日本无线供电课题：传感器到宇宙光伏发电

　　因东日本大地震的影响，日本的“电子信息通信学会2012年综合大会”隔了一年才再次举办。在2010年的上届大会上吸引了与会者目光的无线供电技术此次更是备受瞩目。本届大会的发表数量增加，甚至有人站着听讲。

　　上届综合大会上大多是旨在用于汽车的研究发表，而此次还出现了瞄准其他用途的动向（图1）。除了汽车和已经开始实用化的智能手机外，从mW级的小电力到1万kW以上大电力用途的应用已经开始进入具体讨论阶段。

　　以mW级为例，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和京都大学等考虑在无线传感器网络中采用无线供电。京都大学试制出了采用微波无线供电的系统，用作ZigBee通信方式的无线传感器驱动电源。超大电力方面也有发表显示，宇宙光伏电站（solar power satellite/station：SPS）的综合研究正在一点一滴地扎实推进。

　　考虑到对人体影响的线圈

　　此次，除了应用范围得到扩大外，还大量发表了解决实用化课题的研究成果。比如，对人体影响的评测以及电力传输效率的提高。

　　尤其是对人体影响的评测，在实用化时是不可或缺的。此前基本没有相关发表，而此次设想了实际利用场景的影响评测接连不断。

　　

　　图1：用途不断扩大

　　无线供电的应用范围在不断扩大。此前大多是面向智能手机和汽车的研究开发，而最近，从传感器到宇宙光伏发电等多种用途的应用已经进入具体讨论阶段。

　　例如，东京理科大学的研发小组发表了设想为人工心脏的电源无线供电的研究内容。该小组验证了供受电线圈配置位置不同时的人体辐射变化（图2）。比较了配置在胸大肌上和配置在前锯肌上（靠近腋下）的情况。供电线圈和受电线圈间的距离为5mm。传输条件方面，输出电力为20W，传输频率为600kHz。

　　

　　图2：减小电流密度

　　设想用于人工心脏，探讨了应该将线圈配置在人体的哪个位置。比较了配置在胸大肌上和前锯肌上（靠近腋下）的情况后得知，配置在胸大肌上可以减小电流密度。，体素模型以信息通信研究机构（NICT）的模型为基础。（图由本刊根据东京理科大学副教授柴建次的数据制作）

　　验证结果显示，起刺激作用的指标——电流密度J（A/m2）在受电线圈周围的皮肤和肌肉上稍高，为2～4A/m2，不过仍然在国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的职业辐射标准值以下注1）。比较供受电线圈的配置位置后证实，根据电流密度的分布来看，“考虑到对肺和肝脏等脏器的影响，还是配置在胸大肌上比较合适”（东京理科大学基础工学部电子应用工学科副教授柴建次）。

　　注1） 电磁场对人体组织产生的主要影响包括：人体组织内产生的焦耳热引起温度上升的热作用，以及感应电流引起肌肉和神经兴奋的刺激作用。热作用的指标采用单位重量的吸收电力SAR（specific absorption rate（W/kg）），刺激作用的指标采用电流密度J（A/m2）和体内电场E（V/m）。

　　“人体碰到受电侧周围存在的非接地导体时的接触电流也应该列入考虑范围”。这是首都大学东京的教授多气昌生领导的研发小组提出的。该小组在此次发表中表明，有时即使达到了ICNIRP指南的基本限制值，也达不到接触电流的参考水平。

　　提高系统整体的效率

　　关于电力传输效率的提高，仍在继续推进面向实用化的举措。此次，松下和静冈大学等针对线圈形状方面的改进做了发表。松下证实，线圈卷绕方式不同，“磁共振式”无线供电的传输效率也不同（图3）。作为近距离传输用途，从中心向外侧紧密卷绕铜（Cu）线，从而增大了容量成分C的螺旋式线圈比较合适。

　　

　　图3：紧密卷绕线圈

　　松下证实，在不同的线圈卷绕方式下，电力传输效率各不相同。作为近距离传输用途，向线圈Ⅲ那样从中心向外侧紧密卷绕铜线增大了容量成分C的方式比较适合。（图由本刊根据松下的发布资料制作）

　　此外，RyuTech公司代表董事粟井郁雄提出，“开发时应该考虑到系统整体”。他呼吁，电子信息通信学会上的众多天线和通信技术人员与“其他行业”的电源电路技术人员必须展开合作。这是因为，要想提高系统整体的效率，不仅是线圈间的效率，还需要与前段的高频电源和后段的整流电路等实现优化。（