研究テーマ

宇宙で発電、無線で送電?【ワイヤレス給電】が電力の未来を切り開く

電化製品を動かす、もしくは充電する方法としては、有線接続による給電が主流ですが、近年は、電力を無線(ワイヤレス)で給電する研究が盛んに行われています。電機メーカーはもちろん、大学でも研究されている「ワイヤレス給電」には、どのようなメリットがあるのでしょうか。

「ワイヤレス給電」の実現に向けた研究が進展

スマートフォンやパソコンなどのICT機器、日常生活で使う家電製品などは、私たちの生活に欠かせないものといえます。それらに用いられる電力は通常、有線接続による方法で供給されていますが、近年ではマイクロ波などを用いたワイヤレス給電の実用化が進められています。

<ワイヤレス給電(無線給電):東芝>

スマートフォンを無線で充電する「電磁誘導方式」

最近、普及しつつあるのがスマートフォンなどのワイヤレス給電です。これは、コイルや磁界の働きによって電圧を発生させる電磁誘導方式を使ったもので、ワイヤレス充電器に、スマートフォンを載せるだけで充電ができます。

電磁誘導方式は近距離での充電しかできないという制約がありますが、小型かつ安価に利用できるというメリットがあります。

また、金属製の有線ケーブルによる接続が不要であることから、台所や洗面所などの水を用いる場所でもショートの心配をする必要がありません。そのため、電動歯ブラシやシェーバーの中には電磁誘導方式によって充電を行う製品も増えています。

「ワイヤレス給電」でドローンの長時間飛行を実現

マイクロ波と呼ばれる電波を使ったワイヤレス給電のしくみも研究が進められています。こちらは電磁誘導方式と違い、離れたところにある機械に送電できます。

それが期待されている分野のひとつが、ドローンです。よく見かける、小型のドローンは、搭載バッテリーが小さいため、短時間しか飛行できません。

ところが、高層ビルの外壁やトンネルの壁面などの点検に用いられる業務用のドローンは、長時間飛行が必要になります。そこで有線のケーブルをつなぐことで電気を送って長時間飛行を実現していました。

しかしワイヤレス給電を行えば、飛んでいるドローンに対して送電できるので、自由に飛びながら長時間の点検作業が行えるようになります。

ワイヤレス給電を使えば、ノンストップで走り続ける電気自動車も実現可能

ドローンやスマートフォンで実用化され始めているワイヤレス給電ですが、それ以外の分野でも活用が期待されています。中でも注目されているのが、電気自動車の分野と、宇宙開発の分野です。

走る自動車に、道路から充電

世界中で開発が進められている電気自動車。そこにワイヤレス給電を用いようという研究もあります。

これは、道路の内部や路面にマイクロ波を放出するシステムを設置するもので、道路を走る電気自動車、あるいは信号待ちしている電気自動車に対して直接、電気を送ります。走りながらでも充電できるので、途中で充電スタンドなどへ立ち寄る必要がなくなり、円滑なドライブが実現します。

電気自動車のワイヤレス給電については、そのほかにもさまざまな充電方法が研究されています。東京大学では2019年に、電気自動車のホイール内の受電コイルを使ったワイヤレス給電システムを開発、発表しています。

宇宙で発電した電気を地球に届ける

火力発電や原子力発電などいろいろな発電方法がありますが、環境負荷が少ないとされているのが太陽光発電です。しかし、太陽光発電には「夜間に発電できない」「天気によって発電量が左右される」といったデメリットが存在します。

その解決策として挙がっているのが、宇宙空間に太陽光パネルを設置する「宇宙太陽光発電」です。これが実現すれば、地球よりもはるかに効率よく、かつ24時間途切れることのない安定した電力供給が可能になります。

とはいえ、宇宙太陽光発電を実現させるためには「発電した電力を地球に送る方法」が必要になります。そこで期待されているのが、長距離での送電が可能なマイクロ波方式のワイヤレス給電です。これも、実現に向けて多くの国や大学で研究されています。

発明家テスラの夢の実現に向けて

19世紀から20世紀にかけて活躍した発明家であり、ワイヤレス給電の先駆けとなる研究を行ったニコラ・テスラは、地球全体でワイヤレス給電を実現する「世界システム」というアイデアを考えだしました。近い将来、ワイヤレス給電のシステムが普及することによって、ニコラ・テスラが夢見た世界システムが実現するかもしれません。

「ワイヤレス給電」について学べる大学の学部

ワイヤレス給電の研究は、全国の工学系大学で行われています。

金沢工業大学の工学部 電気電子工学科では、マイクロ波方式を用いたワイヤレス給電の研究に取り組んでいます。その研究グループは、2020年に、送電した1Wのうち、92.8%の電力変換に成功するという、極めて高い成果を出しています。

京都大学の生存圏研究所 生存圏電波応用分野では、宇宙太陽光発電の実現に向けて、マイクロ波を受信するためのアンテナであるレクテナの研究を進めています。

『遠距離充電』の活用が期待される分野

電化製品、機械工学、流通、土木工事

参考

金沢工業大学:マイクロ波(5.8GHz)を用いた無線電力伝送で世界最高の電力変換効率を達成。
https://www.kanazawa-it.ac.jp/kitnews/2020/0923_itoh.html

京都大学:マイクロ波送電を用いた電気自動車充電システムの評価研究
https://www.ieice.org/~wpt/paper/SPS2005-11.pdf

東京大学:「第3世代 走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」の開発に成功
http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry772/

ノーベル賞天野教授らワイヤレス給電の電力3倍に ドローン応用へ
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/08785/