(57)【要約】  発電システムは、直流エネルギをＲＦエネルギに変換して無線で電力を伝送する第１および第２の発電ユニット（１１０−１、１１０−２）と、各発電ユニットからの出力を合成する合成部１１１と、２つの発電ユニット（１１０−１、１１０−２）から出力されるＲＦエネルギが合成される際の位相差を減少させる発振位相制御部（１２０）とを備える。発振位相制御部（１２０）は、第１の発電ユニット（１１０−１）から出力された第１のＲＦエネルギおよび第２の発電ユニット（１１０−２）から出力された第２のＲＦエネルギが合成部（１１１）によって合成されるときの第１のＲＦエネルギの位相および第２のＲＦエネルギの位相を一致させるように、第１の発電ユニット（１１０−１）に含まれる発振器（１０２−１）から出力されるＲＦエネルギと第２の発電ユニット（１１０−２）に含まれる発振器（１０２−２）から出力されるＲＦエネルギとの間の位相差を調整する。
2012046452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１の発電ユニットおよび第２の発電ユニットと、
前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させるように、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギとの間の位相差を調整する発振位相制御部と、
を備える発電システム。
【請求項２】
前記各発電ユニットにおいて、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る請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記発振位相制御部は、
第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記パルスを前記発振器に入力する第１のパルス生成器と、
第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記パルスを前記発振器に入力する第２のパルス生成器と、
前記第１および第２のパルス生成器にパルスの生成タイミングを指示するパルス制御部と、
を有している、請求項１または２のいずれかに記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギとの間の位相差は、前記第１の発電ユニットにおける前記受電アンテナから前記合成部までの伝送線路の長さと前記第２の発電ユニットにおける前記受電アンテナから前記合成部までの伝送線路の長さとの差に応じて設定されている、請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記各発電ユニットにおいて、前記発電デバイスの出力インピーダンスの変動に応じて前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、および前記受電アンテナの出力インピーダンスの少なくとも１つを変化させるインピーダンス制御部を備え、
前記発振位相制御部は、前記インピーダンス制御部が前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、および前記受電アンテナの出力インピーダンスの少なくとも１つを変化させた場合に、前記第１のＲＦエネルギおよび前記第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相と前記第２のＲＦエネルギの位相とを一致させるように、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギとの間の位相差を調整する、
請求項１から４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイスの出力電流および出力電圧を計測する計測部を備え、
前記インピーダンス制御部は、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デバイスの出力インピーダンスの値を検出する、請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
各発電ユニットに含まれる前記発電デバイスの出力インピーダンスの変動と、前記第１および第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１および第２のＲＦエネルギの位相のずれの大きさとの関係を示す情報が格納された位相ずれデータメモリを備え、
前記発振位相制御部は、前記位相ずれデータメモリに格納された情報に基づいて、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギの位相および前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギの位相を同期させる、
請求項５または６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記合成部の出力を直流または６０Ｈｚ以下の交流に変換して出力する電力変換部を備えている、請求項１から７のいずれかに記載の発電システム。
【請求項９】
前記電力変換部の出力電圧が２００〜３００Ｖの範囲になるように、各発電ユニットに含まれる前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、前記受電アンテナの出力インピーダンス、および各発電ユニットの昇圧比が設定されている、前記請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
各発電ユニットに含まれる前記発電デバイスは、太陽光発電デバイスである、請求項１から９のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１１】
前記太陽光発電デバイスは、結晶系シリコンを用いた太陽光発電デバイスである、請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイス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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイス、前記送電アンテナ、および前記受電アンテナは建物の外側に設置され、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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１４】
各発電ユニットにおいて、前記発振器の昇圧比を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１３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１５】
各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１の発電ユニットおよび第２の発電ユニットと、
前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第１の発電ユニットおよび前記第２の発電ユニットの少なくとも一方において、前記発振器と前記送電アンテナとの間、または前記受電アンテナと前記合成部との間の伝送線路上に挿入されたリアクタンス調整回路であって、インダクタおよび容量素子の少なくとも一方を含み、前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させる値にリアクタンス値が設定されたリアクタンス調整回路と、
を備える発電システム。
【請求項１６】
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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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る前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記発振器に入力するパルス生成器であって、外部から入力される制御信号を受け取る入力部を有し、前記制御信号の入力に応答して前記パルスを生成するパルス生成器と、
前記発振器から出力された前記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、
を有し、
前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、
前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、
発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振磁界の結合を利用して無線でエネルギ供給を行う発電システムおよび発電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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、既設の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。【０００５】
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直列接続する必要がある。そのため、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。【０００６】
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供給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。【０００７】
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。【０００８】
また、特許文献２は、２つの共振器の間で無線で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。【０００９】
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、共振器間の結合係数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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１３６０４５号公報（第５の実施形態、図１６）
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図５、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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または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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
一方、燃料電池を利用した発電システムにおいても、太陽光発電デバイスと同様、個々のセルや発電スタック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くという問題がある。【００１５】
本発明は、磁気共振方式による無線電力伝送を利用して上記の課題を解決する。本発明の主たる目的は、複数の発電ユニットからのＲＦ出力を合成することによって一部の発電ユニットの特性が劣化しても高い出力電力を維持でき、かつ、合成時に効率が低下しない発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による発電システムは、各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１および第２の発電ユニットと、前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させるように、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギとの間の位相差を調整する発振位相制御部とを備えている。【００１７】
本発明による他の発電システムは、各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１および第２の発電ユニットと、前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、前記第１の発電ユニットおよび前記第２の発電ユニットの少なくとも一方において、前記発振器と前記送電アンテナとの間、または前記受電アンテナと前記合成部との間の伝送線路上に挿入されたリアクタンス調整回路であって、インダクタおよび容量素子の少なくとも一方を含み、前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させる値にリアクタンス値が設定されたリアクタンス調整回路とを備えている。【００１８】
本発明による発電ユニットは、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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る前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記発振器に入力するパルス生成器であって、外部から入力される制御信号を受け取る入力部を有し、前記制御信号の入力に応答して前記パルスを生成するパルス生成器と、前記発振器から出力された前記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、を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の発電システムによれば、無線で電力の伝送を行うため、発電デバイスの敷設コストを低減することや、発電デバイスの一部が劣化したときの交換作業を簡便に行うことができる。さらに、複数の発電ユニットから出力されるＲＦエネルギを合成する際に、異なる発電ユニットから出力されるＲＦエネルギ間の位相差を低減できるため、高い出力電力を得ることができる。また、本発明の好ましい実施形態によれば、発電デバイスを直列に接続することなく、各発電ユニットに含まれる発電デバイスからの出力電圧を昇圧できるため、高効率かつ安定した発電システムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による発電システムの一例を示すブロック図である。
【図２】本発明による発電システムの他の例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における発電システムの構成図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態における発振器の構成図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態における合成部の構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における無線伝送部の等価回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるパルス制御部による位相制御を示す図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第１の実施形態における位相補正を行わなかった場合の出力電力を示す図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における位相補正を行った場合の出力電力を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における発電システムの他の構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における発電システムの構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態におけるインピーダンス制御部の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるインピーダンス変換の手順を示すフロー図である。
【図１２】（ａ）は、本発明による第２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、本発明による第２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、本発明による第２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、本発明による第２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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施形態を説明する前に、まず図１、２を参照しながら本発明の基本原理を簡単に説明する。
【００２２】
図１は、本発明による発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。本発電システムは、第１の発電ユニット１１０−１および第２の発電ユニット１１０−２と、合成部１１１とを備えている。合成部１１１は、第１の発電ユニット１１０−１および第２の発電ユニット１１０−２の出力を合成する。なお、本明細書では、第１の発電ユニット１１０−１に関する構成要素には参照符号の後ろに「−１」を付し、第２の発電ユニット１１０−２に関する構成要素には参照符号の後ろに「−２」を付すこととする。また、発電ユニット１１０を区別せずに各構成要素を示すときには参照符号の後ろの「−１」および「−２」を省略する。
【００２３】
各発電ユニット１１０は、直流エネルギを出力する発電デバイス１０１と、発電デバイス１０１から出力された直流エネルギを周波数ｆ０の高周波（ＲＦ）エネルギに変換して出力する発振器１０２と、発振器１０２から出力されたＲＦエネルギを無線で伝送する無線伝送部１０３とを有している。無線伝送部１０３は、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８とを含んでおり、後述する磁気共振方式による無線電力伝送を行う。これにより、発振器１０２から出力されたＲＦエネルギは送電アンテナ１０７から受電アンテナ１０８へと無線で伝送される。受電アンテナ１０８は、送電アンテナ１０７から伝送されたＲＦエネルギを合成部１１１へと送出する。合成部１１１は、各発電ユニット１１０から送出されたＲＦエネルギ（以下、「ＲＦ出力」と呼ぶことがある。）を受け、それらのＲＦエネルギを合成し、外部の負荷や系統などに出力する。
【００２４】
図１に示す発電システムは、さらに、２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２のＲＦ出力が合成される際に位相差がほぼ０になるように、２つの発振器１０２−１、１０２−２に対して位相制御を行う発振位相制御部１２０を備えている。発振位相制御部１２０は、上記２つのＲＦ出力が合成される際に位相差が生じないように、上記２つの発振器１０２−１、１０２−２から出力されるＲＦエネルギの位相差を調整する。発振位相制御部１２０が行うこの位相制御により、高い出力を得ることができる。
【００２５】
本発明では、２つに限らず３つ以上の発電ユニットを並列に接続し、各発電ユニットからの出力を合成することによってさらに高い出力を得るように構成することができる。この場合、発振位相制御部１２０による上記の位相制御は、第１および第２の発電ユニット１１０−１、１１０−２のみならず、他の発電ユニットに含まれる発振器に対して行ってもよい。合成部１１１からの出力を最大にするためには、全ての発電ユニットのＲＦ出力について、合成時に位相が一致するように、各発電ユニット１１０の発振器１０２に対して上記の位相制御が行われることが好ましい。
【００２６】
以上の位相制御により、例えば、発電ユニット１１０によって合成部１１１までの伝送線路の長さ（伝送線路長）が異なる場合においても高い出力を維持することができる。同様にまた、発電デバイス１０１における発電環境（温度、放射照度など）が異なる場合においても高い出力を維持することができる。
【００２７】
上記の発電システムでは、発振位相制御部１２０が各発振器１０２に対して位相の調整を行うが、他の方法によって位相の調整を行ってもよい。本発明においては、少なくとも２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２から出力されるＲＦエネルギが合成される際に位相が一致するように構成されていればよい。
【００２８】
図２は、本発明による他の発電システムの概略構成を示すブロック図である。図２に示す発電システムは、上記の発振位相制御部１２０の代わりに、インダクタおよび容量素子の少なくとも一方を含むリアクタンス調整回路１３０を備えている。図２に示す発電システムでは、リアクタンス調整回路１３０は、第１の発電ユニット１１０−１に含まれる受電アンテナ１０８−１と合成部１１１との間の伝送線路上に挿入されている。なお、リアクタンス調整回路１３０の位置はこの例に限られず、発振器１０２−１と送電アンテナ１０７−１との間に挿入されていてもよい。
【００２９】
リアクタンス調整回路１３０は、典型的にはＬＣ回路であり、インダクタおよび容量素子の少なくとも一方を含んでいる。リアクタンス調整回路１３０のリアクタンス値は、第１の発電ユニット１１０−１からのＲＦ出力および第２の発電ユニット１１０−２からのＲＦ出力が合成部１１１で合成される際に位相が一致する値に設定される。このようなリアクタンス調整回路１３０を伝送線路上に挿入することにより、合成時におけるＲＦ出力の位相のずれを低減し、高い出力を得ることができる。
【００３０】
図２に示される例では、リアクタンス調整回路１３０による位相調整の効果は第１の発電ユニット１１０−１に対してのみ発揮されるが、第２の発電ユニット１１０−２についてもリアクタンス調整回路１３０による位相の調整を行ってもよい。また、３以上の発電ユニットが並列に接続された構成の場合、全ての発電ユニットからのＲＦ出力の位相が合成時に一致するように、全発電ユニットに対してリアクタンス調整回路１３０を設けることが好ましい。
【００３１】
以上のように、本発明の発電システムによれば、複数の発電ユニットから出力されるＲＦエネルギを合成する際に発生し得る位相のずれを低減させることができるため、高効率の発電を実現することが可能となる。以下、本発明の有効性を説明する。
【００３２】
太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュールから合成点までの伝送線路の長さは、一般に太陽電池モジュールごとに異なるため、合成時の各ＲＦ出力の位相は、多くの場合一致しない。このため、これらの出力を合成しても高い出力を得ることができない場合がある。一般に、家庭用太陽光発電システムは、約１ｍ角の太陽電池モジュールを１０〜２０枚程度組み合わせて用いられる。このため、各モジュールからの出力を一箇所でまとめる場合、モジュールによって伝送線路長に最大で約１０ｍの差が生じることになる。伝送線路長がモジュールによって異なることに起因するＲＦ出力の位相差は、周波数が高いほど大きくなる。位相が大きく異なる複数のＲＦ出力を合成すると、総電力量が低下するため、全体の伝送効率が低下するという問題が発生する。
【００３３】
また、各発電ユニット１１０において、受電アンテナ１０８の出力端子が負荷に接続された状態において、発電デバイス１０１の出力インピーダンスと発振器１０２の入力インピーダンスとをほぼ等しくすることが好ましい。ここで、発電デバイス１０１の出力インピーダンスは、出力電力が最大となるインピーダンスであることが好ましい。同様に、発振器１０２から出力されるＲＦエネルギの出力インピ−ダンスＺｏｕｔと、送電アンテナ１０７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１０２を送電アンテナ１０７に接続した状態において、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスＺｏｕｔと、受電アンテナ１０８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、この条件を満たすために各回路ブロックの入出力インピーダンスを変換する際にも、多くの場合、位相変化が生じる。
【００３４】
本発明は、以上の問題点を解決するものであり、各発電ユニット１１０からのＲＦ出力を合成する際に効率が低下しない発電システムおよび発電ユニットを実現できる。また、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。
【００３５】
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を用いた発電システムなど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など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、燃料電池を用いた発電システムにおいても、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行うことができる。
【００３６】
以下、図３から図１２を参照しながら、本発明の好ましい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構成要素には同一の符号を付している。
【００３７】
（実施形態１）
まず、図３から図８を参照しながら、本発明の第１の実施形態を説明する。図３は、本実施形態による発電システムの全体構成を示す図である。本実施形態の発電システムは、太陽光エネルギをＲＦエネルギに変換して伝送する複数の発電ユニット１１０−１、・・・１１０−ｎと、各発電ユニットから伝送されたＲＦエネルギを合成して出力する合成部１１１と、合成部１１１によって合成されたＲＦエネルギを直流エネルギまたはＲＦエネルギよりも低周波の交流エネルギに変換して出力する電力変換部１１２とを備えている。電力変換部１１２から出力された直流または交流エネルギは、負荷（電子機器など）や系統に送出されて利用される。
【００３８】
各発電ユニット１１０は、太陽光エネルギを直流エネルギに変換する発電デバイス１０１と、発電デバイス１０１から出力された直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換して出力する発振器１０２と、発振器１０２から出力されたＲＦエネルギを無線で伝送する無線伝送部１０３とを有している。無線伝送部１０３は、直列共振回路である送電アンテナ１０７と、並列共振回路である受電アンテナ１０８とを有し、後述する磁気共振方式によるエネルギ伝送を行う。各発電ユニット１１０において、受電アンテナ１０８は、送電アンテナ１０７から無線で伝送されたＲＦエネルギを受け取り、合成部１１１に出力する。
【００３９】
本実施形態において、発電ユニットの個数は２個以上であれば何個でもよい。本実施形態では、発電ユニットの個数はｎ個（ｎは２以上の整数）であるものとする。発電ユニットの個数ｎは、発電デバイス１０１を敷設する場所の面積や必要とする電力に応じて任意に設定することができる。なお、図３では、第ｎの発電ユニット１１０ｎに含まれる構成要素を示す参照符号の後ろには「−ｎ」を付している。本実施形態において、発電ユニットを区別せずに各構成要素を示す場合には参照符号の後ろの「−１」、・・・「−ｎ」を省略する。
【００４０】
本実施形態の発電システムは、ｎ個の発電ユニット１１０−１、・・・、１１０−ｎに１対１に対応して配置されたｎ個のパルス生成器１１３−１、・・・１１３−ｎと、各パルス生成器にパルスの生成タイミングを指示するパルス制御部１１４とをさらに備えている。各パルス生成器１１３は、各発電ユニット１１０内において発振器１０２に近接して配置されている。本実施形態では、パルス制御部１１４およびｎ個のパルス生成器１１３−１、・・・１１３−ｎが本発明における発振位相制御部１２０に相当する。各パルス生成器１１３は、対応する発電ユニット１１０に含まれる発振器１０２から出力されるＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、当該発振器１０２に入力する。また、各パルス生成器１１３は、パルス制御部１１４から伝送される制御信号を受ける入力部１１３ａを有しており、受けた制御信号に応答してパルスを生成する。パルス制御部１１４は、合成時に発生し得るＲＦ出力の位相のずれを低減するように各パルスの生成タイミングを決定し、各パルス生成器１１３の入力部１１３ａにパルスの生成を指示する制御信号を有線または無線で送出する。パルス制御部１１４およびパルス生成器１１３による位相制御の詳細は後述する。
【００４１】
本実施形態において、パルス生成器１１３から発振器１０２までの伝送距離、および発振器１０２から送電アンテナ１０７までの伝送距離は全ての発電ユニット１１０−１、・・・１１０−ｎについて同一であるものとする。ただし、これらが全ての発電ユニットについて同一ではない場合であっても、各々の伝送距離の差を考慮して後述する位相制御を行うことによって本実施形態の効果を得ることは可能である。なお、本実施形態では、パルス生成器１１３と発振器１０２とは別々の回路に分かれているが、パルス生成器１１３は、発振器１０２と一体化されていてもよい。
【００４２】
以下、本発電システムの各構成要素を具体的に説明する。
【００４３】
本実施形態における発電デバイス１０１は、直列または並列に接続された複数の太陽電池（セル）を有している。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。
【００４４】
発振器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。図４Ａは、本実施形態における発振器１０２の具体的な構成例を示す図である。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等のスイッチング素子２１、インダクタ２２、２３、コンデンサ２４、２５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パルス生成器１１３から出力される周波数ｆ０のパルスが入力される。インダクタ２２、２３のインダクタンスおよびコンデンサ２４、２５の容量は、発振器１０２から出力されるＲＦエネルギの周波数がｆ０になるように調整されている。ここで、発振器１０２から出力されるＲＦエネルギの位相は、パルス生成器１１３から出力されるパルスによるスイッチング素子２１のスイッチングタイミングによって決定される。発振器１０２から出力されるＲＦエネルギは、無線伝送部１０３へ入力される。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の範囲内に設定される。
【００４５】
無線伝送部１０３は、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、インダクタおよび容量素子を含む直列共振回路である。また、受電アンテナ１０８は、インダクタおよび容量素子を含む並列共振回路である。送電アンテナの共振周波数ｆＴおよび受電アンテナの共振周波数ｆＲは、発振器１０２によって生成されるＲＦエネルギの周波数ｆ０に等しくなるように設定されている。共振周波数ｆＴ、ｆＲが周波数ｆ０に等しく設定されることにより、発振器１０２への入力直流インピーダンスＺｉｄｃと比較して、受電アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔを高い値に設定することが可能となる。
【００４６】
各インダクタは、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。ＲＦエネルギの高周波電流は、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に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ため、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、より高い効率で電力伝送が可能になる。
【００４７】
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。各インダクタの周辺に磁性体を配置してもよいが、送電アンテナ１０７におけるインダクタと受電アンテナ１０８におけるインダクタとの間の結合係数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、両インダクタ間の結合係数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より好ましい。
【００４８】
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。
【００４９】
伝送効率の観点から、送電アンテナ１０７におけるインダクタと受電アンテナ１０８におけるインダクタとは、対向するように配置されることが好ましい。ただし、両インダクタの配置は、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。
【００５０】
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。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。
【００５１】
合成部１１１は、図４Ｂに示すように、各発電ユニット１１０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接続された構成を有し、各発電ユニット１１０から出力されるＲＦエネルギを合成する。合成部１１１は、好ましくは、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んでいる。合成されたＲＦエネルギは、電力変換部１１２に出力される。なお、合成部１１１は、図４Ｂ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ＲＦエネルギを合成できればどのような構成であってもよい。
【００５２】
電力変換部１１２は、合成部１１１によって合成されたＲＦエネルギを直流エネルギまたは商用で用いられる交流エネルギに変換する。ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する場合、電力変換部１１２として公知の整流回路を用いることができる。例えば、両波整流やブリッジ整流回路を利用できる。また、半波倍電圧整流回路や両波倍電圧整流回路を用いることができるし、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てもよい。
【００５３】
また、ＲＦエネルギを商用で用いられる交流エネルギに変換する場合、公知の周波数変換回路を用いることができる。周波数変換回路には様々な方式の回路があるが、マトリックスコンバータ方式のように直接周波数変換を行う構成や、間接周波数変換を行う回路が採用できる。また、出力構成として、単相や三相などの出力に対応した周波数変換回路技術は、いずれも、本発明に適用可能である。
【００５４】
以下、本実施形態における磁気共振方式による無線電力伝送を説明する。
【００５５】
本実施形態における「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。
【００５６】
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、本実施形態における共振周波数ｆＴおよび共振周波数ｆＲは、いずれも、発振器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。
【００５７】
次に、図５を参照する。図５は、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８の等価回路を示す図である。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が直列に接続された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、後述する昇圧効果を利用しない場合、送電アンテナ１０７は直列共振回路である必要はなく、並列共振回路であってもよい。また、受電アンテナ１０８は並列共振回路に限らず直列共振回路であってもよい。
【００５８】
以上の構成により、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との間の伝送距離を長く設定した場合であっても高効率な電力伝送が可能となる。本実施形態の発電システムによれば、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との間で配線による接続を行うことなく電力を伝送できるだけでなく、後述するように、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。その結果、発電デバイス（太陽光発電デバイス）１０１が生成する低電圧のエネルギを受電アンテナ１０８側で高電圧のＲＦエネルギとして取り出すことが可能となる。
【００５９】
なお、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０８との間には壁や屋根などの障害物が存在していてもよい。また、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。いずれの場合でも、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、屋外の発電デバイス１０１と送電アンテナ１０７との接続は、例えば建物の壁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、例えば建物の壁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、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。
【００６０】
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および受電アンテナ１０９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。
【００６１】
本実施形態において、インダクタ１０７ａ、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。
【００６２】
次に、図５を参照しながら、本実施形態における無線伝送部１０３で発現する昇圧効果を説明する。ここでは、送電側の共振器１０７と受電側の共振器１０８とが、結合係数ｋで結合しているものとする。結合係数は、同一周波数ｆ０で共振する２つの共振器を近接させた際に分離する２つの共振周波数ｆＬと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）
【００６３】
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３）  Ｍ＝ｋ×（Ｌ１×Ｌ２）0.5
【００６４】
このように、結合係数ｋは、インダクタ間または共振器間の結合強度の指標として従来から用いられている公知の結合係数と同一の指標である。結合係数ｋは、０＜ｋ＜１の関係を満たす数値である。従来の電磁誘導によるエネルギ伝送では、結合係数ｋを可能な限り大きく、ほぼ１に等しくなるように、共振器の構成および配置関係が設計される。一方、後述するように、本発明では、結合係数ｋを１に近い値に設定する必要はなく、例えば０．５以下の値に設定することも可能である。
【００６５】
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５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４）  Ｉ２＝−ＩＬ２−ＩＣ２
【００６６】
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５）  （Ｒ２＋ｊωＬ２）×ＩＬ２＋ｊωＭ×ＩＬ１＝ＩＣ２／（ｊωＣ２）
【００６７】
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６）が成立している。
（式６）  ωＬ２＝１／（ωＣ２）
【００６８】
上記の（式４）〜（式６）から、以下の式が成立する。
（式７）  Ｒ２×ＩＬ２＋ｊωＭ×ＩＬ１＝ｊωＬ２×Ｉ２
【００６９】
（式７）を変形して以下の式を得る。
（式８）  Ｉ２＝ｋ×（Ｌ１／Ｌ２）0.5×ＩＬ１−ｊ（Ｒ２／ωＬ２）×ＩＬ２
【００７０】
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、次の（式９）によって表される。
（式９）  Ｑ２＝ωＬ２／Ｒ２
【００７１】
ここで、共振器のＱ値が非常に大きい場合、（式８）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１０）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１０）  Ｉ２＝ｋ×（Ｌ１／Ｌ２）0.5×ＩＬ１
【００７２】
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。
【００７３】
上記の（式１０）から、本実施形態における各発電ユニット１１０の昇流比Ｉｒは、次の（式１１）によって表される。
（式１１）  Ｉｒ＝｜Ｉ２／Ｉ１｜／Ｖｏｃ＝ｋ／Ｖｏｃ×（Ｌ１／Ｌ２）0.5
【００７４】
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、次の（式１２）および（式１３）によって表される。
（式１２）  Ｖｒ＝（Ｖｏｃ／ｋ）×（Ｌ２／Ｌ１）0.5
（式１３）  Ｚｒ＝（Ｖｏｃ／ｋ）2×（Ｌ２／Ｌ１）
【００７５】
（式１２）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、本発明で用いられる磁気共振方式では、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。
【００７６】
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、多数の太陽光発電デバイスを直列に接続する構成よりも、複数の太陽光発電デバイスを並列に接続する構成を採用することが好ましい。２つの太陽光発電デバイスを直列に接続する場合と同等の電圧特性を、２つの太陽光発電デバイスを並列に接続することによって得るためには、各太陽光発電デバイスの出力電圧を２倍に昇圧する必要がある。
【００７７】
（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。したがって、本実施形態では、（Ｌ２／Ｌ１）≧４×（ｋ／Ｖｏｃ）2の関係が満足されることが好ましい。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。
【００７８】
本実施形態における無線伝送部１０３によれば、このように高い昇圧比Ｖｒを実現することが可能となる。このようにして、発電ユニット１１０ごとに昇圧されたＲＦエネルギは、合成部１１１に入力される。
【００７９】
以下、本実施形態における位相制御を説明する。
【００８０】
本実施形態の発電システムにおいては、受電アンテナ１０８から合成部１１１までの伝送線路の長さが発電ユニット１１０によって異なっている。このため、各発電ユニット１１０から出力されるＲＦエネルギが合成される際に発生し得る位相のずれを低減させる位相制御が行われる。具体的には、各発電ユニット１１０における受電アンテナ１０８から合成部１１１までの伝送線路の長さ（伝送線路長）を示す情報が予め使用者や設計者などによって設定され、パルス制御部１１４に記録されている。パルス制御部１１４は、設定された伝送線路長を示す情報に従って、各パルス生成器１１３に対してスイッチングタイミングを示す制御信号（パルス発生トリガ）を送出する。
【００８１】
図６は、パルス制御部１１４が実行する制御動作の一例を示す図である。図示される例は、２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２に対して位相制御を行ったときの制御動作を示している。ここで、伝送線は１．４６ｍｍの絶縁被覆を持つ直径１．１ｍｍの銅線であり、ｆ０は１．８ＭＨｚ、インピーダンスはＺ＝３５Ω、単位長さあたりの位相変化は３．１３deg／ｍであると仮定している。また、第１の発電ユニット１１０−１の伝送線路長および第２の発電ユニット１１０−２の伝送線路長がそれぞれＬｅｎ１（ｍ）、Ｌｅｎ２（ｍ）（Ｌｅｎ１＜Ｌｅｎ２）であるとする。このとき、合成部１１１によって合成される際の第１の発電ユニット１１０−１から出力されるＲＦエネルギと第２の発電ユニット１１０−２から出力されるＲＦエネルギとの間の位相差は、３．１３×（Ｌｅｎ２−Ｌｅｎ１）ｄｅｇとなる。パルス制御部１１４は、第１の発電ユニット１１０−１に対応する第１のパルス生成器１０２−１から出力されるパルスよりも第２の発電ユニット１１０−２に対応する第２のパルス生成器１０２−２から出力されるパルスの方がΔＰ＝３．１３×（Ｌｅｎ２−Ｌｅｎ１）ｄｅｇだけ位相が進むようにパルス発生トリガを第２のパルス生成器１０２−２に与える。これにより、第１の発電ユニット１１０−１から出力されるＲＦエネルギおよび第２の発電ユニット１１０−２から出力されるＲＦエネルギは、位相が互いに一致した状態で合成部１１１へ入力される。合成部１１１は、各発電ユニットから入力される同位相のＲＦエネルギを合成し、電力変換部１１２に出力する。
【００８２】
なお、上記の説明では、パルス制御部１１４によるスイッチングタイミングの制御において第１のパルス生成器１０２−１のパルス生成タイミングを基準として第２のパルス生成器１０２−２のパルス生成タイミングを変更することとしたが、基準とする発電ユニット１１０はどれを選択してもよい。並列に接続された各発電ユニット１１０から出力されるＲＦエネルギの位相が合成時に一致するように制御されればよい。
【００８３】
また、各発電ユニットから出力されたＲＦエネルギの位相は、合成部１１１に入力される時点において多少ずれていてもよい。これらの位相が完全に一致することが理想であるが、合成時における各ＲＦ出力の位相差が低減するように各パルス生成器のパルス生成のタイミングが調整されていれば本実施形態の効果は得られる。本明細書において、２つの位相が一致するとは、位相差の絶対値が３deg以下であるものと定義する。
【００８４】
図７は、シミュレーションによって得られた、本実施形態の発電システムによる効果を示す図である。図７は、合成部１１１によって合成される際の２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２から出力された各ＲＦ出力の波形、および両者を合成した波形を示している。図７（ａ）は上記の位相制御を行わなかった場合における結果を示し、図７（ｂ）は上記の位相補正を行った場合における結果を示している。図７において、Ｐ１ｏｕｔは第１の発電ユニット１１０−１のＲＦ出力の電力波形、Ｐ２ｏｕｔは第２の発電ユニット１１０−２のＲＦ出力の電力波形、Ｐｓｕｍは合成部１１１の出力電力波形を示している。
【００８５】
本シミュレーションにおいて、伝送線路条件は、上記と同様、第１の発電ユニット１１０−１および第２の発電ユニット１１０−２の伝送線路長をそれぞれ１ｍ、１１ｍとした。伝送線として１．４６ｍｍの絶縁被覆を持つ直径１．１ｍｍの銅線を用い、ｆ０を１．８ＭＨｚとした。また、２つの発振器１０２−１、１０２−２から出力されるピーク電力を６１．４Ｗ（２５．６Ｖ、２．４Ａ）とした。無線伝送部１０３の通過特性として入力インピーダンスを１０Ω、出力インピーダンスを３５Ω、伝送効率を９４．５％とした。この時、伝送線路長の差に基づく位相補正を行わない場合の合成部１１１の出力は１０２．３Ｗ、位相補正を行った場合の合成部１１１の出力は１１０．３Ｗとなった。したがって、伝送線路長差が１０ｍの場合、位相補正により、伝送電力量のピーク値を約８％向上させることができることがわかった。
【００８６】
電力変換部１１２は、以上の構成によって合成されたＲＦエネルギを負荷の仕様に合わせて直流またはＲＦエネルギよりも低周波（例えば、６０Ｈｚ以下）の交流電力に変換し、負荷や系統に出力する。また、電力変換部１１２を用いず、合成部１１１から出力される合成されたＲＦエネルギをそのまま利用することも可能である。例えば、合成部１１１からのＲＦ出力を、同じ共振周波数ｆ０をもつ別の磁気共振方式の無線電力伝送システム（電気自動車などの充給電を行うシステムなど）の送電アンテナへ入力してもよい。
【００８７】
以上のように、本実施形態の発電システムによれば、非接触エネルギ伝送において、伝送線路長が発電ユニット１１０ごとに異なる場合であっても、発電デバイス１０１から最大電力を取り出すことができる。さらに、系統や負荷へ出力する際に必要な電圧にまで昇圧することが可能となる。その結果、敷設コストを低減し、発電モジュールが劣化した際の取り替え作業を簡便にでき、余分な昇圧デバイスが不要な発電システムを実現することができる。
【００８８】
本実施形態の発電装置によれば、電力変換部１１２の出力電圧を、例えば、２００Ｖ〜３００Ｖ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３００Ｖ〜４００Ｖ程度にまで高めることや、それ以上の昇圧も可能である。
【００８９】
なお、本実施形態では、各発電ユニット１１０はパルス生成器１１３を含むように構成されているが、パルス生成器１１３は発電ユニット１１０とは離れた位置に配置されていてもよい。図８は、そのような構成例を示す図である。図示される構成では、ｎ個のパルス生成器１１３−１、・・・、１１３−ｎが１つの筐体内に搭載され、各発電ユニット１１０から離れた場所に設置されている。このような構成であっても、各パルス生成器１１３から対応する発振器１０２までの伝送距離の差を考慮して適切なタイミングでパルスを発生させれば、発振器１０２から出力されるＲＦエネルギの位相を適切に調整することができる。
【００９０】
本実施形態では、パルス制御部１１４および複数のパルス生成器１１３−１、・・・、１１３−ｎを用いて位相の調整を行うが、他の方法で位相制御を行ってもよい。例えば、パルス制御部１１４およびパルス生成器１１３を用いず、図２に示すリアクタンス調整回路１３０を伝送線路上に挿入してもよい。リアクタンス調整回路１３０は、例えばインダクタおよび容量素子を含むＬＣ回路であり、発振器１０２から送電アンテナ１０７までの間、または受電アンテナ１０８から合成部１１１までの間に接続される。インダクタンス成分および／または容量成分が適切に設定されたリアクタンス調整回路１３０を用いることにより、伝送されるＲＦエネルギを所望の位相にすることができる。それにより、合成時の各ＲＦエネルギの位相差を低減させることが可能である。
【００９１】
（実施形態２）
次に、図９を参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。
【００９２】
本実施形態の発電システムは、発電デバイス１０１の出力インピーダンスの変動に応じて各回路ブロックのインピーダンスを整合させることができる点が実施形態１の発電システムとは異なっている。以下、実施形態１の発電システムと異なる点を中心に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【００９３】
発電デバイス１０１が太陽電池セルである場合、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発電デバイス１０１の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、伝送路における電力の伝達効率が低下するという課題がある。
【００９４】
また、発電デバイス１０１が燃料電池である場合も、発電デバイス１０１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デバイス１０１の出力インピーダンスが変動することがある。このため、伝送路の入出力インピーダンスを変換することで、伝送路のインピーダンスを整合させる必要がある。
【００９５】
しかしながら、インピーダンス変換を行った場合、一般に、変換された回路ブロックにおけるリアクタンス値が変化するため、伝送されるＲＦエネルギの位相がずれる。その結果、各発電ユニット１０１から出力されるＲＦエネルギの合成点における位相は、インピーダンス変換を行う前に比べて変化する。本実施形態の発電システムによれば、このインピーダンス変換に伴う各発電ユニット１１０のＲＦ出力の位相を適切に補正することができる。
【００９６】
図９は、本実施形態の発電システムの構成を示す図である。本実施形態における発電システムは、実施形態１における構成要素に加え、発電デバイス１０１から出力される電流および電圧を計測する計測部５１と、伝送路の各回路ブロックにおける入出力インピーダンスを制御するインピーダンス制御部５２とを備えている。発電システムはまた、インピーダンス変換に伴うＲＦ出力の位相のずれの量の推定値を示す情報が格納された位相ずれデータメモリ５３を備えている。
【００９７】
インピーダンス制御部５２は、発電デバイス１０１の出力インピーダンスの値に基づいてインピーダンス変換を実行する。本実施形態における位相ずれデータメモリ５３は、発電デバイス１０１の出力インピーダンスの変動と、それに伴うインピーダンス変換の結果として生じるＲＦエネルギの位相のずれの大きさとの対応関係を示すデータが格納される。
【００９８】
以下、本実施形態の発電システムにおけるインピーダンス整合の動作を説明する。
【００９９】
まず、各発電ユニット１１０において、発電デバイス１０１により生成された直流エネルギは発振器１０２に送られる。計測部５１は、発電デバイス１０１から出力される電流と電圧を測定し、インピーダンス制御部５２に測定結果を送る。インピーダンス制御部５２は、入力された電流、電圧値から発電デバイス１０１の出力インピーダンスを算出し、算出した出力インピーダンスの値に応じて最も伝送効率が高くなるように伝送線路上の各回路ブロックにおけるインピーダンスを予め設定された値に変換する。具体的には、インピーダンス制御部５２は、発電デバイス１０１の出力インピーダンスの変動に応じて、各発電ユニット１１０における発振器１０２の入力インピーダンス、送電アンテナ１０７の入力インピーダンス、受電アンテナ１０８の出力インピーダンスを最適な値に設定する。
【０１００】
図１０は、インピーダンス制御部５２の構成例を示す図である。インピーダンス制御部５２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５２ａと、発電デバイス１０１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５２ｂとを備えている。ここで、出力先とは、発振部１０２、送電アンテナ１０７、および受電アンテナ１０８を指す。インピーダンス対応テーブル５２ｂ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器１０２、送電アンテナ１０７、および受電アンテナ１０８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５２ｂには、発電デバイス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５２ｂ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、発振器１０２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、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８のスイッチに関する列も含まれる。以下の表１は、発電デバイス１０１の出力インピーダンスＺの値の範囲に応じて発振器が切り替えられる事を示している。
【０１０１】
【表１】
2012046452.tif 000003
【０１０２】
図１１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、インピーダンス制御部５２は、計測部５１によって計測された電流（I）および電圧（V）から、発電デバイス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５２ｂ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。
【０１０３】
図１１に示されるインピーダンス制御部５２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、発電デバイス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、発電デバイス１０１の後段の発振部１０２、送電アンテナ１０７、および受電アンテナ１０８のインピーダンスを、発電デバイス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デバイス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デバイス１０１から常に最大の出力電力を取り出すことができる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
インピーダンス変換の具体的な方法としては、以下のような方式がある。まず、発振器１０２の場合、異なる入力インピーダンスを持つ複数の発振回路の中から、発電デバイス１０１の出力インピーダンスの変動に応じて接続される発振回路を上記スイッチング制御部５２ａによって切り替えるという方式がある。
【０１０６】
送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８については、例えば以下に示す４通りの方式がある。なお、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０８については同様の方式を用いることができるため、以下、送電アンテナ１０７におけるインピーダンス変換についてのみ説明する。
【０１０７】
図１２（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、インピーダンス制御部５２は、発電デバイス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。これにより、インピーダンス制御部５２は、発電デバイス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可能となる。
【０１０８】
図１２（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接続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、およびインダクタ１０７ａａと１０７ａｂとの間の容量成分が変化し、インピーダンスを変化させることができる。インピーダンス制御部５２は、発電デバイス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、インピーダンス制御部５２は、送電アンテナの入力インピーダンスを変化させることができる。
【０１０９】
図１２（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。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。インピーダンス制御部５２は、発電デバイス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。これによって発電デバイス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。
【０１１０】
図１２（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接続され、発電デバイス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。インピーダンス制御部５２は、発電デバイス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。
【０１１１】
インピーダンス制御部５２におけるスイッチング制御部５２ａ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、発電デバイス１０１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。
【０１１２】
なお、インピーダンス制御部５２は、発振器１０２、送電アンテナ１０７、および受電アンテナ１０８の全てに対してインピーダンス変換を行うことが好ましいが、これらの少なくとも１つに対してのみインピーダンス変換を行うように構成されていてもよい。
【０１１３】
上記のインピーダンス変換によって、一般に、発振器１０２、無線伝送部１０３が持つインダクタンス成分および容量成分の少なくとも一方が変化するため、入出力の間で位相のずれが発生する。図９に示す位相ずれデータメモリ５３には、前述のように、インピーダンス変換に伴う位相のずれの大きさを示す情報が記録されている。インピーダンス制御部５２は、インピーダンス変換を行う際に、パルス制御部１１４に対して、インピーダンス対応テーブル５２ｂに規定された、出力先ごとの変換後のインピーダンス値を示す情報を出力する。パルス制御部１１４は、インピーダンス制御部５２から出力される情報を受け取るとともに、インピーダンス変換に伴う各発電ユニット１１０のＲＦ出力の位相のずれを示す情報を位相ずれデータメモリ５３から読み出す。パルス制御部１１４は、位相ずれデータメモリ５３から読みだした情報と各発電ユニット１１０の伝送線路長の情報とに基づいて、発電ユニット全体の位相のずれの量を求める。その後、発電ユニット全体の位相のずれを補正するように各発電ユニット１１０に対応するパルス生成器１１３に対してスイッチングタイミングを指示する。このようにして、実施形態１と同様、各発電ユニット１１０のＲＦ出力の位相を調整し、合成部１１１から出力される電力の低下を抑えることが可能となる。
【０１１４】
以上のように、本実施形態の発電システムによれば、磁気共振方式による非接触エネルギ伝送において、動作環境状態に応じて伝送路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ことによって発電デバイスから最大電力を取り出すことができる。さらに、系統や負荷へ電力を出力する際に必要な電圧にまで昇圧することが可能となり、敷設コストが安く、デバイス劣化時のモジュール取り替え作業の簡便で、余分な昇圧デバイスが不要な発電システムを実現することができる。
【０１１５】
また、本実施形態の発電装置によれば、電力変換部１１２の出力電圧を、例えば、２００Ｖ〜３００Ｖ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３００Ｖ〜４００Ｖ程度にまで高めることや、それ以上の昇圧も可能である。電力変換部１１２の出力電圧が上記のような高い値になるように、各発電ユニット１１０における各回路ブロックの入出力インピーダンス、および各発電ユニット１１０の昇圧比が設定されていることが好ましい。
【０１１６】
なお、本実施形態では、全ての発電ユニット１１０−１、・・・１１０−ｎに対して位相のずれを補正するが、少なくとも２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２について合成時のＲＦエネルギの位相差が低減するように構成されていればよい。例えば、位相ずれデータメモリ５３は、少なくとも２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２にそれぞれ含まれる発電デバイス１０１−１、１１０−２の出力インピーダンスの変動と、２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２の各ＲＦ出力が合成される時点での位相のずれの大きさとの関係を示す情報が格納されていればよい。この場合、発振位相制御部１２０（本実施形態ではパルス制御部１１４およびパルス生成器１１３−１、・・・、１１３−ｎ）は、位相ずれデータメモリ５３の情報に基づいて、上記２つの発電ユニット１１０−１、１１０−２にそれぞれ含まれる発振器１０２−１、１０２−２からそれぞれ出力されるＲＦエネルギの位相差を調整するように構成されていればよい。
【０１１７】
また、インピーダンス整合および位相制御は、上記の方法に限られず、様々な方法が可能である。例えば、インピーダンス整合に関しては、上記の計測部５１を用いず、発電デバイス１０１の近傍に温度計や照度計などを設置し、それらの計測データから発電デバイス１０１の出力インピーダンスを推定してもよい。また、位相制御に関しては、例えば上記の位相ずれデータメモリ５３を用いず、パルス制御部１１４に予め組み込まれたプログラムに従って、各発電デバイス１０１の出力インピーダンス値の変動量に対応する位相の補正量を計算してもよい。
【０１１８】
本実施形態の発電システムでは、発振位相制御部１２０としてパルス制御部１１４およびパルス生成器１１３を用いて位相の調整が行われるが、他の方法で位相の調整を行ってもよい。例えば、インピーダンス制御部５２が上記のインピーダンス変換を行う際に、各出力先のリアクタンス値を、伝送されるＲＦエネルギの位相が極力ずれない（約３６０度ずれる）値に設定することによって位相の調整を行ってもよい。
【０１１９】
また、本実施形態の発電システムにおいても、パルス制御部１１４およびパルス生成器１１３を用いず、図２に示すリアクタンス調整回路１３０を伝送線路上に挿入することによって各ＲＦ出力の位相を調整してもよい。インダクタンス成分および／または容量成分が適切に設定された回路を選択することによって合成時の各ＲＦエネルギの位相差を低減させることが可能である。
【０１２０】
（従来技術との比較）
以下、本実施形態の発電システムの効果を従来技術と比較しながら説明する。
【０１２１】
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。本実施形態の発電システム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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
一方、本実施形態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。
【０１２４】
また、本実施形態では、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。
【０１２５】
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。本実施形態では、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。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の発電システムによれば、敷設コストを削減することができるため、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への適用が可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０１、１０１−１、１０１−２、１０１−ｎ  発電デバイス
１０２、１０２−１、１０２−２、１０２−ｎ  発振器
１０３、１０３−１、１０３−２、１０３−ｎ  無線伝送部
１０７、１０７−１、１０７−２、１０７−ｎ  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容量素子
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容量素子
１０８、１０８−１、１０８−２、１０８−ｎ  受電アンテナ
１１０、１１０−１、１１０−２、１１０−ｎ  発電ユニット
１１１  合成部
１１２  電力変換部
１１３、１１３−１、１１３−２、１１３−ｎ  パルス生成器
１１３ａ  パルス生成器の入力部
１１４  パルス制御部
１１５  可動部
１２０  発振位相制御部
１３０  リアクタンス調整回路
５１    計測部
５２    インピーダンス制御部
５２ａ  スイッチング制御部
５２ｂ  インピーダンス対応テーブル
５３    位相ずれデータメモリ
【図１】
2012046452.tif 000004
【図２】
2012046452.tif 000005
【図３】
2012046452.tif 000006
【図４Ａ】
2012046452.tif 000007
【図４Ｂ】
2012046452.tif 000008
【図５】
2012046452.tif 000009
【図６】
2012046452.tif 000010
【図７】
2012046452.tif 000011
【図８】
2012046452.tif 000012
【図９】
2012046452.tif 000013
【図１０】
2012046452.tif 000014
【図１１】
2012046452.tif 000015
【図１２】
2012046452.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月6日(2012.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１の発電ユニットおよび第２の発電ユニットと、
前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させるように、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギとの間の位相差を調整する発振位相制御部と、
を備える発電システム。
【請求項２】
前記各発電ユニットにおいて、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る請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記発振位相制御部は、
第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記パルスを前記発振器に入力する第１のパルス生成器と、
第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギの位相を規定するパルスを生成し、前記パルスを前記発振器に入力する第２のパルス生成器と、
前記第１および第２のパルス生成器にパルスの生成タイミングを指示するパルス制御部と、
を有している、請求項１または２のいずれかに記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力される前記ＲＦエネルギとの間の位相差は、前記第１の発電ユニットにおける前記受電アンテナから前記合成部までの伝送線路の長さと前記第２の発電ユニットにおける前記受電アンテナから前記合成部までの伝送線路の長さとの差に応じて設定されている、請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記各発電ユニットにおいて、前記発電デバイスの出力インピーダンスの変動に応じて前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、および前記受電アンテナの出力インピーダンスの少なくとも１つを変化させるインピーダンス制御部を備え、
前記発振位相制御部は、前記インピーダンス制御部が前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、および前記受電アンテナの出力インピーダンスの少なくとも１つを変化させた場合に、前記第１のＲＦエネルギおよび前記第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相と前記第２のＲＦエネルギの位相とを一致させるように、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギと前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギとの間の位相差を調整する、
請求項１から４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイスの出力電流および出力電圧を計測する計測部を備え、
前記インピーダンス制御部は、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デバイスの出力インピーダンスの値を検出する、請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
各発電ユニットに含まれる前記発電デバイスの出力インピーダンスの変動と、前記第１および第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１および第２のＲＦエネルギの位相のずれの大きさとの関係を示す情報が格納された位相ずれデータメモリを備え、
前記発振位相制御部は、前記位相ずれデータメモリに格納された情報に基づいて、前記第１の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギの位相および前記第２の発電ユニットに含まれる前記発振器から出力されるＲＦエネルギの位相を同期させる、
請求項５または６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記合成部の出力を直流または６０Ｈｚ以下の交流に変換して出力する電力変換部を備えている、請求項１から７のいずれかに記載の発電システム。
【請求項９】
前記電力変換部の出力電圧が２００〜３００Ｖの範囲になるように、各発電ユニットに含まれる前記発振器の入力インピーダンス、前記送電アンテナの入力インピーダンス、前記受電アンテナの出力インピーダンス、および各発電ユニットの昇圧比が設定されている、前記請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
各発電ユニットに含まれる前記発電デバイスは、太陽光発電デバイスである、請求項１から９のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１１】
前記太陽光発電デバイスは、結晶系シリコンを用いた太陽光発電デバイスである、請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイス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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
各発電ユニットにおいて、前記発電デバイス、前記送電アンテナ、および前記受電アンテナは建物の外側に設置され、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１０または１１に記載の発電システム。
【請求項１４】
各発電ユニットにおいて、前記発振器の昇圧比を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１３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１５】
各発電ユニットが、それぞれ、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直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦ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を有し、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は周波数ｆ０に等しく設定され、前記受電アンテナが受け取った前記ＲＦエネルギを出力する、第１の発電ユニットおよび第２の発電ユニットと、
前記各発電ユニットから出力された前記ＲＦエネルギを受け、前記ＲＦエネルギを合成して出力する合成部と、
前記第１の発電ユニットおよび前記第２の発電ユニットの少なくとも一方において、前記発振器と前記送電アンテナとの間、または前記受電アンテナと前記合成部との間の伝送線路上に挿入されたリアクタンス調整回路であって、インダクタおよび容量素子の少なくとも一方を含み、前記第１の発電ユニットから出力された第１のＲＦエネルギおよび前記第２の発電ユニットから出力された第２のＲＦエネルギが前記合成部によって合成されるときの前記第１のＲＦエネルギの位相および前記第２のＲＦエネルギの位相を一致させる値にリアクタンス値が設定されたリアクタンス調整回路と、
を備える発電システム。
【請求項１６】
（削除）
【国際調査報告】
2012046452.tif 000017
2012046452.tif 000018
2012046452.tif 000019
2012046452.tif 000020