(57)【要約】  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。
2013076936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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１４】
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１５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平４−１２８０２４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０１６４２０号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図９、図１２）
【特許文献４】国際公開第２０１１／０１９０８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における１つの発電ユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における発振器１０２の回路構成の例を示す図である。
【図４】本発明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等価回路図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態において使用可能な半波倍電圧整流回路の回路図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態において使用可能な両波倍電圧整流回路の回路図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態において使用可能な単相出力のインバータの回路図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態において使用可能な三相出力のインバータの回路図である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態において使用可能なＶ接点方式インバータの回路図である。
【図７】本発明の実施形態において使用可能な昇圧チョッパの回路図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態において使用可能な間接方式のマトリクスコンバータの回路図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態において使用可能な直接方式のマトリクスコンバータの回路図である。
【図９】本発明の実施形態における直流合成部の構成の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態における交流合成部および高周波合成部の構成の一例を示す図である。
【図１１】各発電ユニットの発電量および各負荷の消費電力の例を示す図である。
【図１２Ａ】出力制御部によって各発電ユニットの出力が調整された結果の例を示す図である。
【図１２Ｂ】出力制御部によって各発電ユニットの出力が調整された結果の他の例を示す図である。
【図１３】出力制御部による動作のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施形態における昇圧効果を説明するための等価回路図である。
【図１５】本発明の他の実施形態における構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
＜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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
＜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。
【００２２】
＜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。
【００２３】
＜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
＜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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜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。
【００４２】
＜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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
＜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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
＜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。
【００５１】
＜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。
【００５２】
＜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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
＜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。
【００５９】
＜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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
＜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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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
【００７９】
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
【００８０】
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
【００８１】
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）
【００８２】
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
【００８３】
（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
【００８４】
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
【００８５】
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
【００８６】
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。
【００８７】
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
【００８８】
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。
【００８９】
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）
【００９０】
（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。
【００９１】
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。
【００９２】
（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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
＜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。
【００９６】
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）
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
＜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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
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。
【符号の説明】
【０１１０】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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