发电系统以及无线电力输送系统 |
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| 申请号 | CN201280003869.0 | 申请日 | 2012-11-15 | 公开(公告)号 | CN103229381A | 公开(公告)日 | 2013-07-31 |
| 申请人 | 松下电器产业株式会社; | 发明人 | 山本浩司; 菅野浩; | ||||
| 摘要 | 发电系统具备：多个发电单元(1000-1～1000-N)，各发电单元通过 谐振器 之间的 磁场 耦合以无线的方式输送所发出的电 力 ；交流合成部(121)，对从各发电单元的交流变换输出部输出的交流 能量 进行合成并供给至交流负载；直流合成部(122)，对从各发电单元的直流变换输出部输出的直流能量进行合成并供给至直流负载；和输出控制部(130)，基于交流负载以及直流负载当中的至少一方的消耗电力，将控制 信号 送出至各发电单元的输出切换部，由此控制各发电单元的输出。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发电系统，具备： |
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| 说明书全文 | 发电系统以及无线电力输送系统技术领域[0001] 本发明涉及有效地配电由多个发电单元所发出的电力的发电系统以及无线电力输送系统。 背景技术[0002] 以往，提出一种对设置于建筑物中的负载(照明等电器)配给交流电力以及直流电力的配电系统。例如，在专利文献1中公开了一种如下的配电系统，即：在安装于房间的墙壁等上的交流电源用插座设置输出直流电力的端子，由此不仅能供给交流电力还能供给直流电力。该配电系统具备：配电板，具有变压器以及整流器；和交流电源用插座，设置有直流输出端子。变压器将100V或者200V的交流电压变换成交流负载所使用的6V、3V、1.5V的交流电压，并输出至整流器。整流器对从变压器输出的交流电压进行整流，由此变换成6V、3V、1.5V的直流电压，并输出至被设置于插座的直流输出端子。通过这种构成，由此能够将从商用交流电源供给的电力配给至交流负载以及直流负载。 [0003] 另一方面，从环境保护的观点出发，在住宅中设置太阳能发电系统或燃料电池发电系统正在普及。在这些发电系统中，由太阳能电池或燃料电池所发出的直流电力，通过功率调节器而被变换成交流电力。被变换后的交流电力被输出至例如住宅内的交流供电系统(AC transmission system)。在太阳能发电系统中，在由住宅内的负载所消耗的电力小于由太阳能发电系统所发出的电力的情况下，所发出的电力的剩余量被供给(逆潮流)至商用电源的供电并网。由此，可以向电力公司卖出电力(售电)。 [0004] 在使专利文献1所公开的配电系统和发电系统直接组合起来的情况下，当将从太阳能电池或燃料电池等发电设备输出的直流电力供给至直流负载之际会产生损耗。具体而言，由于通过功率调节器暂时将所输出的直流电力变换成交流电力，然后在配电系统中再次变换成直流电力，由此电力变换所带来的损耗变大。 [0005] 针对该问题，专利文献2公开了一种如下的配电系统，即：将从发电设备输出的直流电力直接且优先地配电至直流负载。该系统构成为，将直流负载以及交流负载并联连接到发电设备的输出电力线，并优先地进行向直流负载的配电。由此，在向直流负载配电之际不会产生多余电力变换所带来的损耗。 [0006] 另一方面，专利文献3公开了一种如下的新的无线电力输送装置，即：借助空间在两个谐振器之间输送能量(电力)。在该无线电力输送装置中，借助在谐振器的周边的空间所产生的谐振频率的振动能量的渗透(evanescent tail)而使两个谐振器耦合，从而以无线(非接触)的方式输送振动能量。这种的作为谐振器而利用磁场分布的能量输送方式被称作“谐振磁场耦合方式”。 [0007] 使谐振磁场耦合方式的无线电力输送系统和发电系统组合起来的无线电力输送型发电系统已被提出(例如专利文献4)。在该系统中，由发电设备所发出的直流电力在无线电力输送部中被变换成高频的交流电力(以下有时称作“高频电力”或者“高频能量”。)，由一对天线以无线的方式进行输送。被输送后的高频电力例如被整流并输入至功率调节器之后，供给至负载。 [0008] -在先技术文献- [0009] -专利文献- [0010] 专利文献1：日本实开平4-128024号公报 [0011] 专利文献2：国际公开第2010/016420号 发明内容[0014] -发明要解决的课题- [0015] 专利文献2所公开的直流配电系统构成为，将从太阳能发电板整体输出的电力分配给直流负载以及交流负载。因而，以系统整体进行在日射量或板温度发生变动之际的最大输出追踪控制，而非按每个板进行上述控制。其结果，例如在铺设区域的一部分变为背阴处的情况(部分遮挡)、或在被铺设的小区或模块的一部分特性发生劣化的情况下，系统整体的性能容易下降，可能导致发电量减少。 [0016] 本发明的实施方式鉴于上述课题，提供一种能有效地配电来自多个发电单元的输出的无线电力输送型发电系统。 [0017] -用于解决课题的技术方案- [0018] 本发明的实施方式的发电系统，具备： [0019] 多个发电单元，各发电单元具有：发电设备，输出直流能量；振荡器，将从所述发电设备输出的所述直流能量变换成高频能量并输出；供电天线，送出从所述振荡器输出的所述高频能量；受电天线，接受由所述供电天线送出的所述高频能量当中的至少一部分；交流变换输出部，将高频能量变换成频率相对低的交流能量并输出；直流变换输出部，将高频能量变换成直流能量并输出；和输出切换部，将包括所述交流变换输出部以及所述直流变换输出部在内的多个输出部连接到所述受电天线，并基于控制信号将所述受电天线接受到的所述高频能量送出至所述多个输出部当中的任一个； [0020] 交流合成部，对从各发电单元的所述交流变换输出部输出的交流能量进行合成并供给至交流负载； [0021] 直流合成部，对从各发电单元的所述直流变换输出部输出的直流能量进行合成并供给至直流负载；以及 [0022] 输出控制部，基于所述交流负载以及所述直流负载当中的至少一方的消耗电力，将所述控制信号送出至各发电单元的所述输出切换部，由此来控制各发电单元的输出。 [0023] -发明效果- [0025] 图1是表示本发明的实施方式的发电系统的构成的框图。 [0026] 图2是表示本发明的实施方式中的一个发电单元的构成的框图。 [0027] 图3是表示本发明的实施方式中的振荡器102的电路构成的例子的图。 [0028] 图4是本发明的实施方式中的供电天线以及受电天线的等效电路图。 [0029] 图5A是在本发明的实施方式中能使用的半波倍压整流电路的电路图。 [0030] 图5B是在本发明的实施方式中能使用的两波倍压整流电路的电路图。 [0031] 图6A是在本发明的实施方式中能使用的单相输出的逆变器的电路图。 [0032] 图6B是在本发明的实施方式中能使用的三相输出的逆变器的电路图。 [0033] 图6C是在本发明的实施方式中能使用的V接点方式逆变器的电路图。 [0034] 图7是在本发明的实施方式中能使用的升压斩波器的电路图。 [0035] 图8A是在本发明的实施方式中能使用的间接方式的矩阵转换器的电路图。 [0036] 图8B是在本发明的实施方式中能使用的直接方式的矩阵转换器的电路图。 [0037] 图9是表示本发明的实施方式中的直流合成部的构成的一例的图。 [0038] 图10是表示本发明的实施方式中的交流合成部以及高频合成部的构成的一例的图。 [0039] 图11是表示各发电单元的发电量以及各负载的消耗电力的例子的图。 [0040] 图12A是表示由输出控制部对各发电单元的输出进行调整后的结果的例子的图。 [0041] 图12B是表示由输出控制部对各发电单元的输出进行调整后的结果的其他例的图。 [0043] 图14是用于说明本发明的实施方式中的升压效果的等效电路图。 [0044] 图15是表示本发明的其他实施方式中的构成例的框图。 具体实施方式[0045] 以下，参照添加的附图，对本发明的实施方式进行说明。在以下的说明中，对于相同或相对应的要素赋予相同的参照符号。 [0046] 本实施方式的发电系统为在独门独户住宅中所使用的太阳能发电系统。另外，本实施方式的发电系统不仅适用于独门独户住宅，还适用于集合住宅的各住户、事务所、大楼等建筑物。 [0047] <整体构成> [0048] 图1是表示本实施方式的发电系统100的整体构成的框图。另外，在图1中，也示出不是发电系统100的构成要素的、交流(AC)负载R1、直流(DC)负载R2、高频(HF)负载R3、以及商用并网电源(commercial power grid)P。交流负载R1表示利用交流电力进行动作的、AC家电等所有负载。直流负载R2表示利用直流电力进行动作的、DC家电或蓄电池等所有负载。高频负载R3表示利用高频电力进行动作的、应用无线电力输送的家电或能非接触充电的电动汽车等所有负载。构成交流负载R1、直流负载R2、高频负载R3的各负载被设置在住宅的内部或者住宅的周边，且从商用并网电源P供给交流电力(50V或者60V)。虽然在图1中未示出，但是在住宅中设置有对从商用并网电源P供给的交流电力进行变压、整流、频率变换等必要处理并分配给各负载的配电板。 [0049] 本说明书中的“高频”意味着比商用交流电源的频率(50Hz或者60Hz)还高的频率。例如，可使用几百Hz～300GHz的频带，更优选100kHz～10GHz的频带，进一步优选500kHz～20MHz的频带。另外，根据用途，也可利用10kHz～1GHz、或者20kHz～20MHz的范围的频带。在本实施方式中，例如通过使用了10kHz～10MHz频带的频率的无线电力输送，能够进行向设置于电动汽车或者应用无线电力的家电中的二次电池的充电。 [0050] 图1所示的发电系统100具备N个(N为2以上的整数)的发电单元1000-1～1000-N。各发电单元对一枚太阳能电池板的输出进行无线输送，并能以从交流电力、直流电力、高频电力这3种输出形式之中选择出的一种输出形式进行输出。发电单元的个数N根据被要求的电力量来适当地设定。例如，在被要求的电力量为3kW、且一枚太阳能电池板的发电量为200W的情况下，发电单元的个数成为15个左右。 [0051] 发电系统100还具备与各发电单元连接的交流合成部121、直流合成部122、以及高频合成部123。交流合成部121对从各发电单元输出的交流电力进行合成并供给至交流负载R1。直流合成部122对从各发电单元输出的直流电力进行合成并供给至直流负载R2。高频合成部123对从各发电单元输出的高频电力进行合成并供给至高频负载R3。 [0052] 发电系统100进一步具备：交流电力检测部201，对交流负载R1的消耗电力进行检测；直流电力检测部202，对直流负载R2的消耗电力进行检测；高频电力检测部203，对高频负载R3的消耗电力进行检测；和输出控制部130，基于各负载的消耗电力来控制各发电单元的输出。以下，对各部的构成进行更详细地说明。 [0053] <发电单元> [0054] 图2是表示各个发电单元1000-1～1000-N的构成的框图。各发电单元具有：发电设备101，由太阳能电池板生成直流电力；振荡器102，将由发电设备101生成的直流电力变换成高频电力；供电天线107，送出高频电力；和受电天线108，接受并输出所送出的高频电力当中的至少一部分。由此，由发电设备101所发出的电力经由供电/受电天线以无线的方式进行输送。此外，各发电单元具有：输出部114，接受从受电天线108输出的高频电力，并输出交流、直流、高频电力之中的、被选择出的任一电力；和发电量检测部110，对从受电天线108输出的高频电力的大小进行检测。输出部114具有：交流变换输出部111，将高频电力变换成频率相对低的交流电力并输出；直流变换输出部112，将高频电力变换成直流电力并输出；高频输出部113，不变换而直接输出高频电力；和输出切换部109，将交流变换输出部111、直流变换输出部112、以及高频输出部113与受电天线108电连接。输出切换部109从图1所示的输出控制部130接受控制信号并转换输出目的地。关于输出控制部130所进行的控制的详细内容将在后面叙述。 [0055] <发电设备> [0056] 本实施方式中的发电设备101为具有被串联连接的多个太阳能发电模块的太阳能发电设备。作为太阳能发电模块，从提高发电效率的观点出发能够使用结晶硅系的太阳能发电元件。但是，太阳能发电模块既可以为采用了砷化镓、CIS系等化合物半导体材料的各种太阳能发电模块，也可以为采用了有机材料的各种太阳能发电模块。此外，所使用的半导体的晶体结构也可以为单晶、多晶、非晶的任一种。也可以利用层叠了各种半导体材料的串列型太阳能发电模块。由发电设备101所发出的直流电力被送至振荡器102。 [0057] <振荡器> [0058] 振荡器102是例如振荡频率被设定为f0的、所谓E级振荡电路或者D级振荡电路。或者，取而代之，也可使用F级放大器或多赫蒂放大器。也可在产生包含失真成分的输出信号的开关元件的后级配置低通滤波器或者带通滤波器，由此生成高效率的正弦波。 [0059] 振荡频率f0被设定为比商用交流电源的频率(50Hz或者60Hz)还高的频率。例如可设定为几百Hz～300GHz，更优选100kHz～10GHz，进一步优选500kHz～20MHz。此外，根据用途，也可设定为10kHz～1GHz、或者20kHz～20MHz的范围。 [0060] 图3是表示本实施方式中的振荡器102的电路构成的一例的图。本构成为一般被称作E级振荡电路的构成。振荡器102包括：MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等开关元件21、电感器22、电容器24、构成串联谐振电路的电感器23以及电容器25。作为送往开关元件21的选通驱动脉冲而输入了频率f0的脉冲串。电感器22、23的电感以及电容器24、25的电容被调整成：从振荡器102输出的高频电力的频率成为f0。通过这种构成，从发电设备101输入的直流电力被变换成频率f0的高频电力，并被送至供电天线107。 [0061] <供电天线以及受电天线> [0062] 如图4所示，供电天线107为第1电感器107a以及第1电容元件107b被串联连接的串联谐振电路。另一方面，受电天线108为第2电感器108a以及第2电容元件108b被并联连接的并联谐振电路。各天线的谐振频率被设定成变得与振荡器102的振荡频率f0大致相等。此外，供电天线107的串联谐振电路具有寄生电阻成分R1，受电天线108的并联谐振电路具有寄生电阻成分R2。被输入至供电天线107的高频电力，通过供电天线107与受电天线108之间的谐振磁场耦合而以无线的方式输送至受电天线108。 [0063] 供电天线107以及受电天线108彼此不接触，例如相隔几mm～几m左右。供电天线107以及受电天线108不是进行信号输送的通常的天线，而是借助利用了电磁场的近接成分(evanescent tail)的耦合，用于在两个物体之间进行能量(电力)输送的要素。根据利用了谐振电磁场的无线电力输送，由于在将电磁波传播至远方时产生的能量损耗不会发生，因此可以极高的效率输供电力。在这种利用了谐振电磁场(近接场)的耦合的能量输送中，较之利用法拉第电磁感应规则的公知的非接触电力输送，能够增长输送距离。例如，可以在相距几米的两个天线之间输送能量。 [0064] 为了进行基于这种原理的无线电力输送，需要使谐振磁场所引起的耦合产生在两个天线之间。尤其是，为了实现高效率的能量输送，供电天线107的谐振频率fT和受电天线108的谐振频率fR被设定为相近的值。在本实施方式中，虽然设为 但是只要供电天线107以及受电天线108可以通过频率f0的谐振磁场耦合以非接触的方式输供电力即可，无需严格地满足 [0065] 在本实施方式中，在将振荡器102的升压比设为Voc、将第1电感器107a的电感设为L1、将第2电感器108a的电感设为L2、将第1天线107与第2天线108之间的耦合系数设为k时，满足以下关系地决定L1、L2、k、Voc的值。 [0066] (式1) (L2/L1)≥4(k/Voc)2 [0067] 如后面详细说明的那样，在满足式1的关系时，经过无线输送，可以将被输出的高频电力的电压相对于被输入至振荡器102的直流电力的电压而提高到2倍以上(升压比：2以上)。根据该作用，在输送时能够有效地对低电压的电力进行升压，即便在发电设备101的输出电压低的情况下，根据升压效果，也可输出任意的高电压的电力。在满足上述关系的情况下，无需对多个发电设备101进行串联连接以提升电压，就能使各发电单元并行地动作。 [0068] 从输送效率的观点出发，供电天线107以及受电天线108可配置成彼此对置。其中，即便在没有配置成对置的情况下，也只要配置成两者不正交即可。 [0069] 为了抑制电路块之间的能量的多次反射以改善综合发电效率，在受电天线108的输出端子与后续的输出部114等连接的状态下，能够使从振荡器102输出的频率f0的能量的输出阻抗和供电天线107的输入阻抗相等。 [0070] 本实施方式中的电力输送的效率依赖于供电天线107与受电天线108之间的间隔(天线间隔)、构成供电天线107和受电天线108的电路元件的损耗的大小。另外，“天线间隔”实质上是指供电天线107所具有的电感器107a与受电天线108所具有的电感器108a之间的间隔。能够以天线的配置区域(由天线所占有的区域)的大小作为基准来评价天线间隔。 [0071] 在本实施方式中，供电天线107所具有的电感器107a以及受电天线108所具有的电感器108a均展宽为平面状，且两者配置成彼此平行对置。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，假设在构成天线的电感器的外形为圆形的情况下被定义为电感器的直径，在为正方形的情况下被定义为电感器的一边的长度，在为长方形的情况下被定义为电感器的短边的长度。根据本实施方式，即便天线间隔为天线的配置区域的大小的1.5倍程度，也能以90％以上的无线输送效率输送能量。 [0072] 本实施方式中的供电天线107所具有的电感器107a以及受电天线108所具有的电感器108a分别具有匝数为N1、N2的螺旋结构(N1＞1、N2＞1)，但电感器107a、108a也可具有匝数为1的环形结构。这些电感器107a、108a无需由一层的导电体图案构成，也可具有将被层叠的多个导电体图案串联连接的构成。 [0073] 此外，这些电感器107a、108a可由具有良好电导率的铜或银等导电体适当地形成。由于从振荡器102输出的能量的高频电流成分集中地流过导电体的表面，因此为了提高发电效率，也可由高电导率材料覆盖导电体的表面。如果从在导电体的断面中央具有空洞的构成出发形成这些电感器，则能够实现轻量化。进而，如果采用利兹线等并联布线结构来形成电感器，则能够减低每单位长度的导体损耗。由此，能够使串联谐振电路以及并联谐振电路的Q值提高。其结果，可以更高的效率进行电力输送。 [0074] 为了抑制制造成本，也可采用墨水印刷技术而一并形成布线。虽然也可在供电天线107以及受电天线108所具有的电感器的周边配置磁性体，但是不优选将这些电感器之间的耦合系数k设定成极端高的值。因而，可以采用能将耦合系数k设定成恰当值的具有空芯螺旋结构的电感器。 [0075] 各电感器一般而言具有线圈形状。但是，并不限定于这种形状。在高频下，由于具有某种程度线长的导体具备电感，因此作为电感器发挥功能。此外，作为其他例，仅在珠状的铁氧体插入导线就能作为电感器发挥功能。 [0076] 供电天线107以及受电天线108所具有的电容元件能够利用具有例如芯片形状、导线形状的所有类型的电容器。也可以使隔着空气的2布线之间的电容作为电容元件发挥功能。在由MIM电容器构成这些电容元件的情况下，能够采用公知的半导体工艺或者多层基板工艺来形成低损耗的电容电路。 [0077] 构成供电天线107以及受电天线108的每一个的谐振器的Q值也依赖于系统所要求的天线间电力输送的输送效率、以及耦合系数k的值，但是优选设定为100以上，更优选设定为200以上，进一步优选设定为500以上，再进一步优选设定为1000以上。为了实现高的Q值，采用上述的利兹线是有效的。 [0078] <输出切换部> [0079] 通过无线电力输送被升压后的高频电力被送往输出切换部109。输出切换部109例如为公知的半导体开关，根据从输出控制部130送出的控制信号，将交流变换输出部111、直流变换输出部112、高频输出部113当中的任一个与受电天线108电连接。由此，受电天线108所接受到的高频电力被送至交流变换输出部111、直流变换输出部112、高频输出部113当中的任一个。 [0080] <直流变换输出部> [0081] 直流变换输出部112将所输入的高频电力变换成直流电力，并输出至直流合成部122。直流变换输出部112为半波整流电路、两波整流电路、电桥整流电路等整流电路。图 5A为半波倍压整流电路的电路图的一例，图5B为两波倍压整流电路的电路图的一例。无论哪个整流电路均包括二极管等无源元件。除此之外，还存在能实现3倍以上的升压比的高倍压整流电路方式。这些整流电路均可适用于本实施方式。 [0082] 如果使用图5A、图5B所例示的倍压整流电路，则可以使升压到被输入至直流变换输出部112的电压的2倍之后的直流电压输出。如果使用这种整流电路，则除了无线电力输送所带来的升压效果之外，还能实现进一步的升压效果。 [0083] 另外，整流电路并不限定上述那样的具有二极管等无源元件的电路。例如，也可采用如同步整流电路那样通过外部时钟对FET的栅极进行ON/OFF控制来进行整流的电路。 [0084] <交流变换输出部> [0085] 交流变换输出部111将所输入的高频电力变换成频率与商用并网电源相同的50Hz或者60Hz的交流电力，并输出至交流合成部121。作为交流变换输出部111的频率变换方法，例如能适用在暂时变换成直流电力之后再变换成50Hz或者60Hz的交流的方法。在整流电路的后级，作为将直流电力变换成交流电力的电路，能够利用例如逆变器。图6A为单相输出的逆变器的电路图，图6B为三相输出的逆变器的电路图。此外，图6C为V接点逆变器的电路图。 [0086] 如果使用图6A至图6C所例示的逆变器，则能够与负载或并网的频率相匹配地对整流后的直流电力进行变换并输出。此外，也可在后级进行了DC-AC变换之后再通过交流滤波器。通过使用这种滤波器，从而例如在进行向并网的潮流、即售电的情况下，能够去除不期望的高次谐波、噪声成分等。 [0087] 进而，也可在逆变器电路的前级设置图7所例示的升压斩波器电路。通过设置升压斩波器电路，从而能够在预先提高直流能量的电压之后，再由逆变器电路变换成交流能量。 [0088] 交流变换输出部111的上述例子具备从频率为f0的交流变换成直流的整流电路、和从直流变换成频率为50Hz或者60Hz的交流的逆变器，但是交流变换输出部111并不限定于这种构成。即便使用图8A所例示的间接方式的矩阵转换器(间接矩阵转换器)，也能进行与上述同样的变换。 [0089] 此外，交流变换输出部111也可以为从频率为f0的高频能量直接变换成频率为50Hz或者60Hz的交流能量的电路。如果使用图8B所例示的直接方式的矩阵转换器，则可以将所输送的频率为f0的高频能量直接变换成例如并网的频率50Hz或者60Hz的三相交流能量。此外，通过在矩阵转换器的前级设置高频滤波器，也可去除对于向交流频率fout变换而言不期望的高次谐波、噪声成分。 [0090] <高频输出部> [0091] 高频输出部113将所输入的高频电力不经过变换地输送至高频合成部123。高频输出部113为包括与高频合成部123连接的输出端子在内的电路部分。另外，输出切换部109和高频合成部123也可被直接连接，而在这两者之间不设置任何部件。在该情况下，输出切换部109与高频合成部123之间的输送路径对应于高频输出部113。 [0092] <发电量检测部> [0093] 此外，在受电天线108的后级连接有发电量检测部110。发电量检测部110例如为公知的电力计，对受电天线108所接受到的高频电力的电力量进行测量，并将其结果送往输出控制部130。 [0094] <直流合成部、交流合成部、高频合成部> [0095] 其次，对直流合成部122、交流合成部121、以及高频合成部123的构成进行说明。 [0096] 直流合成部122根据直流负载R2所需的电压对从各发电单元输入的直流电压进行合成，并输出给直流负载R2。直流合成部122例如具有图9所示的电路构成。此例的直流合成部122具有各发电单元的正侧的输出端子彼此与输送线连接、以及负侧的输出端子彼此与输送线连接的构成。如图9所示，直流合成部122可包括用于防止连接点之间的反向电流的多个二极管。根据这种构成，来自多个发电单元的直流输出被合成。另外，直流合成部122并不限于图9所示的构成，只要能合成从多个发电单元输出的直流电力，则可以为任意构成。 [0097] 交流合成部121使从各发电单元输入的交流电力的电压、相位相匹配地进行合成，并输出给交流负载R1。交流合成部121不仅向交流负载R1输出，还可向商用并网电源输出(逆潮流)。 [0098] 高频合成部123与高频负载所需的电压相匹配地对从各发电单元输入的高频电力的电压进行合成，并输出给高频负载R3。高频合成部123具有与交流合成部121同样的构成。 [0099] 交流合成部121以及高频合成部123与直流合成部122同样地，也可具有图9所示的电路构成，也可具有其他构成。图10是表示其他构成例的图。在该例子中，交流合成部121以及高频合成部123如图10所示那样具有变压器的结构。来自多个发电单元1000-1～ 1000-N的导电线作为初次绕组而被缠绕在铁等导电体的一侧，来自另一侧的次级绕组的输出被供给至交流负载R1或者高频负载R3。 [0100] 此外，为了使合成效率最大化，能够使从各发电单元输出的能量的电压完全一致。作为使电压完全一致的方法，可以适用通过使图4所示的各参数自适应地变化来调整升压比的方法。例如，在变更L1、L2的情况下，只要准备多个具有不同绕组的电感器，并适当地切换这些电感器即可。此外，在调整耦合系数k的情况下，只要适当变更供电/受电天线的位置关系(距离或者对置偏离量)即可。此外，也可通过变更振荡器102的驱动频率或者变更驱动脉冲的宽度(占空比)，来调整输出电压。此外，在交流合成部121以及高频合成部123中，也可从提高合成效率的观点出发，使所输入的所有电力的相位一致。 [0101] <交流电力检测部、直流电力检测部、高频电力检测部> [0102] 交流电力检测部201、直流电力检测部202、高频电力检测部203例如为公知的电流计。交流电力检测部201通过检测从商用并网电源P流入交流负载R1的电流，来检测交流负载R1的消耗电力(负载量)。直流电力检测部202通过检测从商用并网电源P流入直流负载R2的电流，来检测直流负载R2的消耗电力。高频电力检测部203通过检测从商用并网电源P流入高频负载R3的电流，来检测高频负载R3的消耗电力。具体而言，由于当各负载变化时消耗电力变化，因此从商用并网电源P流入该负载的电流变化。由于施加给该负载的电压固定，因此如果检测到电流，则能检测消耗电力以及负载量。这样，在本说明书中，假设在电力的检测中也包括通过检测电流来间接地检测电力的方法。另外，也可检测从交流合成部121、直流合成部122、高频合成部123一侧流入各负载的电流，而非从商用并网电源P流入各负载的电流。此外，也可通过电力计等直接检测负载的消耗电力，而不检测电流。表示由交流电力检测部201、直流电力检测部202、高频电力检测部203所检测到的消耗电力(负载量)的信息被送至输出控制部130。 [0103] <输出控制部> [0104] 其次，对输出控制部130的动作进行说明。输出控制部130例如通过包括CPU(Central Processing Unit)的硬件和程序的组合来控制各发电单元的输出。在输出控制部130中，从各发电单元的发电量检测部110输入了表示发电量的信息，并且也输入了表示由交流负载检测部201、直流负载检测部202、高频负载检测部203所检测到的负载的消耗电力(或者负载量)的信息。输出控制部130基于各发电单元的发电量以及各负载中的消耗电力的信息，按照以下的规则，针对各发电单元来决定从交流变换输出部111、直流变换输出部112、高频合成部123当中的哪个部件输出电力。而且，向各发电单元的输出切换部109发送指示输出目的地的指令(控制信号)。 [0105] 在此，假设在初始状态下送往各负载的电力是由商用并网电源P供给的。而且，假设各发电单元的输出切换部109设定为将高频电力送出至交流变换输出部111。假设从该状态起，在各发电单元中开始发电的定时，开始输出控制部130所进行的控制。 [0106] 输出控制部130首先从第1发电单元1000-1开始依次将输出切换部109的输出目的地从交流变换输出部111转换成高频输出部113，直到相对于高频负载R3的消耗电力而言充足为止。在此，在输出目的地被切换成高频输出部113的发电单元的发电量的总和即将超过高频负载R3的消耗电力之前，进行切换。输出控制部130在切换了下一个发电单元的输出目的地时判断出发电量的总和超过了高频负载R3的消耗电力的情况下，从下一个发电单元起将输出切换部109的输出目的地切换成直流变换输出部112。而且，在输出目的地被转换成直流变换输出部112的发电单元的发电量的总和即将超过直流负载R2的消耗电力之前，其余的发电单元的输出目的地依次切换成直流变换输出部112。如果相对于直流负载R2的消耗电力而言大致充足，则输出切换部109的输出的切换结束。关于其余的发电单元，经由交流变换输出部111而将电力输出至交流合成部121。根据以上的动作，从已切换了输出目的地的发电单元供给高频负载R3以及直流负载R2所必要的电力，从其余的发电单元供给交流负载R3所必要的电力。 [0107] 以上的动作是发电量充分大的情况下的例子，但是在发电量不足的情况下，从商用并网电源P供给所不足的电力。此外，在发电量超过全部负载所要求的消耗电力的情况下，其剩余电力可被逆潮流(售电)至商用并网电源P。 [0108] 图11是表示某时间点下的各发电单元的发电量和各负载的消耗电力的例子的表。假设测量结果为：发电单元1～N所发出的发电量分别为P1～PN。此外，假设交流负载、直流负载、高频负载的消耗电力分别为PAC、PDC、PHF。 [0109] 图12A是表示上述控制的结果的例子的图。在该例子中，P1～Pi的总和相对于高频负载R3的消耗电力PHF而言大致充足，Pi+1～Pj的总和相对于直流负载R2的消耗电力PDC而言大致充足，但是Pj+1～PN的总和却没有达到交流负载R1的消耗电力PAC。在这种情况下，相对于交流负载R1的发电量的不足量由商用交流电源P进行补充。 [0110] 图12B是表示上述控制结果的其他例的图。在该例子中，P1～Pi的总和相对于高频负载的消耗电力PHF而言大致充足，Pi+1～Pj的总和相对于直流负载的消耗电力PDC而言大致充足，Pj+1～PN的总和超过了交流负载的消耗电力PAC。在这种情况下，发电量的超过量能够逆潮流(售电)至商用交流电源P。 [0111] 另外，在上述的例子中，发电量相对于直流负载R2以及高频负载R3的消耗电力而言充足，但是也存在发电量相对于直流负载R2以及高频负载R3的消耗电力而言不充足的情况。在这种情况下，不足量由商用交流电源P进行补充。此外，在本实施方式的控制中，由于在发电量的总和即将达到直流负载R2以及高频负载R3的消耗电力之前切换输出，因此关于直流负载R2以及高频负载R3而言电力略有不足。该不足量由商用交流电源P进行补充。 [0112] 图13是表示输出控制部130所进行的上述输出控制的算法的例子的流程图。首先，在步骤S100中，输出控制部130将发电单元1～N的输出切换部109的输出目的地设定成交流变换输出部111。其次，在步骤S101中，将1代入到变量k中。接下来，在步骤S102中，发电单元k的输出切换部109的输出目的地被切换成高频输出部113。在步骤S103中，判断输出切换部109的输出目的地被切换成高频输出部113后的发电单元的发电量的总和是否超过高频负载R3的消耗电力。在判断出没有超过的情况下，在步骤S104中对变量k加1，在步骤S105中判断k与N之间的大小关系。在判断出k不大于N的情况下，返回到步骤S102，下一个发电单元的输出切换部109的输出目的地被切换成高频输出部113。在步骤S105中判断出k大于N的情况下，处理结束。 [0113] 在步骤S103中判断出输出切换部109的输出目的地被切换成高频输出部113后的发电单元的发电量的总和超过了高频负载R3的消耗电力的情况下，进入到步骤S106。在步骤S106中，输出控制部130将发电单元k的输出切换部109的输出目的地切换成直流变换输出部112。然后，在步骤S107中，判断输出切换部109的输出目的地被切换成直流变换输出部112后的发电单元的发电量的总和是否超过直流负载R2的消耗电力。在判断出超过了的情况下，处理结束，在判断出没有超过的情况下，进入到步骤S108。在步骤S108中对变量k加1，在步骤S109中判断k与N之间的大小关系。在判断出k不大于N的情况下，返回到步骤S106，下一个发电单元的输出切换部109的输出目的地被切换成直流变换输出部112。在步骤S109中判断出k大于N的情况下，处理结束。 [0114] 输出控制部130根据各发电设备的发电量以及/或者各负载的消耗电力的变动，动态地执行以上的控制。例如，在直流负载量减少了的情况下，针对至今为止将直流变换输出部112指定为输出目的地的一个发电单元而指示输出切换部109，以使该输出切换部109将输出目的地切换成交流变换输出部111。也可每固定时间(例如几毫秒)进行该控制。 [0115] 各负载的负载量或者消耗电力是否已变化，例如能够根据从商用并网电源P流入各负载的电流的值来判断。例如，在负载增加了的情况下，从商用并网电源P流入的电流增加。此时，只要转换一部分发电单元的输出以使电流接近于零即可。 [0116] 如上，本实施方式中的输出控制部130对每个发电单元进行控制，以使按高频输出部113、直流变换输出部112、交流变换输出部113的顺序切换受电天线108所接受的高频电力的输出目的地。由此，能够将各发电单元的发电电力无浪费地分配给各负载。其结果，较之将全部发电单元的高频电力一并变换成交流电力或者直流电力的情况，能够减少各发电单元中的电力变换的次数，由此能够使系统整体的变换效率提高。 [0117] 在使以往的直流配电系统与无线电力输送型发电系统组合起来的情况下，为了对住宅内的高频负载(例如可非接触充电的电动汽车、家电产品)供给电力，由于需要从交流电力或者直流电力向高频电力的变换，因此损耗变大。相对于此，在本实施方式的发电系统中，由于不经过变换地直接将以无线方式输送的高频电力供给至高频负载，因此能够抑制电力变换所引起的效率下降。 [0118] 另外，在本实施方式中，关于各发电单元的输出的切换顺序，虽然优先按照高频输出、直流输出、交流输出的顺序进行切换，但是也可与该顺序不同。例如，也可使交流输出优先于直流输出，也可使直流输出或者交流输出优先于高频输出。其中，通过使在发电单元内没有进行电力变换的高频输出优先，从而能够将电力变换所引起的效率下降抑制在最小限度。使直流输出以及交流输出当中的哪个输出优先，也可基于两者的变换效率而决定为：例如使变换效率高的一方优先。 [0119] 输出控制部130所进行的控制并不限于上述例，只要构成为基于各负载当中的至少一个的消耗电力(包括负载量以及电流)来决定各发电单元的输出目的地，则可以为任何控制。例如，在使向交流负载R1的电力供给优先的情况下，也存在如下控制，即：仅基于交流负载R1的消耗电力来进行向交流负载R1的配电，其余全部配电至高频负载R3。 [0120] <无线电力输送所带来的升压效果> [0121] 其次，参照图14，对由本实施方式中的各发电单元之中的无线电力输送所获得的升压效果进行说明。首先，说明在受电天线108的后级没有进行频率变换的情况、即经由高频输出部113进行输出的情况下的升压效果。 [0122] 一般公知在具有固有谐振频率的两个谐振器发生电磁耦合的情况下谐振频率会变化。如本实施方式那样，纵使两个谐振器的谐振频率为同一频率(频率：f0)，作为谐振器对的谐振频率也会分离成两个频率。在发生耦合的谐振器对所表示的两个谐振频率之中，将频率高的谐振频率称作偶模式的谐振频率。另一方面，将频率低的谐振频率称作奇模式的谐振频率。以下，将偶模式的谐振频率表示为fL，将奇模式的谐振频率表示为fH。 [0123] 在此，假设供电天线107与受电天线108以耦合系数k进行耦合。耦合系数k使用fL、fH而用以下的式2进行表示。 [0124] (式2) k＝(fH2-fL2)/(fH2+fL2) [0125] 耦合越强则k成为越大的值，两个谐振频率的离散量增大。 [0126] 另外，能够将振荡器102的频率f0设定在谐振频率fL、fH的附近。更详细而言，在将谐振频率fL、fH下的耦合谐振器对的Q值分别设为QL、QH时，能够满足以下的式3地设定f0。 [0127] (式3) fL-fL/QL≤f0≤fH+fH/QH [0128] 此外，在具有电感L1的电感器107a与具有电感L2的电感器108a之间所产生的互感S、和耦合系数k之间，以下的关系成立。 [0129] (式4) S＝k×(L1×L2)0.5 [0130] 在受电天线108的并联谐振电路中，如果将电感器108a中流动的高频电流设为IL2、将流经电容元件108b的高频电流设为IC2，则按图14所示的朝向流动的输出高频电流I2通过以下的式进行表示。 [0131] (式5) I2＝-IL2-IC2 [0132] 此外，如果将流经供电天线107所具有的电感器107a的高频电流设为IL1，则使用流经受电天线108的电感器108a的高频电流IL2、流经电容元件108b的高频电流IC2、电感器108a的电感L2、电感器108a的寄生电阻R2、供电天线107的电感器107a的电感L1、电容元件108b的电容C2可导出以下的式。 [0133] (式6) (R2+jωL2)×IL2+jωM×IL1＝IC2/(jωC2) [0134] 其中，ω＝2πf0。由于在受电天线108中谐振条件成立，因此以下的(式7)成立。 [0135] (式7) ωL2＝1/(ωC2) [0136] 根据上述(式5)～(式7)，以下的式成立。 [0137] (式8) R2×IL2+jωk×IL1＝jωL2×I2 [0138] 对(式8)进行变形而获得以下的式。 [0139] (式9) I2＝k×(L1/L2)0.5×IL1-j(R2/ωL2)×IL2 [0140] 另一方面，对供电天线107的谐振器的低损耗性进行评价的指标Q值通过(式10)进行表示。 [0141] (式10) Q2＝ωL2/R2 [0142] 在此，在谐振器的Q值非常高的情况下，将(式9)的右边第2项忽略的近似式成立。由此，最终通过以下的(式11)导出在受电天线108中产生的高频电流(输出电流)I2的大小。 [0143] (式11) I2＝k×(L1/L2)0.5×IL1 [0144] 由式11可知，高频电流I2依赖于被输入至供电天线107的高频电流I1(＝流经电感器107a的高频电流IL1)、谐振器(天线)之间的耦合系数k、电感L1、L2。 [0145] 根据上述(式11)，本实施方式中的各发电单元100的升流比Ir通过其次的(式12)进行表示。 [0146] (式12) Ir＝｜I2/I1｜/Voc＝k/Voc×(L1/L2)0.5 [0147] 另外，(式12)所示的发电单元100的升流比是利用供电天线107以及受电天线108之间的升流比、和振荡器103的升流比(该升压比Voc的倒数)之积进行表示的。 [0148] 此外，升压比Vr以及阻抗变换比Zr分别通过(式13)以及(式14)进行表示。 [0149] (式13) Vr＝(Voc/k)×(L2/L1)0.5 [0150] (式14) Zr＝(Voc/k)2×(L2/L1) [0151] 由(式13)可知，在(L2/L1)＞(k/Voc)2的条件成立时，升压比Vr变得大于1。由此可知，如果耦合系数k变小，则升压比Vr上升。在以往的基于电磁感应的能量输送中，使耦合系数k下降会导致输送效率大幅下降，但是在本实施方式中的谐振磁场耦合方式中，即便使耦合系数k下降，也不至于出现输送效率大幅下降。尤其是，如果将构成供电天线107以及受电天线108每一个的谐振器的Q值设定成较高的值，则可使升压比Vr增大的同时抑制输送效率的下降。 [0152] 为了避免太阳能发电系统中的部分遮挡的影响，能够采用将多个太阳能发电部并联连接的构成，而非将多数太阳能发电部串联连接的构成。为了通过将两个太阳能发电部并联连接而获得与将两个太阳能发电部串联连接的情况等同的电压特性，需要将各太阳能发电部的输出电压升压至2倍。 [0153] 根据(式12)，升压比Vr等于2是在满足(L2/L1)＝4×(k/Voc)2这一关系之时。2 在本实施方式中，由于满足了(L2/L1)≥4×(k/Voc) 这一关系，因此能实现2以上的升压比Vr。 [0154] 此外，如果(L2/L1)≥100×(k/Voc)2的关系成立，则能够实现10倍以上的升压比2 Vr。进而，如果(L2/L1)≥10000×(k/Voc) 的关系成立，则能够实现100倍以上的升压比Vr。 [0155] 在本实施方式的发电单元以及发电系统中，容易设定k、Voc、L2、L1的大小以便实现较高的升压比Vr。 [0156] <包括输出部的升压效果> [0157] 在本实施方式中的输出部114之中，根据变换方法而输出部114的输入输出电压比、即升压比Vtr有所不同。例如，在使用了倍压整流电路的情况下，能将电压升压至2倍，而在使用了矩阵转换器的情况下，最大只能升压至约0.87倍。进而，根据交流滤波器或高频滤波器的有无、升压斩波器电路的动作条件或电路损耗等，升压比Vtr也会变动。例如，为了向并网潮流能量，需要将来自输出部114的输出电压Vsys收敛在V0±Vf(V)。其中，电压V0为并网的电压，Vf为与V0相比的被容许的偏差宽度。“V0±Vf”表示从“V0-Vf”至“V0+Vf”的范围。 [0158] 作为一例，关于日本的向电力并网的潮流而规定为：V0＝202，Vf＝20。在将从发电设备输出的能量的电压设为Vgen的情况下，本实施方式中的发电单元整体的升压比Vr(＝Vsys/Vgen)以及阻抗变换比Zr分别使用输出部114中的升压比Vtr而改写成以下的(式15)、(式16)。 [0159] (式15) Vr＝(Voc×Vtr/k)×(L2/L1)0.5 [0160] (式16) Zr＝(Voc×Vtr/k)2×(L2/L1) [0161] 在本实施方式中，由上述的(式15)可知，在满足(L2/L1)＞(k/(Voc×Vtr))2的关系的情况下可以将升压比设定得大于1。 [0162] 为了将升压比Vr设为2以上，需要满足(L2/L1)≥4×(k/(Voc×Vtr))2这一关2 系。在(L2/L1)≥100×(k/(Voc×Vtr)) 这一关系成立时，能够实现10倍以上的升压比Vr。 例如，在Vgen＝40V、Vsys＝182～222V(202±20V)的情况下，只要设定成Vr＝4.55～ 2 2 2 5.55的范围即可。因此，只要满足4.55×(k/(Voc×Vtr)) ≤(L2/L1)≤5.55×(k/ 2 (Voc×Vtr)) 地调整L1、L2、k、Voc、以及Vtr即可。这样，在Vgen的值为40V且固定的情况下，即便升压比Vr以4.55～5.55当中的任一值变动，也可将Vsys收敛在182～222V。 [0163] <变形例> [0164] 在本实施方式中，如图4所示，在各发电单元之中，供电天线107为串联谐振电路，受电天线108为并联谐振电路，但是本发明并不限定于这种组合。例如，也可供电天线107为并联谐振电路，受电天线为串联谐振电路。此外，也可两天线均为串联谐振电路，均为并联谐振电路。此外，在本实施方式中，虽然式1所示的升压条件成立，但是在本发明之中该条件并不是必须的。 [0165] 在本实施方式中，虽然各发电单元的构成均为同一构成，但是也可在一部分包括不同构成的发电单元。例如，也可不是交流、直流、高频这三个种类的输出形式，而包括以这些当中的一个种类或两个种类的输出形式输出电力的发电单元。此外，从振荡器102输出的高频能量的频率f0无需在全部发电单元中严格地一致。 [0166] 在本实施方式中，交流变换输出部111将所输入的高频电力变换成50Hz或者60Hz的交流电力，但是也可变换成除此之外的频率的交流电力。只要为比高频电力的频率还低的频率，交流变换输出部111就可以变换成任何频率。 [0167] 此外，也可不设置高频输出部113以及高频合成部123。此时，各发电单元的输出切换部109构成为将受电天线108所接受到的高频能量送出至交流变换输出部111或者直流变换输出部112。在没有设置高频负载的情况下，由于不会直接利用高频能量，因此无需高频输出部113以及高频合成部123。 [0168] 此外，也可不设置发电量检测部110。在没有设置发电量检测部110的情况下，输出控制部130只要按照例如发电单元1至N的顺序依次切换输出目的地即可。此时，虽然效率改善效果变小，但却存在能使控制部130的控制简单化的优点。 [0169] 此外，在上述的实施方式中，由交流电力检测部201、直流电力检测部202、高频电力检测部203对各负载的消耗电力进行了检测，但是并不限于这种构成。例如，也可通过输出控制部130本身检测各负载的电流值等来检测消耗电力。只要输出控制部130能检测各负载的消耗电力，消耗电力的测量的方法便可是任意方法。 [0170] 图15是表示从上述的实施方式的发电系统100之中除掉高频输出部113、高频合成部123、发电量检测部110、交流电力检测部201、直流电力检测部202、高频电力检测部203、并包括两个发电单元的构成的框图。如图15所示，发电系统100只要具备最低限为两个的发电单元1000-1、1000-2即可。此外，各发电单元也可不具有高频输出部113。 [0171] 在图15所示的发电系统100中，受电天线108所接受到的高频能量被输送至交流变换输出部111或者直流变换输出部112。输出控制部130基于直流负载R2以及交流负载R1当中的至少一方的消耗电力来控制输出切换部109。根据这种构成，可以对交流负载R1以及直流负载R2进行有效地配电。 [0172] 此外，以上的实施方式中的发电系统100并不限定于太阳能发电系统，也能适用于燃料电池发电系统等其他发电系统。此外，直流负载R2无需仅由以直流电力进行动作的电气设备构成，也可包括蓄电池。如果设置这种蓄电池，则例如对全部负载供给电力、且所发出的电力有所剩余的情况下，不仅可以售电，还可以对该蓄电池进行充电。 [0173] 在以上的实施方式中，虽然各发电单元具有发电设备，但是也可构建除掉发电设备之后的无线电力输送系统。能够在与发电设备独立构建成的无线电力输送系统中事后追加另行销售的发电设备，来构建上述的发电系统。 [0174] -工业可用性- [0175] 由于本发明的发电系统以及供电系统能够有效地将所发出的电力配电至各负载，因此例如在太阳能发电系统或燃料电池发电系统中是有用的。 [0176] -符号说明- [0177] 21 开关元件 [0178] 22、23 电感器 [0179] 24、25 电容器 [0180] 1000-1～1000-N 发电单元 [0181] 100 发电系统 [0182] 101 发电设备 [0183] 102 振荡器 [0184] 107 供电天线 [0185] 107a 供电天线中的电感器 [0186] 107b 供电天线中的电容器 [0187] 108 受电天线 [0188] 108a 受电天线中的电感器 [0189] 108b 受电天线中的电容器 [0190] 109 输出切换部 [0191] 110 发电量检测部 [0192] 111 交流变换输出部 [0193] 112 直流变换输出部 [0194] 113 高频输出部 [0195] 114 输出部 [0196] 121 交流合成部 [0197] 122 直流合成部 [0198] 123 高频合成部 [0199] 201 交流电力检测部 [0200] 202 直流电力检测部 [0201] 203 高频电力检测部 |
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