WO2013085030A1 - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

　少なくとも一方が水中を移動自在な送電装置及び受電装置間の電力伝送を水中で行う電力伝送システムにおいて、前記送電装置及び前記受電装置は、それぞれ磁界共鳴方式により前記水中での電力伝送を非接触で行うための共鳴コイルを備えている。前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、自装置の前記共鳴コイルを内包する風船を備えている。

Description

電力伝送システム

　本発明は、電力伝送システムに関する。本願は、２０１１年１２月７日に、日本に出願された特願２０１１－２６８２５０号に基づき優先権を主張し、それらの内容をここに援用する。

　従来から、バッテリ駆動で海水中を移動する水中航走体を用いて海水の水質を調査する方法が知られている。当然、水中航走体のバッテリ残量がゼロになると、水質に関するデータの収集及び水中移動が不可能となる。このため、バッテリ残量が規定値を下回った時に、海上の船に水中航走体を回収してバッテリの充電を行うことが一般的である。

　このように、バッテリの充電を行う度に水中航走体を海上の船に回収した場合、多大な時間とコストがかかってしまう。このため、近年では、海水中で充電を行う技術の開発が進んでいる。例えば下記特許文献１には、海水の水質に関するデータを収集する水中ステーションに搭載されたバッテリを、海水中を移動する水中ロボットによって非接触給電方式（特に電磁誘導方式）により充電する技術が開示されている。

日本国特開２００４－１６６４５９号公報 日本国特許３４９３４２６号 米国特許８３０４９３５号

　上記従来技術のように、非接触給電方式として電磁誘導方式を採用する場合、電力伝送効率を最大化するためには、水中での電力伝送時（充電時）に送電装置（水中ロボット）と受電装置（水中ステーション）とを正確に位置決めする必要がある。したがって、そのための高精度な位置決め機構を実装しなければならず、システムコストが増大するという問題がある。

　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、少なくとも一方が水中を移動自在な送電装置及び受電装置間の水中での電力伝送を低コストで実現可能な電力伝送システムを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に依れば、少なくとも一方が水中を移動自在な送電装置及び受電装置間の電力伝送を水中で行う電力伝送システムにおいて、前記送電装置及び前記受電装置は、それぞれ磁界共鳴方式により前記水中での電力伝送を非接触で行うための共鳴コイルを備えている。前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、自装置の前記共鳴コイルを内包する風船を備えている。

　また、本発明の第２の態様に依れば、上記第１の態様において、前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、電力伝送時に前記風船を膨張させ、その他の時間帯に前記風船を収縮させる風船制御機構を備えている。

　また、本発明の第３の態様に依れば、上記第１または第２の態様において、前記受電装置は、バッテリ駆動によって前記水中を移動しながら水質データを収集する水中航走体である。前記送電装置は、前記水中の所定位置に設置されていると共に地上の電力系統と有線接続されており、前記電力系統から前記水中航走体へ伝送すべき電力の供給を受ける水中基地局である。

　また、本発明の第４の態様に依れば、上記第３の態様において、前記水中航走体は、電力伝送時に前記水質データを前記水中基地局へ無線送信する。前記水中基地局は、地上の水質データ管理装置と有線接続されており、前記水中航走体から受信した前記水質データを前記水質データ管理装置へ有線送信する。

　本発明では、送電装置及び受電装置間の水中での電力伝送に磁界共鳴方式を採用している。この磁界共鳴方式は、電磁誘導方式と比べて、送電装置及び受電装置の両方に設けられた共鳴コイルの位置ズレに強く（位置ズレを許容できる）、弱い磁界で高効率且つ長距離の電力伝送を実現できる。
　従って、本発明によれば、電磁誘導方式を採用する従来技術のような高精度な位置決め機構が不要である。これにより、送電装置及び受電装置間の水中での電力伝送を低コストで実現することができる。また、本発明では、送電装置と受電装置の少なくとも一方の共鳴コイルを風船で覆う。これにより、水中に含まれるイオンなどの影響により磁界が乱れて、送電装置及び受電装置間の電力伝送効率が低下することを防止することができる。

本実施形態に係る電力伝送システムの概略構成図である。 バッテリの充電時に、水中航走体の受電用風船と水中基地局の送電用風船が膨張した状態を示す図である。 本実施形態の変形例に関する第１説明図である。 本実施形態の変形例に関する第２説明図である。 本実施形態の変形例に関する第３説明図である。

　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は本実施形態に係る電力伝送システムＡの概略構成図である。図１に示すように、電力伝送システムＡは、海水中の所定位置に設置された水中基地局１（送電装置）と、バッテリ駆動によって海水中を移動自在な水中航走体２（受電装置）と、地上に敷設された電力系統３とを備えている。

　水中基地局１は、地上の電力系統３と電源ケーブル１００を介して有線接続されており、電力系統３から供給される交流電力（例えば単相１００Ｖ、周波数５０或いは６０Ｈｚ）を磁界共鳴方式によって水中航走体２へ非接触で伝送（給電）する。水中基地局１は、交流／交流変換器１１、送電用共鳴コイル１２、送電用風船１３、送電用風船制御機構１４、電源回路１５、及び基地局制御装置１６を備えている。

　交流／交流変換器１１は、基地局制御装置１６による制御下において、地上の電力系統３から電源ケーブル１００を介して供給される交流電力を、磁界共鳴方式による電力伝送に適した所定電圧及び所定周波数を有する交流電力に変換する。交流／交流変換器１１は、変換された交流電力を送電用共鳴コイル１２へ出力する。

　送電用共鳴コイル１２は、交流／交流変換器１１から入力される交流電力を磁界共鳴方式により無線送電するための螺旋状に巻かれたヘリカルコイルである。送電用共鳴コイル１２は、水中基地局１の上部などへ突出する状態で設置されている。送電用共鳴コイル１２とコンデンサ（不図示）とにより、ＬＣ共振回路が構成されている。なお、ＬＣ共振回路を構成するためのコンデンサとして、ヘリカルコイルの寄生容量を利用しても良いし、或いはコンデンサ素子を別に設けても良い。また、ヘリカルコイルのコイル内にはフェライトなどの透磁率の高い材料で構成されたコアを設けてもよい。

　送電用風船１３は、送電用共鳴コイル１２を内包する状態で水中基地局１の外壁面に設けられ、伸縮自在の風船である。送電用風船１３は、送電用共鳴コイル１２と受電用共鳴コイル２１との間に生じる磁界に影響を与えないように、樹脂製（特にゴム製）が望ましい。特に、コイル間に配置される風船部材は透磁率が高い黒鉛含有ゴムが望ましく、コイル間に配置されない側面の風船部材は透磁率の低いアルミニウムや銅など常磁性体で構成された箔や粉・粒子を含むゴム製が望ましい。
なお、図１では、送電用風船１３が収縮した状態を示している。

　送電用風船制御機構１４は、基地局制御装置１６による制御下において、電力伝送時に送電用風船１３を膨張させ、その他の時間帯（電力伝送を行わない時間帯）に送電用風船１３を収縮させる。具体的には、送電用風船制御機構１４は、ガス管１４ａを介して送電用風船１３の内部にガスを送り込むことで、送電用風船１３を膨張させる。一方、送電用風船制御機構１４は、ガス管１４ａを介して送電用風船１３の内部からガスを吸引することで、送電用風船１３を収縮させる。
ガスの出し入れを効率よくするため、ガス管１４ａを複数設けておくことが好ましい。
風船内に仕切りを設けて複数の個室を設け、個別にガス管１４ａを接続し、送電用風船制御機構１４にて個別にガスを出し入れすることでコイル間の位置や角度の調整を可能にし、コイル間の同士の位置や角度を制御することもできる。
風船の側面は、風船の内部にガスを吹き込む際に送電用コイルと受電用コイル間の空間に風船が膨らみ、各コイルの側面方向に膨らみが少なくなるように蛇腹状の側面構造とすることが望ましい。
ガスは、窒素など不活性ガスが望ましいが、乾燥空気でもよい。
また、ガスの代わりに、腐食性のない有機物で構成された液体もしくは、イオンや不純物の含有率の低い水（たとえばイオン交換樹脂にて不純物を除去した水）でもよい。

　電源回路１５は、地上の電力系統３から電源ケーブル１００を介して供給される交流電力を利用して、水中基地局１の内部で使用される電源電圧を生成する。電源回路１５は、生成された電源電圧を基地局制御装置１６及び送電用風船制御機構１４に出力する。基地局制御装置１６は、マイクロプロセッサやメモリ等を備えており、メモリに予め記憶されている制御プログラムに従って、水中航走体２への電力伝送時に交流／交流変換器１１及び送電用風船制御機構１４を制御する。

　水中航走体２は、バッテリ駆動によって海水中を移動しながら水質に関するデータ（以降、水質データと表す）を収集し、バッテリ充電時には水中基地局１から磁界共鳴方式により交流電力を受電する。水中航走体２は、受電用共鳴コイル２１、整流回路２２、充電回路２３、バッテリ２４、推進・操舵機構２５、水質センサ２６、受電用風船２７、受電用風船制御機構２８、及び航走体制御装置２９を備えている。

　受電用共鳴コイル２１は、水中基地局１の送電用共鳴コイル１２から交流電力を無線受電するための螺旋状に巻かれたヘリカルコイルである。受電用共鳴コイル２１は、水中航走体２の下部へ突出する状態で設置されている。受電用共鳴コイル２１とコンデンサ（不図示）とにより、ＬＣ共振回路が構成されている。水中基地局１と水中航走体２との両方のＬＣ共振回路が等しくなるように回路定数を設定すれば、送電用共鳴コイル１２と受電用共鳴コイル２１との間で磁界共鳴を発生させることができる。

　整流回路２２は、受電用共鳴コイル２１によって受電された交流電力を整流して直流電力に変換し、その直流電力を充電回路２３に出力する。充電回路２３は、航走体制御装置２９による制御下において、整流回路２２から入力される直流電力を利用して、バッテリ２４を適切に充電するための電圧及び電流をバッテリ２４に出力する。

　バッテリ２４は、水中航走体２の内部電源として使用され、例えばニッケル水素電池或いはリチウムイオン電池等の二次電池であり、推進・操舵機構２５へ電源電圧（直流電圧）を出力する。なお、図１では図示を省略しているが、バッテリ２４は、水質センサ２６、受電用風船制御機構２８、及び航走体制御装置２９にも電源電圧を供給している。また、必要に応じて、バッテリ２４の出力電圧を所望の値に変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータを設けても良い。

　推進・操舵機構２５は、スクリュー及び舵と、これらを駆動するための駆動機構（モータやモータドライバ等を含む）などから構成されている。推進・操舵機構２５は、航走体制御装置２９による制御下において、水中航走体１の推進力を発生すると共に移動方向を規制する。水質センサ２６は、海水の水質（例えば水温、透明度、ｐＨ値、窒素濃度、リン濃度など）を検出し、その検出結果を水質データとして航走体制御装置２９へ出力する。

　受電用風船２７は、受電用共鳴コイル２１を内包する状態で水中航走体２の外壁面に設けられ、伸縮自在の風船である。受電用風船２７は、送電用共鳴コイル１２と受電用共鳴コイル２１との間に生じる磁界に影響を与えないように、樹脂製（特にゴム製）が望ましい。なお、図１では、受電用風船２７が完全に収縮した状態を示している。特に、コイル間に配置される部材は透磁率が高い黒鉛含有ゴムが望ましく、コイル間に配置されない側面の部材は透磁率の低いアルミニウムや銅など常磁性体で構成された箔や粉・粒子を含むゴム製が望ましい。

　受電用風船制御機構２８は、航走体制御装置２９による制御下において、電力伝送時に受電用風船２７を膨張させ、その他の時間帯（電力伝送を行わない時間帯）に受電用風船２７を収縮させる。具体的には、受電用風船制御機構２８は、ガス管２８ａを介して受電用風船２７の内部にガスを送り込むことで、受電用風船２７を膨張させる。一方、受電用風船制御機構２８は、ガス管２８ａを介して受電用風船２７の内部からガスを吸引することで、受電用風船２７を収縮させる。
特に、風船の内部にガスを吹き込む際に送電用コイルと受電用コイル間の空間に風船が膨らみ、各コイルの側面方向に膨らみが少なくなるように蛇腹状の側面構造とすることが望ましい。

　航走体制御装置２９は、マイクロプロセッサやメモリ等を備えており、メモリに予め記憶されている制御プログラムに従って、推進・操舵機構２５の制御及び水質センサ２６からの水質データの収集（水質データをメモリに保存）を行う。航走体制御装置２９は、バッテリ２４の充電時（水中基地局１から水中航走体２への電力伝送時）には、充電回路２３及び受電用風船制御機構２８を制御する。

　次に、上記のように構成された第１実施形態に係る電力伝送システムＡの動作について詳細に説明する。
　まず、通常モード時の動作について説明する。水中航走体２の航走体制御装置２９は、規定のルートに沿って水中航走体２が海水中を移動するように推進・操舵機構２５を制御する。これにより、水中航走体２は規定のルートに沿って海水中を移動する。この間、航走体制御装置２９は、一定周期で水質センサ２６から水質データを取得し、この取得した水質データをメモリに順次保存する。

　上記通常モード時において、水中航走体２の受電用風船２７が膨らんでいる場合、水中航走体２の水中移動の妨げとなる。しかしながら、航走体制御装置２９は、受電用風船２７が完全に収縮するように受電用風船制御機構２８を制御する。一方、通常モード時においては、水中基地局１から水中航走体２へ電力伝送を行う必要がない。このため、水中基地局１の基地局制御装置１６は、交流／交流変換器１１の制御を停止すると共に、送電用風船１３が完全に収縮するように送電用風船制御機構１４を制御する。

　水中航走体２の航走体制御装置２９は、上記通常モード時にバッテリ２４の電力残量が規定値を下回ったことを検知した場合、バッテリ２４を充電するための充電モードに切替わる。航走体制御装置２９は、充電モードに切替わると、推進・操舵機構２５を制御して、水中航走体２を水中基地局１の上方まで移動させる。なお、水中基地局１は、水中航走体２の移動ルート上に設置されている。航走体制御装置２９は、音波センサ或いは光センサ等の位置センサ（不図示）の出力から、水中基地局１の設置位置を把握する。

　水中航走体２の航走体制御装置２９は、音波センサ或いは光センサ等の位置センサの出力から水中基地局１の上方まで移動したことを検知した際に、受電用風船２７が完全に膨張するように受電用風船制御機構２８を制御する。一方、水中基地局１の基地局制御装置１６は、音波センサ或いは光センサ等の位置センサの出力から水中基地局１の上方に水中航走体２が移動してきたことを検知した際に、送電用風船１３が完全に膨張するように送電用風船制御機構１４を制御する。

　これにより、図２に示すように、水中航走体２の受電用風船２７と水中基地局１の送電用風船１３とが海水中で接触した状態となる。この状態で、水中基地局１の基地局制御装置１６は、交流／交流変換器１１を制御して、磁界共鳴方式による電力伝送に適した所定電圧及び所定周波数を有する交流電力を送電用共鳴コイル１２に出力させる。

　これにより、水中基地局１の送電用共鳴コイル１２と水中航走体２の受電用共鳴コイル２１との間で磁界共鳴が発生する。磁界共鳴が発生すると、交流／交流変換器１１から出力される交流電力は、送電用共鳴コイル１２によって磁気エネルギーに変換されて、受電用共鳴コイル２１に無線送電される。その磁気エネルギーは、受電用共鳴コイル２１によって交流電力に再変換される。そして、受電用共鳴コイル２１にて受電された交流電力は、後段の整流回路２２によって直流電力に変換されて充電回路２３へ入力される。

　水中航走体２の航走体制御装置２９は、バッテリ２４の充電状態を監視しながら充電回路２３を制御することにより、バッテリ２４を適切に充電する。航走体制御装置２９は、バッテリ２４が満充電状態となったことを検知した際に、上述した通常モードに切替わる。航走体制御装置２９は、受電用風船制御機構２８を制御して受電用風船２７を完全に収縮させると共に、推進・操舵機構２５を制御して水中航走体２を規定ルートに沿って移動させながら水質データの収集を行う。

　水中基地局１の基地局制御装置１６は、音波センサ或いは光センサ等の位置センサ（不図示）の出力から水中航走体２が移動したことを検知した際に、交流／交流変換器１１の制御を停止すると共に、送電用風船制御機構１４を制御して送電用風船１３を完全に収縮させる。

　以上のように、本実施形態では、水中基地局１及び水中航走体２間の海水中での電力伝送に磁界共鳴方式を採用している。この磁界共鳴方式は、電磁誘導方式と比べて、送電用共鳴コイル１２と受電用共鳴コイル２１との位置ズレに強く（位置ズレを許容できる）、弱い磁界で高効率且つ長距離の電力伝送を実現できる。
　従って、本実施形態によれば、電磁誘導方式を採用する従来技術のような高精度な位置決め機構が不要（上述した音波センサや光センサ等の汎用的な位置センサで足りる）である。これにより、水中基地局１及び水中航走体２間の海水中での電力伝送を低コストで実現することができる。
　また、本実施形態では、送電用共鳴コイル１２を送電用風船１３で覆い、受電用共鳴コイル２１を受電用風船２７で覆う。これにより、海水中に含まれるイオンなどの影響により磁界が乱れて、送電用共鳴コイル１２及び受電用共鳴コイル２１間（水中基地局１及び水中航走体２間）の電力伝送効率が低下することを防止することができる。

　なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
　（１）上記実施形態では、水中航走体２に保存された水質データを外部に取り出すには、水中航走体２を海上の船などに回収する必要がある。これに対して、例えば図３に示すように、水中基地局１を通信ケーブル２００を介して地上の水質データ管理装置４と有線接続し、水中航走体２が、電力伝送時（バッテリ２４の充電時）にアンテナ３０を介して水質データを水中基地局１へ無線送信し、水中基地局１が、アンテナ１７を介して水中航走体２から受信した水質データを水質データ管理装置４へ有線送信するシステム構成を採用しても良い。

　図３に示すシステム構成では、電波による水質データの無線通信を想定している。このため、アンテナ３０を受電用風船２７で覆い、アンテナ１７を送電用風船１３で覆う必要がある。しかしながら、音波通信や光通信、赤外線通信などを水質データの無線通信に使用する場合には、アンテナ１７、３０を設ける必要はない。

　（２）上記実施形態では、水中基地局１と水中航走体２の両方に共鳴コイル（送電用共鳴コイル１２、受電用共鳴コイル２１）を内包する風船（送電用風船１３、受電用風船２７）を設けた場合を例示している。これに限らず、水中基地局１と水中航走体２の片方のみに共鳴コイルを内包する風船を設けても良い。図４Ａは、例えば、水中航走体２のみに受電用共鳴コイル２１を内包する受電用風船２７を設けた場合を例示している。図４Ｂは、水中基地局１のみに送電用共鳴コイル１２を内包する送電用風船１３を設けた場合を例示している。複数の送電用コイルを設けることや、送電機能を有しない風船を別途用意し、水中航走体に対し並置して、水中基地局１や岸壁に水中航走体２が直接接触して破損しないようにすることもよい。
送電用共鳴コイル１２や受電用コイル２１は、突出する構成として説明したが、水中基地局１や水中航走体２に内蔵され、電磁波を外部に発する開口部を送電用風船１３や受電用風船２７で覆う構造とするようにしてもよい。

　この場合、受電用風船２７を膨張させた時に、受電用風船２７によって送電用共鳴コイル１２を覆って固定するためにジャミング転移現象を利用しても良い。つまり、受電用風船２７に予め粉・粒体を導入しておき、受電用風船２７を膨張させて送電用共鳴コイル１２を覆った後、受電用風船２７の内部ガスを吸引すればよい。これにより、粉・粒体の摩擦により風船内部が固定され、を受電用風船２７によって送電用共鳴コイル１２を強固に固定することができる。逆に、送電用風船１３を膨張させた時に、送電用風船１３によって給電用共鳴コイル２１を覆って固定するためにジャミング転移現象を利用しても良い。つまり、受電用風船１３に予め粉・粒体を導入しておき、受電用風船１３を膨張させて送電用共鳴コイル２１を覆った後、受電用風船１３の内部ガスを吸引すればよい。これにより、粉・粒体の摩擦により風船内部が固定され、送電用風船１３によって受電用共鳴コイル２１を強固に固定することができる。なお、粉・粒子は透磁率の高い又は、非接触で給電を妨げないセラミックス材料（たとえば、アルミナ、ムライト、フェライト、フォルステライト、ジルコニア、ジルコン、コーディエライト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタン酸ジルコン酸鉛やこれらを含む複合化合物）やこれらと高分子材料を含む樹脂との混合物で形成されている。
送電用共鳴コイル１２や受電用コイル２１が水中基地局１や水中航走体２に内蔵され、電磁波を外部に発する開口部を送電用風船１３や受電用風船２７で覆う構造となる場合、風船部分が互いに絡み合うように、風船内部へのガスや流体の導入と同時に粉・流体を導入し、ガスや流体のみ排出を、風船ごとに時間的にずらすことで達成できる。

　（３）上記実施形態では、送電装置（水中基地局１）が海水中に固定され、受電装置（水中航走体２）が海水中を移動する場合を例示している。これに限らず、この関係が逆でも良く、また、送電装置と受電装置の両方が海水中を移動するようなシステム構成を採用しても良い。また、本発明は、海水に限らず、河川や湖、沼等、水中での電力伝送に広く適用することができる。
　（４）送電用共鳴コイル１２や受電用共鳴コイル２１はヘリカルコイルに限定されない。送電用共鳴コイル１２と受電用共鳴コイル２１の間で磁界共鳴方式により非接触で電力伝送が可能であればソレノイド状など任意の形式や形状のコイルでよく、また両コイルの形式、形状、大きさが異なってもよい。

　本発明に係る電力伝送システムによれば、送電装置及び受電装置間の水中での電力伝送を、低コストで実現することができる。また、水中に含まれるイオンなどの影響により磁界が乱れ、送電装置と受電装置との間において電力伝送効率が低下することを防止することができる。

　Ａ…電力伝送システム、１…水中基地局（送電装置）、１２…送電用共鳴コイル、１３…送電用風船、１４…送電用風船制御機構、２…水中航走体（受電装置）、２１…受電用共鳴コイル、２４…バッテリ、２７…受電用風船、２８…受電用風船制御機構、３…電力系統

Claims (4)

1. 　少なくとも一方が水中を移動自在な送電装置及び受電装置間の電力伝送を、水中で行う電力伝送システムにおいて、
   　前記送電装置及び前記受電装置は、それぞれ磁界共鳴方式により前記水中での電力伝送を非接触で行う共鳴コイルを備えており、
   　前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、自装置の前記共鳴コイルを内包する風船を備えている電力伝送システム。
2. 　前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、電力伝送時に前記風船を膨張させ、その他の時間帯に前記風船を収縮させる風船制御機構を備えている請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 　前記受電装置は、バッテリ駆動によって前記水中を移動しながら水質データを収集する水中航走体であり、
   　前記送電装置は、前記水中の所定位置に設置されていると共に地上の電力系統と有線接続されており、前記電力系統から前記水中航走体へ伝送すべき電力の供給を受ける水中基地局である請求項１または２に記載の電力伝送システム。
4. 　前記水中航走体は、電力伝送時に前記水質データを前記水中基地局へ無線送信し、
   　前記水中基地局は、地上の水質データ管理装置と有線接続されており、前記水中航走体から受信した前記水質データを前記水質データ管理装置へ有線送信する請求項３に記載の電力伝送システム。

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