JP2011152018A - ワイヤレス蓄電システムおよびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】新たな電気配線工事を行うことなく、屋外で発電した電力を屋内の蓄電装置側に容易に蓄電することが可能なワイヤレス蓄電システムおよびワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】屋外に配置され、電力を発電する発電装置２０と、屋外に配置され、発電装置２０で発電されて得られた電力をワイヤレスで送電する送電装置３０と、屋内に配置され、送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を含む蓄電給電装置４０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、庭やベランダ等の屋外で発電された電力を屋内にある蓄電地に非接触（ワイヤレス）で電力を伝送し供給を行うことが可能な非接触給電方式のワイヤレス蓄電システムおよびワイヤレス給電システムに関するものである。

近年、新興国のエネルギー需要の急増、石油資源エネルギーの高騰、地球温暖化などの問題から、自然エネルギーを利用したエネルギーシステムが急速に伸長してきている。
特に、太陽光を利用した太陽光発電パネルの普及は著しい。
また、ハイブリッド自動車の普及も始まり、電気自動車への期待からもリチウムイオンをはじめとする蓄電池の注目も一層高くなっている。

自然エネルギーから得られる電気エネルギーの出力は不安定なため、蓄電池を用いて出力の安定化を行うことが提案されている。
たとえば、巨大な風力発電機器に蓄電池も併設されたシステムが実用化されている。

太陽光発電機器においても、同様に蓄電池を用いて出力の安定化や深夜電力の有効利用する目的で検討が活発化してきている。
たとえば、特許文献１には、蓄電池を備えた太陽光発電システムの出力の安定化、蓄電池の放電を制御する技術が開示されている。
具体的には、太陽光発電システムは、家屋の屋根に設置した太陽光発電パネル（太陽電池）を有し、太陽光発電パネルで発電された電力を蓄電池またはインバーターに切り替えて出力させる切り替え制御手段を備えることで、出力の安定化、蓄電池の放電を制御する。

特開２００３-７９０５４号公報

ところが、上述した太陽光発電システムは、電力系統に連系するものであり、屋外からの引き込み線、宅内の電気配線工事、インバータ機器の取り付けなど非常に大がかりな電気工事が必要とされる。
さらに、設置する住宅が新規住宅ではない場合、壁ボードを剥がしたり天井裏に上ったりと手軽に行えるものではない。
しかしながら、電力系統と連系しない小型の発電機器と蓄電池を有したシステムにおいて、このような技術を用いても、電気配線の煩わしさや設置費用の点で、低コストにすることは困難である。

本発明は、新たな電気配線工事を行うことなく、屋外で発電した電力を屋内の蓄電装置側に容易に蓄電することが可能なワイヤレス蓄電システムおよびワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点のワイヤレス蓄電システムは、屋外に配置され、電力を発電する発電装置と、屋外に配置され、上記発電装置で発電されて得られた電力をワイヤレスで送電する送電装置と、屋内に配置され、上記送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を含む蓄電給電装置とを有する。

本発明の第２の観点のワイヤレス給電システムは、屋外に配置され、電力を発電する発電装置と、屋外に配置され、上記発電装置で発電されて得られた電力をワイヤレスで送電する第１の送電装置と、屋内に配置され、上記第１の送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を含む蓄電給電装置と、屋内に配置され、上記蓄電給電装置により供給される電力をワイヤレスで送電する第２の送電装置とを有する。

本発明によれば、新たな電気配線工事を行うことなく、屋外で発電した電力を屋内の蓄電装置側に容易に蓄電することができる。

本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの基本構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係る発電装置としての太陽光発電パネルの等価回路を示す図である。 本実施形態に係る第１の送電装置の基本的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る蓄電給電装置の構成例を示す図である。 本実施形態に係る第１の送電装置と蓄電給電装置間の磁界共鳴関係による電力伝送系の等価回路を示す図である。 本実施形態に係る蓄電給電装置の蓄電部の構成例を示す図である。 本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間のワイヤレス電力伝送に電磁誘導方式を採用した場合の第２の送電部と第２の受電部の構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間のワイヤレス電力伝送に磁電共鳴方式を採用した場合の第２の送電部と第２の受電部の構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間の磁界共鳴関係による電力伝送系の等価回路を示す図である。 本第１の実施形態において、電力伝送に磁界共鳴方式を採用した場合のワイヤレス給電装置の全体構成の概要を、等価回路を含めて示す図である。 本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムが適用される住宅を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。 本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムが適用される住宅を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。 第２の実施形態における具体的な電力発電、蓄電、給電の例を示す図である。 第３の実施形態における具体的な電力発電、蓄電、給電の例を示す図である。 壁に穴をあける配線工事が必要なシステムを第２の実施形態に対する比較例として示す図である。 中継デバイスの機能について説明するための図である。 図１４のワイヤレス給電システムにおいて送電側共振コイルと受電側共振コイルが離れている場合の電力伝送動作概要を説明するための図である。 図１４のワイヤレス給電システムにおいて送電側共振コイルと受電側共振コイルが離れていて中継デバイスを配置する場合の電力伝送動作概要を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（ワイヤレス給電システムの基本構成例）
２．第２の実施形態（ワイヤレス給電システムの第１の応用例）
３．第３の実施形態（ワイヤレス給電システムの第２の応用例）

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの基本的な構成例を示すブロック図である。

本ワイヤレス給電システム１０は、発電装置２０、第１の送電装置３０、蓄電給電装置４０、第２の送電装置５０、および電子機器６０を含んで構成されている。

基本的に、ワイヤレス給電システム１０において、発電装置２０および第１の送電装置３０は、庭やベランダ等の屋外ＯＴＤに配置される。
これに対して、蓄電給電装置４０、第２の送電装置５０、および電子機器６０は屋内ＩＮＤに配置される。
そして、ワイヤレス給電システム１０において、発電装置２０、第１の送電装置３０、および蓄電給電装置４０によりワイヤレス蓄電システムが形成される。

基本的に、ワイヤレス給電システム１０は、ベランダ等の屋外で発電された電力（電気エネルギー）を、屋内に配した蓄電池を含む蓄電給電装置に磁界共鳴現象を利用したワイヤレス電力電送によって送電するシステムである。
さらに、ワイヤレス給電システム１０は、蓄電した電力（電気エネルギー）を携帯電話、小型端末、映像表示装置等の電子機器に電磁誘導および磁界共鳴現象の少なくとも一方を用いてワイヤレス電力伝送するシステムである。
このシステムを用いることで、新たな配線工事が不要になり低コストな小型発電蓄電システムを提供することができる。

このように、本ワイヤレス給電システム１０においては、第１の送電装置３０と蓄電給電装置４０との間のワイヤレス電力伝送には磁界共鳴方式が採用される。
また、第２の送電装置５０と電子機器６０との間のワイヤレス電力伝送には、磁界共鳴方式の他に、電磁誘導方式が採用可能である。

このワイヤレス電力伝送について簡単に説明する。
電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。
一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。
磁界共鳴型ワイヤレス給電（電力伝送）システムは磁界により電力を伝送する点においては電磁誘導と同様であるが、磁界共鳴型では共鳴現象を利用することで電磁誘導型と比較して凡そ十倍程度の伝送距離が得られる。

以下、各部の具体的な構成および機能の一例について説明する。

発電装置２０は、太陽光や風力などの自然エネルギーにより発電する機能を有し、発電した電力を第１の送電装置３０に供給する。
本実施形態において、発電装置２０としては、太陽光の光電変換を利用した太陽光発電パネルが採用される。
ただし、太陽光の光電変換を利用したものが好適であるが、太陽熱発電素子、熱電変換素子、風力発電機器などの小型発電機器を用いることができる。

図２は、本実施形態に係る発電装置としての太陽光発電パネルの等価回路を示す図である。

太陽光発電パネル（太陽電池）２１は、図２の等価回路に示すように、光入力により電流が発生する。
図２では、光入力ＯＰＴを起電力（Ｉph）に置き換えて電流Ｉshを表現している。
さらに、図２では、太陽電池２１の基盤、受光層、電極部の抵抗の総和を直列抵抗Ｒｓ、太陽電池２１の損失抵抗をＲshで示している。
図２では、太陽電池２１の出力電流がＩｄ、出力電圧がＶで示されている。
太陽電池２１は、光入射量が多いと電流は多くなり、暗いと電流は少なくなる。図２の等価回路では、光の明るさが電流源の大きさで表されている。電圧が高くなると、電流は徐々に下がる。

太陽電池２１で得られる電力は直流であり、この直流電力（ＤＣ電力）が第１の送電装置３０に電源ケーブル２２を介して伝送される。

第１の送電装置３０は、発電装置２０で発電されて得られた電力を磁界共鳴方式によりワイヤレスで送電する機能を有する。

図３は、本実施形態に係る第１の送電装置の基本的な構成例を示す図である。

第１の送電装置３０、第１の電力生成部としての電源部３１、および第１の送電部３２を含んで構成されている。
電源部３１は、発電装置２０で発電された直流電力を交流電力に変換する機能を含み、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力（ＡＣ電力）を発生する交流信号発生器３１１を有する。
交流信号発生器３１１で発生されたＡＣ電力は、ケーブル３３に伝送されて第１の送電部３２に供給される。

送電部３２は、アンプ３２１、および第１の共振素子としての共振コイル３２２を有する。
アンプ３２１は、ケーブル３３を伝送されたＡＣ電力を増幅して、共振コイル３２２に給電する。
共振コイル３２２は、共振回路ＴＸ１として機能し、アンプ３２１により給電されたＡＣ電力をワイヤレスで効率良く伝送する。
共振コイルは共鳴コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共振コイルと呼ぶこととする。

蓄電給電装置４０は、屋内ＩＮＤに配置され、第１の送電装置３０から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を有している。

図４は、本実施形態に係る蓄電給電装置の構成例を示す図である。
図４の蓄電給電装置４０は、第１の受電部４１、第１の電力変換部としての交流直流変換回路４２、および蓄電および給電機能を含む蓄電部（バッテリ：蓄電池）４３を有する。

第１の受電部４１は、共振回路ＲＸ１として機能し、第２の共振素子としての共振コイル４１１を有する。
共振コイル４１１は、第１の送電装置３０の第１の送電部３２の共振コイル３２２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受電する。

交流直流変換回路４２は、第１の受電部４１で受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力とし、このＤＣ電力を電圧として負荷としての蓄電部（バッテリ）４３に供給し、充電する。

図５は、本実施形態に係る第１の送電装置と蓄電給電装置間の磁界共鳴関係による電力伝送系の等価回路を示す図である。

第１の送電部３２は、等価的に共振コイル３２２とキャパシタＣ３０により共振回路ＴＸ１が形成される。
第１の受電部４１は、等価的に共振コイル４１１とキャパシタＣ４０により共振回路ＲＸ１が形成される。
第１の送電部３２において、交流信号発生器３１１で発生されるＡＣ電力がアンプ３２１を通して共振コイル３２２に供給されて、共振回路ＴＸ１は励起される。
励起された共振回路ＴＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段の第１の受電部４１において、共振回路ＲＸ１がこの誘導磁界を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
共振回路ＲＸ１に励起された電力は最終的に高周波電力が交流直流変換回路４２を通して直流電力へと変換される。

このように、磁界共鳴方式による電力伝送では、高いＱをもった２つの共振（共鳴）コイルの結合を利用する。
磁界共鳴方式は、電磁誘導方式に比べて、遠距離伝送で、高出力が可能で、位置合わせ精度もゆるく、その周波数は数１０ＭＨｚである。

蓄電部４３は、交流直流変換回路４２で直流電力に変換された受電電力を蓄電し、蓄電した直流電力を第２の送電装置に供給する機能を有している。

図６は、本実施形態に係る蓄電給電装置の蓄電部の構成例を示す図である。

図６の蓄電部４３は、組電池４３１、制御部４３２、充電制御電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）４３３、放電制御ＦＥＴ４３４、ダイオード４３５、および電流検出抵抗４３６を有する。
蓄電部４３は、正極端子Ｔ１および負極端子Ｔ２が第２の送電装置５０の正極端子および負極端子に接続される。
蓄電部４３においては、回路基板上に形成される制御部４３２、充電制御ＦＥＴ４３３、放電制御ＦＥＴ４３４、ダイオード４３５、および電流検出抵抗４３６を介して組電池４３１に対する充放電が行われる。

組電池４３１は、リチウムイオン二次電池等の二次電池であり、複数の電池セルを直列および／または並列接続した組電池である。
図６の例では、３個の電池セルが直列に接続された場合を示す。制御部４３２は、蓄電部４３の過充電や過放電を防止するための制御や充電の際に安全に充電できるように制御を行う。

制御部４３２は、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）に予め格納されたプログラムに従い、図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）をワークメモリとして各部を制御する。
制御部４３２は、組電池４３１および組電池４３１内の電池セルそれぞれの電圧を所定時間毎に測定し、電流検出抵抗４３６を流れる電流の大きさおよび向きを所定時間毎に測定する。

制御部４３２は、測定した電圧値および電流値に基づき、組電池４３１のいずれかのセルの電圧が過充電検出電圧になったときに充電制御ＦＥＴ４３３をＯＦＦする。
制御部４３２は、組電池４３１の電圧が過放電検出電圧以下になったときに放電制御ＦＥＴ４３４をＯＦＦし、過充電や過放電を防止する。
ここで、リチウムイオン電池の場合、過充電検出電圧がたとえば４．２Ｖ±０．５Ｖと定められ、過放電検出電圧が２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。

制御部４３２は、正極端子Ｔ１および負極端子Ｔ２の電圧を測定し、測定結果に基づき充電電圧を算出する。
制御部４３２は、測定したそれぞれの電池セルの電圧のうち、最大電圧値および最小電圧値を算出し、最大電圧値および最小電圧値に基づき電池セル間の電池電圧差を算出する。
制御部４３２は、これらの算出結果に基づき、放電制御ＦＥＴ４３４のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

充電制御ＦＥＴ４３３は、電池電圧が過充電検出電圧となった場合にＯＦＦとなり、組電池４３１の電流経路に充電電流が流れないように、制御部４３２によって制御される。
なお、充電制御ＦＥＴ４３３のＯＦＦ後は、ＦＥＴの寄生ダイオードを介することによって放電のみが可能となる。
放電制御ＦＥＴ４３４は、電池電圧が過放電検出電圧となった場合にＯＦＦとなり、組電池４３１の電流経路に放電電流が流れないように、制御部４３２によって制御される。
なお、放電制御ＦＥＴ４３４のＯＦＦ後は、ＦＥＴの寄生ダイオードおよびダイオード４３５を介することによって充電のみが可能となる。
また、たとえば充電の際に２つの電池セル間の電池電圧差の最大値が所定の値以上となった場合、放電制御ＦＥＴ４３４は、制御部４３２の制御によりＯＦＦとなる。

ダイオード４３５は、放電制御ＦＥＴ４３４の寄生ダイオードと同一極性で並列に接続され、放電制御ＦＥＴ４３４がＯＦＦの場合に、充電電流がダイオード４３５および寄生ダイオードを流れる。このダイオード４３５に電流が流れることによって、順方向電圧降下が発生する。

図６に示す例では、１つのダイオード４３５を接続するように図示しているが、通常、充電電流がダイオード４３５に流れると、充電電流量によってはダイオード４３５が発熱し、放電制御ＦＥＴ４３４が熱の影響を受けるそれがある。
そのため、たとえば、順方向電圧などの電気特性がほぼ同一のダイオード４３５を、放電制御ＦＥＴ４３４に対して複数、並列に接続すると好ましい。
こうすることにより、充電の際に流れる充電電流がそれぞれのダイオード４３５を介して分散し、それぞれのダイオード４３５における発熱量が減少し、温度の上昇を低減することができる。

組電池４３１に対する充電方式としては、一般に、ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage；定電流定電圧）充電方式が用いられる。
ＣＣＣＶ充電方式では、組電池４３１の電圧が所定の電圧に達するまでは定電流で充電（ＣＣ充電）し、組電池４３１の電圧が所定の電圧に達した後は定電圧で充電（ＣＶ充電）する。そして、充電電流が略０［Ａ］に収束した時点で充電が終了となる。

ＣＣＣＶ充電方式の場合、充電開始直後から組電池４３１の電圧が所定の電圧に達する定ＣＣ充電領域においては、一定の充電電流Ｉで組電池４３１を充電し、電圧が急激に上昇する。
ＣＣ充電領域における充電電流Ｉは、電池セルの充電電圧や電流経路に配置された回路による電圧降下による電圧などに基づき決定される。

第２の送電装置５０は、蓄電給電装置４０により供給される電力をワイヤレスで送電する機能を有する。

電子機器６０は、第２の送電装置５０から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を負荷に供給する機能を有する。
電子機器６０としては、携帯電話機、携帯ゲーム機、ＰＤＡ等の携帯電子機器や、テレビジョン、ブルーレイ等の記録再生装置、卓上型ゲーム機器等が例示される。

第２の送電装置５０と電子機器６０間のワイヤレス電力伝送には電磁誘導方式あるいは磁界共鳴方式が採用可能である。

図７は、本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間のワイヤレス電力伝送に電磁誘導方式を採用した場合の第２の送電部と第２の受電部の構成の一例を示す図である。

図７の第２の送電装置５０Ａは、電源部５１、および第２の送電部５２を有する。

電源部５１は、蓄電給電装置４０で蓄電された直流電力を交流電力に変換する機能を含み、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力（ＡＣ電力）を発生する交流信号発生器５１１を有する。
交流信号発生器５１１で発生されたＡＣ電力は、第２の送電部５２に供給される。
第２の送電部５２は、コイル５２１およびキャパシタＣ５１により共振回路ＴＸ５１が形成されている。

図７の電子機器６０Ａは、第２の受電部６１、第２の電力変換部としての整流回路（交流直流変換回路）６２、および整流回路６２による直流電力が供給される電子部品等の負荷６３を有する。

第２の受電部６１は、コイル６１１およびキャパシタＣ６１により共振回路ＲＸ６１が形成されている。
整流回路６２は、ダイオードＤ６１およびキャパシタＣ６２を有し、共振回路ＲＸ１で受電した交流電力を直流電力として、負荷６３側に供給する。

第２の送電部５２の共振回路ＴＸ５１において、交流電力が給電されるとコイル（インダクタ）５２１に交流電流が流れ、コイル５１の周囲に磁束が生じる。
そして、この磁束により第２の受電部６１のコイル（インダクタ）６１１に流れる交流電力がダイオードＤ６１およびキャパシタＣ６２で整流され、負荷６３側に供給される。

電磁誘導型による電力供給においては、コイル（インダクタ）５２１および６１１の巻き方に加えて、送電側と受電側が配置される位置によって電力の伝送効率が変動する。
そのため、送電側と受電側を適切な位置に配置することにより、電力供給効率が向上する。

このように、電磁誘導方式は、鎖交磁束の変化で誘起された起電力を利用する。その周波数は数１００ｋＨｚである。

図８は、本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間のワイヤレス電力伝送に磁電共鳴方式を採用した場合の第２の送電部と第２の受電部の構成の一例を示す図である。

第２の送電装置５０Ｂ、第２の電力生成部としての電源部５３、および第２の送電部５４を含んで構成されている。
電源部５３は、蓄電給電装置４０から供給される直流電力を交流電力に変換する機能を含み、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力（ＡＣ電力）を発生する交流信号発生器５３１を有する。
交流信号発生器５３１で発生されたＡＣ電力は、ケーブル５５に伝送されて第２の送電部５４に供給される。

第２の送電部５４は、アンプ５４１、および第３の共振素子としての共振コイル５４２を有する。
アンプ５４１は、ケーブル５５を伝送されたＡＣ電力を増幅して、共振コイル５４２に給電する。
共振コイル５４２は、共振回路ＴＸ２として機能し、アンプ５４１により給電されたＡＣ電力をワイヤレスで効率良く伝送する。

第２の受電部６４は、共振回路ＲＸ１として機能し、第４の共振素子としての共振コイル６４１を有する。
共振コイル６４１は、第２の送電装置５０Ｂの第２の送電部５４の共振コイル５４２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受電する。

交流直流変換回路６５は、第２の受電部６４で受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力とし、このＤＣ電力を電圧として負荷６３に供給する。

図９は、本実施形態に係る第２の送電装置と電子機器間の磁界共鳴関係による電力伝送系の等価回路を示す図である。

第２の送電部５４は、等価的に共振コイル５４２とキャパシタＣ５０により共振回路ＴＸ２が形成される。
第２の受電部６４は、等価的に共振コイル６４１とキャパシタＣ６０により共振回路ＲＸ２が形成される。
第２の送電部５４において、交流信号発生器５３１で発生されるＡＣ電力がアンプ５４１を通して共振コイル５４２に供給されて、共振回路ＴＸ２は励起される。
励起された共振回路ＴＸ２の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段の第２の受電部６４において、共振回路ＲＸ２がこの誘導磁界を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
共振回路ＲＸ２に励起された電力は最終的に高周波電力が交流直流変換回路６５を通して直流電力へと変換される。

上述したように、磁界共鳴方式による電力伝送では、高いＱをもった２つの共振（共鳴）コイルの結合を利用する。
磁界共鳴方式は、電磁誘導方式に比べて、遠距離伝送で、高出力が可能で、位置合わせ精度もゆるく、その周波数は数１０ＭＨｚである。

図１０に、本第１の実施形態において、電力伝送に磁界共鳴方式を採用した場合のワイヤレス給電装置の全体構成の概要を、等価回路を含めて示す。
なお、各部の構成および機能は、詳述したことからここでは省略する。

本ワイヤレス給電システム１０は、屋外ＯＴＤに配置した発電装置２０で発電した電力（電気エネルギー）を第１の送電装置３０により、屋内ＩＮＤに配置した蓄電給電装置４０にワイヤレスで電力伝送を行う。
このように、ワイヤレス（無線）で電力伝送を用いて屋外ＯＴＤから屋内ＩＮＤに電力電送するため、壁に穴を開ける、窓枠を伝わせて配線を屋内に引き込むことが不要になるので、手軽に低コストで発電装置２０で得られた電力を屋内ＩＮＤに送ることができる。
既に述べたが、発電装置２０としては、太陽光の光電変換を利用したものが好適であるが、太陽熱発電素子、熱電変換素子、風力発電機器などの小型発電機器を用いることができる。
また、ワイヤレス電力伝送には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電界共鳴方式、超音波方式、レーザー光方式、赤外光方式などを使用することができるが、伝送距離や給電・受電側の位置合わせ精度の点から、磁界共鳴方式が好適である。
蓄電給電装置４０の蓄電部（蓄電池）４３に充電された電力を、使用する電子機器６０まで第２の送電装置５０によりワイヤレスで電力（電気エネルギー）を送る。
この場合、第１の送電装置３０と同様の方式を用いることができる。使用する電子機器６０が小型である場合は、電磁誘導方式の充電パッドなどを用いることも、利用の簡便性から優れている。
また、発電装置２０に光電変換方式を用いた場合、時刻、季節によって最適な受光面角度が異なるので、時刻や季節によって手動や自動で角度調整できる機構を装備してもよい。

このように、本実施形態によれば、屋外ＯＵＴで発電された電気エネルギーを、屋内ＩＮＤの蓄電池そして蓄電池から電子機器に、手軽で低コストに送ることができる。

＜２．第２の実施形態＞
図１１は、本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムが適用される住宅を模式的に示す図である。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。

本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｃは、総合住宅１００の一住宅に本ワイヤレス給電システムを適用した一例を示している。
そして、本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｃは、第２の送電装置５０と電子機器６０間のワイヤレス電力伝送に電磁誘導方式が採用されている。

この例では、屋外ＯＴＤのベランダ１１０に小型太陽光発電パネル２０Ｃおよび壁あるあるいは窓際に第１の送電装置３０Ｃが配置されている。
そして、小型太陽光発電パネル２０Ｃと第１の送電装置３０Ｃが電源ケーブル２２Ｃで接続されている。
屋内（宅内）ＩＮＤには、蓄電給電装置４０Ｃ、第２の送電装置５０Ｃ、および電子機器６０Ｃが配置されている。
図１１では、蓄電給電装置４０Ｃ、および第２の送電装置５０Ｃが一体的に形成されている。
また、電子機器６０Ｃとしては、携帯電話機、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等が適用される。
この場合、蓄電給電装置４０Ｃ、および第２の送電装置５０Ｃが一体的に形成された卓上体７０のパッド７１上に、負荷としてのバッテリを有する電子機器６０Ｃが近接あるいは載置されて、たとえばその充電が行われる。

＜３．第３の実施形態＞
図１３は、本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムが適用される住宅を模式的に示す図である。
図１４は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。

本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｄは、第２の実施形態と同様に、総合住宅１００の一住宅に本ワイヤレス給電システムを適用した一例を示している。
そして、本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｄは、第２の送電装置５０Ｄと電子機器６０Ｄ間のワイヤレス電力伝送に磁界共鳴方式が採用されている。

この例では、屋外ＯＴＤのベランダ１１０に小型太陽光発電パネル２０Ｄおよび壁あるあるいは窓際に第１の送電装置３０Ｄが配置されている。
そして、小型太陽光発電パネル２０Ｄと第１の送電装置３０Ｄが電源ケーブル２２Ｄで接続されている。
屋内（宅内）ＩＮＤには、蓄電給電装置４０Ｄ、第２の送電装置５０Ｄ、および電子機器６０Ｄが配置されている。
図１３では、蓄電給電装置４０Ｄ、および第２の送電装置５０Ｄが一体的に形成されて蓄電サーバ８０が構成されている。
また、電子機器６０Ｄとしては、テレビジョン、ブルーレイ等の記録再生装置、卓上型ゲーム機器等が適用される。
この場合、蓄電サーバ８０に含まれる第２の送電装置５０Ｄにより蓄電した電力が壁に配置されたテレビジョン等の電子機器６０Ｄにワイヤレスで伝送されて、バッテリを有する電子機器６０Ｄにおいて充電あるいは駆動電力の受電が行われる。

ここで、第２および第３の実施形態の具体的な電力発電、蓄電、給電の例を図１５および図１６に示す。
また、比較例を図１７に示す。

図１５は、第２の実施形態における具体的な電力発電、蓄電、給電の例を示す図である。
図１６は、第３の実施形態における具体的な電力発電、蓄電、給電の例を示す図である。
図１７は、壁に穴をあける配線工事が必要なシステムを第２の実施形態に対する比較例として示す図である。

第２の実施形態の場合、発電装置２０Ｃで３５Ｗｈの電力が発電される。
この電力が第１の送電装置３０Ｃに伝送されて、第１の送電装置３０Ｃでは伝送する発電量が２１Ｗｈとなる。このときの給電効率は６０％である。
第１の送電装置３０Ｃからワイヤレスで送電され、蓄電給電装置４０Ｃで受電し、蓄電される電力が１０．６Ｗｈである。
そして、蓄電給電装置４０Ｃから電力が供給される第２の送電装置５０Ｃに含まれる充電パッド７１の伝送する発電量が７．６Ｗｈである。
そして、充電される電子機器６０Ｃである携帯ゲーム機器で４．３Ｗｈほど蓄電でき、携帯電話機で３．５Ｗｈほど蓄電できる。
図１７の比較例では、同様の電力伝送を実現するために、壁ＷＬに穴を空けて配線する必要がある。

第３の実施形態の場合、発電装置２０Ｄで４６０Ｗｈの電力が発電される。
この電力が第１の送電装置３０Ｄに伝送されて、第１の送電装置３０Ｄでは伝送する発電量が２７６Ｗｈとなる。このときの給電効率は６０％である。
第１の送電装置３０Ｄからワイヤレスで送電され、蓄電給電装置４０Ｄで受電し、蓄電される電力が２７６Ｗｈである。満充電状態では３５２Ｗｈである。
そして、蓄電給電装置４０Ｃから電力が供給される第２の送電装置５０Ｃの伝送する発電量が１６６Ｗｈである。
そして、充電される電子機器６０Ｃであるテレビジョン（ＴＶ）で５０Ｗ、卓上ゲーム機器で３０Ｗほどの電力が供給される。
この場合も、図１７の比較例のように、壁ＷＬに穴を空けて配線する必要がない。

以上、本発明のワイヤレス蓄電および給電システムの好適な実施形態について説明した。
以上の実施形態においては、基本的に発電、蓄電、給電を効率良く行うことが可能である。
ところで、第３の実施形態のように、磁界共鳴方式を採用した場合に、室内の構造や広さ、給電対象である蓄電給電装置や電子機器の配置される位置や部屋等によっては、ワイヤレス電力伝送効率が十分でない場合が生じる可能性がある。
このような場合には、第１の送電装置３０の第１の送電部３２と蓄電給電装置４０の第１の受電部４１との間、および第２の送電装置５０と電子機器６０の第２の受電部６４の間の少なくとも一方に図１８に示すような中継デバイス９０を配置することが望ましい。

中継デバイス９０は、送電部３２（５４）の共振コイル３２２（５４２）と磁界共鳴関係をもって結合可能な共振素子としての中継コイル９１を有する。
この中継コイル９１は、中間段の共振回路ＭＸ１として機能する。
中継コイル９１は、送電部３２（５４）の共振コイル３２２（５４２）と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受電し、伝送する。
中継コイル９１は、受電部４１（６４）の共振コイル４１１（６４１）と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。
中継デバイス９０は、中継コイル９１とその浮遊容量またはコイルと接続されたキャパシタＣ９０１とにより共振回路を形成する。
中継コイル９１は、電気回路的にはインダクタＬとキャパシタＣだけで構成されて、伝送する交流磁界の周波数に合わせた共振周波数に設定される。

ここで、中継デバイス２４０を配置しない場合と配置する場合の電力伝送について説明する。

図１９は、図１４のワイヤレス給電システムにおいて送電側共振コイルと受電側共振コイルが離れている場合の電力伝送動作概要を説明するための図である。

この場合、送電部３２（５４）の共振コイル３２２（５４２）からの交流の磁束が発生される。
受電部４１（６４）の共振コイル４１１（６４１）では、送電側共振コイル３２２（５４２）からの交流の磁束を受けて、同じ位相で受電側共振コイル４１１（６４１）に起電力が発生する。
送電側共振コイル３２２（５４２）と受電側共振コイル４１１（６４１）が離れている場合、送電側共振コイル３２２（５４２）により発生された磁束は拡散して、磁束密度が小さくなる。
受電側共振コイル４１１（６４１）では、受ける磁束密度が小さいと、得られる起電力も小さくなる。
たとえば蓄電給電装置４０および第２の送電装置５０と同じ部屋に給電対象の電子機器６０が配置される場合には、中継デバイス９０を介在させなくとも効率良く電力伝送を行うことができるが、部屋が異なる場合等は効率の良い電力伝送は困難となるおそれがある。

図２０は、図１４のワイヤレス給電システムにおいて送電側共振コイルと受電側共振コイルが離れていて中継デバイスを配置する場合の電力伝送動作概要を説明するための図である。

この場合、送電側共振コイル３２２（５４２）からの交流の磁束を、中継デバイス９０の中継コイル９１が受ける。
中継コイル９１は、コイルとキャパシタとの共振回路になっているので、位相がズレた状態で起電力が発生するため、中継コイル９１の周辺空間にも強い磁束が発生する。
受電部４１（６４）の共振コイル４１１（６４１）は、中継コイル９１の磁束を近い距離で受けるので、大きな起電力が得られる。

１０，１０Ａ〜１０Ｄ・・・ワイヤレス給電システム、２０・・・発電装置、３０・・・第１の送電装置、４０・・・蓄電給電装置、５０，５０Ｃ，５０Ｄ・・・第２の送電装置、６０，６０Ｄ，６０Ｄ・・・電子機器。

Claims (12)

1. 屋外に配置され、電力を発電する発電装置と、
   屋外に配置され、上記発電装置で発電されて得られた電力をワイヤレスで送電する送電装置と、
   屋内に配置され、上記送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を含む蓄電給電装置と
   を有するワイヤレス蓄電システム。
2. 上記送電装置は、
   送電すべき電力が給電され、当該電力を送電する第１の共振素子を含む送電部を有し、
   上記蓄電給電装置は、
   上記送電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する第２の共振素子を含む受電部と、
   上記受電部で受電した電力を蓄電する蓄電部と、を有する
   請求項１記載のワイヤレス蓄電システム。
3. 上記発電装置で発電される電力は直流電力であり、
   上記送電装置は、
   上記直流電力から送電すべき交流電力を生成する電力生成部を含み、
   上記第１の共鳴素子は、上記電力生成部で生成された交流電力が給電されて送電する
   請求項１または２記載のワイヤレス蓄電システム。
4. 上記蓄電給電装置の蓄電部は、
   直流電力を蓄電する機能を有し、
   上記蓄電給電装置は、
   上記第２の共振素子により受電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を上記蓄電部に供給する電力変換部を含む
   請求項３記載のワイヤレス蓄電システム。
5. 屋外に配置され、電力を発電する発電装置と、
   屋外に配置され、上記発電装置で発電されて得られた電力をワイヤレスで送電する第１の送電装置と、
   屋内に配置され、上記第１の送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を蓄電し、蓄電した電力を供給する機能を含む蓄電給電装置と、
   屋内に配置され、上記蓄電給電装置により供給される電力をワイヤレスで送電する第２の送電装置と
   を有するワイヤレス給電システム。
6. 上記第１の送電装置は、
   送電すべき電力が給電され、当該電力を送電する第１の共振素子を含む第１の送電部を有し、
   上記蓄電給電装置は、
   上記第１の送電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する第２の共振素子を含む第１の受電部と、
   上記受電部で受電した電力を蓄電する蓄電部と、を有する
   請求項５記載のワイヤレス給電システム。
7. 上記発電装置で発電される電力は直流電力であり、
   上記第１の送電装置は、
   上記直流電力から送電すべき交流電力を生成する第１の電力生成部を含み、
   上記第１の共振素子は、上記第１の電力生成部で生成された交流電力が給電されて送電する
   請求項５または６記載のワイヤレス給電システム。
8. 上記蓄電給電装置の蓄電部は、
   直流電力を蓄電する機能を有し、
   上記蓄電給電装置は、
   上記第２の共振素子により受電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直電流を上記蓄電部に供給する電力変換部を含む
   請求項７記載のワイヤレス給電システム。
9. 上記第２の送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電する第２の受電部を有し、受電した電力を負荷に供給する電子機器を有し、
   上記第２の送電装置は、
   上記蓄電部から供給される電力を上記第２の受電部との間で電磁誘導関係をもって送電する第２の送電部を含む
   請求項５から８のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。
10. 上記第２の送電装置から送電された電力をワイヤレスで受電し、受電した電力を負荷に供給する電子機器を有し、
    上記第２の送電装置は、
    上記蓄電部から供給される電力が送電すべき電力として給電され、当該電力を送電する第３の共振素子を含む第２の送電部を含み、
    上記電子機器は、
    上記第２の送電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する第４の共振素子を含む第２の受電部を含む
    請求項５から８のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。
11. 上記蓄電給電装置から供給される電力は直流電力であり、
    上記第２の送電装置は、
    上記直流電力から送電すべき交流電力を生成する第２の電力生成部を含み、
    上記電力生成部で生成された交流電力が給電されて送電する
    請求項９または１０記載のワイヤレス給電システム。
12. 上記電子機器は、受電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を上記負荷に供給する電力変換部を含む
    請求項１１記載のワイヤレス給電システム。

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