JP4971527B2 - 発電装置および発電システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導や電磁波の伝播の代わりに磁気共振を利用して電力を無線で伝送する磁気共振型の発電装置および発電システムに関する。特に、本発明は、太陽電池などの発電部によって生成された電気エネルギの電圧を磁気共振型の無線電力伝送によって上昇させ、交流エネルギを出力する発電装置および発電システムに関する。

一般の太陽光発電システムでは、多数の太陽電池（以下、簡単に「セル」と称する場合がある）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が、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：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）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、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。

特開２００６−１３６０４５号公報（第５の実施形態、図１４） 米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図９、図１２）

P. Tenti, L. Malesani, L. Rossetto, "Optimum Control of N-Input K-Output Matrix. Converters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 7, no. 4, pp. 707-713, October. 1992.

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）の動作効率が３００Ｖｄｃ程度の入力電圧に対して最大化されるため、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倍以上に昇圧することも考えられるが、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。

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が、発熱やコスト増などの問題を招き、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でも、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。

また、特許文献２の無線エネルギ伝送装置での昇圧特性は、従来のトランス技術によってもたらされる昇圧特性でしかなく、本発明の課題を解決するには不十分である。

本発明の１つの実施形態は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その１つの目的は、発電部の低い出力電圧を効果的に上昇させることができる発電装置および発電システムを提供することにある。

本発明の他の目的の１つは、電圧を上昇させた上記エネルギを、所定周波数の交流エネルギに変換し、電力会社が提供する送電網（以下、「系統（Ｕｔｉｌｉｔｙ Ｇｒｉｄｓ）」と称する）へ潮流、即ち売電可能な発電装置および発電システムを提供することにある。

本発明の発電装置は、直流エネルギを出力する発電部と、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１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共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、前記第２アンテナから得られるＲＦエネルギを前記ＲＦエネルギよりも周波数が低い交流エネルギに変換する出力変換部とを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記出力変換部の昇圧比をＶｔｒ、前記第１インダクタのインダクタンスをＬ１、前記第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する。

ある実施形態において、前記発電部は、太陽光発電部である。

ある実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する。

ある実施形態において、（Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する。

ある実施形態において、前記発電部および前記第１アンテナは、建物の外側に配置されている。

ある実施形態において、Ｌ１＜Ｌ２である。

ある実施形態において、第２インダクタの巻数Ｎ２は前記第１インダクタの巻数Ｎ１よりも大きい。

ある実施形態において、前記第２インダクタの面積は、前記第１インダクタの面積よりも広い。

ある実施形態において、前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている。

ある実施形態において、前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の周縁に寄っている。

ある実施形態において、前記出力変換部を家庭用配線および商用電力系統に接続するための電力分岐部を備える。

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、それぞれ、上記いずれかの発電装置である。

本発明の他の発電システムは、複数の発電昇圧部と、前記複数の発電昇圧部に含まれる少なくとも２つの発電昇圧部の出力側端子が並列して接続され、前記出力側端子から出力されるＲＦエネルギを前記ＲＦエネルギよりも周波数が低い交流エネルギに変換する出力変換部とを備え、前記少なくとも２つの発電昇圧部の各々は、直流エネルギを出力する発電部と、直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、前記第１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共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含み、前記ＲＦエネルギを前記出力側端子に出力する第２アンテナとを備え、前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記出力変換部の昇圧比をＶｔｒ、前記第１インダクタのインダクタンスをＬ１、前記第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、（Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する。

本発明の発電装置および発電システムの好ましい実施形態によれば、磁気共振を利用してアンテナ間の伝送を行うときに昇圧を実現できる。また、本発明の発電装置および発電システムの好ましい実施形態によれば、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。そのため、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の電子機器に昇圧しながら伝送することが可能になる。本発明の或る実施形態によれば、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時の交換作業を簡便化することも可能になる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、発電部の出力電圧を簡単に上昇させることができるため、出力電圧の低い発電素子（太陽電池）を直列に接続して発電部を構成する場合に、発電素子の接続個数を大幅に低減することが可能になる。そのため、本発明のある実施形態における発電装置を並列に接続して太陽光発電システムを構築した場合には、パーシャルシェイディングに対する特性劣化を低減し、安定した電力供給を実現することが可能になる。

さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、昇圧されたエネルギを系統電力の周波数（例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）及び電圧（例えば２００Ｖ）と一致したエネルギ（交流電力）に変換することができる。そのため、発電部で生成されたエネルギを系統へ潮流し、売電（ｓｅｌｌ ｐｏｗｅｒ）を行うことが可能となる。

本発明の発電装置および発電システムに用いられる無線電力伝送部の基本構成を示す図である。 本発明の発電装置および発電システムにおけるアンテナの等価回路を示す図である。 本発明による発電装置の構成を示す図である。 系統および家庭用配線に接続された状態における本発明による発電装置の構成例を示す図である。 本発明による発電装置の実施形態を示す図である。 本発明による発電装置の実施形態における無線伝送部の等価回路図である。 本発明による発電装置の実施形態の改変例を示す図である。 （ａ）は、２つのインダクタの配置例を示す平面図であり、（ｂ）は、その模式的な断面図である。 （ａ）は、本発明による発電装置の実施形態で使用可能な半波倍電圧整流回路の回路図であり、（ｂ）は、実施形態で使用可能な両波倍電圧整流回路の回路図である。 本発明における発電装置の実施形態で使用可能な単相出力のインバータの回路図である。 本発明の実施形態で使用可能な三相出力のインバータの回路図である。 本発明の実施形態で使用可能なＶ接点方式インバータの回路図である。 本発明の実施形態で使用可能な昇圧チョッパの回路図である。 本発明の実施形態で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。 本発明の実施形態で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。 本発明による発電システムの実施形態において、複数の出力変換部１２０から出力される交流エネルギを加算し、系統へ潮流する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において、出力変換部が、第２アンテナから出力される複数のＲＦエネルギをそれぞれ直流エネルギに変換後加算し、交流エネルギに変換して系統へ潮流する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において、第２アンテナから出力される複数のＲＦエネルギを加算後、出力変換部が交流エネルギに変換する構成を示す図である。 本発明の実施例における無線伝送部の入力インピーダンスＺｉｎおよび出力インピーダンスＺｏｕｔのアンテナ間隔依存性を示すグラフである。 本発明の実施例における無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび無線伝送効率のアンテナ間隔依存を示すグラフである。 本発明の実施例１における無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび無線伝送効率のアンテナ間隔依存性を示すグラフである。

本発明による発電装置および発電システム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に用いられる無線電力伝送装置の基本構成の一例を示している。この例の無線電力伝送装置は、発振周波数ｆ０の発振器１０３と、無線伝送部１０５とを備えている。無線伝送部１０５は、共振周波数ｆＴの第１アンテナと、共振周波数ｆＲの第２アンテナ１０９とを備えており、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。なお、用途によっては、１０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ、あるいは、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲に設定される。

発振器１０３は、直流エネルギ（直流電力）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）。発振器１０３から出力されたＲＦエネルギは、発振器１０３に接続された第１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第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９は、互いの共振器が形成する共振磁界によって結合され、第２アンテナ１０９は、第１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。第２アンテナ１０９は、第１アンテナ１０７に接触しておらず、第１アンテナ１０７から例えば数ｍｍ〜数ｍ程度は離間している。

本発明の発電装置および発電システムにおける「アンテナ」は、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。また、本発明のある実施形態では、例えば数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間で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磁気共振による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、発振器１０３の周波数ｆ０に等しく設定されるが、厳密に周波数ｆ０に等しく設定される必要はなく、実質的に等しく設定されていれば良い。ｆＴおよびｆＲのいずれも、周波数ｆ０と完全に一致する必要は無い。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は第１アンテナの共振器としてのＱ値、ＱＲは第２アンテナの共振器としての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。｜ｆＴ−ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲ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、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９の等価回路を示す図である。図２に示すように、本発明における第１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り、第２アンテナ１０９は、第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂが並列に接続された並列共振回路である。なお、第１アンテナ１０７の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、第２アンテナ１０９の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。

本発明における無線電力伝送装置では、発振器１０３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１０９ａのインダクタンスをＬ２、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との結合係数をｋとするとき、以下の関係が満足するようにＬ１、Ｌ２、ｋ、Ｖｏｃの値が決定されている。
（Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／Ｖｏｃ）²

上記の関係を満足するとき、無線電力伝送を経ることで、出力されるＲＦエネルギの電圧を入力される直流エネルギの電圧以上に高めること（昇圧比：１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。なお、今後、昇圧比とはシステム内における該当ブロック（複数ブロックが接続されたブロック群も含む）における入出力エネルギの電圧比として定義する。

本発明の発電装置および発電システムによれば、無線によって電力を伝送するに際して、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。

図３は、本発明による発電装置の構成を示している。この発電装置は、図１に示す無線電力伝送装置と、無線電力伝送装置の発振器１０３に直流エネルギを供給する発電部１０１と、第２アンテナから出力されたＲＦエネルギを交流エネルギ（ＡＣ電力）に変換する出力変換部１２０とを備えている。

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、本発明の発電装置によれば、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。

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良い。燃料電池は、比較的に低い電圧の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。

また、本発明によれば、無線電力伝送時の昇圧効果を得るだけではなく、出力変換部１２０の働きにより、例えば家庭内で使用される交流エネルギの周波数および電圧に一致した周波数および電圧を有する交流エネルギを出力することができる。出力変換部１２０の構成の詳細は後述する。

図４は、本発明による発電装置を家庭用配線および電力会社の電力網（系統）に接続した形態を示す図である。図４に示す発電装置は、出力変換部１２０と系統との間に電力分岐部１３０を備えている。電力分岐部１３０は、出力変換部１２０の出力の一方を家庭用配線に接続し、他方を系統に接続する。電力分岐部１３０により、出力変換部１２０から出力される交流エネルギの送出先は、家庭用配線と系統との間で任意に切り換えることができる。

本発明の実施形態では、第２アンテナ１０９に出力変換部１２０が接続されているため、出力変換部１２０の昇圧比をＶｔｒとすると、以下の関係を満足するときに１倍以上の昇圧を実現することが可能になる。
（Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²
この点についても、詳細な説明は後述する。

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および図６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は、本実施形態を示す透視模式図であり、図６は、図５に示す無線伝送部１０５の等価回路図である。図５、図６において、図１、図２に示した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。

本実施形態の発電装置は、図５に示すように、発電部１０１と、発振器１０３と、無線伝送部１０５と、出力変換部１２０とを備えており、これらは直列に接続されている。

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。

発振器１０３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１０５は、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを有している。伝送効率の観点から、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９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、１０９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。

発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振器１０３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１０５により、空間を介して無線によって伝送され、出力端子１１９から出力される。

図示されている第１アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂからなる直列共振回路であり、第２アンテナ１０９は第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂからなる並列共振回路である。第１アンテナ１０７の共振周波数ｆＴおよび第２アンテナ１０９の共振周波数ｆＲは、それぞれ、発振器１０３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第２アンテナ１０９の出力インピーダンスＺｏｕｔは、発振器１０３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、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との距離を例えば数ｍｍ〜数ｍの距離に設定することができ、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、第１アンテナ１０７に流入するＲＦエネルギの入力電圧に対して、第２アンテナ１０９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。

回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑圧し、総合発電効率を改善するためには、第２アンテナ１０９の出力端子が負荷に接続された状態において、発振器１０３から出力されるＲＦエネルギの出力インピ−ダンスＺｏｃと第１アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとを等しくすることが好ましい。また、同様に、発振器１０３が第１アンテナ１０７に接続された状態で、第２アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔが、接続される負荷の抵抗値Ｒと等しくすることが好ましい。

なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「等しい」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、ほぼ等しい場合を含み、具体的には、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。

本実施形態における無線電力伝送の効率は、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との間隔（アンテナ間隔）や、第１アンテナ１０７と第２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、１０９ａ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。

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１０９ａ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な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。

本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａ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、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、１０９ａは、一層の導電体パターンから構成されている必要は無く、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。

第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａ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、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１０７ａ、１０９ａ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１０７ａ、１０９ａ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。

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。第１インダクタ１０７ａおよび／または第２インダクタ１０９ａの周辺に磁性体を配置してもよいが、第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａと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、インダクタ１０７ａ、１０９ａの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。

第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂ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配線間の容量を第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂとして機能させることも可能である。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂ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。

長期信頼性を高めるという観点から、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９を構成する部品（インダクタおよび容量素子など）は保護装置１１７内に格納されることが好ましい。また、保護装置１１７には防水加工および／または耐熱加工が施されることが好ましい。

伝送損失を最小化するためには、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９は、できるだけ近接して配置されることが好ましい。ただし、昇圧比を所望の値に調整する目的で保護装置１１７内における位置を調整してもよい。

保護装置１１７は、屋根などの外部部材に直接に固定されていてもよい。第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９との磁界結合の強さに影響を与えない範囲で、保護装置１１７および外部部材にそれぞれ強磁性体および磁石を設けることにより、強磁性体と磁石との間に働く磁力を利用し、保護装置１１７を外部部材に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。あるいは、保護装置１１７および外部部材のいずれか一方に吸盤を設けることにより、保護装置１１７を外部部材に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。

次に、図６を参照しながら、本実施形態の発電装置によって得られる昇圧効果を説明する。なお、第２アンテナ１０９の後段に出力変換部１２０が接続されている場合の昇圧の程度は、出力変換部１２０の構成に依存して変化する。わかりやすさのため、まず、出力変換部１２０が第２アンテナ１０９の後段に接続されていない場合の昇圧効果を説明する。出力変換部１２０が第２アンテナ１０９の後段に接続されている場合の昇圧効果については、出力変換部１２０の構成を説明した後に、更に詳細に説明することにする。

ここでは、送電側の第１アンテナ１０７と受電側の第２アンテナ１０９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（アンテナ１０７、１０９）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、発振器１０３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１０９ａ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

第２アンテナ１０９の並列型共振回路において、第２インダクタ１０９ａを流れる高周波電流をＩＬ２、第２容量素子１０９ｂ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１０９ａを流れる高周波電流ＩＬ２、第２容量素子１０９ｂを流れる高周波電流ＩＣ２、第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２、第２インダクタ１０９ａ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１０９ｂ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）

第２アンテナ１０９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、第１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、第２アンテナ１０９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（第１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

なお、（式１２）に示す発電装置の昇流比とは、無線伝送部１０５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。

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っていたが、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、第１アンテナ１０７および第２アンテナ１０９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。

本実施形態の発電装置では、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。

以下、本実施形態の発電装置および発電システムの効果を従来の発電装置および発電システムと比較しながら説明する。

特許文献２に開示されている無線電力伝送装置では、２つの磁気共振器の間でエネルギが伝送されるが、その無線電力伝送装置は、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。本発明の発電装置および発電システムによって得られる出力電圧の上昇効果は、第１アンテナの側に直列磁気共振構造を採用するとともに、第２アンテナ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、後述の実施例においても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。この点、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。

本実施形態では、第１インダクタ１０７ａのインダクタンスＬ１と第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２とを等しく設定する必要はない。例えば、インダクタンスＬ２をインダクタンスＬ１より大きく設定することにより、昇圧比Ｖｒを高めることができる。

図７は、第２インダクタ１０９ａのインダクタンスＬ２を高めるため、第２インダクタ１０９ａの巻数Ｎ２を第１インダクタ１０７ａの巻数Ｎ１よりも大きな値に設定した実施形態を示す図である。Ｎ２／Ｎ１が１よりも大きいと、公知のトランス昇圧回路を用いて昇圧する場合に比べ、より低い損失で高い昇圧比を実現できる。

インダクタンスＬ２をインダクタンスＬ１より大きくするために、Ｎ２／Ｎ１を１よりも大きく設定する代わりに、あるいはＮ２／Ｎ１を１に設定したままで、第２アンテナ１０９の形成領域を第１アンテナ１０７の形成領域よりも拡大してもよい。

以下の説明において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａの少なくとも前面は、いずれも、平面的な形状を有しており、それらは互いに直交しないように配置されているものとする。図８（ａ）は、第１アンテナ１０７の配置面に対して垂直に投影した、第２アンテナ１０９の配置領域１１３を示している。ここで、第１アンテナ１０７の「配置面」とは、第１インダクタ１０７ａの前面を含む１つの平面（第１配置面）であると定義する。図８（ｂ）は、第１インダクタ１０７ａの配置面２４０を示す断面図である。図８（ｂ）の例における第１インダクタ１０７ａは、配置面２４０に対して平行である。また、第２アンテナの配置領域とは、第１アンテナ１０７の配置面２４０に対して垂直に投影された第２インダクタ１０９ａの輪郭によって囲まれた領域であると定義する。

図８（ａ）には、第１アンテナ１０７の配置面に対して垂直に投影された第１インダクタ１０７ａが示されている。図８（ａ）に示す例では、第１アンテナ１０７の配置面に投影された第１インダクタ１０７ａが、配置領域１１３の内部に存在し、かつ、配置領域１１３の縁部に寄っている。このような配置構成を採用することにより、更に高い昇圧比を実現することができる。

無線伝送部１０５の昇圧比を調整するために、アンテナの形状およびサイズを非対称な組合せに設定した上で、第２アンテナよりも第１アンテナを大きく設定してもよい。

なお、アンテナの配置関係は図８に示す例に限定されず、第１アンテナ１０７と第２アンテナ１０９とを入れ替えた配置関係であってもよい。すなわち、図８における「第１アンテナ１０７」を「第２アンテナ１０９」に置き換え、「配置領域１１３」を「第１アンテナ１０７の配置領域」に置き換えてもよい。ここで、「第１アンテナ１０７の配置領域」とは、第２アンテナ１０９の配置面に投影されたインダクタ１０７ａの輪郭によって囲まれた領域である。また、「第２アンテナ１０９の配置面」とは、第２インダクタ１０９ａの前面を含む１つの平面（第２配置面）であると定義する。伝送効率の観点から、第１配置面と第２配置面とは互いに平行な関係にあることが好ましいが、両者は厳密に平行である必要は無い。なお、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａは、平面的な形状を有している必要はない。

次に、第２アンテナ１０９から出力されるＲＦエネルギを交流エネルギに変換する出力変換部１２０を説明する。出力変換部１２０は、図５に示すように、第２アンテナ１０９の後段に接続される。

回路ブロック間でのＲＦエネルギの多重反射を抑圧し、総合発電効率を改善するためには、出力変換部１２０の出力端子が図４に示す「系統」に接続された状態において、発振器１０３から出力されるＲＦエネルギの出力インピ−ダンスＺｏｃと第１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、同様に、発振器１０３が第１アンテナ１０７に接続された状態で、出力変換部１２０の出力インピーダンスＺｒｏｕｔが、接続される系統（図４）の入力インピーダンスＲにほぼ等しく設定されることが好ましい。

出力変換部１２０は、無線伝送部１０５から出力されたＲＦエネルギを、系統の交流周波数ｆｐおよび電圧（Ｖ０±Ｖｆ）に変換する回路である。交流周波数ｆｐは、ＲＦエネルギの周波数（例えば３ＭＨｚ）よりも格段に低く、例えば５０または６０Ｈｚである。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。

ＲＦのエネルギから周波数ｆｐの交流エネルギに変換するには、例えば初段においてＲＦから一旦直流エネルギに変換（整流）し、後段において直流エネルギを周波数ｆｐのエネルギに変換する方法がある。初段において、ＲＦから一旦直流エネルギに変換する方法としては、例えば両波整流やブリッジ整流回路を利用できる。図９（ａ）は、半波倍電圧整流回路の回路図であり、図９（ｂ）は両波倍電圧整流回路の回路図である。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、本発明に適用可能である。

図９に例示される倍電圧整流回路を用いれば、出力変換部１２０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。このような整流回路を用いると、無線伝送部１０５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。

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よい。

一方、整流回路の後段において、直流エネルギを周波数ｆｐの交流エネルギ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１０Ａは単相出力のインバータの回路図であり、図１０Ｂは三相出力のインバータの回路図である。また、図１０ＣはＶ接点インバータの回路図である。

図１０Ａから図１０Ｃに例示されるインバータを用いれば、出力変換部１２０の初段で整流された直流エネルギを、「系統」の周波数ｆｐ、電圧Ｖ０±Ｖｆ、および相数に合わせて変換し、出力することが可能となる。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、系統への潮流にとって望ましくない高調波やノイズ成分等を除去できる。

さらに、図１１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してもよい。

出力変換部１２０の上記の例は、ＲＦから直流に変換する整流回路と、直流から交流に変換するインバータとを備えているが、本発明で使用可能な出力変換部１２０の構成は、このような構成に限定されない。図１２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、上述と同様の変換を行うことができる。マトリクスコンバータの構成の詳細は、非特許文献１に開示されている。非特許文献１の開示内容の全体を本願に援用する（incorporated by reference）。

なお、出力変換部１２０は、ＲＦエネルギから交流エネルギに直接変換を行う回路であってもよい。図１３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、無線伝送部から出力されるＲＦエネルギを、系統の周波数ｆｐ、電圧Ｖ０±Ｖｆ、および相数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ＲＦフィルタを設けることにより、交流周波数ｆｐへの変換にとって望ましくない高調波やノイズ成分等を除去してもよい。

本実施形態における出力変換部１２０では、ＲＦから交流への変換方法によって、出力変換部１２０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ると電圧を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ると最大約０．８７倍にしか昇圧できない。さらに、交流フィルタやＲＦ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。系統へエネルギ（電力）を潮流するためには、出力変換部１２０からの出力電圧Ｖｓｙｓを、Ｖ０±Ｖｆ（Ｖ）に収める必要がある。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。発電部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装置全体の昇圧比Ｖｒ（＝Ｖｓｙｓ／Ｖｇｅｎ）およびインピーダンス変換比Ｚｒは、それぞれ、出力変換部１２０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）

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。

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を実現することができる。例えば、Ｖｇｅｎ＝４０Ｖ、Ｖｓｙｓ＝１８２〜２２２Ｖ（２０２±２０Ｖ）とした場合、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，及び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。

ただし、系統への潮流電圧に誤差（±２０（Ｖ））が認められているとはいえ、複数の発電装置から潮流が行われた場合には、潮流電圧誤差が累積して、送電網に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、ＶｓｙｓはＶ０にほぼ等しくなるように、Ｖｒを調整することが望ましい。上述の例では、ＶｓｙｓがＶ０＝２０２（Ｖ）となるように、Ｖｒを５．０５に維持することが望ましい。

一方、太陽光発電では、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）と呼ばれる発電電圧／電流量制御により、太陽光発電パネルに照射される光量に応じて常に最大電力が出力される仕組みが存在する。即ち、ＭＰＰＴのような制御が含まれた発電部からの出力電圧Ｖｇｅｎは、時間変化する可能性があり、Ｖｒの可変的な制御が必要となる場合がある。例えば、Ｖｇｅｎ＝Ｖｇｅｎｍｉｎ〜Ｖｇｅｎｍａｘ（Ｖ）の範囲で変動しても、Ｖｓｙｓ＝Ｖｓｙｓｍｉｎ〜Ｖｓｙｓｍａｘ（Ｖ）の範囲で収まるようにするためには、以下の２つの条件を同時に満足する必要がある。
（式１７） Ｖｓｙｓｍｉｎ ≦ Ｖｇｅｎｍｉｎ×Ｖｒ ≦ Ｖｓｙｓｍａｘ
（式１８） Ｖｓｙｓｍｉｎ ≦ Ｖｇｅｎｍａｘ×Ｖｒ ≦ Ｖｓｙｓｍａｘ
（式１７）及び（式１８）を同時に満足するＶｒの条件は、Ｖｇｅｎｍｉｎ ≦ Ｖｇｅｎｍａｘより、
（式１９） Ｖｓｙｓｍｉｎ／Ｖｇｅｎｍｉｎ ≦ Ｖｒ ≦ Ｖｓｙｓｍａｘ／Ｖｇｅｎｍａｘ
となる。

また、（式１９）を満足するＶｒが存在する条件は、（式１９）の第１辺と第３辺の大小関係が成立するとき、即ち
（式２０） Ｖｓｙｓｍｉｎ／Ｖｇｅｎｍｉｎ ≦ Ｖｓｙｓｍａｘ／Ｖｇｅｎｍａｘとなる。

例えば、（式２０）が成立する条件として、Ｖｇｅｎ＝３５〜４０（Ｖ）、Ｖｓｙｓ＝１８２〜２２２（Ｖ）の場合、満たすべき昇圧比は（式１９）よりＶｒ＝５．２〜５．５５となる。このＶｒを満足しさえすれば、Ｖｓｙｓの条件は最低限満足できることになる。しかし、上述したように、Ｖｓｙｓはなるべく一定値となるように出力することが望ましいため、Ｖｇｅｎの変動に応じて、Vｓｙｓが一定となるようにＶｒを可変させることが望ましい。

さらには、（式２０）が成立しない条件、即ちＶｓｙｓｍｉｎ／Ｖｇｅｎｍｉｎ ＞ Ｖｓｙｓｍａｘ／Ｖｇｅｎｍａｘ の関係が成立する場合には、Ｖｇｅｎの値に応じてＶｒを可変とする必要がある。例えば、Ｖｇｅｎ＝２０〜４０（Ｖ）、Ｖｓｙｓ＝１８２〜２２２（Ｖ）の場合に、（式２０）は成立しなくなる。この条件下では、例えばＶｇｅｎ＝２０（Ｖ）の時にはＶｒ＝９．１〜１１．１のいずれか、Ｖｇｅｎ＝３０（Ｖ）の時にはＶｒ＝６．０７〜７．４のいずれか、Ｖｇｅｎ＝４０（Ｖ）の時にはＶｒ＝４．５５〜５．５５のいずれかとなるようにＶｒを変化させればよい。

なお、上述したように、ＶｓｙｓはＶ０となるように制御することが望ましい。即ち、上述の例ではＶｓｙｓ＝２０２（Ｖ）となるように、例えばＶｇｅｎが２０，３０，４０（Ｖ）に対して、Ｖｒがそれぞれ１０．１，６．７３，５．０５とすることが望ましい。

（実施形態２）
次に、図１４Ａ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１４Ａ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１４Ａ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１４Ａの発電システムは、並列的に接続された複数の発電昇圧部１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎを含んでいる。本実施形態における発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎは、いずれも、実施形態１における発電部１０１から第２アンテナ１０９までの構成と同一である。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つの発電昇圧部が本発明の発電装置と同様の構成を備えていればよい。図１４Ａに示す例では、発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎから出力されるＲＦエネルギが、それぞれ、出力変換部１２０に入力される。言い換えると、複数の発電装置の出力が並列接続され、各発電装置が実施形態１における発電装置の構成を備えている。

各発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎは、直列に接続された太陽光発電部１０１、発振器１０３、第１アンテナ１０７、第２アンテナ１０９を備えている。なお、太陽光発電部１０１において構成されるセルの直列数はいくつであってもかまわない。

太陽光発電部１０１によって生成された直流エネルギは、発振器１０３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、送電側の第１アンテナ１０７と受電側の第２アンテナ１０９との間で非接触に転送された後、出力変換部１２０において周波数ｆｐの交流エネルギに変換される。

なお、図１４Ａにおける出力変換部１２０は、ＲＦエネルギを直流エネルギに変換する整流回路１１５と、整流回路１１５から出力される直流エネルギを周波数ｆｐの交流エネルギに変換するインバータ１１６とを備えている。出力変換部１２０の構成は、このような構成に限定されない。例えば、ＲＦエネルギを直接に交流エネルギに変換する直接方式のマトリクスコンバータによって出力変換部１２０を実現してもよい。

図１４Ａの例では、複数の出力変換部１２０から出力された交流エネルギ（電力）は、並列接続によって加算された後、系統に潮流される。

本実施形態によれば、発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎの各々から得られる出力電圧が、個々の太陽光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、発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎを並列に接続しても、系統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。

発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎが並列に接続されているため、発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎの一部の特性が劣化した場合や、発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎに対する太陽光の照射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。

図１４Ｂは、本発明による発電システムの他の構成例を示す図である。図１４Ｂに示す例では、少なくとも１つの出力変換部１２０が、複数の発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎから出力されるＲＦエネルギを受け取り、各ＲＦエネルギを複数の整流回路１１５によって直流エネルギに変換する。複数の整流回路１１５の各々から出力される直流エネルギは並列接続によって加算され、インバータ１１６によって周波数ｆｐの交流エネルギに変換される。出力変換部１２０が上記の構成を有する場合、発電システムが必要とするインバータ１１６の数を削減すること可能である。

図１４Ｃは、本発明による発電システムの更に他の構成例を示す図である。図１４Ｃに示す例では、複数の発電昇圧部１３１ａ〜１３１ｎから出力されるＲＦエネルギは、並列接続によって加算された後、出力変換部１２０に入力される。この例では、出力変換部１２０の整流回路１１５が、加算後のＲＦエネルギを直流エネルギに変換する。そして、整流回路１１５から出力される直流エネルギがインバータ１１６によって交流エネルギに変換される。このような構成例によれば、出力変換部１２０の構造をさらに簡略化することが可能となる。また、複数相入力が可能な直接方式のマトリクスコンバータを用いて、ＲＦエネルギを直接交流エネルギに変換してもよい。

本実施形態における系統への潮流は、系統からの指示に従って行うようにしてもよい。例えば、出力変換部１２０から出力される電圧が系統の電圧から大きく逸脱した場合に潮流の緊急停止を行ったり、潮流の電圧を能動的に制御したりしてもよい。さらには、系統の安定性を確保するために解列してもよい。また、系統の電圧位相に合わせるために、位相制御を行ってもよい。

図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃでは、家庭用配線を図示していないが、出力変換部１２０から出力される交流エネルギは、図４に示す電力分岐部１４０などを介して家庭用配線に接続され得る。

（実施例１）
以下、本発明の実施例１を説明する。

まず、受光面側の形状が一辺１２ｃｍの正方形である９つの単結晶シリコン系太陽光発電素子（セル）を直列に接続し、出力電圧４．５Ｖ、出力電流１Ａ、出力インピーダンス４．５Ωの太陽光発電部を作製した。この太陽光発電部の出力端子に、出力周波数が３ＭＨｚ、出力インピーダンスＺｏｃが５Ωの発振器を接続した。Ｆ級増幅器により実現した発振器の効率は９５％であった。実施例１における発振器の昇圧比Ｖｔｒは１．０５である。

第１アンテナおよび第２アンテナは、その共振周波数が発振器の出力周波数に等しい３ＭＨｚとなるように設計した。第１アンテナは、インダクタンスが１．９８８μＨの第１インダクタとキャパシタンスが８３０ｐＦの第１容量素子とを直列に接続することによって作製した。第２アンテナは、インダクタンスが１．９８８μＨの第２インダクタとキャパシタンスが８３０ｐＦの第２容量素子とを並列に接続して作製した。第１および第２インダクタは、共に、直径８０μｍの銅配線を３０本ずつ互いに絶縁して並列に配置して構成したリッツ線により実現した。２つのインダクタの外形は共に一辺３６ｃｍの正方形であり、巻数は２に設定した。各アンテナ（共振器）のＱ値は１３５０であった。

第１アンテナと第２アンテナは、互いの形成面を平行に対向して配置し、対抗面間の間隔はｇ（ｃｍ）とした。この間隔ｇを５ｃｍから７５ｃｍまでの範囲で変化させながら、各ｇ値に対する共振器間の無線伝送効率を最大とする最適な入出力インピーダンスＺｉｎとＺｏｕｔを測定した。実際の測定は、以下の２段階の手順で行った。

第１に、２つのアンテナ（共振器）の入出力端子間の高周波特性を、５０Ωの端子インピーダンスのネットワークアナライザにて測定し、５０Ωを基準インピーダンスとする測定データを得た。

第２に、上記測定データを基に、端子での信号反射が最小化するような入出力端子のインピーダンス条件Ｚｉｎ、Ｚｏｕｔを回路シミュレータ上で導出した。

図１５は、導出したＺｉｎおよびＺｏｕｔのｇ依存性を示すグラフである。図１６は、無線伝送部の入出力インピーダンス変換比Ｚｒおよび転送効率のｇ依存性を示すグラフである。

Ｚｒの値は、間隔ｇの全範囲で１を超えており、間隔ｇが大きくなるほど、Ｚｒが飛躍的に増大することがわかった。より詳しく説明すると、ｇ＝５ｃｍでＺｒは７．７であり、ｇ＝７．５ｃｍでＺｒは２０．６、ｇ＝７５ｃｍでは２３１５８に達した。

また、ｇ＝５ｃｍでの共振器間の結合係数ｋは０．３７６であり、（式１４）においてＶｏｃを１として無線伝送部のみのｋを導出した場合（＝０．３６１）と比較して４％の誤差しかなかった。以上の結果より、（式１４）の妥当性が証明された。

図１７は、図１６のグラフにおける１０ｃｍ≦ｇ≦４０ｃｍの範囲での特性を拡大して示したグラフである。例えば、ｇ＝２２．５ｃｍの条件で得られた１４７という高いＺｒ値を、トランスによって得るためには、一次コイルの巻数に対する二次コイルの巻数の比を１２．１倍に設定する必要がある。本発明の実施例では、巻数比１の第１アンテナおよび第２アンテナを用いながら、Ｚｒを１４７に高めることができた。

上記の方法で導出した入出力インピーダンスＺｉｎ、Ｚｏｕｔに、入出力端子インピーダンスを整合させた場合の順方向通過特性は、本発明による発電装置内での無線伝送効率に相当する。図１７に示されるように、ｇ＝２２．５ｃｍでも、９８．３％という良好な無線伝送効率を得ることができた。

実施例１では、無線伝送部に前述の発振器を接続することにより、入力直流電圧から効率９３．１％でＲＦ出力を得ることが実現した。入力直流電圧に対する昇圧比は１２．７であった。入力された電力の一部は、回路ブロック間のわずかな不整合に起因する損失により、熱に変わったものと考えられる。

（比較例１〜３）
実施例１の場合と同様に、無線伝送部を送受共に共振周波数３ＭＨｚの共振器で実現した比較例１、２を作製した。実施例１と比較例１、２との間にある相違点は、比較例１、２における２つのアンテナ（共振器）の共振方式を等しくした点のみにある。すなわち、比較例１では、２つのアンテナをそれぞれＬＣ直列型共振器から構成し、比較例２では、２つのアンテナをそれぞれＬＣ並列共振器から構成した。各共振器の回路定数は、実施例１における回路定数と一致させた。更に、２つのアンテナが共振しないように構成された比較例３も作製した。

（実施例２）
実施例１では、第１アンテナにおける第１インダクタの巻数Ｎ１と第２アンテナにおける第２インダクタの巻数Ｎ２を等しく設定していたが、実施例２として巻数比が異なる発電装置を作製した。すなわち、実施例２では、巻数Ｎ２を２から４へ増やした。アンテナ外形サイズは実施例１と同様である。

（実施例３）
実施例１では、第１アンテナのサイズと第２アンテナのサイズとは同一であったが、実施例３として、第２アンテナのサイズを第１アンテナのサイズよりも拡大した発電装置を作製した。すなわち、実施例３では、第２アンテナの外形を規定する正方形の一辺を７２ｃｍとした。実施例３では、第１アンテナの重心と第２アンテナの重心を結ぶ線分が両アンテナの配置面とそれぞれ直交するよう配置した。

（実施例４）
実施例４では、実施例３における配置関係を変更した発電装置を作製した。すなわち、図８に示したように、第１アンテナの配置面へ投影した、第２アンテナの配置領域（図中点線で図示）に対して、第１アンテナが該配置領域の実質的に内部であり、且つ縁部に相当する位置に配置した。

以下の表１は、実施例１、比較例１〜３、実施例２〜４における共振器の構成や、ｇ＝２２．５ｃｍの無線伝送部特性などを示している。

表１から明らかなように、実施例１ではワイヤレスでの高効率電力伝送を実現しつつ、極めて高い昇圧比Ｖｒを達成できることが明らかとなった。また、実施例２〜４によれば、実施例１を上回る良好なＺｒ、Ｖｒを得た。

（実施例５）
次に、実施例５として、実施例１の構成の第２アンテナ出力に、倍電圧整流回路を接続した発電装置を作製した。作製した半波倍電圧整流回路の直流変換効率は、共振周波数３ＭＨｚにおいて、９３．４％を示した。導入した整流回路では、入力高周波電圧に対して出力直流電圧が２倍の値となる昇圧比Ｖｔｒ＝２の昇圧機能が得られ、太陽光発電部の出力エネルギに対して、本発電装置の出力直流エネルギは８６．４％の強度であった。

（実施例６）
実施例６として、実施例１の構成の第２アンテナ出力に、ブリッジ整流回路を接続した発電装置を作製した。作製したブリッジ整流回路の直流変換効率は、共振周波数３ＭＨｚにおいて、９４．１％を示した。導入した整流回路では、太陽光発電部の出力エネルギに対して、本発電装置の出力直流エネルギは８７．０％の強度であった。

（実施例７）
実施例６の条件を一部変更し、Ｖｏｃ＝１．５２、ｇ＝１５ｃｍの条件で実施例７の発電装置を作製した。実施例７の発電装置の出力電圧は３０８Ｖであり、発電効率は８７．２％であった。

（実施例８、比較例４）
実施例７の発電装置を７個並列に接続し、実施例８の発電システムとし、出力電圧３０８Ｖ、２７．５Ｗの発電出力を得た。同様に、比較例４として太陽光発電セルを６３個直列に接続した発電システムを作製した。以下の表２は、実施例８と比較例４の特性を示した。

実施例８は、比較例４と比較して内部で７回の並列接続を用いたにも係わらず、出力電圧は９．８倍高い値であった。

本発明は、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時の交換作業を簡便化することを可能にする。また、本発明は、発電部の出力電圧を簡単に上昇させることができるため、出力電圧の低い発電素子（太陽電池）を直列に接続して発電部を構成する場合に、発電素子の接続個数を大幅に低減することが可能になる。このため、パーシャルシェイディングに対する特性劣化を低減し、安定した電力供給を実現する太陽光発電システムを構築できる。また、低電圧で出力される発電デバイスからの出力エネルギを高電圧な系統と連結して機能する発電システムである燃料電池システムにおいても、本発明の昇圧効果は有用である。

１０１ 発電部（太陽光発電部）
１０３ 発振器
１０５ 無線伝送部
１０７ 第１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
１０９ 第２アンテナ（受電側の共振器）
１０９ａ 第２インダクタ
１０９ｂ 第２キャパシタ
１１３ 第１アンテナの配置面へ投影した第２アンテナの配置領域
１１５ 整流回路
１１６ インバータ
１１７ 保護装置
１１９ 出力端子
１２０ 出力変換部
１３０ 電力分岐部
１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎ 発電昇圧部

Claims (13)

1. 直流エネルギを出力する発電部と、
   直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
   前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、
   前記第１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共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含む第２アンテナと、
   前記第２アンテナから得られるＲＦエネルギを前記ＲＦエネルギよりも周波数が低い交流エネルギに変換する出力変換部と
   を備え、
   前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
   前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記出力変換部の昇圧比をＶｔｒ、前記第１インダクタのインダクタンスをＬ１、前記第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
   （Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する、発電装置。
2. 前記発電部は、太陽光発電部である請求項１に記載の発電装置。
3. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する請求項１または２に記載の発電装置。
4. （Ｌ２／Ｌ１）≧１００００×（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記発電部および前記第１アンテナは、建物の外側に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
6. Ｌ１＜Ｌ２である請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。
7. 第２インダクタの巻数Ｎ２は前記第１インダクタの巻数Ｎ１よりも大きい請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
8. 前記第２インダクタの面積は、前記第１インダクタの面積よりも広い請求項１から７のいずれかに記載の発電装置。
9. 前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている、請求項８に記載の発電装置。
10. 前記第１アンテナの配置面上に投影された前記第１インダクタは、前記配置面上に投影された前記第２インダクタの輪郭によって規定される領域の周縁に寄っている、請求項９に記載の発電装置。
11. 前記出力変換部を家庭用配線および商用電力系統に接続するための電力分岐部を備える、請求項１から１０の発電装置。
12. 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１１のいずれかに記載の発電装置である、発電システム。
13. 複数の発電昇圧部と、
    前記複数の発電昇圧部に含まれる少なくとも２つの発電昇圧部の出力側端子が並列して接続され、前記出力側端子から出力されるＲＦエネルギを前記ＲＦエネルギよりも周波数が低い交流エネルギに変換する出力変換部と
    を備え、
    前記少なくとも２つの発電昇圧部の各々は、
    直流エネルギを出力する発電部と、
    直流エネルギを周波数ｆ０のＲＦエネルギに変換する発振器と、
    前記ＲＦエネルギを送出する第１アンテナであって、共振周波数ｆＴを有する直列共振回路を構成するように直列に接続された第１インダクタおよび第１容量素子を含む第１アンテナと、
    前記第１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共振磁界の結合によって受け取る第２アンテナであって、共振周波数ｆＲを有する並列共振回路を構成するように並列に接続された第２インダクタおよび第２容量素子を含み、前記ＲＦエネルギを前記出力側端子に出力する第２アンテナと、
    を備え、
    前記共振周波数ｆＴおよび前記共振周波数ｆＲは、前記ＲＦエネルギの周波数ｆ０に実質的に等しく設定され、
    前記発振器の昇圧比をＶｏｃ、前記出力変換部の昇圧比をＶｔｒ、前記第１インダクタのインダクタンスをＬ１、前記第２インダクタのインダクタンスをＬ２、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの結合係数をｋとするとき、
    （Ｌ２／Ｌ１）≧（ｋ／（Ｖｏｃ×Ｖｔｒ））²を満足する、発電システム。

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