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地上波ディジタル放送波から高効率に発電する回路を開発。
大学院生が無線電力伝送の代表的な国際学会で学生論文賞第三位受賞。
微弱電波を用い、世界トップレベルの発電効率を実現

金沢工業大学 大学院電気電子工学専攻 博士前期課程1年生の古田貴大さん(伊東健治研究室)が2016年5月5日(木)から6日の2日間、ポルトガル・アヴェイロで開催された無線電力伝送に関するIEEE(米国電気電子学会)Microwave Theory and Techniques-Society(MTT-S、マイクロ波技術ソサエティ) 主催の国際学会Wireless Power TransferConference2016より学生論文賞である「Student Paper Award」の第三位を受賞しました。

東京スカイツリーから出される地上波ディジタル放送の電波を用い、広範な地域で電源供給する技術を低コストでかつ世界トップレベルの発電効率で実現したことが評価されたものです。

「Wireless power transfer conference」は無線電力伝送に関する代表的な国際学会で、2016年は一般、学生を含む150件の論文の投稿があり、うち採択された論文は世界21カ国97件(採択率64.7%)でした。そのなかで古田さんの論文は口頭発表として選ばれた31件(採択率20.7%)の1つです。

無線電力伝送は太陽光発電衛星から地上への送電や電気自動車のワイヤレス給電などを可能とする今一番ホットな研究分野で、世界中の研究者が実現にむけた研究開発にしのぎを削っています。近年、この技術を応用した「エネルギー・ハーベスティング技術」の研究が進められています。これは放送や携帯電話の微弱な電波を利用し直流電圧を発電する技術で、電源や電池を用いることなく、様々な場所に電子機器を設けることが出来るようになります。そのため、様々な監視用センサーへの応用が想定されています。

古田さんの研究は500MHz帯の地上波ディジタル放送の電波を用い、直流を発電する高周波の整流回路の高効率化に関するものです。新たなアンテナや回路方式により、微弱な1μWの放送波からの発電効率として世界トップレベルの8.7%を実現したものです。この開発した整流回路の有効性を確認するために、古田さんは東京地区での実証実験を行い、東京スカイツリーから25km離れた地点での発電を確認しました。この25kmの距離は、東京スカイツリーから東京23区をカバーするための距離です。アンテナや回路の新しいアイデアに加え、東京での有効性の実証を示したことにより、本発表は学会参加者から注目を集めました。

今回のWPTC2016では日本から22件の論文が採択されましたが、一般・学生への論文賞(全6件)の受賞機関は金沢工業大学だけでした。

【無線電力伝送について】

電気をワイヤレスで伝送する技術で、スマートフォンや電気自動車などへの新たな充電方式として、世界中の研究者が取り組む今一番ホットな研究分野の一つです。

現在は以下の3種類の方式があります。

1)電磁誘導方式

スマートフォンなどの給電などで実用化されている方式。数kHzの交流を用います。電力伝送距離はミリメートル。

2)磁界共鳴方式

MITが開発した方式。数十MHzの高周波を用います。伝送距離は数メートル。

3)電波方式

電気を電波に変換してアンテナを介して送受信する方式。電波に変換するため、例えば宇宙空間の太陽光発電衛星で発電した電気を地上に伝送することも可能です。使用する電波はWifiや電子レンジで使用されている高周波のマイクロ波(例えば2.4GHz)を使用します。この技術は、近年、電力伝送用途に加え、放送や携帯電話の微弱な電波を利用し直流電圧を発電する「エネルギー・ハーベスティング技術」にも応用されています。世界中の研究者が実現にむけた研究開発にしのぎを削っている技術で、古田さんの研究はこの電波方式を応用した「エネルギー・ハーベスティング技術」での研究成果となります。

【古田さんの研究について】

(1) アンテナ

微弱な地上ディジタル放送波を用い発電するためには、後述の整流回路に対し、回路駆動に必要な高周波電圧を与える必要があります。今回開発したアンテナは折り返しダイポールアンテナという方式であり、図1に示すようにアンテナ形状を工夫し、従来のアンテナに対し約6倍の高周波電圧で整流回路を駆動することができました。その結果、従来より、より微弱な電波であっても効率よく発電することができるようになりました。アンテナ単体では既に金沢工業大学 野口研究室より学会発表を行い、電子情報通信学会より学術奨励賞を受賞するなど、高い評価を得ています。

 

(2) 整流回路

電気を電波に変換して伝送する場合、電波は波形を描くため、受電する側は図2のように、正の半周期と負の半周期をもつ交流電流として受電することになります。

 

ところが受電した電気をバッテリー等で蓄電し利用する場合には、交流電流を直流電流に変換しなければなりません。

そこで整流回路と呼ばれる電流をオン・オフする回路を使って、図3のように負の周期を正の周期に変えます。

整流回路により負の半周期が正の半周期の山に変わり、交流電流は正の半周期だけの直流電流に変換されます。この場合の直流電流の電流、電圧は正の半周期の平均値となります(図4の赤の線)。

 

古田さんは、部品サイトなどで購入できる安価なシリコンダイオード(20円、30円程度)を用いた整流回路の研究に取り組みました。

ダイオードをマイクロ波整流回路に用いた場合、ダイオードの特性として電流をオフにしても、寄生容量に交流電流が流れ、出力へ流れない無駄な電流が生じてしまうため、図5のように正の半周期の平均値が下がり、変換効率が悪くなる問題がありました。

 

古田さんはこの効率低下の要因を解決する整流回路を設計、製作し、その結果、1μWという微弱な電波を用い発電効率8.7%という世界トップレベルの性能を実現することに成功しました。

 

この開発した整流回路を用い、東京スカイツリー周辺で実証実験を行いました。その結果、25km離れた地点において発電出力を確認することができ、東京23区内相当のエリアをカバーできることを明らかにしました。

●:測定地点

 

本研究はこのように放送波を用い広範な地域で電源供給する技術を、低コストでかつ世界トップレベルの発電効率で実現するものとして学会で評価され、Student paper awardを受賞しました。

2016年5月12日UP

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