無線電力伝送

無線電力伝送(WPT)、無線エネルギー伝送(WET)、または電磁力伝送は、物理的なリンクとしてワイヤを使用しない電気エネルギーの伝送です。 無線電力伝送システムでは、電源からの電力によって駆動される送信装置は、空間を横切って電力を受信装置に送信する時変電磁場を生成し、受信装置は、場から電力を取り出し、負荷。 無線電力伝送は、相互接続ワイヤが不便で危険であるか、または不可能な電気装置に電力を供給するのに有用である。

無線電力技術は、主に、非放射性および放射性の2つのカテゴリーに分類される。 近接場または非放射技術では、電力は、コイルのコイル間の誘導結合を使用して磁場によって、または金属電極間の容量結合を用いて電界によって短距離にわたって伝達される。 誘導結合は、最も広く使用されている無線技術です。 人工心臓ペースメーカや電気自動車のような埋め込み型医療機器では、携帯電話や電動歯ブラシ、RFIDタグ、無線充電または連続無線電力伝送などの充電式ハンドヘルド機器があります。

遠方場または放射技術(パワービームとも呼ばれる)において、電力は、マイクロ波またはレーザビームのような電磁放射ビームによって伝達される。 これらの技術は、長距離のエネルギーを輸送することができますが、受信機を目指す必要があります。 このタイプの提案された用途は、太陽光発電衛星、および無線ドローン機である。

すべての無線電力システムに関連する重要な問題は、潜在的に有害な電磁界に対する人々および他の生物の曝露を制限することである。

フィールド領域
電場や磁場は電子などの荷電粒子によって生成されます。 定常電荷は、その周囲の空間に静電界を生成する。 電荷の定常電流(直流、DC)は、その周囲に静磁場を生成する。 上記のフィールドにはエネルギーが含まれていますが、静止しているため電力を運ぶことはできません。 しかし、時変フィールドは電力を運ぶことができます。 電線内の電子の交流(AC)に見られるような加速電荷は、周囲の空間に時間的に変化する電場および磁場を生成する。 これらの磁界は、受信する「アンテナ」内の電子に振動力を加え、それらを前後に動かすことができる。 これらは、負荷に電力を供給するために使用できる交流電流を表します。

アンテナ装置内の移動する電荷を囲む振動する電場および磁場は、アンテナからの距離Dの 範囲に応じて2つの領域に分割することができる。 領域の境界は多少曖昧に定義されています。 フィールドはこれらの領域で異なる特性を持ち、電力を転送するために異なる技術が使用されます。

近接場または非放射性領域 – これは、アンテナの約1波長(λ)以内の領域を意味します。 この領域では、振動する電場と磁場が分離され、電力は、金属電極間の容量結合(静電誘導)または電線のコイル間の誘導結合(電磁誘導)による磁場を介して電場を介して伝達される。 これらのフィールドは放射ではなく、エネルギーが送信機の近距離にとどまることを意味します。 限られた範囲内に受信装置や吸収材がなく、「結合」していない場合、送信器から出ることはありません。 これらのフィールドの範囲は短く、通常はワイヤのコイルである「アンテナ」デバイスのサイズと形状に依存します。 フィールドとそれによって送信される電力は距離とともに指数関数的に減少するので、2つの「アンテナ」 D 範囲の間の距離が「アンテナ」の直径よりもはるかに大きい場合、電力はほとんど受信されない。 したがって、これらの技術は、長距離送電には使用できない。

共鳴誘導結合のような共鳴はアンテナ間の結合を大きく増加させることができ、電界は依然として指数関数的に減少するが、幾分大きな距離で効率的な伝送を可能にする。 したがって、近距離場デバイスの範囲は、従来、2つのカテゴリに分けられる。

短距離 – 最大約1つのアンテナ直径: D レンジ ≦ D ant 。 これは、通常の非共振容量性または誘導結合が実際の電力量を伝達できる範囲です。

ミッドレンジ – アンテナ径の最大10倍: D レンジ ≤10 D ant 。 これは、共振容量性または誘導結合が実用量の電力を伝達できる範囲である。

遠方界または放射領域 – アンテナの約1波長(λ)を超えると、電界と磁界は互いに垂直であり、電磁波として伝搬する。 例としては、電波、マイクロ波、光波などがあります。 エネルギーのこの部分は放射です。つまり、それを吸収する受信機があるかどうかにかかわらずアンテナから出ています。 受信アンテナに衝突しないエネルギーの部分は散逸し、システムに失われます。 アンテナによる電磁波として放出される電力の量は、周波数λ= c / fによって決定される、波の波長λに対するアンテナのサイズDantの比に依存する。 アンテナが波の大きさD ant <<λよりもはるかに小さい低周波数fでは、電力はほとんど放射されない。 したがって、より低い周波数を使用する上記の近距離場デバイスは、電磁放射としてそれらのエネルギーのほとんどを放射しない。 モノポールアンテナやダイポールアンテナなどの波長D ant ≒λとほぼ同じ大きさのアンテナは効率的に電力を放射しますが、電磁波はあらゆる方向(無指向性)で放射されるため、受信アンテナが遠く離れていれば、放射線が当たるでしょう。 したがって、これらは短距離、非効率的な送電には使用できるが、長距離送電には使用できない。

しかし、フィールドとは異なり、電磁放射は反射または屈折によってビームに集束させることができる。 受信機を対象とする狭ビームに放射線を集中させる高利得アンテナまたは光学系を使用することにより、長距離電力伝送に使用することができる。 レイリー基準から、遠方の受信機にかなりの量のエネルギーを集束させるのに必要な狭いビームを生成するためには、アンテナは使用される波の波長よりもはるかに大きくなければならない: D ant >>λ= c / f。 実用的なビームパワーデバイスは、マイクロ波範囲以上の1GHzを超える周波数に対応するセンチメートル以下の領域の波長を必要とする。

ニアフィールド(非放射性)技術
大きな相対距離では、電界および磁界の近接場成分は、ほぼ準静的に振動する双極子場である。 これらのフィールドは、距離の3乗で減少します。( D range / D ant )-3電力は電界強度の2乗に比例するため、( D range / D ant )-6のように減少します。 または10dBごとに60dB。 言い換えれば、遠く離れていると、2つのアンテナ間の距離を2倍にすると、受電した電力が2 6 = 64分の1に減少します。その結果、誘導性と容量性の結合は、短距離電力伝送にのみ使用できます。アンテナ装置D antの直径の数倍である。 ダイポールアンテナが伝搬方向に対して横方向に配向されているときに最大放射が発生する放射システムとは異なり、ダイポール場ではダイポールが長手方向に向いているときに最大結合が生じる。

誘導結合
誘導結合(電磁誘導または誘導電力伝達、IPT)において、電力は、磁場によってワイヤのコイル間を転送される。 トランスミッタとレシーバのコイルが一緒にトランスを構成します(図参照)。 送信コイル(L1)を通る交流(AC)は、アンペアの法則によって振動磁場(B)を生成する。 磁界は受信コイル(L2)を通過し、ファラデーの誘導の法則によって交番するEMF(電圧)を誘導し、受信機に交流を発生させる。 誘導された交流電流は、負荷を直接駆動するか、または負荷を駆動するレシーバの整流器によって直流(DC)に整流される。 電動歯ブラシ充電スタンドのようないくつかのシステムは50/60 Hzで動作するので、AC主電流がトランスミッタコイルに直接印加されますが、ほとんどのシステムでは、電子発振器がコイルを駆動する高周波AC電流を生成します。周波数と共に改善する。

誘導結合は、最も古く、最も広く使用されている無線電力技術であり、市販の製品に使用されている唯一のものです。 電気ショックの危険性を減らすために、電動歯ブラシやシェーバーなどの濡れた環境で使用されるコードレス機器の誘導充電スタンドに使用されています。 別の適用分野は、ワイヤを皮膚を通過させることを避けるために、心臓ペースメーカおよびインスリンポンプのような人体に埋め込まれた生物医学的人工器官の「経皮的」再充電である。 また、自動車などの電気自動車の充電や、バスや電車のような充電車や電力輸送車の充電にも使用されます。
しかし、最も急速に普及しているのは、ノートパソコンやタブレットコンピュータ、携帯電話、デジタルメディアプレーヤー、ビデオゲームコントローラなどのモバイルおよびハンドヘルドワイヤレスデバイスを充電するためのワイヤレス充電パッドです。

伝達される電力は周波数とともに増加し、相互インダクタンス  それらの幾何学的形状および距離に依存するコイル間の距離  それらの間の。 広く使用されている性能指数は結合係数  。 この無次元パラメータは、送信コイルを通る磁束の割合  受信コイルを通過する  L2が開回路の場合。 2つのコイルが同じ軸上にあり、互いに接近しているので、すべての磁束が  通過する  、  リンク効率は100%に近づいています。 コイル間の分離が大きくなればなるほど、第1のコイルからの磁界のほうが第2のコイルから離れ、  リンク効率は大きな分離でゼロに近づいています。 転送されるリンク効率および電力は、およそ  。 高効率を達成するためには、コイルは非常に近接していなければならず、コイル直径の一部  通常はセンチメートル以内で、コイルの軸を整列させる。 カップリングを増加させるために、通常、幅広の平坦なコイル形状が使用される。 フェライト “磁束閉じ込め”コアは、磁場を閉じ込めてカップリングを改善し、近くの電子機器への干渉を減らすことができますが、重くて嵩張り、小型無線機器ではしばしば空芯コイルが使用されます。

通常の誘導結合は、コイルが互いに非常に接近している場合にのみ、通常は高効率を達成することができる。 最新の誘導システムでは、共振回路を使用することによって効率が向上する共振誘導結合が使用される。 これは、非共鳴誘導結合よりも大きな距離で高い効率を達成することができる。

共鳴誘導結合
共鳴誘導結合(電気力学的結合、強結合磁気共鳴)は、送信器と受信器の2つの共振回路(同調回路)間の磁場(B、緑)によって電力が伝達される誘導結合の一形態である図、右参照)。 各共振回路は、コンデンサに接続されたコイルのコイル、または内部容量を有する自己共振コイルまたは他の共振器からなる。 2つは同じ共振周波数で共振するように調整されています。 コイル間の共振は、振動音叉が同じピッチに調整された離れたフォークで交感神経振動を誘発することと同様に、結合および電力伝達を大きく増加させる可能性がある。

ニコラ・テスラは、20世紀初頭にワイヤレス・パワー・トランスファーの先駆的な実験で共鳴結合を最初に発見しましたが、最近では共鳴結合を使用して伝送範囲を拡大する可能性が探求されました。 2007年にMITのMarinSoljačićが率いるチームは、2メートル(6.6フィート)の距離で60 Wの電力伝送を達成するために、10 MHzで25 cmの自己共振コイルのコイルで作られた2つの結合された同調回路を使用しました約40%の効率でコイル直径の8倍)。 Soljačićは、この技術を商用化しようとしているWiTricity社(同社の技術と同じ名前)を設立しました。

共振誘導結合システムの背後にあるコンセプトは、高Qファクタ共振器が、内部減衰のためにエネルギーを失うよりもはるかに高いレートでエネルギーを交換することである。 したがって、共鳴を使用することにより、近接場の周辺領域(「テール」)(これらはエバネセント場と呼ばれることもある)のより弱い磁場を使用して、より大きな距離で同じ量の電力を転送することができる。 共鳴誘導結合は、コイル直径( D ant )の4〜10倍の範囲で高効率を達成することができる。 これは、コイルが隣接しているときにのみ同様の効率を達成することができる非共鳴誘導伝達の「短距離」とは対照的に、「中間範囲」伝達と呼ばれる。 別の利点は、共鳴回路が、共鳴しない近傍の物体での吸収による電力損失が無視できる、非共鳴物体よりもはるかに強く相互作用することである。

共振結合理論の欠点は、2つの共振回路が緊密に結合された近距離において、システムの共振周波数はもはや一定ではなく、2つの共振ピークに「分割」するので、最大電力伝達はもはや元の発振周波数は新しい共振ピークに同調しなければならない。 このようなシフトしたピークを用いる場合を「単一共振」と呼ぶ。 二次側のみが同調回路である「単一共振」システムも使用されている。 この現象の原理は「(磁気)位相同期」とも呼ばれ、1993年頃から日本での実用化が始まっています。現在、MITの研究者が提示した高共振の概念は、高効率ワイドギャップ高出力ワイヤレス電力伝送システムを実現し、SCMaglevの誘導電流コレクタに使用されています。

共鳴技術は、現在、現代の誘導無線電力システムに広く組み込まれている。 この技術のために想定される可能性の1つは、エリアワイヤレス電力カバレッジです。 部屋の壁または天井にあるコイルは、妥当な効率で、部屋のどこにいてもワイヤレスで光およびモバイル機器に電力を供給することができる可能性がある。 時計、ラジオ、音楽プレーヤー、リモコンなどの小型機器に電力を供給することによる環境面および経済面でのメリットは、毎年60億個の電池が廃棄され、有毒廃棄物や地下水汚染の大きな原因となることです。

容量結合
静電結合(静電誘導)において、誘導結合の共役であるエネルギーは、金属板のような電極間の電場によって伝達される。 送信器と受信器の電極は、誘電体として介在する空間を有するコンデンサを形成する。 送信機によって生成された交流電圧が送信板に印加され、発振電場は静電誘導によって受信機板に交番電位を誘起し、交流を負荷回路に流す。 伝達される電力の量は、周波数の2乗で電圧の値が大きくなり、プレート間の静電容量が小さくなり、プレートの面積に比例し、(短い距離では)分離に反比例する。

かなりの電力を伝送するのに必要な電極上の非常に高い電圧は有害であり、有毒なオゾン生成のような不快な副作用を引き起こす可能性があるため、容量性結合は少数の低電力用途においてのみ実際に使用されている。 加えて、磁場とは対照的に、電場は、誘電分極のために人体を含むほとんどの物質と強く相互作用する。 人間の場合、過度の電磁場曝露を引き起こす可能性があるため、電極間または電極付近の介在物質がエネルギーを吸収することができる。 しかし、容量結合は、誘導結合に比べていくつかの利点があります。 磁界はコンデンサプレート間に大きく閉じ込められ、誘導結合に重いフェライト「磁束閉じ込め」コアを必要とする干渉を低減します。 また、送信機と受信機との間の位置合わせの必要性はそれほど重要ではない。 容量性結合は、最近、バッテリ駆動のポータブルデバイスの充電、バイオメディカルインプラントにおける充電または連続ワイヤレス電力伝送に適用され、集積回路内の基板層間で電力を伝達する手段と考えられている。

2種類の回路が使用されています。
バイポーラ設計:このタイプの回路には、2つのトランスミッタプレートと2つのレシーバプレートがあります。 各トランスミッタプレートは、レシーバプレートに結合される。 送信機発振器は、高い交番電圧によって逆位相(180°位相差)で送信機プレートを駆動し、負荷は2つの受信機プレートの間に接続される。 交番電界は、レシーバプレートに逆位相の交流電位を誘発し、この「プッシュプル」動作は、電流が負荷を通ってプレート間を行き来するようにさせる。 無線充電のためのこの構成の欠点は、受信装置内の2つのプレートが、装置が動作するための充電プレートと向き合って配置されなければならないことである。

ユニポーラ設計:このタイプの回路では、トランスミッタとレシーバは1つのアクティブ電極のみを持ち、グラウンドまたは大きなパッシブ電極のいずれかが電流のリターンパスとして機能します。送信機発振器は、能動電極と受動電極との間に接続される。 負荷はまた、能動電極と受動電極との間に接続される。 送信機によって生成された電界は、静電誘導によって負荷双極子において交互の電荷移動を誘発する。

共振容量結合
容量性結合を使用して共振を使用して範囲を拡張することもできます。 20世紀になると、ニコラ・テスラは、共鳴誘導と容量結合の両方の実験を初めて行いました。

磁気力学的結合
この方法では、電力は、アーマチュア上の永久磁石によって生成された磁界によって一緒に結合され、同期して回転する2つの回転するアーマチュアの間で送信される。 トランスミッター・アーマチュアは、電気モーターのロータによって、またはその回転子として回転され、その磁場は、レシーバー・アーマチュアにトルクを加え、回転させます。 磁界は、アーマチュア間の機械的結合のように作用する。 レシーバーアーマチュアは、別個の発電機を回すことによって、またはレシーバーアーマチュア自体をジェネレーターのローターとして使用することによって、負荷を駆動するための電力を生成します。

この装置は、電気自動車の非接触充電用の誘導電力伝達の代替案として提案されている。 ガレージの床またはカーブに埋め込まれた回転電機子は、車両の下側にある受信機のアーマチュアを回してバッテリを充電します。 この技術は、10〜15cm(4〜6インチ)の距離にわたって90%以上の高効率で電力を伝達することができると主張されている。 また、回転磁石によって生成された低周波漂遊磁界は、誘導結合システムによって生成された高周波磁界よりも近くの電子デバイスへの電磁干渉を低減する。 しかし、ブリティッシュ・コロンビア大学では2012年以降、電気自動車を充電するプロトタイプ・システムが稼動しています。しかし、他の研究者は、2つのエネルギー変換(電気から機械から電気へ)は、誘導結合のような電気システムよりも効率が悪いと主張しています。

ファーフィールド(放射)技術
ファーフィールド法は、距離がデバイスの直径よりもはるかに大きい、より長い範囲、しばしば複数キロメートルの範囲を達成する。 指向性の高いアンテナまたはよくコリメートされたレーザ光は、受信領域の形状に合わせて作ることができるエネルギービームを生成する。 アンテナの最大指向性は、回折によって物理的に制限されます。

一般に、(レーザーからの)可視光および(意図的に設計されたアンテナからの)マイクロ波は、エネルギー伝達に最も適した電磁放射線の形態である。
構成要素の寸法は、レーザにも適用される標準的な無線周波数アンテナ設計で使用される、送信器から受信器までの距離、波長、レイリー基準または回折限界によって決定され得る。 エアリーの回折限界は、アパーチャからの任意の距離でのおおよそのスポットサイズを決定するために頻繁に使用される。 電磁放射は、より短い波長(より高い周波数)でより少ない回折を受ける。 したがって、例えば、青色レーザは赤色レーザよりも少なく回折される。

レイリー基準は、電波、マイクロ波、またはレーザービームが拡散し、遠くに拡散して拡散するように指示します。 放射線の波長と比較して送信機のアンテナまたはレーザの開口部が大きいほど、ビームはより堅く、距離の関数として広がることは少ない(逆もまた同様)。 より小さいアンテナはまた、サイドローブによる過剰な損失を被る。 しかし、レーザアパーチャの概念はアンテナとはかなり異なる。 典型的には、波長よりもはるかに大きいレーザアパーチャはマルチモード放射を誘発し、放射された放射がファイバまたは空間に結合する前に、主にコリメータが使用される。

最終的に、ビーム幅は、ビームを作るために使用される電磁放射線の波長に関連して、ディッシュサイズに起因する回折によって物理的に決定される。
マイクロ波パワービームはレーザよりも効率的であり、ほこりや水蒸気による大気の減衰が起こりにくい。

ここで、パワーレベルは、上記のパラメータを組み合わせて、アンテナ特性と、放射が通過する媒体の透明性および分散による利得および損失を加算することによって計算される。 そのプロセスは、リンクの予算を計算することとして知られています。

マイクロ波
電波を介した電力伝送は、より指向性を持たせることができ、電磁波の波長がより短い、典型的にはマイクロ波範囲の、より長距離の電力ビームを可能にする。 整流器を使用して、マイクロ波エネルギーを電気に変換することができる。 95%を超えるレクテナの変換効率が実現されています。 軌道上を走行する太陽光衛星から地球にエネルギーを伝達するためのマイクロ波を用いたパワービーム送信が提案されており、軌道を離れる宇宙船へのビームの放射が考慮されている。

マイクロ波によるパワービーム照射は、大部分の宇宙用途では、回折限界のアンテナ指向性のために必要なアパーチャサイズが非常に大きいという困難を有する。 例えば、1978年のNASAの太陽光衛星の研究では、2.45GHzのマイクロ波ビーム用の1キロメートル(0.62マイル)の送信アンテナと10キロメートル(6.2マイル)の受信レクテナが必要でした。 これらのサイズは、短い波長が雨または水滴による大気の吸収および梁の閉塞で困難を有することがあるが、より短い波長を使用することによって幾分減少させることができる。 「薄い配列の呪い」のために、いくつかの小さな衛星のビームを組み合わせることによって、より狭いビームを作ることはできません。

アースバウンド用途では、大口径10km受信アレイにより、人間の電磁暴露安全性のために提案された低電力密度で動作しながら、大きな総電力レベルを使用することができます。 直径10kmの領域に分布する1mW / cm 2の人間の安全な電力密度は、750メガワットの総電力レベルに相当する。 これは多くの現代の発電所で見られる電力レベルです。

レーザー
スペクトルの可視領域に近い電磁放射線(数十〜数十ナノメートル)の場合、電力を、光電池に指し示すレーザービームに変換することによって電力を伝送することができる。 このメカニズムは一般に、電力が電気エネルギーに変換できる受信機でビームされるため、「電力ビーム」として知られています。 受信機では、単色光変換に最適化された特殊な光起電力レーザ電力変換器が適用される。

他のワイヤレス方式と比較した場合の利点は次のとおりです。
コリメートされた単色波面伝播は、遠距離にわたる伝送のために狭いビーム断面積を可能にする。
コンパクトサイズ:固体レーザーは小型製品に適合します。
Wi-Fiや携帯電話などの既存の無線通信に電波干渉はありません。
アクセス制御:レーザーでヒットした受信機だけが電力を受信します。

欠点は以下のとおりです。
レーザー放射は危険です。 低出力レベルは人間や他の動物を盲目にすることがあります。 高出力レベルは、局部的なスポット加熱によって殺すことができる。
電気と光の変換には限界があります。 光起電力セルは、40%〜50%の効率を達成する。 (レーザー光の電気への変換効率は、太陽光の電気への変換効率よりもはるかに高い)。
大気の吸収、雲、霧、雨などによる吸収と散乱は、最大100%の損失を引き起こします。
ターゲットとの直接視界が必要です。 (受信機に直接ビームを当てる代わりに、レーザー光を光ファイバーで導くこともできます。次に、パワー・オーバー・ファイバー技術について説明します)。

大気プラズマチャネル結合
大気圧プラズマチャネル結合において、エネルギーは、イオン化された空気を通じた電気伝導によって2つの電極間を移動する。 2つの電極間に電場勾配が存在し、海面大気圧で1センチメートル当たり34キロボルトを超えると、電気アークが発生する。 この大気絶縁破壊は、2つの電極間のイオン化プラズマチャネルを通るランダムな軌道に沿った電流の流れをもたらす。 これの一例は自然雷であり、一方の電極は雲の中の仮想点であり、他方は地球上の点である。 超高速レーザーを使用して空気を介したプラズマチャネルの開発を人為的に促進し、電気アークを誘導し、制御可能な方法で特定の経路に電流を誘導する、レーザー誘起プラズマチャネル(LIPC)研究が現在進行中である。 レーザエネルギーは、大気絶縁破壊電圧を低下させ、過熱により空気が絶縁性を低下させ、空気フィラメントの密度ρを低下させる。

この新しいプロセスは、レーザー雷ロッドとして、自然雷チャネル研究、人工大気繁殖研究、慣習的な無線アンテナの代替として、電気溶接に関連するアプリケーションのための雲からの稲妻を引き起こす手段として探求されています。高電圧コンデンサ放電からの電力を迂回させるため、地面帰還路を通じた電気伝導を使用する指向性兵器用途、および電子妨害のための機械加工が含まれる。

エネルギー収穫
無線電力との関連では、電力ハーベスティングまたはエネルギー掃気とも呼ばれるエネルギーハーベスティングは、周囲のエネルギーを環境から電力に変換することであり、主に小規模な自律型無線電子デバイスに電力を供給します。周囲のエネルギーは、周囲の電気機器、光、熱エネルギー(熱)からの電界または電波、または装置の振動または運動などの運動エネルギーを含む。 変換の効率は通常低いが、集められる電力はしばしば(ミリワットまたはマイクロワット)非常に小さいので、多くの分野で増殖しているリモートセンサなどの小型マイクロパワー無線デバイスを動作または充電することは適切である。 この新技術は、バッテリの交換やそのような無線デバイスの充電の必要性を排除するために開発されており、完全に自律的に動作することができます。