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ワイヤレス電力伝送（WPT、ワイヤレスエネルギー伝送またはWETとも呼ばれる）は、物理的なリンクとしてワイヤを使用せずに電気エネルギーを伝送することです。ワイヤレス電力伝送システムでは、電力を供給される送信デバイスが時間とともに変化する電磁場を生成し、空間を介して受信デバイスに電力を伝送します。受信デバイスは、その電磁場から電力を取り出し、電気負荷に供給します。ワイヤレス電力伝送技術は、ワイヤとバッテリーの使用をなくすことができ、それによって電子機器のすべてのユーザーにとってのモビリティ、利便性、および安全性を向上させます。[ 2 ]ワイヤレス電力伝送は、相互接続ワイヤが不便、危険、または不可能な電気機器に電力を供給するのに役立ちます。
ワイヤレス電力技術は主に近距離場と遠距離場の2 つのカテゴリに分類されます。[ 3 ]近距離場または非放射技術では、ワイヤーコイル間の誘導結合を使用した磁場、または金属電極間の容量結合を使用した電界によって、短距離にわたって電力が伝送されます。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]誘導結合は最も広く使用されているワイヤレス技術であり、その用途には、携帯電話や電動歯ブラシなどの携帯機器の充電、RFIDタグ、誘導調理、人工心臓ペースメーカーなどの埋め込み型医療機器や電気自動車のワイヤレス充電または連続ワイヤレス電力伝送などがあります。遠距離場または放射技術は、電力ビームとも呼ばれ、マイクロ波[ 8 ]やレーザービームなどの電磁放射のビームによって電力が伝送されます。これらの技術はより長い距離にエネルギーを伝送できますが、受信機に向ける必要があります。このタイプの提案されている用途には、太陽光発電衛星やワイヤレス給電ドローン航空機などがあります。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
すべてのワイヤレス電力システムに関連する重要な問題は、人やその他の生物が潜在的に有害な電磁界にさらされることを制限することです。[ 12 ] [ 13 ]
無線電力伝送は、電磁場を利用してエネルギーを伝送する技術の総称です。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]これらの技術は、効率的に電力を伝送できる距離、送信機を受信機に向けて（方向付ける）必要があるかどうか、および使用する電磁エネルギーの種類（時間変動する電場、磁場、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線など）によって異なります。[ 17 ]
一般的に、無線電力システムは、電力を時間的に変化する電磁場に変換する主電源線などの電源に接続された「送信機」デバイスと、電力を受信して電気負荷で使用される直流または交流電流に変換する 1 つ以上の「受信機」デバイスで構成されます。[ 14 ] [ 17 ]送信機では、入力電力は、何らかのタイプの「アンテナ」デバイスによって振動する電磁場に変換されます。ここで「アンテナ」という言葉は広義に使われています。磁場を生成するコイル、電場を生成する金属板、電波を放射するアンテナ、または光を生成するレーザーである可能性があります。受信機では、同様のアンテナまたは結合デバイスが振動する電磁場を電流に変換します。波の種類を決定する重要なパラメータは周波数であり、周波数によって波長が決まります。
ワイヤレス電力は、ラジオなどの無線通信機器と同じ電磁場と波を使用します。[ 18 ] [ 19 ]携帯電話、ラジオやテレビの放送、WiFiで使用されている、電磁場によって電線なしで電気エネルギーを伝送するもう 1 つの馴染みのある技術です。無線通信では、情報の伝送が目的であるため、情報が理解できる程度に十分であれば、受信機に到達する電力の量はそれほど重要ではありません。[ 15 ] [ 18 ] [ 19 ]無線通信技術では、受信機に到達する電力はごくわずかです。対照的に、ワイヤレス電力伝送では、受信するエネルギーの量が重要なので、効率(送信されたエネルギーのうち受信される割合) がより重要なパラメータです。[ 15 ]このため、ワイヤレス電力技術は、無線通信技術よりも距離によって制限される可能性が高いです。
無線電力伝送は、無線情報送信機や受信機への電力供給に利用できる。この種の通信は、無線給電通信（WPC）として知られている。収穫された電力が無線情報送信機の電力供給に使用される場合、そのネットワークは同時無線情報電力伝送（SWIPT）として知られています。[ 20 ]一方、無線情報受信機の電力供給に使用される場合は、無線給電通信ネットワーク（WPCN）として知られています。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
19 世紀には、電気エネルギーがどのように伝送されるかについての多くの理論と反論が展開されました。1826 年、アンドレ・マリー・アンペールは電流と磁石の関係を発見しました。 マイケル・ファラデーは1831 年に誘導の法則で、起電力は時間とともに変化する磁束によって導体ループに電流を流すものであることを説明しました。多くの発明家や実験家が、電線なしで電気エネルギーを伝送することを観察しましたが[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]、一貫した理論がなかったため、これらの現象は漠然と電磁誘導に起因するものとされていました[ 27 ]。これらの現象の簡潔な説明は、1860 年代のジェームズ・クラーク・マクスウェルによるマクスウェル方程式[ 28 ]によってもたらされ、電気と磁気を統一して電磁気学とする理論が確立され、電磁波が電磁エネルギーの「無線」キャリアとして存在することが予測されました。 1884年頃、ジョン・ヘンリー・ポインティングはポインティングベクトルを定義し、電磁放射内の領域を横切る電力の流れを記述し、無線電力伝送システムの正確な分析を可能にするポインティングの定理を発表しました。 [ 28 ] [ 29 ]これに続いて、 1888年にハインリヒ・ルドルフ・ヘルツが電波の証拠を含めてこの理論を検証しました。[ 29 ]
同時期に、ウィリアム・ヘンリー・ウォード（1871年）とマロン・ルーミス（1872年）によって、低高度でアクセス可能な帯電した大気層が存在するという誤った信念に基づいた2つの無線信号方式が提案された。[ 30 ] [ 31 ]両発明者の特許には、「地電流」を使用した帰還経路で接続されたこの層により、無線電信が可能になり、電信機に電力を供給して人工電池を不要にし、照明、熱、動力にも使用できると記されていた。[ 32 ] [ 33 ]伝導による無線伝送のより実用的な実証は、アモス・ドルベアの1879年の磁気電気電話機で、地面伝導を使用して4分の1マイルの距離を伝送した。[ 34 ]
1890 年以降、発明家のニコラ・テスラは、高交流電圧を生成する火花励起無線周波数共振変圧器（現在テスラコイルと呼ばれている）を使用して、誘導結合と容量結合による電力伝送の実験を行った。 [ 28 ] [ 35 ] [ 36 ]初期には、近距離誘導結合と容量結合に基づく無線照明システムの開発を試み[ 35 ] 、ステージの向こう側からガイッスラー管や白熱電球を点灯させる一連の公開デモンストレーションを行った。 [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]彼は、送信機の LC 回路と共振するように調整された受信LC回路を使用することで、ランプを点灯できる距離を伸ばせることを発見した。[ 38 ]共振誘導結合を使用。[ 35 ] [ 39 ]テスラは自身の発見を商業製品にすることはできなかったが[ 40 ]、彼の共振誘導結合法は現在エレクトロニクスで広く使用されており、近距離無線電力システムにも応用されている。[ 35 ] [ 41 ]
テスラは、家庭や工場に長距離にわたって電力を直接送電できることを期待して、無線電力分配システムの開発に着手した。初期の頃、彼はマローン・ルーミスのアイデアを借用したようで、[ 42 ] [ 43 ]高度30,000フィート（9,100メートル）以上の空中に気球で送信電極と受信電極を吊り下げるシステムを提案した。彼は、その高度では気圧によって高電圧（数百万ボルト）を長距離送電できると考えた。低圧空気の導電性をさらに研究するために、彼は1899年にコロラドスプリングスの高地に試験施設を設立した。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]そこでメガボルト範囲で動作する大型コイルを使用して行った実験や、落雷の電子ノイズの観察から、彼は地球全体を使って電気エネルギーを伝導できると誤って結論付けた。[ 47 ] [ 34 ]この理論には、接地されたテスラコイルから共振周波数で交流パルスを地球に送り込み、高容量に逆らって地球の電位を振動させるというものがあった。テスラは、これにより、地球上のどの地点でも、それに共振するように調整された同様の容量アンテナで交流を受信でき、電力損失はごくわずかになると考えていた。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]また、彼の観察から、数百フィートの高さにあるコイルで高電圧を使用すると「大気層を破壊」し、気球に吊るされた何マイルものケーブルを使って大気帰還回路を作る必要がなくなると考えた。[ 51 ] [ 52 ]テスラは翌年、世界中に情報と電力の両方を送信する「世界無線システム」を提案した。[ 53 ] [ 54 ] 1901年、ニューヨーク州ショアハムで、彼は現在ウォーデンクリフ・タワーと呼ばれる大規模な高電圧無線発電所を建設しようと試みたが、1904年までに投資が途絶え、施設は完成しなかった。
第二次世界大戦前は、無線送電の進歩はほとんど見られなかった。[ 55 ]ラジオは通信用途で開発されたが、比較的低周波の電波が全方向に拡散し、受信機に届くエネルギーが少なかったため、送電には使用できなかった。[ 28 ] [ 55 ]無線通信では、受信機で増幅器が別のソースからのエネルギーを使用して微弱な信号を増幅する。送電の場合、効率的な送電には、受信機に向かって狭いビームに集束できる高周波マイクロ波を生成できる送信機が必要だった。[ 28 ] [ 55 ] [ 56 ]
第二次世界大戦中のクライストロン管やマグネトロン管、パラボラアンテナなどのマイクロ波技術の発展により、放射（遠方場）方式が初めて実用化され、1960年代にはウィリアム・C・ブラウンによって初の長距離無線電力伝送が実現した。 [ 28 ]ブラウンは1964年にマイクロ波を効率的に直流電力に変換できるレクテナを発明し、地上からマイクロ波を照射して動力を得る模型ヘリコプターという初の無線給電航空機でそれを実証した。[ 55 ]
電場と磁場は、電子などの物質中の荷電粒子によって生成されます。静止した電荷は、その周囲の空間に静電場を生成します。定常電流（直流、DC）は、その周囲に静磁場を生成します。これらの場はエネルギーを含みますが、静的であるため電力を運ぶことはできません。しかし、時間的に変化する場は電力を運ぶことができます。 [ 57 ]電線内の電子の交流（AC）に見られるような加速する電荷は、その周囲の空間に時間的に変化する電場と磁場を生成します。これらの場は、受信「アンテナ」内の電子に振動力を及ぼし、電子を前後に動かすことができます。これらは、負荷に電力を供給するために使用できる交流を表しています。
アンテナ装置内の移動する電荷を取り巻く振動する電場と磁場は、アンテナからの距離D の範囲に応じて 2 つの領域に分けられます。 [ 14 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]これらの領域間の境界はやや曖昧に定義されています。[ 17 ]これらの領域では電場の特性が異なり、電力伝送には異なる技術が使用されます。
相対距離が大きい場合、電界と磁界の近接場成分は、ほぼ準静的な振動双極子場になります。これらの場は距離の3乗に比例して減少します。( D range / D ant ) −3 [ 61 ] [ 74 ]電力は電界強度の2乗に比例するため、伝送される電力は( D range / D ant ) −6 [ 18 ] [ 63 ] [ 75 ] [ 76 ]または10倍あたり60 dB減少します。言い換えれば、離れている場合、2つのアンテナ間の距離を10倍にすると、受信電力は10 6 = 1000000分の1に減少します。その結果、誘導結合と容量結合は、アンテナデバイスの直径D antの数倍以内の短距離電力伝送にのみ使用できます。放射システムでは、ダイポールアンテナが伝搬方向に対して横方向に配置されているときに最大の放射が発生するのに対し、ダイポール電界では、ダイポールが縦方向に配置されているときに最大の結合が発生する。
誘導結合（電磁誘導[ 58 ] [ 77 ]または誘導電力伝送、IPT）では、磁場によってコイル間で電力が伝送されます。[ 18 ]送信コイルと受信コイルは一緒に変圧器を形成します。[ 18 ] [ 58 ]送信コイル（L1）を流れる交流（ AC）は、アンペールの法則により振動磁場（B）を生成します。磁場は受信コイル（L2）を通過し、ファラデーの誘導法則により交流起電力（電圧）を誘導し、受信コイルに交流電流を生成します。[ 15 ] [ 77 ]誘導された交流電流は、負荷を直接駆動するか、受信コイル内の整流器によって直流（DC）に整流され、負荷を駆動することができます。電動歯ブラシの充電スタンドなど、一部のシステムは50/ 60Hzで動作するため、交流主電源電流が送信コイルに直接供給されますが、ほとんどのシステムでは、電子発振器がより高い周波数の交流電流を生成してコイルを駆動します。これは、周波数が高くなるにつれて伝送効率が向上するためです。[ 77 ]
誘導結合は、最も古く、最も広く使用されているワイヤレス電力技術であり、これまでのところ、商用製品に使用されている唯一の技術です。電気歯ブラシ[ 58 ]やシェーバーなど、湿った環境で使用されるコードレス機器の誘導充電スタンドに使用され、感電のリスクを軽減します[ 78 ] 。もう1つの応用分野は、心臓ペースメーカーなど、人体に埋め込まれた生体医療用補綴装置の「経皮」充電であり、皮膚を貫通するワイヤーを避けるためです[ 79 ] [ 80 ]。また、自動車などの電気自動車の充電や、バスや電車などの公共交通機関の充電または電力供給にも使用されています[ 58 ] 。
しかし、最も急速に成長している用途は、ノートパソコンやタブレット端末、コンピューターマウス、携帯電話、デジタルメディアプレーヤー、ビデオゲームコントローラーなどのモバイル機器や携帯型ワイヤレス機器を充電するためのワイヤレス充電パッドです。 米国では、連邦通信委員会（FCC）が2017年12月にワイヤレス伝送充電システムの最初の認証を与えました。[ 81 ]
伝達される電力は周波数[ 77 ]と相互インダクタンスとともに増加する。コイル間の距離は、その形状と距離に依存します。[ 15 ]両者の間には、広く用いられている性能指標として結合係数がある。[ 77 ] [ 82 ]この無次元パラメータは、送信コイルを通過する磁束の割合に等しい。受信コイルを通過するL2が開放回路の場合。2つのコイルが同じ軸上にあり、互いに近い場合、すべての磁束は通過する、リンク効率は100%に近づきます。コイル間の距離が大きいほど、最初のコイルからの磁場が2番目のコイルに届かず、リンク効率は、大きな分離距離ではゼロに近づきます。[ 77 ]リンク効率と伝送電力は、おおよそ次の値に比例します。[ 77 ]高効率を実現するには、コイルをコイル直径の数分の1程度に非常に近づける必要がある。、[ 77 ]通常は数センチメートル以内、[ 69 ]コイルの軸が揃っている。結合を増やすために、幅広で平らなコイル形状が通常使用される。[ 77 ]フェライト「磁束閉じ込め」コアは磁場を閉じ込めることができ、結合を改善し、近くの電子機器への干渉を減らすことができるが、[ 77 ] [ 79 ]重くてかさばるため、小型のワイヤレスデバイスでは空芯コイルがよく使用される。
通常の誘導結合では、コイルが非常に近い場合、通常は隣接している場合にのみ高い効率が得られます。最新の誘導システムでは、共振誘導結合が使用され、共振回路を使用することで効率が向上します。[ 60 ] [ 65 ] [ 77 ] [ 28 ]これにより、非共振誘導結合よりも遠距離で高い効率が得られます。
共振誘導結合（電気力学的結合[ 58 ] 、強結合磁気共鳴[ 64 ] ）は、送信機と受信機にある2つの共振回路（同調回路）間で磁場（B、緑色）によって電力が伝達される誘導結合の一種です。 [ 18 ] [ 58 ] [ 60 ] [ 78 ] [ 28 ]各共振回路は、コンデンサに接続されたコイル、または内部容量を持つ自己共振コイルやその他の共振器で構成されています。この2つは同じ共振周波数で共振するように同調されています。コイル間の共振は、振動する音叉が同じピッチに同調した遠くの音叉に共鳴振動を引き起こすのと同様に、結合と電力伝送を大幅に増加させることができます。
ニコラ・テスラは20世紀初頭頃の無線電力伝送の先駆的な実験中に共振結合を初めて発見したが、[ 38 ] [ 35 ] [ 39 ]伝送距離を伸ばすために共振結合を使用する可能性はごく最近になってようやく検討されるようになった。[ 83 ] 2007年、MITのマリン・ソルヤチッチ 率いるチームは、それぞれ10MHzで25cmの自己共振コイルで作られた2つの結合同調回路を使用して、 2メートル（6.6フィート）（コイル直径の8倍） の距離で60Wの電力を約40%の効率で伝送することに成功した。 [ 58 ] [ 64 ] [ 78 ] [ 35 ] [ 84 ]
共振誘導結合システムの背後にある概念は、高Q値の共振器は内部減衰によるエネルギー損失よりもはるかに高い速度でエネルギーを交換するというものです。[ 64 ]したがって、共振を使用することで、近接場の周辺領域（「テール」）のはるかに弱い磁場を使用して、同じ量の電力をより遠くまで伝送できます。[ 64 ]共振誘導結合は、コイル直径（Dant）の4～10倍の範囲で高い効率を達成できます。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]これは「中距離」伝送と呼ばれ、[ 66 ]コイルが隣接している場合にのみ同様の効率を達成できる非共振誘導伝送の「短距離」とは対照的です。もう1つの利点は、共振回路は非共振物体と相互作用するよりもはるかに強く相互作用するため、近くの迷走物体による吸収による電力損失は無視できるということです。[ 60 ] [ 64 ]
共振結合理論の欠点は、2 つの共振回路が密接に結合している近距離では、システムの共振周波数がもはや一定ではなく、2 つの共振ピークに「分裂」することである。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]そのため、最大電力伝送は元の共振周波数では発生せず、発振器の周波数を新しい共振ピークに調整する必要がある。[ 65 ] [ 88 ]
共振技術は現在、最新の誘導型ワイヤレス電力システムに広く組み込まれています。[ 77 ]この技術で想定されている可能性の1つは、エリアワイヤレス電力カバレッジです。部屋の壁や天井にあるコイルは、部屋のどこにいても、妥当な効率で照明やモバイルデバイスにワイヤレスで電力を供給できる可能性があります。[ 78 ]時計、ラジオ、音楽プレーヤー、リモコンなどの小型デバイスにワイヤレスで電力を供給することによる環境的および経済的な利点は、毎年廃棄される60億個のバッテリーを大幅に削減できることです。バッテリーは、有害廃棄物と地下水汚染の大きな原因となっています。[ 69 ]
スウェーデン軍の調査によると、車両用の動的ワイヤレス電力伝送 のための85kHzシステムは、半径最大300キロメートルで電磁干渉を引き起こす可能性があることが判明した。[ 89 ]
容量結合（電気結合とも呼ばれる）は、電力伝送用の容量を形成する 2 つの電極（陽極と陰極）間の電力伝送に電界を利用する。 [ 90 ]容量結合（静電誘導）は誘導結合の共役であり、金属板などの電極[ 6 ]間の電界[ 4 ] [ 15 ] [ 5 ] [ 7 ]によってエネルギーが伝送される。送信電極と受信電極はコンデンサを形成し、その間の空間は誘電体となる。[ 6 ] [ 15 ] [ 18 ] [ 58 ] [ 79 ] [ 91 ]送信機によって生成された交流電圧が送信板に印加され、振動する電界が静電誘導によって受信板に交流電位を誘導し[ 15 ] [ 91 ] 、負荷回路に交流電流が流れる。伝達される電力の量は、周波数[ 91 ]、電圧の二乗、およびプレート間の静電容量とともに増加します。静電容量は、小さい方のプレートの面積に比例し、（短い距離では）分離距離に反比例します。[ 15 ]
容量結合は、実際に低電力アプリケーションでのみ使用されています。これは、大きな電力を伝送するために必要な電極の非常に高い電圧が危険である可能性があり、[ 18 ] [ 58 ]有害なオゾン生成などの不快な副作用を引き起こす可能性があるためです。さらに、磁場とは対照的に、[ 64 ]電界は誘電分極により、人体を含むほとんどの物質と強く相互作用します。[ 79 ]電極間または電極付近の介在物質はエネルギーを吸収する可能性があり、人体の場合は過剰な電磁界曝露を引き起こす可能性があります。[ 18 ]しかし、容量結合には誘導結合に比べていくつかの利点があります。電界はコンデンサプレート間に大きく閉じ込められるため、干渉が低減されます。誘導結合では、重いフェライト「磁束閉じ込め」コアが必要です。[ 15 ] [ 79 ]また、送信機と受信機の間のアライメント要件はそれほど重要ではありません。[ 15 ] [ 18 ] [ 91 ]容量結合は最近、バッテリー駆動の携帯機器の充電[ 4 ]や生体医療用インプラントの充電または連続ワイヤレス電力伝送[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]に適用されており、集積回路の基板層間で電力を伝送する手段としても検討されている。[ 92 ]
2種類の回路が使用されている。
共振は容量結合と組み合わせて使用することで、通信範囲を拡張することもできます。20世紀初頭、ニコラ・テスラは共振誘導結合と容量結合の両方を用いた最初の実験を行いました。
電気力学的ワイヤレス電力伝送（EWPT）システムは、機械的に共振または回転する永久磁石を備えた受信機を利用します。[ 96 ] [ 97 ]時間的に変化する磁場にさらされると、共振磁石の機械的運動は、1つ以上の電気機械変換方式（電磁誘導、圧電、または容量性など）によって電気に変換されます。[ 98 ] [ 99 ]通常高周波磁場を使用する誘導結合システムとは対照的に、EWPTは低周波磁場（<1 kHz）を使用します。 [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]この低周波磁場は導電性媒体を安全に通過し、人体への磁場曝露限界値が高く（1 kHzで約2 mTrms）、[ 103 ] [ 104 ]生体医療用インプラントのワイヤレス充電への応用が期待されています。共振周波数が同一のEWPTデバイスの場合、電力伝送の大きさは、臨界結合係数に完全に依存します。送信機と受信機デバイス間の。同じ共振周波数を持つ結合共振器の場合、送信機と受信機間のワイヤレス電力伝送は、アンダーカップリング、クリティカルカップリング、オーバーカップリングの 3 つの領域に分散されます。臨界結合係数がアンダーカップリング領域 (臨界結合領域では、最適電圧利得曲線は（受信機で測定して）大きさが大きくなり、ピークに達するのはそして、過結合領域に入り、そしてピークは2つに分裂する。[ 105 ]この臨界結合係数は、ソースと受信デバイス間の距離の関数であることが実証されている。[ 106 ] [ 107 ]
この方式では、送信機と受信機にある2つの回転電機子の間で電力が伝送されます。これらの電機子は同期して回転し、電機子上の永久磁石によって生成される磁場によって結合されています。 [ 71 ]送信機の電機子は、電動機の回転子として、または回転子によって回転し、その磁場が受信機の電機子にトルクを及ぼして回転させます。磁場は電機子間の機械的な結合として機能します。[ 71 ]受信機の電機子は、別の発電機を回転させるか、受信機の電機子自体を発電機の回転子として使用することによって、負荷を駆動するための電力を生成します。
このデバイスは、電気自動車の非接触充電のための誘導電力伝送の代替として提案されています。[ 71 ]ガレージの床や縁石に埋め込まれた回転アーマチュアが、車両の下部にある受信アーマチュアを回転させてバッテリーを充電します。[ 71 ] この技術は、10～15 cm (4～6 インチ) の距離で 90% を超える高効率で電力を伝送できるとされています。 [ 71 ] [ 108 ]また、回転磁石によって生成される低周波の迷走磁場は、誘導結合システムによって生成される高周波磁場よりも、近くの電子機器への電磁干渉が少なくなります。電気自動車を充電するプロトタイプシステムは、 2012 年以来ブリティッシュコロンビア大学で稼働しています。しかし、他の研究者は、2 つのエネルギー変換 (電気から機械、そして再び電気) により、このシステムは誘導結合などの電気システムよりも効率が低いと主張しています。[ 71 ]
オルガンティらは、ゼンネック波を用いた新しいタイプのシステムを示し、平面金属-空気界面でゼンネック波を励起し、金属障害物を越えて電力を伝送できることを実証した。 [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] ここでのアイデアは、金属-空気界面で局所的な電荷振動を励起し、結果として生じるモードが金属-空気界面に沿って伝搬することである。[ 109 ]
遠距離通信方式では、デバイスの直径よりもはるかに長い距離（数キロメートルにも及ぶことが多い）を実現できます。高指向性アンテナやよくコリメートされたレーザー光を用いることで、受信領域の形状に合わせたエネルギービームを生成できます。アンテナの最大指向性は、回折によって物理的に制限されます。
一般的に、可視光（レーザー光）とマイクロ波（専用アンテナから発せられる光）は、エネルギー伝達に最も適した電磁波の形態である。
コンポーネントの寸法は、送信機から受信機までの距離、波長、および標準的な無線周波数アンテナ設計で使用されるレイリー基準または回折限界によって決まる場合があり、これはレーザーにも適用されます。エアリーの回折限界は、開口部から任意の距離におけるおおよそのスポットサイズを決定するためにもよく使用されます。電磁放射は、波長が短いほど（周波数が高いほど）回折が少なくなるため、たとえば、青色レーザーは赤色レーザーよりも回折が少なくなります。
レイリー限界（アッベ回折限界とも呼ばれる）は、もともと画像解像度に適用されたものですが、逆の視点から見ると、あらゆる電磁波（マイクロ波やレーザービームなど）の放射照度（または強度）は、ビームが距離とともに拡散するにつれて、開口サイズに反比例する最小速度で減少します。送信アンテナの開口またはレーザーの出射開口と放射波長の比が大きいほど、放射をよりコンパクトなビームに集中させることができます。
マイクロ波による電力伝送はレーザーよりも効率が高く、塵や霧などのエアロゾルによる大気減衰の影響を受けにくい。
ここでは、パラメータを組み合わせ、アンテナ特性、および放射が通過する媒体の透過率と分散による利得と損失を加算することで、電力レベルが計算されます。このプロセスは、リンクバジェットの計算として知られています。
電波による電力伝送は指向性を高めることができ、より長距離の電力ビーム伝送が可能になり、電磁放射の波長は短くなり、通常はマイクロ波帯域になります。[ 112 ]レクテナを使用してマイクロ波エネルギーを電気エネルギーに変換できます。95%を超えるレクテナ変換効率が実現されています。マイクロ波を使用した電力ビーム伝送は、軌道上の太陽光発電衛星から地球へのエネルギー伝送に提案されており、軌道を離れる宇宙船への電力ビーム伝送も検討されています。[ 113 ] [ 114 ]
マイクロ波による電力ビーム伝送には、ほとんどの宇宙用途において、回折によってアンテナの指向性が制限されるため、必要な開口サイズが非常に大きくなるという難点がある。例えば、1978年のNASAによる太陽光発電衛星の研究では、2.45GHzのマイクロ波ビームに対して、直径1km（0.62マイル）の送信アンテナと直径10km（6.2マイル）の受信レクテナが必要だった。[ 115 ]これらのサイズは、より短い波長を使用することで多少小さくできるが、短い波長では大気吸収や雨や水滴によるビームの遮蔽の問題が生じる可能性がある。「間引きアレイの呪い」のため、複数の小型衛星のビームを組み合わせることでより狭いビームを作ることはできない。
地上設置型アプリケーションの場合、直径10kmの広面積 受光アレイを使用することで、人体への電磁波曝露の安全性を考慮して推奨される低電力密度で動作させながら、大きな総電力レベルを実現できます。直径10kmの領域に 1mW/cm²の人体安全電力密度を分散させた場合、 総電力レベルは750メガワットに相当します。これは、多くの最新の発電所で採用されている電力レベルです。比較のために述べると、同規模の太陽光発電所では、日中の最適な条件下では10,000メガワットを容易に超える可能性があります。
第二次世界大戦後、空洞マグネトロンと呼ばれる高出力マイクロ波エミッターが開発され、マイクロ波を使って電力を伝送するというアイデアが研究された。1964年までに、マイクロ波電力で推進される小型ヘリコプターが実証された。[ 116 ]
日本の研究者である八木秀次も、自身が設計した指向性アレイアンテナを用いた無線エネルギー伝送の研究を行った。1926年2月、八木と彼の同僚である宇田慎太郎は、現在八木アンテナとして知られる同調高利得指向性アレイに関する最初の論文を発表した。電力伝送には特に有用であることが証明されなかったものの、このビームアンテナは優れた性能特性により、放送および無線通信業界で広く採用されている。[ 117 ]
マイクロ波を用いた無線高出力伝送は十分に実証されている。数十キロワットの実験は、1975年にカリフォルニア州のゴールドストーン深宇宙通信施設で行われ[ 118 ] [ 119 ] [ 55 ]、最近では（1997年）レユニオン島のグランドバッサンでも行われた[ 120 ]。これらの方法では、1キロメートル程度の距離が達成される。
実験条件下では、マイクロ波変換効率は1メートルあたり約54%であることが測定された。[ 121 ]
LEDに似たマイクロ波放射器が負性抵抗（すなわち、ガンダイオードまたはIMPATTダイオード）を用いて非常に高い量子効率で実現されていることから、24GHzへの変更 が提案されており、これは短距離通信リンクには有効であると考えられる。
2013年、発明家のハテム・ゼインは、フェーズドアレイアンテナを使用したワイヤレス電力伝送により、最大30フィートまで電力を供給できることを実証した。これはWiFiと同じ無線周波数を使用する。[ 122 ] [ 123 ]
2015年、ワシントン大学の研究者らは、Wi-Fiルーターからの送信を利用してバッテリーを微弱充電し、バッテリー不要のカメラや温度センサーに電力を供給するWi-Fi給電技術を発表しました。[ 124 ] [ 125 ] Wi-Fi信号は、最大20フィートの範囲でバッテリー不要の温度センサーやカメラセンサーに電力を供給できることが示されました。また、Wi-Fiは、最大28フィートの距離でニッケル水素電池やリチウムイオンコイン型電池をワイヤレスで微弱充電するために使用できることも示されました。
2017年、連邦通信委員会（FCC）は、初の中距離無線周波数（RF）無線電力送信機を認証しました。[ 126 ] 2021年、FCCは、約900MHzの周波数を使用して近距離および遠距離方式を組み合わせた無線（OTA）ワイヤレス充電システムにライセンスを付与しました。 放射電力が約1Wであるため、このシステムは、さまざまなセンサー、トラッカー、検出器、モニターなどの小型IoTデバイスを対象としています。[ 127 ]
電力は、電気をレーザービームに変換し、それを受信して光起電力セル（太陽電池）に集光することで伝送できます。[ 128 ] [ 129 ]これは、可視領域に近い電磁放射（0.2～2マイクロメートル）を利用します。このメカニズムは、電力が受信機にビーム状に送られ、受信機がそれを電気エネルギーに変換できるため、一般に「電力ビーム」として知られています。受信機では、単色光変換に最適化された電力変換器が使用されます。[ 130 ]
他の無線方式と比較した利点は次のとおりです。[ 131 ]
欠点としては以下のようなものがある。
電力ビーム技術は、軍事用途[ 133 ] [ 134 ] [ 135 ]および航空宇宙用途[ 136 ] [ 137 ]で研究されてきた。また、産業環境のセンサーや、商業用および民生用電子機器にも電力を供給している。民生用宇宙空間で使用されるレーザーを用いた無線エネルギー伝送システムは、IEC 60825で標準化されたレーザー安全要件を満たす必要がある。[ 138 ]
消費者向けアプリケーションでレーザーを使用した最初のワイヤレス電力システムは、 2018年に実証されたWi-Chargeで、部屋の向こう側にある静止機器や移動機器に電力を供給することができました。このワイヤレス電力システムは安全規制に準拠しており、米国食品医薬品局（FDA）の承認を受けています。[ 139 ]
その他の問題としては、伝搬[ 140 ]、コヒーレンス、および範囲制限の問題[ 141 ]などが挙げられる。
NASAのドライデン飛行研究センターは、レーザービームで駆動する無人模型飛行機を実証し、定期的なレーザー再充電の実現可能性を示した[ 142 ] 。
中国科学院の科学者たちは、二波長レーザーを利用して携帯機器や無人航空機をワイヤレスで充電する概念実証を開発した。[ 143 ]
2025年、DARPAは、800ワットを30秒間、5.3マイル（8.6km）の距離で20%の効率で送信したと発表した。これは、以前のパワーレシーバーアレイデモ（PRAD）を使用して230ワットを1マイル（1.7km）の距離で25秒間送信した結果を上回った。[ 144 ]
大気圧プラズマチャネル結合では、電離した空気を介した電気伝導によって、2 つの電極間でエネルギーが伝達されます。[ 145 ] 2 つの電極間に電界勾配が存在し、海面気圧で 34 キロボルト/センチメートルを超えると、アーク放電が発生します。[ 146 ]この大気圧の絶縁破壊により、2 つの電極間の電離プラズマチャネルを介してランダムな軌道に沿って電流が流れます。その例として、自然雷があります。この場合、一方の電極は雲の中の仮想点であり、もう一方は地球上の点です。レーザー誘起プラズマチャネル (LIPC) の研究は現在、超高速レーザーを使用して、空気中のプラズマチャネルの発達を人工的に促進し、アーク放電を方向付け、電流を制御可能な方法で特定の経路に沿って誘導する研究が進められています。[ 147 ]レーザーエネルギーは、大気圧の絶縁破壊電圧を低下させ、過熱によって空気の絶縁性が低下し、密度が低下します (空気のフィラメントの）[ 148 ]
この新しいプロセスは、レーザー避雷針として、また自然雷チャネルの研究のために雲から雷を発生させる手段として、[ 149 ]人工大気伝搬の研究、従来の無線アンテナの代替として、[ 150 ]電気溶接や機械加工に関連する用途、[ 151 ] [ 152 ]高電圧コンデンサ放電からの電力の転用、接地帰還経路を介した電気伝導を利用する指向性エネルギー兵器用途、 [ 153 ] [ 154 ] [ 155 ] [ 156 ]および電子妨害[ 157 ]に利用するために研究されています。
ワイヤレス電力の文脈では、エネルギーハーベスティング（電力ハーベスティングまたはエネルギースカベンジングとも呼ばれる）は、主に小型の自律型ワイヤレス電子機器に電力を供給するために、環境からの周囲エネルギーを電力に変換することです。[ 158 ]周囲エネルギーは、近くの電気機器からの迷走電界または磁界、電波、光、熱エネルギー（熱）、または振動や機器の動きなどの運動エネルギーから得られる可能性があります。 [ 158 ]変換効率は通常低く、収集される電力はしばしば微々たるもの（ミリワットまたはマイクロワット）ですが、[ 158 ]多くの分野で普及しているリモートセンサーなどの小型マイクロ電力ワイヤレス機器を動作させたり充電したりするには十分です。[ 158 ]この新しい技術は、このようなワイヤレス機器のバッテリー交換や充電の必要性をなくし、完全に自律的に動作できるようにするために開発されています。[ 159 ] [ 160 ]
近接するワイヤーコイル間の誘導電力伝送は、1800年代に 変圧器が開発されて以来存在する、最も初期の無線電力技術である。誘導加熱は1900年代初頭から使用されており、誘導調理に使用されている。[ 161 ]
コードレス機器の登場に伴い、電気歯ブラシや電気シェーバーなど、湿った環境で使用される機器の感電の危険を排除するために、誘導充電スタンドが開発されました。誘導転送の最も初期の提案された用途の1つは、電気機関車への電力供給でした。1892年、モーリス・ユタンとモーリス・ルブランは、3kHzで軌道線に誘導結合された共振コイルを使用して鉄道列車に電力を供給する無線方式の特許を取得しました。[ 162 ]
1960年代初頭、共振誘導無線エネルギー伝送は、ペースメーカーや人工心臓などの埋め込み型医療機器に成功裏に使用されました[ 163 ] 。初期のシステムでは共振受信コイルが使用されていましたが、後のシステム[ 164 ]では共振送信コイルも実装されました。これらの医療機器は、低電力電子機器を使用して高効率を実現するように設計されており、コイルの多少のずれや動的なねじれにも効率的に対応します。埋め込み用途におけるコイル間の距離は、一般的に20cm未満です 。今日では、共振誘導エネルギー伝送は、市販されている多くの埋め込み型医療機器に電力を供給するために日常的に使用されています[ 165 ] 。
最初の受動型RFID（無線周波数識別）技術は、マリオ・カルドゥッロ[ 166 ]（1973年）とコエルら[ 167 ] （1975年）によって発明され、1990年代には近接カードや非接触型スマートカードに使用されていました。
近年の携帯電話、タブレット、ノートパソコンなどの携帯型無線通信機器の普及により、充電中にこれらの機器を壁のコンセントに接続する必要性をなくすため、中距離無線給電および充電技術の開発が進められています。 [ 168 ]ワイヤレス電力コンソーシアムは、メーカー間で相互運用可能な標準を開発するために2008年に設立されました。[ 168 ] 2009年8月に公開されたQi誘導電力規格により、4cm （1.6インチ）の距離で最大5ワットの携帯機器を高効率で充電および給電することが可能になりました。 [ 169 ]ワイヤレス機器は平らな充電プレート（例えばカフェのテーブルトップに埋め込むことができる）の上に置かれ、充電器内の平らなコイルから機器内の同様のコイルに電力が伝達されます。 2007年、MITのマリン・ソルヤチッチ率いるチームは、 直径25cmの二次コイルを10MHzに同調させた二重共振送信機を用いて、 2メートル（6.6フィート） （送信コイル直径の8倍）の距離にある同様の二重共振受信機に60Wの電力を約40%の効率で伝送した。[ 35 ] [ 84 ]
2008年、ネバダ雷研究所のグレッグ・レイとマイク・ケナンのチームは、 直径57cmの二次コイルを60kHzに同調させた接地型二重共振送信機と、同様の接地型二重共振受信機を使用して、結合電場を介してアース電流帰還回路を介して12メートル（39フィート） の距離で電力を伝送した。[ 170 ] 2011年、レディング大学のクリストファー・A・タッカー博士とケビン・ワーウィック教授は、テスラの1900年の特許0,645,576を小型で再現し、共振周波数27.50MHzで直径10cm（3.9インチ）のコイルを使用して4メートル（13フィート）の電力伝送を実証し、実効効率は60%であった。[ 171 ]
1970年代と1980年代のマイクロ波研究の主な動機は、宇宙ベースの太陽光発電用の衛星を開発することであった。[ 28 ] [ 55 ] 1968年にピーター・グレイザーによって構想されたこの衛星は、太陽電池を使用して太陽光からエネルギーを収集し、それをマイクロ波として地球に送り、巨大なレクテナでそれを電力網上の電気エネルギーに変換するものであった。[ 172 ] 1975年の画期的な実験で、JPL/レイセオンプログラムの技術ディレクターとして、ブラウンは1マイル離れたレクテナに475Wのマイクロ波電力をビームすることで長距離伝送を実証し、マイクロ波からDCへの変換効率は54%であった。[ 173 ] NASAのジェット推進研究所で、彼とロバート・ディキンソンは、26mのパラボラアンテナから7.3×3.5mのレクテナアレイに2.38GHzのマイクロ波を使用して 30kWのDC出力電力を1.5kmにわたって送信した。レクテナの入射RFからDCへの変換効率は80%でした。[ 174 ] 1983年、日本は電離層を通過する高出力マイクロ波の伝送をテストするロケット実験であるマイクロ波電離層非線形相互作用実験（MINIX）を開始しました。
近年、研究の焦点は無線給電式ドローン航空機の開発であり、これは1959年に国防総省のRAMP（Raytheon Airborne Microwave Platform）プロジェクト[ 55 ]で始まり、同プロジェクトはブラウンの研究を支援した。1987年、カナダ通信研究センターは、通信衛星に似た地球上の地点間で通信データを中継する小型プロトタイプ航空機、 Stationary High Altitude Relay Platform （SHARP）を開発した。整流アンテナで給電され、高度13マイル（21km）を飛行し、数ヶ月間空中にとどまることができた。1992年、京都大学のチームは、MILAX（MIcrowave Lifted Airplane eXperiment）と呼ばれるより高度な機体を製作した。
2003年、NASAはレーザー動力の航空機を初めて飛行させた。この小型模型飛行機のモーターは、地上レーザーからの赤外線ビームを光電池で発電した電力で駆動し、制御システムによってレーザーが機体に向けられた状態が維持された。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク){{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) 包括的な理論工学テキスト