発電部１０１の出力インピーダンスに対応する整合回路に選択的に電流が流れるように各スイッチのON、OFFを切り替える。これにより、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスに整流部インピーダンス整合部１０５の入力インピーダンスを整合させることができる。その結果、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスに後段の整流部１０６の入力インピーダンスを整合させることが可能となる。以上のようなインピーダンス整合により、受電側の回路ブロックにおけるＲＦエネルギの多重反射を低減することができ、伝送効率を維持することが可能となる。

　図２０は、整流部インピーダンス整合部１０５におけるインピーダンス整合の他の具体例を示す図である。図示される構成では、整合回路の内部インダクタンスや容量を切り替えることによって図１９に示す構成と同様の制御が可能となる。以下の表３は、この構成におけるインピーダンス対応テーブル１１２ｂの一例を示している。インピーダンス対応テーブル１１２ｂには、推定される発電部１０１の出力インピーダンスの値に応じて、対応するスイッチのON、OFFの組み合わせが記録されている。インピーダンス対応テーブル１１２ｂに従って回路内のスイッチを切り替えることによって複数の整合回路の中から１つの整合回路を選択する場合と同様の制御が可能となる。この構成によっても、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスに後段の整流部１０６の入力インピーダンスを整合させることができる。

　図２１は、整流部１０６におけるインピーダンス整合の具体例を示す図である。本実施形態における整流部１０６は、複数の整流器１～３を備えている。各整流器は、異なる入力インピーダンスの範囲で効率がピークになるように設計されている。各整流器に対応してスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３が設けられている。Ｑ１からＱ３のうちのいずれかのスイッチをＯＮにし、残りのスイッチをＯＦＦにすることによってＯＮに対応する１つの整流器にのみ電流が流れるように制御することができる。なお、整流器の数は３個である必要はなく、何個であってもよい。受電側制御部１１２におけるスイッチング制御部１１２ａは、環境変数の変動に応じて、対応するスイッチのみをＯＮにすることによって推定される発電部１０１の出力インピーダンスに整合する整流器が選択される。その結果、発電効率を向上させることができる。

　整流部１０６におけるインピーダンス整合の一例として、発電部１０１の出力インピーダンスＺがＺ≦１００Ωのときは整流器１を、１００Ω＜Ｚ≦２５０Ωのときは整流器２を、２５０Ω＜Ｚのときは整流器３を用いた場合に最も効率がよくなるように設計されている場合を考える。この場合、インピーダンス対応テーブルには、「Ｚ≦１００ΩでスイッチＱ１＝ＯＮ、スイッチＱ２・スイッチＱ３＝ＯＦＦ」、「１００Ω＜Ｚ≦２５０ΩでスイッチＱ１＝ＯＦＦ、スイッチＱ２＝ＯＮ、スイッチＱ３＝ＯＦＦ」、「Ｚ＞２５０ΩでスイッチＱ１・スイッチＱ２＝ＯＦＦ、スイッチＱ３＝ＯＮ」と記録されている。例えば、環境条件センシング部１１１からの出力に基づいて求められる発振部１０１の出力インピーダンスの算出結果が８０Ωである場合、受電側制御部１１２のスイッチング制御部１１２ａは、スイッチＱ１をＯＮにし、その他のスイッチをＯＦＦにするように整流部１０６の各スイッチの切り替えを行う。これにより、整流部１０６は、発電部の出力インピーダンスが変動しても効率を維持することができる。

　なお、受電側制御部１１２が、環境条件センシング部１１１からの出力に基づいて発電部１０１の出力インピーダンスを推定することによって各機能部のインピーダンスを整合させることは必須ではない。受電側制御部１１２は、送電側制御部１１０と同様、出力電流電圧計測部１０９からの出力に基づいて発電部１０１の出力インピーダンスを求めることによって各機能部のインピーダンス整合制御を行ってもよい。その場合、環境条件センシング部１１１は不要であり、出力電流電圧計測部１０９からの出力が有線または無線で受電側制御部１１２に送信され得る。あるいは、送電側制御部１１０が発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７のいずれかにおいてどのようなインピーダンス制御を行ったかを示す情報を受電側制御部１１２に送信してもよい。例えば、送電側制御部１１０が送電アンテナ１０７でどのような切り替えを行ったかを示す情報を受電側制御部１１２に送信することにより、受電側制御部１１２は発電部１０１の出力インピーダンスを推定することができる。

　また、送電側制御部１１０は、出力電流電圧計測部１０９からの出力に基づいて発電部１０１の出力インピーダンスを求めるのではなく、環境条件センシング部１１１からの出力に基づいて発電部１０１の出力インピーダンスを推定してもよい。

　本発明において、送電側制御部１１０は、必ずしも発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、および送電アンテナ１０７のすべてに対してインピーダンス整合制御を行う必要はない。少なくとも発振部１０２を含む一部の機能部に対してインピーダンス整合を行うことにより、発電効率を向上させることができる。同様に、受電側制御部１１２は、必ずしも整流部１０６、整流部インピーダンス整合部１０５、および受電アンテナ１０８のすべてに対してインピーダンス整合制御を行う必要はない。整流部１０６、整流部インピーダンス整合部１０５、および受電アンテナ１０８のうちの少なくとも１つの機能部に対してインピーダンス整合を行うことにより、本発明の効果が得られる。

　以上の説明において、発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、送電アンテナ１０７、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６は、複数のスイッチを有している。しかし、各機能部は、必ずしもスイッチを有している必要はない。送電側制御部１１０または受電側制御部１１２は、各機能部のインピーダンスを発電部の出力インピーダンスの変動に応じて変化させることができれば、上記の方式に限られない。例えば、個々の機能部の間に上記の切り替えに相当する動作を行う他の回路が設けられ、その回路を制御することによって回路ブロック間のインピーダンスを整合させてもよい。

　以上のように、本実施形態によれば、非接触エネルギ伝送において、動作環境状態に応じて各回路ブロックにおけるインピーダンスを整合させることにより、常に発電部１０１から最大電力を取り出すことができる。また、発電部１０１の出力電圧が低い場合であっても、系統へ出力する際に必要な電圧にまで昇圧することができる。このため、敷設コストが低減し、劣化時のモジュールの取替え作業が簡便になるとともに、余分な昇圧デバイスが不要な発電システムが実現できる。

　本実施形態の発電装置によれば、整流部１０６の出力電圧を、例えば、２００Ｖｄｃ～３００Ｖｄｃの範囲にまで高めることができる。さらに、一般の変換回路（パワーコンディショナ）や直流給電システムなどで要求される３００～４００Ｖｄｃ程度にまで高めることや、それ以上の昇圧も可能である。

　以下、本実施形態の発電装置の効果を従来技術と比較しながら説明する。

　特許文献２に開示されている装置では、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。本発明の発電装置によって得られる出力電圧の上昇効果は、送電アンテナの側に直列磁気共振構造を採用するとともに、受電アンテナ１０８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、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。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。

　（実施形態２）
　次に、図２２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２２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２２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２２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１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、直列に接続された発電部１０１、発振部１０２、発振部インピーダンス整合部１０３、送電アンテナ１０７、受電アンテナ１０８、整流部インピーダンス整合部１０５、および整流部１０６を備えている。なお、各発電装置１３１ａ～１３１ｎは、送電側制御部１１０、受電側制御部１１２、環境条件センシング部１１１、および出力電流電圧計測部１０９も備えているが、図２２ではこれらの要素は省略されている。

　発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振部１０２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、送電側の送電アンテナ１０７と受電側の受電アンテナ１０８との間で非接触に転送された後、整流部１０６によって直流エネルギに変換される。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１１３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１１３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などの環境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１１３は、例えば、一般の電気機器や蓄電池である。負荷１１３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１１３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。

　本発明にかかる発電装置は、高い昇圧機能と敷設コストの削減を可能とするため、ビルの壁や高所に敷設される太陽光発電システムや、燃料電池発電システムにおいて有用である。

　１０１　発電部
　１０２　発振器
　１０３　発振部インピーダンス整合部
　１０４　無線伝送部
　１０５　整流部インピーダンス整合部
　１０６　整流部
　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
　１０８　受電アンテナ（受電側の共振器）
　１０８ａ　第２インダクタ
　１０８ｂ　第２キャパシタ
　１０９　出力電流電圧計測部
　１１０　送電側制御部
　１１０ａ　送電側スイッチング制御部
　１１０ｂ　送電側インピーダンス対応テーブル
　１１１　環境条件センシング部
　１１２　受電側制御部
　１１２ａ　受電側スイッチング制御部
　１１２ｂ　受電側インピーダンス対応テーブル
　１１３　負荷
　１１５　可動部
　１１７　送電アンテナインピーダンス可変部
　１１９　受電アンテナインピーダンス可変部
　１２０　出力電力計測部
　１２１　壁
　１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎ　発電装置

Claims

　直流エネルギを出力する発電部と、
　前記直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振部と、
　前記ＲＦ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ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
　前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流部と、
　前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて前記発振部の入力インピーダンスを変化させることによって前記発振部の入力インピーダンスを前記発電部の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部と、
を備え、
　前記送電アンテナは、直列共振回路であり、
　前記受電アンテナは、並列共振回路であり、
　前記送電アンテナの共振周波数ｆＴおよび前記受電アンテナの共振周波数ｆＲは、いずれも前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しく設定されている、発電装置。
　前記発電部の出力電流および出力電圧を計測する計測部を備え、
　前記計測部によって計測された前記出力電流および前記出力電圧から前記発電部の出力インピーダンスの値を検出する、請求項１に記載の発電装置。
　前記発振部と前記送電アンテナとの間に設けられ、前記送電アンテナの入力インピーダンスを前記発振部の出力インピーダンスに整合させる発振部インピーダンス整合部を備え、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることにより、前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記発振部の出力インピーダンスに整合させる、請求項１または２に記載の発電装置。
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを前記発振部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる、請求項３に記載の発電装置。
　前記発振部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の発振器を有し、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の発振器のうちの１つを選択し、選択した前記発振器に電流が流れるようにすることによって前記発振部の入力インピーダンスを変化させる、請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
　前記発振部インピーダンス整合部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整合回路を有し、
　前記送電側制御部は、前記発振部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の整合回路のうちの１つを選択し、選択した前記整合回路に電流が流れるようにすることによって前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる、請求項３に記載の発電装置。
　前記発振部インピーダンス整合部は、複数の容量素子と複数のインダクタとを有し、
　前記送電側制御部は、前記発振部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の容量素子および前記複数のインダクタのうちのいずれかを含む組み合わせを選択し、選択した組み合わせに含まれる前記容量素子および前記インダクタに電流が流れるようにすることによって前記発振部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる、請求項３に記載の発電装置。
　前記送電アンテナは、直列接続された複数のインダクタと、前記複数のインダクタに直列に接続された複数の容量素子とを有し、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つおよび前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つのインダクタおよび選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる、請求項４に記載の発電装置。
　前記送電アンテナは、互いに異なるインダクタンスをもつ並列配置された複数の第１インダクタと、
　前記複数の第１インダクタに近接して配置された第２インダクタとを有し、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の第１インダクタのうちの１つを選択し、選択した前記第１インダクタに電流が流れるようにすることにより、前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる、請求項４に記載の発電装置。
　前記送電アンテナは、インダクタと、前記インダクタに直列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を含む可動部とを有し、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記インダクタと前記可動部との距離を変化させ、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることによって前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる、請求項４に記載の発電装置。
　前記送電アンテナは、互いに異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有し、
　前記送電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの値に基づいて、前記複数の共振器の１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって前記送電アンテナの入力インピーダンスを変化させる、請求項４に記載の発電装置。
　前記受電アンテナと前記整流部との間に設けられ、前記整流部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる整流部インピーダンス整合部と、
　前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることにより、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる受電側制御部と、
を備える、請求項１から１１のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記整流部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部の入力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる、請求項１２に記載の発電装置。
　前記受電側制御部は、前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスに整合させる、請求項１２または１３に記載の発電装置。
　前記発電部の環境変数を計測する環境条件センシング部を備え、
　前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを前記受電アンテナの出力インピーダンスに整合させる、請求項１２から１４のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記整流部の入力インピーダンスを変化させることによって前記整流部の入力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の出力インピーダンスに整合させる、請求項１５に記載の発電装置。
　前記受電側制御部は、前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数の変動に応じて、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスに整合させる、請求項１５または１６に記載の発電装置。
　前記整流部インピーダンス整合部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整合回路を有し、
　前記受電側制御部は、前記複数の整合回路のうちの１つの整合回路を選択し、選択した前記整合回路に電流が流れるようにすることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる、請求項１２から１７のいずれかに記載の発電装置。
　前記整流部インピーダンス整合部は、複数の容量素子と複数のインダクタとを有し、
　前記受電側制御部は、前記複数の容量素子および前記複数のインダクタのうちのいずれかを含む組み合わせを選択し、選択した組み合わせに含まれる前記容量素子および前記インダクタに電流が流れるようにすることによって前記整流部インピーダンス整合部の入力インピーダンスを変化させる、請求項１２から１７のいずれかに記載の発電装置。
　前記整流部は、入力インピーダンスの範囲が予め設定された複数の整流器を有し、
　前記受電側制御部は、前記複数の整流器のうちの１つの整流器を選択し、選択した前記整流部に電流が流れるようにすることによって前記整流部の入力インピーダンスを変化させる、請求項１２から１９のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電アンテナは、直列接続された複数のインダクタと、前記複数のインダクタに並列に接続された複数の容量素子とを有し、
　前記受電側制御部は、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つおよび前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つのインダクタおよび選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる、請求項１２から２０のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電アンテナは、互いに異なるインダクタンスを持つ並列配置された複数の第１インダクタと、
　前記複数の第１インダクタに近接して配置された第２インダクタとを有し、
　前記受電側制御部は、前記複数の第１インダクタのうちの１つを選択し、選択した前記第１インダクタに電流が流れるようにすることにより、前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる、請求項１２から２０のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電アンテナは、インダクタと、前記インダクタに並列に接続された複数の容量素子と、金属体または磁性体を含む可動部とを有し、
　前記受電側制御部は、前記インダクタと前記可動部との距離を変化させ、前記複数の容量素子のうちの少なくとも１つを選択し、選択した少なくとも１つの容量素子に電流が流れるようにすることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる、請求項１２から２０のいずれかに記載の発電装置。
　前記受電アンテナは、互いに異なる入力インピーダンスを持つ複数の共振器を有し、
　前記受電側制御部は、前記複数の共振器の１つを選択し、選択した共振器に電流が流れるようにすることによって前記受電アンテナの出力インピーダンスを変化させる、請求項請求項１２から２０のいずれかに記載の発電装置。
　前記環境変数は、前記発電部における太陽光の放射照度を示す変数を含んでいる、請求項１５から１７のいずれかに記載の発電装置。
　前記環境変数は、前記発電部における温度を示す変数を含んでいる、請求項１５から１７のいずれかに記載の発電装置。
　前記環境条件センシング部によって計測された前記環境変数は、無線によって前記受電側制御部へ送信される、請求項１５から１７のいずれかに記載の発電装置。
　前記発電部は、太陽光発電部である、請求項１から２７のいずれかに記載の発電装置。
　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２８に記載の発電装置。
　前記太陽光発電部および前記送電アンテナは建物の外側に設置され、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２８または２９に記載の発電装置。
　前記太陽光発電部、前記送電アンテナ、および前記受電アンテナは建物の外に設置され、
　前記送電アンテナの少なくとも一部と前記受電アンテナの少なくとも一部とが対向するように配置されている、請求項２８または２９のいずれかに記載の発電装置。
　前記発振部の昇圧比をＶｏｃ、前記送電アンテナにおけるインダクタンスをＬ１、前記受電アンテナにおけるインダクタンスを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、請求項１から３１のいずれかに記載の発電装置。
　前記整流部の出力電圧が２００～３００Vの範囲内にある、請求項３２に記載の発電装置。
　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１から３３のいずれかに記載の発電装置である、発電システム。
　直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振部と、
　前記ＲＦ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ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
　前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流部と、
　前記発電部の出力インピーダンスの変動に応じて前記発振部の入力インピーダンスを変化させることによって前記発振部の入力インピーダンスを前記発電部の出力インピーダンスに整合させる送電側制御部と、
を備え、
　前記送電アンテナは、直列共振回路であり、
　前記受電アンテナは、並列共振回路であり、
　前記送電アンテナの共振周波数ｆＴおよび前記受電アンテナの共振周波数ｆＲは、いずれも前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しく設定されている、無線電力伝送装置。