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ワイヤレス電力伝送
−スマートグリッド時代への技術システムの開発−



 ワイヤレス電力伝送技術の進歩は最近目覚ましく、モバイル機器や家電などへの充電から、電気自動車や体内埋込型医療用機器への充電など、広い分野で大きな関心が寄せられています。
 本調査レポートは、ワイヤレス電力伝送技術に関する最新の技術文献、公開特許を中心とした情報を収集し、以下の点に重点を置いてまとめたものです。

電磁共鳴方式、電磁誘導方式、マイクロ波方式、レーザー方式などの各方式について、特長と課題、研究開発とその成果、要素技術を詳述。
高効率化に向けた技術、大電力伝送技術、エネルギーの長距離伝送技術について、具体例を挙げて紹介。
給電方式の標準化に向けた検討を紹介。
環境問題の特長と課題から見たインフラ整備の現状を詳述。
  
   □体裁 A4判 327ページ
   □価格 本体68,000円+消費税
   □送料 弊社負担
   □発行 2012年3月
 

章 目 次


 第1章 ワイヤレス電力伝送の背景と概況
 第2章 電磁誘導方式によるワイヤレス電力伝送
 第3章 電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送
 第4章 マイクロ波伝送方式によるワイヤレス電力伝送
 第5章 その他の方式によるワイヤレス電力伝送
 第6章 ワイヤレス電力伝送におけるインフラ整備
 
 

詳  細 目 次

 
第1章 ワイヤレス電力伝送の背景と概況 1
 1.1 ワイヤレス電力伝送の背景 1
  1.1.1 歴史的背景 1
  1.1.2 インフラ整備の背景 2
   (1) スマートグリッドとの関係 3
   (2) 電気自動車充電との関係 3
   (3) ワイヤレス電力伝送標準規格との関係 3
   (4) 電磁環境との関係 4
 1.2 各方式の特徴、課題、実用化の概況 4
  1.2.1 電磁誘導方式 5
   (1) 特長と課題 5
   (2) 実用化の概況 6
  1.2.2 電磁共鳴方式 6
  1.2.3 マイクロ波方式 7
  1.2.4 レーザー方式 8
第2章 電磁誘導方式によるワイヤレス電力伝送 10
 2.1 電磁誘導方式のシステム構成 10
  2.1.1 ブロック図によるシステム構成の解説 10
  2.1.2 等価回路によるシステム構成の解説 10
  2.1.3 コイルと磁界図によるシステム構成の解説 12
  2.1.4 回路構成とその特性 13
 2.2 電磁誘導方式に関する研究開発とその成果 15
  2.2.1 電気自動車用充電 15
   (1) 電気マイクロバス(Waseda Advanced Electric Micro Bus(WEB)) 15
   (2) 各国における研究開発成果 18
   (3) 自動車用蓄電池技術の中の非接触給電システム 20
  2.2.2 家電用品における非接触給電 21
  2.2.3 ワイヤレス電力伝送シート 23
  2.2.4 医療用給電 26
   (1) 埋込型人工心臓給電システム 26
   (2) 人工心臓以外の埋込型給電システム 28
    (A) 充電式心臓ペースメーカ 28
    (B) 運動再建電気刺激装置 29
    (C) 加温素子 30
  2.2.5 その他の研究開発 30
   (1) 工具・スリップリングなど産業用機器への応用 30
   (2) 超電導リニアへの一提案 32
  2.2.6 電磁環境 34
   (1) ワイヤレス電力伝送と周囲の電磁環境 34
 2.3 電磁誘導方式における要素技術 35
  2.3.1 トランス 35
   (1) トランス巻線方式による特性比較 35
   (2) トランス巻数とギャップに係る諸特性 38
   (3) トランス巻数と共振用コンデンサ容量に係る諸特性 41
   (4) 携帯電話用トランス 43
  2.3.2  ICカード用電源回路 48
  2.3.3 体内医療機器 49
   (1) 最大受電電力 49
   (2) 回路パラメータの検討 52
   (3) カプセル内視鏡電源による生体影響 54
   (4) 人工心臓用電源による生体影響 56
  2.3.4 誤給電 59
   (1) 誤給電状態の諸特性 59
   (2) 誤給電状態の対策法 61
 2.4 電磁誘導方式における応用展開 64
  2.4.1 電気自動車 64
   (1) IHIが米ベンチャーから技術取得 64
   (2) 海外を含む事例 65
   (3) 日野自動車のバス 67
  2.4.2 搬送システムの例 70
  2.4.3 リニアモータ装置の例 72
  2.4.4 家庭電化製品応用例 75
  2.4.5 携帯機器 76
   (1) パナソニックの給電パッド 76
   (2) WPC方式充電ケータイ 77
  2.4.6 医療機器 78
   (1) 経皮給電 78
   (2) 人工網膜チップへの給電 79
  2.4.7 その他の応用展開 81
   (1) WPC技術仕様 81
   (2) 漏洩磁界 83
 2.5 特許から見た電磁誘導方式によるワイヤレス電力伝送 87
第3章 電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送 108
 3.1 電磁共鳴方式のシステム構成 108
  3.1.1 等価回路によるシステム構成の解説 108
   (1) 磁界共鳴の等価回路 109
   (2) 電界共鳴の等価回路 109
  3.1.2 アンテナの動作 110
  3.1.3 アンテナ間ギャップの影響 111
  3.1.4 アンテナの巻数と電力伝送効率 112
 3.2 電磁共鳴方式に関する研究開発とその成果 113
  3.2.1 アンテナの位置ずれに強いワイヤレス電力伝送 113
   (1) ヘリカルアンテナの場合 114
   (2) メアンダラインアンテナの場合 116
  3.2.2 等価回路から見た磁界結合と電界結合 117
   (1) 磁界結合(ヘリカルアンテナ)の場合 117
   (2) 電界結合(メアンダラインアンテナ)の場合 119
  3.2.3 等価回路から見た最大伝送効率 120
  3.2.4 1次元移動式ワイヤレス電力伝送 123
   (1) 方向性結合器を改造したもの 123
   (2) 方向性フィルタを改造したもの 126
   (3) 回路素子を加えたことによる特性改善 128
  3.2.5 電磁共鳴方式ワイヤレス電力伝送の一理論 130
 3.3 電磁共鳴方式における要素技術 136
  3.3.1 アンテナと電力伝送効率向上 136
   (1) アンテナ特性と電力伝送効率 136
    (A) 正弦波を電源に使った際の電力伝送 136
    (B) アンテナ間効率に関する考察 139
   (2) インピーダンス変換素子を用いた効率向上 140
   (3) アンテナの改良による効率向上 143
   (4) 小形アンテナの採用 146
  3.3.2 電磁共鳴方式の現象解析・解明 148
   (1) 共鳴メカニズムの現象解明 148
   (2) 中距離電力伝送の回路系の解析 152
  3.3.3 電磁共鳴方式の最適設計 154
  3.3.4 移動型電力伝送のシステム改善 156
 3.4 電磁共鳴方式における応用展開 159
  3.4.1 「ラスト・ワン・メートル」 159
 3.4.2 モバイル機器用ワイヤレス電力伝送システム 162
  3.4.3 トヨタが選んだ電力伝送システム 167
  3.4.4 YRP(横須賀リサーチパーク):BWF(Broadband Wireless Forum)の取り組み 169
  3.4.5 数mの距離を高効率で伝送可能な「電磁共鳴方式」 169
 3.5 特許から見た電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送 172
第4章 マイクロ波伝送方式によるワイヤレス電力伝送 187
 4.1 マイクロ波伝送方式の特徴とシステム構成 187
  4.1.1 歴史と特徴 187
  4.1.2 システム構成 188
   (1) 送電器 188
    (A) 大出力発信源方式 189
    (B) 低出力発信源方式 189
   (2) 受電器(レクテナ) 190
 4.2 マイクロ波伝送方式に関する研究開発とその成果 191
  4.2.1 研究開発の経緯 191
   (1) 概要 191
   (2) 移動体への無線電力伝送 191
   (3) ユビキタス電源 193
  4.2.2 SPS(宇宙太陽発電所) 193
   (1) 無線送電技術の歴史 193
   (2) アンテナ 193
   (3) 米国におけるSPS開発の現状 194
   (4) 日本におけるSPS開発の現状 195
   (5) SPSからの電力伝送技術 196
    (A) フェイズドアレー 198
    (B)  レトロディレクティブ方式 199
   (6) 京都大学の新設のマイクロ波エネルギー伝送実験施設 199
  4.2.3 マイクロ波用高性能ダイオードの開発 200
   (1) ワイドバンドギャップの優位性 200
   (2) デバイス設計と試作 201
   (3) レクテナでの測定 201
  4.2.4 二次元伝達媒体によるマイクロ波電力伝送 202
   (1) 二次元通信シート 202
   (2) 放射電力のシミュレーション 204
   (3) チョーク構造付きカプラ出力の実測 204
 4.3 マイクロ波伝送方式における要素技術 205
  4.3.1 マイクロ波ビームによる電離層大気への影響 205
   (1) 線形プロセスによる電離層への影響 205
   (2) 非線形相互作用による影響 206
    (A) 電子加熱とビームの熱的自己収束現象 206
    (B) 大振幅電磁波放射による非線形3波共鳴現象 207
    (C) 電磁波ビーム電界の空間勾配によるポンデロモーティブ力と密度擾乱 207
  4.3.2 レクテナに関する要素技術 208
   (1) レクテナの構成と基本動作 208
   (2) レクテナの要素技術 209
    (A) ダイオードの実装 209
    (B) アンテナ 210
   (3) レクテナアレー 210
  4.3.3 建築構造物を利用したマイクロ波ユビキタス電源 211
   (1) システムの概要 212
   (2) 要素技術 212
    (A) 送電部:マグネトロン 212
    (B) 分配分岐:可変電力分配器 212
    (C) 伝送経路:デッキプレート導波管 212
    (D) 電力取り出し:コンセントアダプタ 213
    (E) 電力取り出し:GaNショットキーダイオードレクテナ 213
   (3) 実大空間試作・評価 214
    (A) 対象建物と仕様 214
    (B) 実大空間モックアップ 214
    (C) 評価実験 214
 4.4 マイクロ波伝送方式における応用展開 214
  4.4.1 新方式レクテナによる電気自動車充電 215
   (1) 受電システム 215
   (2) 無線充電実験結果 216
  4.4.2 電気二重層キャパシタを用いた電気自動車充電の効率向上 217
  4.4.3 移動式電力伝送方式による電気自動車充電 220
  4.4.4 無人飛行機への電力伝送システム 222
 4.5 特許から見たマイクロ波伝送方式によるワイヤレス電力伝送 223
第5章 その他の方式によるワイヤレス電力伝送 232
 5.1 レーザーによる電力伝送 232
  5.1.1 レーザー電力伝送の特徴と方法 232
   (1) 特徴・課題 232
   (2) 方法 232
    (A) 電磁ビームの発散と伝送距離 232
    (B) L-SPSにおけるシステムの概要 234
  5.1.2 レーザー電力電送の研究開発と技術的課題 235
   (1) これまでの研究開発 235
    (A) 宇宙での利用 235
    (B) 地上での利用 235
   (2) 技術的課題 237
    (A) レーザー 237
    (B) エネルギー変換 237
    (C) ビームの収束とトラッキング 238
    (D) 熱の排除 238
    (E) 安全性 238
  5.1.3 宇宙太陽光発電所からのレーザー電力電送(L-SPS) 238
   (1) 地上実験の研究状況 238
    (A) L-SPS検討モデル 238
    (B) レーザー電力伝送地上実験の計画 239
    (C) 太陽光励起固体レーザーの開発 240
    (D) レーザー/光電変換システムの概念検討 240
   (2) 地上実験での空間伝送特性 241
    (A) レーザー伝送試験設備 241
    (B) 実験内容 241
    (C) 実験結果(伝送効率) 242
   (3) L-SPSの技術的課題 243
    (A) 方向制御と安全性の保障 243
    (B) 地球の大気と気象の影響 243
    (C) 地上におけるエネルギー変換 243
 5.2 超音波による電力伝送 244
  5.2.1 超音波電力伝送の方法と特徴 244
  5.2.2 超音波電力伝送の研究開発 245
   (1) 伝送電力特性 245
   (2) ユーザ選択的電力伝送 246
   (3) 伝送周波数ピークシフトの伝送電力量への影響 250
 5.3 特許から見たレーザー波・超音波によるワイヤレス電力伝送 250
第6章 ワイヤレス電力伝送におけるインフラ整備 256
 6.1 スマートグリッド(次世代送電網)との関係 256
  6.1.1 スマートグリッドとは 256
   (1) スマートグリッドの定義と狙い 256
    (A) スマートグリッドの定義 256
    (B) スマートグリッドの狙い 257
   (2) スマートグリッドの歴史と日米欧の状況 258
    (A) スマートグリッドの歴史 258
    (B) 日米欧のスマートグリッド事情 258
    (C) スマートグリッドの導入目的 259
   (3) 電力網の現状と課題 259
   (4) スマートグリッドの国際標準化 262
   (5) 太陽光発電大量導入時のスマートグリッド 263
   (6) 閉空間におけるワイヤレスグリッド 265
  6.1.2 スマートグリッドの要素技術 267
   (1) スマートグリッドの技術課題 267
   (2) スマートメータ 273
    (A) スマートメータの導入準備 273
    (B) スマートメータ用統合管理技術 275
    (C) 電気設備用ワイヤレス計測システム 277
   (3) 制御・計測システム 278
    (A) スマートグリッド監視制御システム 278
    (B) スマートグリッド基盤計測システム 280
   (4) 太陽光発電の出力変動抑制 282
    (A) 太陽光発電の系統への影響 282
    (B) 太陽光発電の出力変動抑制技術 285
    (C) 出力変動抑制用蓄電池システム 287
  6.1.3 スマートグリッドの実証試験 289
   (1) 動き出したスマートグリッド・国内外で実証試験(SANGYO SHINCHO) 289
   (2) 次世代送配電系統最適制御技術実証事業 290
    (A) 配電系統の電圧変動抑制技術の開発 291
    (B) 次世代変換器技術を応用した低損失・低コスト機器の開発 291
    (C) 系統状況に応じた需要家機器の制御技術と機器の開発 291
    (D) 系統全体での需給計画・運用、情報通信インフラの検討 292
   (3) 横浜市・豊田市・京都府・北九州市の実証試験 292
    (A) 横浜市「横浜スマートシティプロジェクト」 293
    (B) 豊田市「『家庭・コミュニティ型』低炭素都市構築実証プロジェクト」 293
    (C) 京都府(けいはんな学研都市)「けいはんなエコシティ
       『次世代エネルギー・社会システム』実証プロジェクト」 293
    (D) 北九州市「北九州スマートコミュニティ創造事業」 293
   (4) 三菱電機の社内実証試験 293
   (5) 富士通の米スマートグリッド市場への参入 296
   (6) 東芝による大阪の環境都市建設 296
 6.2 電気自動車普及との関係 296
  6.2.1 電気自動車充電インフラ 296
  6.2.2 各社の自動車充電インフラ整備 299
   (1) トヨタ自動車の充電インフラ整備 299
   (2) 日産自動車の充電インフラ整備 300
   (3) 三菱自動車の充電インフラ整備 301
 6.3 WPC(Wireless Power Consortium)の現状 301
  6.3.1 標準規格0.95版から0.99版へ 301
  6.3.2 標準規格1 301
  6.3.3 WPCの展望 302
   (1) ケータイWatch 302
   (2) PC Watch 303
  6.3.4 標準規格「Qi」 304
 6.4 電磁環境:EMC(Electro Magnetic Compatibility:電磁環境両立性)との関係 304
  6.4.1 電磁環境について 305
   (1) 電磁環境の現状 305
   (2) 家庭や事務所の電磁波問題 305
   (3) 生体への影響 305
   (4) 医療機器への電磁波問題 306
   (5) 電磁波シールドと電磁波(電波)吸収 306
   (6) EMC 306
  6.4.2 スマートコミュニティにおけるEMC 307
   (1) 情報通信ネットワーク相互および情報通信ネットワークと家電との干渉 308
   (2) 情報通信ネットワークと電力ネットワークとの干渉 308
   (3) 電力装置内部におけるパワーエレクトロニクス回路と情報通信回路との干渉 308
  6.4.3 建築物における電磁環境と対策 309
   (1) 建築における電磁波シールド技術 309
   (2) オフィスビルにおけるEMI(障害電磁波放射)対策 312
   (3) 電磁波シールド性鉄鋼材料 315
  6.4.4 医療現場における電磁環境と対策 317
   (1) 病院内におけるEMC対策事例 317
   (2) 医用電子機器に対する放射イミュニティ試験 320
  6.4.5 電磁環境計測法の一例 323

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