ワイヤレス給電：電磁誘導によるエネルギー伝送 - 世界の動向

ワイヤレス給電（WPT）、またはワイヤレスエネルギー伝送（WET）やワイヤレス充電としても知られるこの技術は、物理的な接続なしに電気エネルギーを伝送するものです。この技術は、送信機と受信機の間で電磁場を利用してエネルギーを伝送します。この概念は1世紀以上前から存在していますが、技術の進歩により、WPTは現在、世界中の様々な産業で実用的かつますます普及しているソリューションとなっています。

電磁誘導によるエネルギー伝送の理解

電磁誘導によるエネルギー伝送は、いくつかの方法を含み、大きく分けて近距離技術と遠距離技術の2種類に分類されます。

近距離給電

近距離給電、または非放射性伝送としても知られるこの方式は、電磁場の波長と同程度かそれ以下の距離で動作します。主な技術は以下の通りです。

• 誘導結合： これは最も一般的な方法で、2つのコイル（送信機と受信機）を使用して磁場を生成します。受信コイルが送信コイルによって生成された磁場内にあると、受信コイルに電気が誘導されます。電動歯ブラシの充電ドックやスマートフォンのワイヤレス充電パッドを身近な例として考えてみてください。誘導結合の効率は、距離が離れるにつれて急速に低下します。
• 共鳴誘導結合： この方法は、送信機と受信機の両方のコイルを同じ周波数で共鳴するように調整することで、誘導結合の効率と範囲を向上させます。これにより、より強力な磁場が生成され、わずかに長い距離でもより効率的なエネルギー伝送が可能になります。これは、電気自動車の一部のワイヤレス充電システムで使用されています。実用例としては、都市環境でバスのバス停での充電を可能にする共鳴誘導充電を研究・実装している企業があります。

遠距離給電

遠距離給電、または放射性伝送としても知られるこの方式は、電磁場の波長よりもはるかに長い距離で動作します。主な技術は以下の通りです。

• マイクロ波給電： この方法は、マイクロ波を使用して長距離でエネルギーを伝送します。これには、電気をマイクロ波に変換する送信機と、マイクロ波を再び電気に変換する受信機（レクテナ）が必要です。マイクロ波給電は、リモートセンサーへの給電や、宇宙太陽光発電所から地球へのエネルギー伝送といった用途で検討されています。この分野の研究例としては、様々な宇宙機関や民間企業による宇宙太陽光発電に関する継続的な取り組みが挙げられます。
• 無線周波数（RF）エネルギーハーベスティング： この技術は、周囲の電波（Wi-Fiルーター、携帯電話基地局、放送信号など）を収集し、利用可能な電気エネルギーに変換します。ハーベストされるエネルギー量は通常少量ですが、センサーやウェアラブル電子機器などの低電力デバイスに電力を供給するのに十分な場合があります。例としては、スマートビル内のセンサーが周囲のRFエネルギーで動作しています。
• レーザー給電： この方法は、レーザーを使用して電力をワイヤレスで伝送します。レーザービームは、光を電力に変換する太陽電池に照射されます。レーザー給電は、ドローンやロボットのリモート給電といったニッチな用途で使用されています。

ワイヤレス給電の主要技術とコンポーネント

ワイヤレス給電システムの実装には、いくつかの主要な技術とコンポーネントが不可欠です。

• 送信コイル： これらのコイルは、エネルギー伝送に必要な電磁場を生成します。効率を最適化し、損失を最小限に抑えるように注意深く設計されています。誘導結合と共鳴誘導結合には、異なるコイル設計が使用されます。
• 受信コイル： これらのコイルは、電磁エネルギーを捕捉し、再び電気エネルギーに変換します。その設計も効率的なエネルギー伝送のために重要です。
• パワーエレクトロニクス： パワーエレクトロニクス回路は、電力の流れを制御し、電圧と電流を調整し、効率的なエネルギー変換を保証するために使用されます。これらの回路には、インバーター、整流器、DC-DCコンバーターが含まれます。
• 制御システム： 制御システムは、エネルギー伝送プロセスを監視し、動作パラメータを調整し、安全で信頼性の高い動作を保証します。これらには、センサー、マイクロコントローラー、通信インターフェースが含まれる場合があります。
• シールド材： シールド材は、電磁場を閉じ込め、他の電子機器との干渉を防ぐために使用されます。また、電磁放射を低減し、安全規制への準拠を確保するのに役立ちます。

ワイヤレス給電の応用

ワイヤレス給電は、幅広い産業およびセクターで応用されています。

民生用電子機器

これはWPTの最も目に見える応用の一つです。スマートフォン、スマートウォッチ、ワイヤレスイヤホン、その他の民生用電子機器は、ワイヤレス充電機能をますます採用しています。Qi規格は、モバイルデバイスのワイヤレス充電で最も広く使用されている規格です。例えば、IKEAは家具にQi充電器を組み込んでいます。

電気自動車（EV）

EVのワイヤレス充電は、従来のプラグイン充電に代わる便利で効率的な選択肢として注目を集めています。ワイヤレス充電パッドは、道路や駐車スペースに埋め込むことができ、EVは駐車中や走行中でも自動的に充電できます（動的充電）。WiTricityのような企業は、EV向けのワイヤレス充電技術を開発・ライセンス供与しています。世界中の様々な都市で、電気バスのワイヤレス充電のパイロットプログラムが進行中です。

医療機器

ワイヤレス給電は、特にペースメーカー、インスリンポンプ、神経インプラントなどの埋め込み型デバイスにおいて、医療機器に新しい可能性をもたらしています。ワイヤレス充電はバッテリーの必要性をなくし、バッテリー交換に伴う感染や合併症のリスクを軽減します。企業は、人工内耳やその他の医療機器向けのワイヤレス充電システムを開発しています。

産業応用

WPTは、産業環境で、過酷またはアクセスが困難な環境にあるセンサー、ロボット、その他の機器に電力を供給するために使用されています。ワイヤレス給電は、ワイヤーやケーブルの必要性をなくし、安全性、信頼性、柔軟性を向上させることができます。例としては、製造プラントのセンサーへの給電や、倉庫のロボットの充電があります。企業は、AGV（無人搬送車）の充電自動化のためにワイヤレス給電ソリューションを展開しています。

モノのインターネット（IoT）

ワイヤレス給電は、リモートの場所や有線電源が利用できない場所での低電力IoTデバイスの展開を可能にしています。RFエネルギーハーベスティングは、センサー、アクチュエーター、その他のIoTデバイスに電力を供給するために使用でき、スマートシティ、農業、環境モニタリングにおける幅広いアプリケーションを可能にします。例えば、リモートの農場での土壌条件を監視するワイヤレスセンサーは、RFエネルギーハーベスティングによって電力を供給できます。

航空宇宙および防衛

WPTは、軍事作戦におけるドローン、ロボット、センサーへの電力供給など、航空宇宙および防衛における応用が検討されています。レーザー給電は、リモートベースステーションからドローンに電力を供給するために使用でき、飛行時間と範囲を延長します。宇宙空間の衛星への電力供給にマイクロ波給電を使用することに関する研究が行われています。

ワイヤレス給電の利点

ワイヤレス給電は、従来の有線電源システムと比較していくつかの利点を提供します。

• 利便性： ワイヤレス充電は、ケーブルやコネクタの必要性をなくし、充電をより便利で使いやすいものにします。
• 安全性： ワイヤレス給電は、露出したワイヤーやコネクタをなくすことで安全性を向上させ、感電や火災のリスクを軽減できます。
• 信頼性： ワイヤレス給電は、摩耗しやすい物理的な接続の必要性をなくすことで信頼性を向上させることができます。
• 柔軟性： ワイヤレス給電は、デバイスの配置と使用に高い柔軟性を提供し、リモートまたはアクセスが困難な場所での充電を可能にします。
• コスト削減： ワイヤレス給電は、ケーブル、コネクタ、バッテリー交換の必要性をなくすことでコストを削減できます。
• 美学： ワイヤレス充電ソリューションは、目に見えるコードを取り除くことで、よりクリーンでモダンなデザインに貢献します。

課題と考慮事項

ワイヤレス給電には多くの利点がありますが、いくつかの課題にも直面しています。

• 効率： ワイヤレス給電の効率は、電磁場やエネルギー変換プロセスでの損失のため、有線給電よりも一般的に低いです。効率の向上は、研究開発の主要な分野です。
• 範囲： ワイヤレス給電の範囲は、電磁場の強度によって制限されます。近距離技術は、遠距離技術よりも範囲が短いです。
• 安全性： 電磁場への曝露は、安全上の懸念を引き起こす可能性があります。ワイヤレス給電システムが安全な範囲内で動作することを保証するには、標準と規制が必要です。国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）は、電磁場曝露に関するガイドラインを設定しています。
• 干渉： ワイヤレス給電システムは、特に類似の周波数で動作する他の電子機器に干渉する可能性があります。干渉を最小限に抑えるには、シールドおよびフィルタリング技術が必要です。
• コスト： ワイヤレス給電システムのコストは、特に遠距離技術の場合、有線電源システムよりも高くなる可能性があります。コスト削減は、広範な普及に不可欠です。
• 標準化： 万能な標準の欠如は、相互運用性とグローバルな採用を妨げます。誘導充電用のQi標準は注目すべき例外です。

グローバル標準と規制

いくつかの国際組織は、安全性、相互運用性、互換性を確保するために、ワイヤレス給電の標準と規制を開発しています。これらには以下が含まれます。

• Qi標準： ワイヤレスパワーコンソーシアム（WPC）によって開発されたQiは、誘導ワイヤレス充電で最も広く使用されている標準です。
• AirFuel Alliance： この組織は、共鳴誘導およびRFワイヤレス給電の標準を開発しています。
• 国際電気標準会議（IEC）： IECは、電磁両立性および安全性の規格を開発しています。
• 国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）： この組織は、電磁場曝露に関するガイドラインを設定しています。
• 連邦通信委員会（FCC）（米国）： 無線周波数デバイスを規制し、電磁放射の制限を設定します。
• 欧州電気通信標準化機構（ETSI）（欧州）： 電気通信およびワイヤレス技術の標準を開発しています。

ワイヤレス給電の将来のトレンド

ワイヤレス給電の未来は有望であり、いくつかの新興トレンドが業界を形作ると予想されています。

• 効率の向上： 研究者は、新しい材料、回路設計、制御アルゴリズムを通じて、ワイヤレス給電システムの効率を向上させるために取り組んでいます。
• 長距離化： 遠距離技術の進歩により、長距離でのワイヤレス給電が可能になり、航空宇宙、防衛、産業オートメーションで新しいアプリケーションが開かれています。
• 動的充電： 電気自動車の動的ワイヤレス充電は、EVが走行中に充電できるようになり、より一般的になると予想されます。
• 小型化： ワイヤレス給電コンポーネントの小型化により、より小型でポータブルなデバイスへの統合が可能になります。
• 複数デバイス充電： 複数のデバイスを同時に充電できるワイヤレス充電パッドがますます一般的になっています。
• ワイヤレス給電ネットワーク： 建物全体またはエリア全体にエネルギーを分配できるワイヤレス給電ネットワークの開発が検討されています。
• 周囲のソースからのエネルギーハーベスティング： より効率的なエネルギーハーベスティング技術により、周囲の電波やその他の環境ソースからデバイスに電力を供給できるようになります。

ワイヤレス給電で革新を続ける企業例

世界中の多くの企業がワイヤレス給電技術の境界を押し広げています。以下にいくつかの例を挙げます。

• WiTricity（米国）： 電気自動車向けワイヤレス充電技術のリーディングカンパニー。
• Energous（米国）： RFベースのワイヤレス給電技術であるWattUpを開発。
• Ossia（米国）： 電波を使用して長距離で電力を供給するCota Real Wireless Powerに注力。
• Powermat Technologies（イスラエル）： 公共の場所や民生用電子機器向けのワイヤレス充電ソリューションを提供。
• Humavox（イスラエル）： ウェアラブルや補聴器などの小型デバイス向けの近距離ワイヤレス充電を専門としています。
• NuCurrent（米国）： ワイヤレス給電コイルおよびシステムの設計・製造。
• Murata Manufacturing（日本）： ワイヤレス給電モジュールを含む電子部品のグローバルリーダー。
• ConvenientPower（中国）： 民生用電子機器や自動車など、さまざまなアプリケーション向けのワイヤレス充電ソリューションを開発。
• Xiaomi（中国）： スマートフォン向けのオーバーザエアワイヤレス充電技術を実証。

結論

ワイヤレス給電は、デバイスやシステムに電力を供給する方法に革命をもたらす可能性を秘めた、急速に進化する技術です。民生用電子機器から電気自動車、医療機器まで、WPTは幅広い産業で応用されています。効率、範囲、安全性、コストに関する課題は依然として残っていますが、継続的な研究開発は、ワイヤレス給電がユビキタスで私たちの生活にシームレスに統合される未来への道を開いています。技術革新のグローバルな性質は、多様な市場やアプリケーション全体でのこれらの技術の継続的な進歩と採用を保証します。