发电系统及发电单元的制作方法

专利名称：发电系统及发电单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用谐振磁场的耦合以无线方式进行能量供给的发电系统及发电单兀。
背景技术：
出于天然资源的干涸和全球温室化对策的观点，对不排出二氧化碳的太阳能发电的关注日益增加。近几年，在大面积的区域内铺设多个太阳能发电元件(太阳能电池以下，有时简单称作“单元”)来产生大电力的工厂也慢慢成为现实。到目前为止，家庭用太阳能发电装置也主要是铺设在建筑物的房顶等上，但是也开始研究了在建筑物的壁面配置的方法。在一般的太阳能发电系统中，使用了在金属框内排列多个单元并互相连接了单元之间的“太阳能电池块”。在太阳能电池块(以下、有时简单称作“模块”)的前面设置玻璃板，各单元以与大气隔离并被密封的状态工作。通过铺设这种太阳能电池块，从而能够构筑太阳能发电系统。在导入这种太阳能发电系统的基础上，单元和模块的制造成本高成为障碍。此外， 作为导入障碍，也不能无视铺设单元或模块来构成系统的成本高的问题。越是在高处进行铺设作业，则越危险且成本越高，对于太阳能发电系统的进一步普及而言成为重大的课题。 此外，在已建设好的建筑物中导入太阳能发电系统的情况下，很难实施用于连接在屋外铺设的太阳能发电部和建筑物内部的电子设备的布线工程，这也成为与太阳能发电系统的普及相应的较大的课题。如后述那样，由于每个单元的输出电压较低，故在现有的太阳能发电系统中，为了获得电子设备的动作所需的电压，需要串联连接多个太阳能电池单元。因此，多个连接处的可靠性的降低也会成为使系统整体的长期可靠性降低的较大的要因。此外，在更换长期工作而劣化的模块或连接布线的情况下，也需要在高处进行作业，因此维持成本高也是问题。作为现有的太阳能发电装置的一例，公开了从屋外经由墙壁材料向屋内以无线方式供给能量的电力供给系统(例如，参照专利文献1)。在该电力供给系统中，通过电磁感应方式实现了经由墙壁的RF(高频)能量的传输。另一方面，也正在广泛普及利用了固体高分子形等的燃料电池的发电系统。即使在这种发电系统中，各个单元的输出电压也比较低，想要获得高电压时需要串联连接多个单元。因此，与太阳能发电设备相同，多个连接处的可靠性的降低会成为使系统整体的长期可靠性降低的要因。此外，专利文献2公开了在2个谐振器之间以无线方式传输能量的新的无线能量传输装置。在该无线能量传输装置中，经由在谐振器的周边的空间内产生的谐振频率的振动能量的渗出(随着距离急速衰减的电磁场(evanescent tail))使2个谐振器耦合，从而能够以无线方式(非接触)传输振动能量。以下，将作为谐振器而利用磁场分布的能量传输方式称作磁场谐振方式。
与现有的电磁感应方式相比，基于磁场谐振方式的无线电力传输能够显著地扩大传输距离。即，在谐振器之间的耦合系数k比各谐振器的衰减常数Γ 1、Γ 2之积的平方根大的情况下，能够进行良好的能量传输。现有技术文献专利文献专利文献1日本特开2006-136045号公报(第5实施方式、图16)专利文献2美国专利申请公开第2008/0278264号说明书(图5、图10)

发明内容
(发明想要解决的课题)在专利文献1记载的电力传输系统中，不能解决从各个单元输出的电压低这样的太阳能发电设备所固有的课题。在太阳能发电领域，目前因为能量变换效率高而被广泛使用的结晶硅系的1个太阳能电池(单元)的输出电压VcSo. 5V左右，是非常低的。例如，在将来自太阳能发电部的直流输出变换为交流的情况下，一般的变换电路(电力调节装置) 的动作效率相对于300Vdc左右的输入电压而被最大化。因此，想要执行高效率下的变换时，需要通过串联连接数百个单元来将太阳能发电部的输出电压提高至300V左右。此外， 在与作为家庭内配电的单相3线(100V或200V)的系统连接的情况下，需要通过电力调节装置来使太阳能发电部的输出电压升压至200倍以上。但是，若考虑升压时的电力效率的降低，则仍然是要求串联多个单元来尽可能提高太阳能发电部的输出电压。另外，即使在太阳能发电系统内不进行从直流向交流的变换的情况下，也会产生同样的问题。在最近备受关注的直流供电系统等中研讨使用的电压是48Vdc、或者300 400Vdc左右。因此，在直流供电系统中，也仍然需要串联连接数十个至数百个的单元。串联连接的单元或模块的个数越增加，在铺设区域的一部分成为背阴的情况(部分遮蔽)下或者在铺设的单元或模块的一部分产生了特性劣化的情况下，越容易导致系统整体的性能下降。为了回避这种问题，一般在模块内导入旁路二极管。但是，向模块内导入旁路二极管会导致发热或成本增加等问题，因此并不是优选的。另一方面，在利用具有升压功能的一般的DC/DC变流器来进行升压的情况下，高效地实现与大幅降低串联连接的单元的个数相对应的高的升压比是很困难的。另一方面，即使在利用了燃料电池的发电系统中，在与太阳能发电设备同样地各个单元或发电堆的一部分产生了特性的劣化的情况下，存在导致系统整体的性能下降的问题。本发明利用基于磁场谐振方式的无线电力传输来解决上述的课题。本发明的主要目的在于提供一种即使因合成来自多个发电单元的RF输出而使一部分发电单元的特性劣化也能够维持高的输出电力、且在进行合成时不会降低效率的发电系统。(用于解决课题的手段)本发明的发电系统具备第1发电单元和第2发电单元，各发电单元分别具备输出直流能量的发电设备、 将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出的振荡器、发送从所述振荡器输出的所述RF能量的送电天线、以及接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分的受电天线，将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且各发电单元输出所述受电天线接收到的所述RF能量；合成部，其接收从所述各发电单元输出的所述RF能量，合成所述RF能量之后进行输出；和振荡相位控制部，其调整从所述第1发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF 能量与从所述第2发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量之间的相位差，以便使由所述合成部对从所述第1发电单元输出的第IRF能量和从所述第2发电单元输出的第 2RF能量进行合成时的所述第IRF能量的相位和所述第2RF能量的相位一致。本发明的其他发电系统具备第1发电单元和第2发电单元，各发电单元分别具备输出直流能量的发电设备、 将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出的振荡器、发送从所述振荡器输出的所述RF能量的送电天线、以及接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分的受电天线，将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且各发电单元输出所述受电天线接收到的所述RF能量；合成部，其接收从所述各发电单元输出的所述RF能量，合成所述RF能量之后进行输出；和电抗调整电路，在所述第1发电单元和所述第2发电单元的至少一方中，该电抗调整电路被插入到所述振荡器与所述送电天线之间的、或者所述受电天线与所述合成部之间的传输线路上，包括电感器和电容元件的至少一方，且电抗值被设定为使由所述合成部合成从所述第1发电单元输出的第IRF能量和从所述第2发电单元输出的第2RF能量时的所述第IRF能量的相位和所述第2RF能量的相位一致的值。本发明的发电单元具备发电设备，其输出直流能量；振荡器，其将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出；脉冲生成器，其生成规定从所述振荡器输出的所述RF能量的相位的脉冲并将该脉冲输入给所述振荡器，具备接收从外部输入的控制信号的输入部，响应于所述控制信号的输入而生成所述脉冲；送电天线，其发送从所述振荡器输出的所述RF能量；和受电天线，其接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分，所述发电单元将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且输出所述受电天线接收到的所述RF能量。(发明效果)根据本发明的发电系统，由于以无线方式进行电力传输，因此可降低发电设备的铺设成本，而且能够简便地进行发电设备的一部分劣化时的更换作业。并且，对从多个发电单元输出的RF能量进行合成时，可降低从不同的发电单元输出的RF能量之间的相位差，因此能够获得高的输出电力。此外，根据本发明的优选实施方式，可在没有串联连接发电设备的情况下使来自各发电单元所包含的发电设备的输出电压升压，因此能够构筑效率高且稳定的发电系统。


图1是表示本发明的发电系统的一例的框图。图2是表示本发明的发电系统的其他例的框图。图3是本发明的第1实施方式中的发电系统的结构图。图4A是本发明的第1实施方式中的振荡器的结构图。图4B是本发明的第1实施方式中的合成部的结构图。图5是本发明的第1实施方式中的无线传输部的等效电路图。图6是表示本发明的第1实施方式中的脉冲控制部所进行的相位控制的图。图7(a)是表示不进行本发明的第1实施方式中的相位修正时的输出电力的图， (b)是表示进行了本发明的第1实施方式中的相位修正时的输出电力的图。图8是表示本发明的第1实施方式中的发电系统的其他结构的图。图9是本发明的第2实施方式中的发电系统的结构图。图10是表示本发明的第2实施方式中的阻抗控制部的结构的图。图11是表示本发明的第2实施方式中的阻抗变换的顺序的流程图。图12(a)是表示本发明的第2实施方式中的送电天线的第1结构例的图，(b)是表示本发明的第2实施方式中的送电天线的第2结构例的图，(c)是表示本发明的第2实施方式中的送电天线的第3结构例的图，(d)是表示本发明的第2实施方式中的送电天线的第4结构例的图。
具体实施例方式在说明本发明的优选实施方式之前，首先参照图1、2简单说明本发明的基本原理。图1是表示本发明的发电系统的示意结构的一例的框图。本发电系统具备第1发电单元110-1及第2发电单元110-2、和合成部111。合成部111对第1发电单元110-1和第2发电单元110-2的输出进行合成。另外，在本说明书中，对于与第1发电单元110-1相关的结构要素，在参考符号的后面附加“-1”，对于与第2发电单元110-2相关的结构要素， 在参考符号的后面附加“_2”。此外，在不区分发电单元110的情况下表示各结构要素时在参考符号的后面省略“_1”和“_2”。各发电单元110具有输出直流能量的发电设备101 ；将从发电设备101输出的直流能量变换成频率为fo的高频(RF)能量后进行输出的振荡器102 ；利用天线传输从振荡器102输出的RF能量的无线传输部103。无线传输部103包括送电天线107和受电天线 108，基于后述的磁场谐振方式进行无线电力传输。由此，从送电天线107向受电天线108 传输从振荡器102输出的RF能量。受电天线108向合成部111发送从送电天线107传输的RF能量。合成部111接受从各发电单元110发送出的RF能量(以下，有时称作“RF输出”)，并对这些RF能量进行合成，并输出给外部的负载或系统等。图1所示的发电系统还具备振荡相位控制部120，其对2个振荡器102-1、102-2进行相位控制，以使在合成2个发电单元110-1、110-2的RF输出时相位差几乎为0。振荡相位控制部120调整从上述2个振荡器102-1、102-2输出的RF能量的相位差，以使在合成上述2个RF输出时不会产生相位差。通过振荡相位控制部120进行的该相位控制，能够获得高的输出。在本发明中，并不限于并联连接2个发电单元，也可以并联连接3个以上，从而构成为通过合成来自各发电单元的输出而获得更高的输出。此时，振荡相位控制部120进行的上述的相位控制并不限于针对第1和第2发电单元110-1、110-2，也可以对其他发电单元所包含的振荡器进行上述的相位控制。想要使来自合成部111的输出最大时，优选对所有发电单元的RF输出进行合成时相位一致的方式对各发电单元110的振荡器102进行上述的相位控制。通过以上的相位控制，例如，即使在发电单元110至合成部111的传输线路的长度 (传输线路长)不同的情况下，也能够维持高的输出。同样地，即使在发电设备101中的发电环境(温度、放射照度等)不同的情况下，也能够维持高的输出。在上述的发电系统中，振荡相位控制部120对各振荡器102进行了相位的调整，但是也可以通过其他的方法进行相位的调整。在本发明中，只要构成为合成至少从2个发电单元110-1、110-2输出的RF能量时相位一致即可。图2是表示本发明的其他发电系统的示意结构的框图。图2所示的发电系统代替上述的振荡相位控制部120具备包含电感器和电容元件的至少一方的电抗调整电路130。 在图2所示的发电系统中，在第1发电单元110-1所包含的受电天线108-1与合成部111 之间的传输线路上插入了电抗调整电路130。另外，电抗调整电路130的位置并不限于此， 也可以插入到振荡器102-1与送电天线107-1之间。电抗调整电路130典型的是LC电路，包含电感器和电容元件的至少一方。电抗调整电路130的电抗值被设定为由合成部111合成来自第1发电单元110-1的RF输出和来自第2发电单元110-2的RF输出时相位一致的值。通过在传输线路上插入这种电抗调整电路130，可降低合成时的RF输出的相位偏离，能够获得高的输出。在图2所示的例中，仅对第1发电单元110-1发挥了电抗调整电路130的相位调整效果，但是电抗调整电路130也可以对第2发电单元110-2进行相位调整。此外，在构成为并联连接了 3个以上的发电单元的情况下，优选按照来自所有的发电单元的RF输出的相位在合成时一致的方式，针对所有发电单元设置电抗调整电路130。如以上所述，根据本发明的发电系统，由于能够降低在合成从多个发电单元输出的RF能量时有可能产生的相位偏离，因此能够实现高效率的发电。以下，说明本发明的有效性。在太阳能发电系统中，从太阳能电池块到合成点的传输线路的长度一般随着太阳能电池块的不同而不同，因此合成时的各RF输出的相位大多情况下不一致。因此，有时即使合成这些输出也不能得到高的输出。一般，在家庭用太阳能发电系统中，约组合10 20 块左右Im角的太阳能电池块来使用。因此，在一处汇总来自各模块的输出的情况下，根据模块的不同，在传输线路长度上最大会产生约IOm的差。频率越高，传输线路长因模块的不同而引起的RF输出的相位差就越大。若合成相位大且不同的多个RF输出，则总电力量会降低，因此产生整体的传输效率降低的问题。此外，在各发电单元110中，在受电天线108的输出端子与负载连接的状态下，优选发电设备101的输出阻抗和振荡器102的输入阻抗大致相等。在此，优选发电设备101的输出阻抗是输出电力最大的阻抗。同样，优选从振荡器102输出的RF能量的输出阻抗 hut和送电天线107的输入阻抗Zin大致相等。此外，在送电天线107连接了振荡器102 的状态下，优选受电天线108的输出阻抗hut和与受电天线108连接的负载的电阻值R大致相等。这些条件是在抑制电路块之间的RF能量的多次反射且提高总发电效率时有效的条件。但是，在为了满足该条件而改变各电路块的输入输出阻抗时，大多情况下也会产生相位变化。本发明解决以上的问题点，能够实现合成来自各发电单元110的RF输出时不会降低效率的发电系统和发电单元。此外，由于以无线方式传输电力，因此能够简化铺设作业或者一部分单元或模块的更换作业。本发明除了太阳能发电系统以外，还可以应用于使用了固体高分子形等燃料电池的发电系统等中。根据本发明，能够在发电堆中的每个单元内使低的输出电压升压，并且能够相对于输入的氢气的压力或环境温度等的变动维持稳定的能量输出。此外，在使用了燃料电池的发电系统中，也能够简单地进行一部分单元发生了故障时的单元更换作业。以下，参照图3至图12，说明本发明的优选实施方式。在以下的说明中，对相同或相对应的结构要素附加同一符号。(实施方式1)首先，参照图3至图8，说明本发明的第1实施方式。图3是表示本实施方式的发电系统的整体结构的图。本实施方式的发电系统具备将太阳光能量变换为RF能量来传输的多个发电单元110-1、…110-n ；合成从各发电单元传输的RF能量后进行输出的合成部 111 ；将由合成部111合成的RF能量变换为直流能量或比RF能量低频的交流能量后进行输出的电力变换部112。从电力变换部112输出的直流或交流能量被发送至负载(电子设备等)或系统而加以利用。各发电单元110具备将太阳光能量变换为直流能量的发电设备101 ；将从发电设备101输出的直流能量变换为频率fO的RF能量后进行输出的振荡器102 ；以无线方式传输从振荡器102输出的RF能量的无线传输部103。无线传输部103具备作为串联谐振电路的送电天线107、和作为并联谐振电路的受电天线108，进行基于后述的磁场谐振方式的能量传输。在各发电单元110中，受电天线108接受从送电天线107以无线方式传输的RF能量，并输出给合成部111。在本实施方式中，发电单元的个数只要是2个以上可以是任何个数。在本实施方式中，发电单元的个数是η个(η是2以上的整数)。发电单元的个数η可以根据铺设发电设备101的场所的面积或所需的电力来任意设定。另外，在图3中，在表示第η发电单元 IlOn所包含的结构要素的参考符号后面附加了“-η”。在本实施方式中，在不区分发电单元而只是表示各结构要素时省略参考符号后面的“_1”、…“-η”。本实施方式的发电系统还具备与η个发电单元110-1、…、110_η—对一地配置的η个脉冲生成器113-1、…丨口-!!、和向各脉冲生成器指示脉冲的生成时刻的脉冲控制部114。在各发电单元110内，与振荡器102相邻地配置各脉冲生成器113。在本实施方式中，脉冲控制部114和η个脉冲生成器113-1、…113_η相当于本发明中的振荡相位控制部 120。各脉冲生成器113生成对从对应的发电单元110所包含的振荡器102输出的RF能量的相位进行规定的脉冲，并输入给该振荡器102。此外，各脉冲生成器113具备接收从脉冲控制部114传输的控制信号的输入部113a，响应接收到的控制信号而生成脉冲。脉冲控制部114以降低进行合成时有可能产生的RF输出的相位偏离的方式决定各脉冲的生成时刻， 以有线或无线方式输出向各脉冲生成器113的输入部113a指示脉冲的生成的控制信号。将在后面详细叙述脉冲控制部114和脉冲生成器113的相位控制。在本实施方式中，设脉冲生成器113至振荡器102的传输距离和从振荡器102至送电天线107的传输距离在所有发电单元110-1、’"IlO-Ii中都相同。其中，即使在所有发电单元中这些距离不相同的情况下，也能够通过考虑各个传输距离之差来进行后述的相位控制，从而获得本实施方式的效果。另外，在本实施方式中，脉冲生成器113和振荡器102 被分开成独立的电路，但是脉冲生成器113也可以与振荡器102 —体化。以下，具体说明本发电系统的各结构要素。本实施方式中的发电设备101具备串联或并联连接的多个太阳能电池(单元)。 从提高发电效率的观点出发，优选使用结晶硅系的太阳能发电元件。但是，可在本发明中使用的太阳能电池可以是使用了镓砷元素、CIS系等化合物半导体材料的各种太阳能发电元件，也可以是使用了有机材料的各种太阳能发电元件。此外，所使用的半导体的结晶结构可以是单结晶、多结晶、非晶质的任一种。也可以利用层叠了各种半导体材料的级联型太阳能发电元件。振荡器102使用D级、E级、F级等可实现高效率且低失真特性的放大器。图4A是表示本实施方式中的振荡器102的具体的结构例的图。该结构是一般被称为E级振荡电路的结构。振荡器102包括MOSFET等开关元件21、电感器22、23、电容器对、25。作为向开关元件21施加的栅极驱动脉冲，输入从脉冲生成器113输出的频率f0的脉冲。电感器22、23 的电感和电容器M、25的电容被调整为从振荡器102输出的RF能量的频率成为f0。在此，从振荡器102输出的RF能量的相位是根据基于从脉冲生成器113输出的脉冲的开关元件21的开关动作时刻而决定的。从振荡器102输出的RF能量被输入至无线传输部103。 将频率f0设定在例如50Hz 300GHz的范围内，更优选设定在IOOkHz IOGHz的范围内， 进一步优选设定在500kHz 20MHz的范围内。无线传输部103具备送电天线107和受电天线108。送电天线107是包括电感器和电容元件的串联谐振电路。此外，受电天线108是包括电感器和电容元件的并联谐振电路。设定送电天线的谐振频率fT和受电天线的谐振频率fR等于由振荡器102生成的RF 能量的频率f0。通过设定谐振频率fT、fR等于频率f0，从而与输入到振荡器102的输入直流阻抗Zidc相比，能够将受电天线的输出阻抗hut设定为高的值。各电感器可以以最佳的方式由具有良好的导电率的铜或银等导电体形成。RF能量的高频电流集中流过导电体的表面，因此为了提高发电效率，可以利用高导电率材料覆盖导电体的表面。若根据在导电体的截面中央具有空洞的结构形成电感器，则能够实现轻量化。并且，若采用绞合线(Litz wires)等并联布线结构来形成电感器，则能够降低单位长度附近的导体损耗，因此能够提高串联谐振电路和并联谐振电路的Q值，能够以更高的效率进行电力传输。为了抑制制造成本，也可以使用墨液印刷技术来统一形成布线。也可以在各电感器的周边配置磁性体，但是并不优选将送电天线107中的电感器与受电天线108中的电感器之间的耦合系数设定为极高的值。因此，更优选实用具有可将两电感器之间的耦合系数设定为适当的值的空心螺旋结构的电感器。各电感器一般具有线圈形状。但是，并不限于这种形状。在高频下，具有某一程度线长的导体具有电感器，因此起到电感器的作用。此外，作为其他例，即使是在珠状的铁氧体中使导线通过，也能起到电感器的作用。从传输效率的观点出发，优选对置配置送电天线107中的电感器和受电天线108 中的电感器。但是，两电感器的配置并不限于对置配置，只要将两者配置成不正交即可。电容元件可利用例如片状、引线形状的所有类型的电容器。也可以使隔着空气的2 布线之间的电容起到电容元件的作用。在由MIM电容器构成电容元件的情况下，可以使用公知的半导体工序或多层基板工序来形成低损耗的电容电路。如图4B所示，合成部111具有各发电单元110的正极侧的输出端子彼此和负极侧的输出端子彼此连接的结构，合成从各发电单元110输出的RF能量。合成部111优选包括用于防止连接点之间的逆电流的多个二极管。向电力变换部112输出合成后的RF能量。另外，合成部111并不限于图4B所示的结构，只要能够合成从多个发电单元输出的RF能量， 则可以是任何结构。电力变换部112将由合成部111合成的RF能量变换为直流能量或商用交流能量。 在将RF能量变换为直流能量的情况下，作为电力变换部112，可以使用公知的整流电路。例如，可以利用全波整流或桥式整流电路。此外，可以使用半波倍电压整流电路或全波倍电压整流电路，也可以使用能够实现3倍以上的升压比的高倍压整流电路方式。此外，在将RF能量变换为商用交流能量的情况下，可以使用公知的变频电路。变频电路有各种方式的电路，可以采用如矩阵变流器方式那样进行直接频率变换的结构、或进行间接频率变换的电路。此外，作为输出结构，对应于单相或三相等输出的变频电路技术都可以被应用于本发明。以下，说明基于本实施方式中的磁场谐振方式的无线电力传输。本实施方式中的“天线”并不是用于进行电磁波的发送或接收的通常的天线，而使用利用了谐振器的电磁场附近分量(- K彳、7七 > 卜 〒一> )的耦合在2个物体间进行能量传输的要素。根据利用了谐振电磁场的无线电力传输，不会产生向远方传播电磁波时所产生的能量损耗，因此能够以极高的效率传输电力。在利用了这种谐振电磁场(近场) 的耦合的能量传输中，不仅与利用了法拉第电磁感应法则的公知的非接触电力传输相比损耗较少，例如在相隔数米的2个谐振器(天线)之间也能够高效率地传输能量。为了进行基于这种原理的无线电力传输，需要在2个谐振天线之间产生耦合。如上所述，本实施方式中的谐振频率fT和谐振频率fR都被设定为等于振荡器102的频率f0， 但是fT和/或fR不一定要完全与频率fO —致。为了基于谐振器之间的耦合实现高效率的能量传输，fT = fR是比较理想的，但是只要fT与fR的差异足够小即可。在本说明书中， “频率fT等于频率fR”被定义为满足以下的式1的情况。(式 1) I fT-fR 彡 fT/QT+fR/QR其中，QT是作为送电天线的谐振器的Q值，QR是作为受电天线108的谐振器的Q 值。一般，在将谐振频率设为X、将谐振器的Q值设为Qx的情况下，该谐振器的谐振所产生的频带相当于X/Qx。若上述的式1的关系成立，则在2个谐振器之间实现基于磁性谐振的能量传输。
接着，参照图5。图5是表示送电天线107和受电天线108的等效电路的图。本实施方式中的送电天线107是串联连接了第1电感器107a和第1电容元件107b的串联谐振电路。此外，受电天线108是并联连接了第2电感器108a和第2电容元件108b的并联谐振电路。送电天线107具有寄生电阻成分R1，受电天线108的并联谐振电路具有寄生电阻成分R2。另外，在不利用后述的升压效果的情况下，送电天线107不一定是串联谐振电路， 也可以是并联谐振电路。此外，受电天线108并不限于并联谐振电路，也可以是串联谐振电路。根据以上的结构，即使在将送电天线107与受电天线108之间的传输距离设定得较长的情况下，也能够进行高效率的电力传输。根据本实施方式的发电系统，不仅在送电天线107与受电天线108之间不利用布线进行连接的情况下能够传输电力，而且如后述那样， 在传输时能够有效地使低电压的能量(电力)升压。其结果，在受电天线108侧，可将发电设备(太阳能发电设备)101生成的低电压的能量捕获为高电压的RF能量。另外，在送电天线107与受电天线108之间也可以存在墙壁或屋顶等障碍物。此外，送电天线107和受电天线108这两者可以配置在屋内，也可以配置在屋外。无论在哪种情况下，都能够在2个天线之间进行无线电力传输时进行升压。在屋内设置送电天线107 和受电天线108这两者的情况下，屋外的发电设备101与送电天线107的连接克通过例如经由设置在建筑物的墙壁上的开口部的有线来实现。此外，在屋外设置送电天线107和受电天线108这两者的情况下，屋内的电子设备与受电天线108的连接也可以通过例如经由设置在建筑物的墙壁上的开口部的有线来实现。为了省略屋内外的有线连接，优选在屋外设置送电天线107、在屋内设置受电天线108。本实施方式中的无线电力传输的效率依赖于送电天线107与受电天线108的间隔 (天线间隔)、或构成送电天线107和受电天线109的电路元件的损耗的大小。另外，“天线间隔”实质上是2个电感器107a、108a的间隔。可以以天线的配置区域的大小为基准来评价天线间隔。在本实施方式中，电感器107a、108a都是以平面状扩展，以互相平行对置的方式配置两者。在此，天线的配置区域的大小意味着尺寸相对小的天线的配置区域的大小，构成天线的电感器的外形为圆形时是电感器的直径，外形为正方形时是电感器的一个边的长度，外形为长方形时是电感器的短边的长度。根据本实施方式，即使天线间隔为天线的配置区域的大小的1. 5倍左右，也能够以90%以上的无线传输效率传输能量。接着，参照图5说明在本实施方式中的无线传输部103中发现的升压效果。在此， 假设送电侧的谐振器107和接收侧的谐振器108以耦合系数k进行耦合。通过测量使在同一频率f0下谐振的2个谐振器靠近时分离的2个谐振频率fL和fH，可由以下的式导出耦合系数。(式 2) k = (fH2-fL2) / (fH2+fL2)此外，在电感器为Ll的第1电感器107a与电感器为L2的第2电感器108a之间产生的互感M和耦合系数k之间，以下的关系成立。(式 3)M = kX (L1XL2)0.5由此，耦合系数k是与作为电感器之间或谐振器之间的耦合强度的指标而从以往就开始使用的公知的耦合系数相同的指标。耦合系数k是满足0 < k < 1的关系的数值。在基于现有技术的电磁感应的能量传输中，设计谐振器的结构和配置关系，以使尽可能将耦合系数k设置得较大，即设置为几乎等于1。另一方面，如后所述，在本发明中，不需要将耦合系数k设定为接近于1的值，例如可设定为0. 5以下的值。在受电天线108的并联型谐振电路中，若将流过第2电感器108a的高频电流设为 IL2、将流过第2电容元件108b的高频电流设为IC2，则向图5所示的朝向流动的输出高频电流12可用以下的式来表示。(式 4)12 =-IL2-IC2此外，若将流过第1电感器107a的高频电流设为IL1，则可利用流过第2电感器 108a的高频电流IL2、流过第2电容元件108b的高频电流IC2、第2电感器108a的电感器 L2、第2电感器108a的寄生电阻R2、第1电感器107a的电感器Li、第2电容元件108b的电容C2，导出以下的式子。(式 5) (R2+j ω L2) XIL2+jcoMXILl = IC2/(jcoC2)由于在受电天线108中谐振条件成立，因此以下的(式6)成立。
(式 6) coL2 = l/(coC2)根据上述的(式4) (式6)，以下的式子成立。(式 7)R2XIL2+jcoMXILl = jcoL2XI2使(式7)变形而获得以下的式子。(式 8)12 = kX (Ll/L2)°_5XILl-j(R2/coL2) X IL2另一方面，可利用以下的(式9)来表示评价送电天线107的谐振器的低损耗性的指标Q值。(式 9) Q2 = ω L2/R2在此，在谐振器的Q值非常大的情况下，忽略(式8)的右边第2项的近似关系成立。因此，最终，通过以下的(式10)，导出在受电天线108中产生的高频电流(输出电流) 12的大小。(式 10)12 = kX (L1/L2)°_5XIL1在此，高频电流12依赖于输入到送电侧的谐振器(送电天线107)的高频电流 11(=流过第1电感器107a的高频电流ILl)、谐振器(天线)之间的耦合系数k、以及第1 和第2电感器L1、L2。根据上述的(式10)，利用下述(式11)表示本实施方式中的各发电单元110的升流比Ir。(式 11) Ir = 112/111 /Voc = k/Voc X (L1/L2)0.5此外，分别用以下的(式12)和(式13)表示升压比Vr和阻抗变换比&。(式 12) Vr = (Voc/k) X (L2/L1)0.5(式 13) Zr = (Voc/k)2 X (L2/L1)根据(式12)可知，当(L2/L1) > (k/Voc)2的条件成立时，升压比Vr比1大。由此可知，若耦合系数k变小，则升压比Vr上升。在基于现有技术的电磁感应的能量传输中， 使耦合系数k降低会连带着传输效率的大幅降低。但是，在本发明所采用的磁场谐振方式中，即使降低耦合系数k也不会导致传输效率的大幅降低。特别是，若将分别构成送电天线 107和受电天线108的谐振器的Q值设定为高的值，则能够在增大升压比Vr的同时抑制传输效率的降低。为了避免太阳能发电系统中的部分遮蔽(partial shading)的影响，比起串联连接多个太阳能发电设备的结构，更优选采用并联连接多个太阳能发电设备的结构。为了通过并联连接2个太阳能发电设备而获得与串联连接2个太阳能发电设备时相同的电压特性，需要使各太阳能发电设备的输出电压升压至2倍。在(式12)中、升压比Vr等于2是满足(L2/L1) = 4X (k/Voc)2的关系的时候。因此，在本实施方式中，优选满足(L2/L1)彡4X (k/Voc)2的关系。此外，若(L2/ Li)彡100X (k/Voc)2的关系成立，则能够实现10倍以上的升压比Vr。并且，若(L2/ Li)彡10000X (k/Voc)2的关系成立，则能够实现100倍以上的升压比Vr。根据本实施方式中的无线传输部103，可实现如此高的升压比Vr。由此，向合成部 111输入按每个发电单元110而被升压之后的RF能量。以下，说明本实施方式中的相位控制。在本实施方式的发电系统中，从受电天线108至合成部111的传输线路的长度根据发电单元110的不同而不同。因此，进行降低有可能在对从各发电单元110输出的RF能量进行合成时产生的相位偏离的相位控制。具体而言，预先由使用者或设计者等设定表示各发电单元110中的受电天线108至合成部111的传输线路的长度(传输线路长)的信息， 并将其记录在脉冲控制部114中。脉冲控制部114根据表示设定的传输线路长的信息，向各脉冲生成器113发送表示开关动作时刻的控制信号(脉冲产生触发)。图6是表示脉冲控制部114所执行的控制动作的一例的图。图示的例子表示对2 个发电单元110-1、110-2进行了相位控制时的控制动作。在此，假设传输线是具有1. 46mm 的绝缘被覆的直径为1. Imm的铜线，f0是1. 8MHz,阻抗是Z = 35 Ω，每单位长度的相位变化是3. 13deg/m。此外，假设第1发电单元110-1的传输线路长和第2发电单元110-2的传输线路长分别是Lenl (m)、Len2(m) (Lenl < Len2)。此时，由合成部111进行合成时的从第 1发电单元110-1输出的RF能量与从第2发电单元110-2输出的RF能量之间的相位差是 3. 13 X (Len2-Lenl)dego脉冲控制部114向第2脉冲生成器102-2赋予脉冲产生触发，以使从与第2发电单元110-2对应的第2脉冲生成器102-2输出的脉冲的相位比从与第1发电单元110-1对应的第1脉冲生成器102-1输出的脉冲的相位超前ΔΡ = 3. 13X (Len2-Lenl) deg。由此，从第1发电单元110-1输出的RF能量和从第2发电单元110-2输出的RF能量在相位互相一致的状态下被输入至合成部111。合成部111对从各发电单元输入的相同相位的RF能量进行合成，并输出给电力变换部112。另外，上述的说明中，在由脉冲控制部114进行的开关动作时刻的控制中，以第1 脉冲生成器102-1的脉冲生成时刻为基准变更了第2脉冲生成器102-2的脉冲生成时刻， 但是作为基准的发电单元110可以任意选择。将从并联连接的各发电单元110输出的RF 能量的相位控制成在进行合成时一致即可。此外，从各发电单元输出的RF能量的相位在输入到合成部111的时刻可以有一些偏离。理想的是这些相位完全一致，但是只要将各脉冲生成器的脉冲生成的时刻调整成合成时的各RF输出的相位差降低，则都能够得到本实施方式的效果。在本说明书中，2个相位一致被定义为相位差的绝对值在3deg以下。图7是通过仿真得到的表示本实施方式的发电系统的效果的图。图7表示由合成部111进行合成时的从2个发电单元110-1、110-2输出的各RF输出的波形、以及合成了两者的波形。图7(a)表示没有进行上述的相位控制时的结果，图7(b)表示进行了上述的相位修正时的结果。在图7中，Plout表示第1发电单元110-1的RF输出的电力波形，P2out 表示第2发电单元110-2的RF输出的电力波形，Psum表示合成部111的输出电力波形。在该仿真中，与上述相同，传输线路条件是分别将第1发电单元110-1和第2发电单元110-2的传输线路长设成lm、llm。作为传输线，使用具有1. 46mm的绝缘被覆的直径为1. Imm的铜线，f0为1. 8MHz。此外，设从2个振荡器102-1、102-2输出的峰值电力为 61.4ff(25. 6V,2. 4A) 0作为无线传输部103的通过特性，设输入阻抗为10 Ω、输出阻抗为 35 Ω、传输效率为94. 5%。此时，不进行基于传输线路长之差的相位修正时的合成部111的输出是102. 3W，进行了相位修正时的合成部111的输出是110. 3W。因此，在传输线路长差为IOm的情况下，通过相位修正，能够使传输电力量的峰值提高约8%。电力变换部112根据负载的规格，将通过以上的结构合成的RF能量变换为比直流或RF能量更低频(例如，60Hz以下)的交流电力，并输出给负载或系统。此外，也可以不使用电力变换部112，而是直接利用从合成部111输出的被合成之后的RF能量。例如，也可以向具有相同谐振频率f0的其他磁场谐振方式的无线电力传输系统(进行电动汽车等的充电的系统等)的送电天线输入来自合成部111的RF输出。如上所述，根据本实施方式的发电系统，在非接触能量传输中，在传输线路长根据每个发电单元110的不同而不同的情况下，也能够从发电设备101获取最大电力。并且，能够升压至输出给系统或负载时所需的电压。其结果，能够降低铺设成本，且简化了发电模块劣化时的更换作业，能够实现不需要多余的升压设备的发电系统。根据本实施方式的发电装置，能够将电力变换部112的输出电压例如提高至 200V 300V的范围。并且，可提高至一般的变换电路(电力调节装置)或直流供电系统等要求的300V 400V左右，或者这以上的升压也有可能。另外，在本实施方式中，各发电单元110构成为包括脉冲生成器113，但是也可以将脉冲生成器113配置在与发电单元110分开的位置上。图8是表示这种结构例的图。在图示的结构中，在1个框体内搭载了 η个脉冲生成器113-1、…、113-η，并将各脉冲生成器设置在了远离各发电单元110的位置上。即使是这种结构，只要考虑从各脉冲生成器113 至对应的振荡器102的传输距离之差来在适当的时刻产生脉冲，则能够适当地调整从振荡器102输出的RF能量的相位。在本实施方式中，利用脉冲控制部114和多个脉冲生成器113-1、…、113-η进行了相位的调整，但是也可以通过其他方法进行相位控制。例如，可以不使用脉冲控制部114和脉冲生成器113，而使在传输线路上插入图2所示的电抗调整电路130。电抗调整电路130 例如是包括电感器和电容元件的LC电路，连接在振荡器102至送电天线107之间、或受电天线108至合成部111之间。通过采用适当设定了电感器成分和/或电容成分的电抗调整电路130，能够将传输的RF能量设在期望的相位上。由此，能够降低进行合成时的各RF能量的相位差。(实施方式2)接着，参照图9说明本发明的第2实施方式。本实施方式的发电系统与实施方式1的发电系统的不同点在于，根据发电设备
16101的输出阻抗的变动来使各电路块的阻抗匹配。以下，主要说明与实施方式1的发电系统的不同点，省略重复事项的说明。在发电设备101为太阳能电池单元的情况下，有时随着照射的太阳光的强度或单元的温度等环境条件，发电设备101的输出阻抗会产生变化。因此，在由太阳能电池驱动固定的负载时，随着照射的太阳光的强度或单元的温度变化，在单元的输出阻抗与传输路径的阻抗之间产生不匹配。其结果，存在传输路径中的电力的传递效率降低的课题。此外，在发电设备101为燃料电池的情况下，存在随着发电设备101的环境条件而输出阻抗变动的课题。例如，有时随着所注入的氢气的压力或单元的温度变动，发电设备 101的输出阻抗会变动。因此，需要改变传输路径的输入输出阻抗来使传输路径的阻抗匹配。但是，在进行了阻抗变换的情况下，一般，由于变换后的电路块的电抗值会变化， 因此所传输的RF能量的相位会偏离。其结果，从各发电单元101输出的RF能量的合成点的相位与进行阻抗变换之前相比，会产生变化。根据本实施方式的发电系统，能够适当地修正伴随该阻抗变换的各发电单元110的RF输出的相位。图9是表示本实施方式的发电系统的结构的图。本实施方式中的发电系统除了实施方式1中的结构要素外，还具备测量从发电设备101输出的电流和电压的测量部51、和控制传输路径的各电路块中的输入输出阻抗的阻抗控制部52。发电系统还具备相位偏离数据存储器53，其保存表示伴随着阻抗变换的RF输出的相位偏离量的推测值的信息。阻抗控制部52基于发电设备101的输出阻抗的值执行阻抗变换。本实施方式中的相位偏离数据存储器53保存表示发电设备101的输出阻抗的变动、和作为伴随与此的阻抗变换的结果而产生的RF能量的相位偏离的大小之间的对应关系的数据。以下，说明本实施方式的发电系统中的阻抗匹配的动作。首先，在各发电单元110中，向振荡器102发送由发电设备101生成的直流能量。 测量部51测量从发电设备101输出的电流和电压，并向阻抗控制部52发送测量结果。阻抗控制部52根据所输入的电流和电压值计算发电设备101的输出阻抗，并根据计算出的输出阻抗的值，将传输线路上的各电路块的阻抗变换为预先设定的值，以使传输效率变得更高。 具体而言，阻抗控制部52根据发电设备101的输出阻抗的变动，将各发电单元110中的振荡器102的输入阻抗、送电天线107的输入阻抗、受电天线108的输出阻抗设定为最佳值。图10是表示阻抗控制部52的结构例的图。阻抗控制部52具备改变输出目的地的输入阻抗的开关动作控制部52a ；和记录了根据发电设备101的输出阻抗的变动来改变输出目的地的输入阻抗时所参考的数据的阻抗对应表格52b。在此，输出目的地是指振荡部 102、送电天线107以及受电天线108。阻抗对应表格52b例如保存在未图示的存储器中。 本实施方式中的振荡器102、送电天线107和受电天线108具有用于进行阻抗控制的多个开关。可通过改变各功能部中的多个开关的接通、断开的组合来改变各功能部的阻抗。在阻抗对应表格52b中记录发电设备101的输出阻抗的范围与输出目的地的各开关的接通、断开的组合之间的对应关系，而这些对应关系是在设计时预先设定的。阻抗对应表格52b例如是以下的表1所示的表格。在表1中，仅记载了振荡器102中的与开关Ql Q3相关的列，但是在实际的表格中还包括与送电天线107及受电天线108的开关相关的列。以下的表1表示根据发电设备101的输出阻抗Z的值的范围来切换振荡器的情况。
表1
权利要求
1.一种发电系统，具备第1发电单元和第2发电单元，各发电单元分别具备输出直流能量的发电设备、将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出的振荡器、发送从所述振荡器输出的所述RF能量的送电天线、以及接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分的受电天线，将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且各发电单元输出所述受电天线接收到的所述RF能量；合成部，其接收从所述各发电单元输出的所述RF能量，合成所述RF能量之后进行输出；和振荡相位控制部，其调整从所述第1发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量与从所述第2发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量之间的相位差，以便使由所述合成部对从所述第1发电单元输出的第IRF能量和从所述第2发电单元输出的第2RF能量进行合成时的所述第IRF能量的相位和所述第2RF能量的相位一致。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，在所述各发电单元中，所述送电天线是串联谐振电路，所述受电天线是并联谐振电路。
3.根据权利要求1或2所述的发电系统，其中，所述振荡相位控制部具备第1脉冲生成器，其生成规定从第1发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量的相位的脉冲，并将所述脉冲输入给所述振荡器；第2脉冲生成器，其生成规定从第2发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量的相位的脉冲，并将所述脉冲输入给所述振荡器；和脉冲控制部，其向所述第1和第2脉冲生成器指示脉冲的生成时刻。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的发电系统，其中，从所述第1发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量、与从所述第2发电单元所包含的所述振荡器输出的所述RF能量之间的相位差，是根据所述第1发电单元中的所述受电天线至所述合成部的传输线路的长度、与所述第2发电单元中的所述受电天线至所述合成部的传输线路的长度之差来设定的。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的发电系统，其中，在各所述发电单元中，具备阻抗控制部，其根据所述发电设备的输出阻抗的变动，改变所述振荡器的输入阻抗、所述送电天线的输入阻抗、以及所述受电天线的输出阻抗的至少1个，在所述阻抗控制部改变了所述振荡器的输入阻抗、所述送电天线的输入阻抗、以及所述受电天线的输出阻抗的至少1个阻抗的情况下，所述振荡相位控制部调整从所述第1发电单元所包含的所述振荡器输出的RF能量与从所述第2发电单元所包含的所述振荡器输出的RF能量之间的相位差，以便使由所述合成部合成所述第IRF能量和所述第2RF能量时的所述第IRF能量的相位与所述第2RF能量的相位一致。
6.根据权利要求5所述的发电系统，其中，在各发电单元中，具备测量部，其测量所述发电设备的输出电流和输出电压，所述阻抗控制部根据由所述测量部测量出的所述输出电流和所述输出电压，检测所述发电设备的输出阻抗的值。
7.根据权利要求5或6所述的发电系统，其中，所述发电系具备相位偏离数据存储器，其保存表示各发电单元所包含的所述发电设备的输出阻抗的变动、与由所述合成部合成所述第1和第2RF能量时的所述第1和第2RF 能量的相位偏离的大小之间的关系的信息，所述振荡相位控制部基于保存在所述相位偏离数据存储器中的信息，使从所述第1发电单元所包含的所述振荡器输出的RF能量的相位和从所述第2发电单元所包含的所述振荡器输出的RF能量的相位同步。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的发电系统，其中， >所述发电系具备电力变换部，其将所述合成部的输出变换为直流或60Hz以下的交流之后进行输出。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其中，设定各发电单元所包含的所述振荡器的输入阻抗、所述送电天线的输入阻抗、所述受电天线的输出阻抗、以及各发电单元的升压比，以便所述电力变换部的输出电压在200 300V的范围内。
10.根据权利要求1至9的任一项所述的发电系统，其中，各发电单元所包含的所述发电设备是太阳能发电设备。
11.根据权利要求10所述的发电系统，其中，所述太阳能发电设备是采用了结晶系硅的太阳能发电设备。
12.根据权利要求10或11所述的发电系统，其中，在各发电单元中，所述发电设备和所述送电天线设置在建筑物的外侧，所述受电天线设置在所述建筑物的内部。
13.根据权利要求10或11所述的发电系统，其中，在各发电单元中，所述发电设备、所述送电天线以及所述受电天线设置在建筑物的外侧，对置配置所述送电天线的至少一部分和所述受电天线的至少一部分。
14.根据权利要求1至13的任一项所述的发电系统，其中，在各发电单元中，将所述振荡器的升压比设为Voc、所述送电天线中的电感设为Li、所述受电天线中的电感设为L2、所述送电天线与所述受电天线之间的耦合系数设为k时，满足(L2/L1) ^ 4(k/Voc)2。
15.一种发电系统，具备第1发电单元和第2发电单元，各发电单元分别具备输出直流能量的发电设备、将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出的振荡器、发送从所述振荡器输出的所述RF能量的送电天线、以及接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分的受电天线，将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且各发电单元输出所述受电天线接收到的所述RF能量；合成部，其接收从所述各发电单元输出的所述RF能量，合成所述RF能量之后进行输出；和电抗调整电路，在所述第1发电单元和所述第2发电单元的至少一方中，该电抗调整电路被插入到所述振荡器与所述送电天线之间的、或者所述受电天线与所述合成部之间的传输线路上，该电抗调整电路包括电感器和电容元件的至少一方，且电抗值被设定为使由所述合成部合成从所述第1发电单元输出的第IRF能量和从所述第2发电单元输出的第2RF 能量时的所述第IRF能量的相位和所述第2RF能量的相位一致的值。
16. 一种发电单元，具备 发电设备，其输出直流能量；振荡器，其将从所述发电设备输出的直流能量变换为频率f0的RF能量之后进行输出；脉冲生成器，其生成规定从所述振荡器输出的所述RF能量的相位的脉冲并将该脉冲输入给所述振荡器，具备接收从外部输入的控制信号的输入部，响应于所述控制信号的输入而生成所述脉冲；送电天线，其发送从所述振荡器输出的所述RF能量；和受电天线，其接收由所述送电天线发送的所述RF能量的至少一部分， 所述发电单元将所述送电天线的谐振频率和所述受电天线的谐振频率设定为等于频率f0，并且输出所述受电天线接收到的所述RF能量。
全文摘要
本发明提供一种发电系统及发电单元。发电系统具备将直流能量变换为RF能量之后以无线方式传输电力的第1和第2发电单元(110-1、110-2)、合成来自各发电单元的输出的合成部(111)、减少合成从2个发电单元(110-1、110-2)输出的RF能量时的相位差的振荡相位控制部(120)。振荡相位控制部(120)调整从第1发电单元(110-1)所包含的振荡器(102-1)输出的RF能量、与从第2发电单元(110-2)所包含的振荡器(102-2)输出的RF能量之间的相位差，以便使由合成部(111)合成从第1发电单元(110-1)输出的第1RF能量和从第2发电单元(110-2)输出的第2RF能量时的第1RF能量的相位和第2RF能量的相位一致。
文档编号H02J17/00GK102598472SQ201180004278
公开日2012年7月18日 申请日期2011年10月6日 优先权日2010年10月8日
发明者山本浩司, 菅野浩 申请人:松下电器产业株式会社