(57)【要約】【課題】電源や充電装置や充電用ケーブルを不用とし設置自由度を向上させるとともに停電時にも電源供給可能なケーブルレス電源装置を提供する。【解決手段】本発明に係るケーブルレス電源装置は、アンテナ１、アンテナ１と相俟って特定の周波数に同調させる同調回路２、アンテナ１および同調回路２を介して伝達されてきた交流を直流に変換する整流回路３、整流回路３により直流に変換された電気エネルギーを蓄積する電気二重層キャパシタ４からなり、アンテナ１から同調回路２及び整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に蓄えられた電力は負荷装置５に供給される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間に存在する電磁エネルギーを集電するアンテナと、
前記アンテナにより集電した電磁エネルギーを直流電流に変換する整流手段と、
前記整流手段により直流に変換された電気エネルギーを蓄積する電気二重層キャパシタと、
を具備することを特徴とするケーブルレス電源装置。
【請求項２】
電磁波を発生して前記アンテナに電磁エネルギーを供給する電磁波発生装置を付加したことを特徴とする請求項１に記載のケーブルレス電源装置。
【請求項３】
前記電気二重層キャパシタに電圧クランプ回路を付加したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のケーブルレス電源装置。
【請求項４】
前記アンテナを商用電源周波数に同調させ、電力用機器の近傍に設置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のケーブルレス電源装置。
【請求項５】
前記アンテナを特定のスイッチング周波数に同調させ、当該特定のスイッチング周波数で駆動する電力変換器の近傍に設置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のケーブルレス電源装置。
【請求項６】
前記アンテナをスイッチングサージ周波数に同調させ、当該スイッチングサージを発生する電力変換器の近傍に設置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のケーブルレス電源装置。
【請求項７】
前記電気二重層キャパシタを複数個直列に接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のケーブルレス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間に存在する電磁エネルギーを集電し電気二重層キャパシタに蓄え、電気二重層キャパシタに蓄えた電気エネルギーを負荷装置に供給するケーブルレス電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変電所等において遮断器は変電所が停電した場合でも開閉操作を行わなければならないため、停電時においても、遮断器の制御電源を供給する必要があり、そのためのバックアップ電源を必要とする。また、ＵＰＳは停電時や瞬低時においても負荷に一定電圧の電源を供給する責務を負うため、停電時や瞬低時のバックアップ電源を必要とする。
【０００３】
図８はかかる目的で設置される従来のバックアップ電源の一例である。
【０００４】
図８に示すように、従来のバックアップ電源装置は、充電装置８２及び複数のバッテリセル８４から構成されるバッテリユニット８５により成り立ち、電源８１から充電装置８２に電力が供給され、充電装置８２にて直流に変換された電力はバッテリーユニット８５及び負荷装置８３に出力される。
【０００５】
ここで、電源８１から充電装置８２までの電力供給は充電用ケーブル８６を介してなされる。また、バッテリセル８４の端子電圧はＤＣ１．２ＶからＤＣ２．０Ｖ程度と低電圧であるが、通常バッテリユニット８５の直流電圧はＤＣ２４Ｖ，ＤＣ４８Ｖ，ＤＣ１１０Ｖといった高い電圧であるため、バッテリセル８４を直列に接続してバッテリユニット８５を構成する。
【０００６】
続いて、従来のバックアップ電源の動作を説明する。
【０００７】
負荷装置８３としては、停電時にも運転を行う必要のあるＵＰＳや遮断器等の装置が想定される。電源８１が健全な時は、電源８１からの充電装置８２にて直流に変換された電力が負荷装置８３に供給される。
【０００８】
一方、電源８１が停電したときあるいは瞬低が発生したときは、それに伴い充電装置８２の出力が断たれるので、バッテリーユニット８５から負荷装置８３に電源が供給される。このようにして、電源８１が停電したときあるいは瞬低が発生したときであっても、瞬断することなく負荷装置８３に電源を供給し続けることが出来る。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−３４３２２５号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−２１７２５０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のバックアップ電源装置は、バッテリユニット８５を電力蓄積要素として使用しており、バッテリーユニット８５の自己放電率が大きいため、自己放電に見合うだけの電力を常時供給する必要があった。すなわち、常時、電源８１から充電装置８２を介してバッテリユニット８５を充電して停電時に必要とされるだけの電力を蓄えておく必要があった。また電源８１から充電装置８２まで電源供給のための充電用ケーブル８６を敷設する必要があるためバックアップ電源装置は設置上の制約を受けていた。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、電力蓄積要素としてバッテリより自己放電率が少ない電気二重層キャパシタを使用し、空間に存在する電磁エネルギーをアンテナで集電して電気二重層キャパシタに電力を蓄えるとともに負荷装置に電力を供給することにより、電源や充電装置や充電用ケーブルを不用とし設置自由度を向上させることが出来、かつ停電時にも負荷装置に電源供給することの出来るケーブルレス電源装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るケーブルレス電源装置は、空間に存在する電磁エネルギーを集電するアンテナと、前記アンテナにより集電した電磁エネルギーを直流電流に変換する整流手段と、前記整流手段により直流に変換された電気エネルギーを蓄積する電気二重層キャパシタと、を具備することを特徴とする。
【００１４】
このように、本発明に係るケーブルレス電源装置によれば、空間に電磁波として存在する電磁エネルギーを集電してして電気二重層に電気エネルギーとして蓄積するので、電源や充電装置や充電用ケーブルを不用とし設置自由度を向上させることが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るケーブルレス電源装置の一実施の形態について、図１乃至図７を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態の全体構成を示したものである。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態においてケーブルレス電源装置は、アンテナ１、アンテナ１と相俟って特定の周波数に同調させる同調回路２、アンテナ１および同調回路２を介して伝達されてきた交流を直流に変換する整流回路３、整流回路３により直流に変換された電気エネルギーを蓄積する電気二重層キャパシタ４からなり、アンテナ１から同調回路２及び整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に蓄えられた電力は負荷装置５に供給される。
【００１８】
なお、負荷装置５は直流負荷でもよいし、交流負荷にインバータを接続して直流電力を給電するようにしたものでもよい。また、同調回路２は必要に応じて設置するものであり、必ずしも必要とはしない。
【００１９】
ここで、アンテナ１は、空間に電磁波として存在する電磁エネルギーを集電するもので、設置場所近傍の空間に存在する電磁波の特性に合わせてロッドアンテナ、パラボラアンテナ等もっとも効率よく集電できる形状のアンテナ１を用いる。
【００２０】
同調回路２は、アンテナ１と相俟って特定の周波数に同調させることにより、空間中に種々存在する電磁波の中から特定の周波数の電磁エネルギーを選択的に効率よく集電するために設けたものである。
【００２１】
図２（ａ）は同調回路２の一例を示す。
【００２２】
この例では、同調回路２はリアクトル２１とコンデンサ２２からなり、コンデンサ２２のキャパシタンスを変化させることにより回路の共振周波数を変化させ、その共振周波数の電磁波を選択的に集電する。
【００２３】
本発明は、空間中に飛び交っている電磁波を電気エネルギーとして集電し蓄積するものであり、電磁波により搬送される信号を取り出すものではないので、図２（ｂ）に示すように同調回路２を省略してもよい。
【００２４】
整流回路３は、アンテナ１および同調回路２を介して伝達されてきた交流電力を電気二重層キャパシタ４に蓄積することが出来るよう直流に変換するものであり、一般的に用いられている整流回路を使えばよい。
【００２５】
電気二重層キャパシタ４は、整流回路３により直流に変換された電気エネルギーを蓄積するものである。ここで、電気二重層キャパシタ４に蓄積される電気エネルギーが増大すると電気二重層キャパシタ４の端子電圧も増大し、端子電圧が増大すると自己放電により電気二重層キャパシタ４における損失も増大する。したがって、電気二重層キャパシタ４の端子電圧は、アンテナ１及び同調回路２により集電され整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に供給される電力と、電気二重層キャパシタ４における損失とがバランスする値まで増加する。すなわち、電気二重層キャパシタ４に蓄えられる電力は、供給と損失が釣り合う値でバランスする。
【００２６】
そして、アンテナ１が空間に電磁波として存在する電磁エネルギーを集電しているときは、集電した電気エネルギーを同調回路２及び整流回路３を介し直流電流として負荷装置５に供給し、アンテナ１が電磁エネルギーを十分集電できないときは、電気二重層キャパシタ４に蓄えられた電力を負荷装置５に供給する。
【００２７】
ここではケーブルレス電源装置から負荷装置５に停電の有無にかかわらず直流電源を供給することとしているが、停電時にのみバックアップ電源としてこのケーブルレス電源装置を使用することとしてもよいことは言うまでもない。
【００２８】
次に、本実施の形態において、アンテナ１を商用電源周波数に同調させて使用する例を図３に示す。
【００２９】
これは、変電所等の変圧器や電力用ケーブルから商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の電磁波８として放射され空間中に無駄に捨てられる電磁エネルギーを商用周波数で同調させたアンテナ１で効率よく集電するものである。
【００３０】
ここでは、アンテナ１を変圧器６１の近傍に設置し、変圧器６１からの電磁波８を集電し、同調回路２及び整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に蓄積すると共に、負荷装置５に直流電源として電力を供給する。
【００３１】
続いて、本実施の形態において、アンテナ１をインバータ６２のスイッチング周波数に同調させて使用する例を図４に示す。
【００３２】
周知の通り、インバータ等の電力変換器からはインバータ等を駆動するためのスイッチング回路のスイッチング周波数の電磁波８が電力変換器の周囲に放射されそのエネルギーが無駄に捨てられている。ここでは、アンテナ１をインバータ６２の近傍に設置し、インバータ６２から空間中に無駄に放射されているスイッチング周波数の電磁波８をスイッチング周波数で同調させたアンテナ１で効率よく集電する。集電された電力は同調回路２及び整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に蓄積すると共に、負荷装置５に直流電源として電力を供給する。
【００３３】
同様に、インバータ等の電力変換器からはインバータ等を駆動するためのスイッチング回路のスイッチングサージ周波数の電磁波８が電力変換器の周囲に放射されそのエネルギーが無駄に捨てられている。したがって、図４において、アンテナ１をインバータ６２の近傍に設置し、インバータ６２から無駄に放射されているスイッチングサージ周波数の電磁波８をスイッチングサージ周波数で同調させたアンテナ１で集電することとしてもよい。
【００３４】
このように第１の実施の形態によれば、アンテナ１が空間に電磁波として存在する電磁エネルギーを集電しているときは、集電した電気エネルギーを同調回路２及び整流回路３を介し直流電流として負荷装置５に供給し、アンテナ１が電磁エネルギーを十分集電できないときは、電気二重層キャパシタ４に蓄えられた電力を負荷装置５に供給する。したがって、停電時にも負荷装置５に電源供給が出来るので、バックアップ電源としての機能を果たすことが出来る。
【００３５】
また、空間に電磁波６として存在する電磁エネルギーを集電してして電気二重層キャパシタ４に電気エネルギーとして蓄積し、負荷装置５に電源供給するので、電源８１や充電装置８２や充電用ケーブル８６を不用とし、ケーブルの引き回しといった制約がなくなることから、設置自由度を向上させることが出来る。
【００３６】
さらに、アンテナ１を商用周波数やスイッチング周波数やスイッチングサージ周波数に同調させることにより、変圧器６１やインバータ６２等の電力機器から放射される電磁エネルギーを効率よく集電することが出来るので、従来周囲の空間に無駄に放射されていた電磁エネルギーの有効活用を図ることができる。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態の全体構成を示したものである。
【００３８】
図５に示すように、本実施の形態は第１の実施の形態の構成に、電磁波発生装置６を付加したものである。
【００３９】
前述のように第１の実施の形態のケーブルレス電源装置において、電気二重層キャパシタ４の端子電圧は電圧が増加するにつれ損失も増加する。したがって電気二重層キャパシタ４に蓄積出来る電力は、アンテナ１及び同調回路２により集電され整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に供給される電力と、電気二重層キャパシタ４における損失とがバランスする点までに制限される。
【００４０】
第２の実施の形態は、電気二重層キャパシタ４に蓄積される電力が十分でない場合、言い換えれば空間に存在する電磁エネルギーが十分でなく、アンテナ１が集電する電力が十分でない場合、アンテナ１の近傍に電磁波発生装置６を設置して電磁波８という形でアンテナ１へ不足する電力を供給するものである。
【００４１】
なお、アンテナ１を商用周波数やスイッチング周波数やスイッチングサージ周波数に同調させ、変圧器６１やインバータ６２等の電力機器から放射される電磁エネルギーを効率よく集電するようにした場合において、さらに電磁波発生装置６をアンテナ１の近傍に設置することとしてもよいことは言うまでもない。
【００４２】
このように、第２の実施の形態によれば第１の実施の形態における効果に加え、負荷装置５を駆動するのに十分なエネルギーをアンテナ１近傍の空間から集電できないときであっても、近傍に電磁波発生装置６を設置することにより、アンテナ１で必要な電力を集電することができ、電気二重層キャパシタ４にて負荷装置５を駆動するのに十分な電力を蓄積することが出来るという効果が得られる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６（ａ）は、本発明の第３の実施の形態の全体構成を示したものである。
【００４４】
図６（ａ）に示すように、本実施の形態は第１の実施の形態の構成に、電気二重層キャパシタ４に並列に電圧クランプ回路７を付加したものである。図６（ｂ）に電圧クランプ回路７の一例を示す。
【００４５】
本例では、ツェナーダイオード１０と抵抗１１を直列に接続した回路とし、電圧が所定の値を超えたときツェナーダイオード１０が導通状態となって所定の電圧以上に上昇することを防止している。
【００４６】
前述のように第１の実施の形態のケーブルレス電源装置において、電気二重層キャパシタ４の端子電圧が増加するにつれ損失も増加する。したがって電気二重層キャパシタ４の端子電圧は、アンテナ１及び同調回路２により集電され整流回路３を介して電気二重層キャパシタ４に供給される電力と、電気二重層キャパシタ４における損失とがバランスする点までに上昇する。
【００４７】
第３の実施の形態は、アンテナ１が集電する電力が大きすぎて電気二重層キャパシタ４の端子電圧が上昇しすぎる場合に、過電圧保護のため、電気二重層キャパシタ４と並列に電圧クランプ回路７を付加するものである。
【００４８】
なお、アンテナ１を商用周波数やスイッチング周波数やスイッチングサージ周波数に同調させ、変圧器６１やインバータ６２等の電力機器から放射される電磁エネルギーを効率よく集電するようにした場合において、さらに過電圧保護のため、電気二重層キャパシタ４と並列に電圧クランプ回路７を付加することとしてもよいことは言うまでもない。
【００４９】
このように、第３の実施の形態によれば第１の実施の形態における効果に加え、電圧クランプ回路７により電気二重層キャパシタ４の端子電圧を定格電圧以下に抑えた上で、負荷装置を駆動するのに十分な電力を蓄積することが出来るという効果が得られる。
【００５０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第４の実施の形態の全体構成を示したものである。
【００５１】
図７に示すように、本実施の形態は第１の実施の形態に示した回路構成のケーブルレス電源装置を、電気二重層キャパシタ４の部分で直列に接続したものである。
【００５２】
図７において、電気二重層キャパシタ４を直列に接続して電気二重層キャパシタユニット１２を構成する。電気二重層キャパシタユニット１２は直列に接続する電気二重層キャパシタ４の個数を増減することで負荷装置５に電力を供給するのに適した出力電圧となるよう調整する。あるいは、電気二重層キャパシタユニット１２と負荷装置５の間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、電気二重層キャパシタユニット１２の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで変換して負荷装置５に供給してもよい。
【００５３】
このように、第３の実施の形態によれば第１の実施の形態における効果に加え、負荷装置５に適した電圧レベルに電気二重層キャパシタユニット１２の出力電圧を調整することができ、また複数の電気二重層キャパシタ４に電力を蓄積するので十分な貯蔵電力および出力を確保することが出来るという効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
上記のように、本発明に係るケーブルレス電源装置によれば、空間に電磁波として存在する電磁エネルギーを集電してして電気二重層に電気エネルギーとして蓄積し、負荷装置に電源を供給するので、ケーブルの引き回しといった制約がなくなることから、電源や充電装置や充電用ケーブルを不用とし設置自由度を向上させることが出来るとともに、停電時にも負荷装置に電源供給することが出来る。
【００５５】
また、変圧器やインバータ等の電力機器から電磁波として周囲の空間に放射される電磁エネルギーを集電することが出来るので、従来周囲の空間に無駄に捨てられていた電磁エネルギーの有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の全体構成を示したものである。
【図２】図２（ａ）は同調回路２の一例を示し、図２（ｂ）は同調回路を省略した場合を示したものである。
【図３】第１の実施の形態においてアンテナ１を商用電源周波数に同調させて使用する例を示したものである。
【図４】第１の実施の形態においてアンテナ１をインバータ６２のスイッチング周波数に同調させて使用する例を示したものである。
【図５】本発明の第２の実施の形態の全体構成を示したものである。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第３の実施の形態の全体構成を示したものであり、図６（ｂ）は電圧クランプ回路７の一例を示したものである。
【図７】本発明の第４の実施の形態の全体構成を示したものである。
【図８】従来のバックアップ電源の一例を示したものである。
【符号の説明】
１  アンテナ
２  同調回路
３  整流回路
４  電気二重層キャパシタ
５  負荷装置
６  電磁波発生装置
７  電圧クランプ回路
１２  電気二重層キャパシタユニット
【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５】
2004274972.tif 000007
【図６】
2004274972.tif 000008
【図７】
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【図８】
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