ワイヤレス電力伝送

ワイヤレス電力伝送技術：コードレス社会への道筋

ワイヤレス電力伝送技術は、接触を用いずに電力を送る技術です。コードレス電話や電動歯ブラシなど身近な機器にも用いられており、近年急速に進歩しています。本稿では、その歴史から原理、課題、そして将来展望までを解説します。

歴史：テスラから現代技術へ

ワイヤレス電力伝送の構想は、20世紀初頭にニコラ・テスラが「世界システム」として提案した「テスラコイル」にまで遡ります。テスラは電離層の反射を利用した大規模送電を目指しましたが、当時の技術力では実現不可能でした。その後、長年に渡り様々な研究開発が続けられてきました。

1891年にはBarton R. Shoverが電車への誘導給電を試み、1970年代にはジョン・ジョージ・ボルガーが電気自動車への給電システムを開発しました。1989年には、現代の磁界共振方式と同様の原理を持つ回路が特許出願されています。1993年にはダイフクが世界初の非接触給電搬送システムを実用化。2006年にはMITのマリン・ソーリャチッチが「WiTricity」を発表し、磁界共振方式が注目を集めるようになりました。2010年には、WPCが国際標準規格「Qi」を策定し、ワイヤレス充電の普及が加速しました。2023年にはAppleのMagSafeをベースにした「Qi2」が発表され、さらなる発展が期待されています。

原理：非放射型と放射型

ワイヤレス電力伝送方式は大きく分けて、非放射型と放射型に分類されます。

非放射型：電磁誘導と磁界共振

非放射型では、電磁誘導方式と磁界共振方式が主流です。電磁誘導方式は、コイル間の電磁誘導現象を利用して電力を伝送します。距離が離れると効率が低下するため、近距離での使用が一般的です。

磁界共振方式は、送受信コイルの共振周波数を一致させることで、より長距離、高効率の電力伝送を実現します。オークランド大学とMITが開発した方式が代表的であり、両方式は共振器の配置に違いがあります。MITの方式は「WiTricity」として知られ、非放射型の電磁的共鳴エネルギートンネルによる電力伝送を謳っています。ただし、この理論については議論があり、従来の電磁気学に基づく説明も可能です。

放射型：マイクロ波やレーザー

放射型では、電力を電磁波に変換して伝送します。マイクロ波方式は、遠距離への送電が可能である一方、送電効率や人体への影響などが課題です。レーザーを用いた方式も研究されていますが、安全性の確保が重要な課題となります。宇宙太陽光発電も、マイクロ波やレーザーを用いた遠距離送電システムの一種です。

問題点：距離、位置ずれ、効率

ワイヤレス電力伝送技術は、距離、位置ずれ、効率などの課題を抱えています。非放射型は近距離での送電が中心であり、長距離化は困難です。また、送受信コイルの位置ずれは電力伝送効率の低下につながります。さらに、コイルの大きさや共振回路のQ値も、伝送距離や効率に大きな影響を与えます。

特に、WiTricityの磁界共振方式は、結合モード理論に基づいていると説明されてきましたが、その正確性については議論があります。また、位置ずれへの耐性（ロバスト性）を高めようとすると効率が低下するなど、トレードオフの関係が存在します。AppleのAirPower計画の中止も、ワイヤレス電力伝送技術の未成熟さを示す出来事でした。

大電力用途への展望：様々な応用

小電力用途では、ペースメーカーや電動歯ブラシなど、すでに多くの製品でワイヤレス電力伝送技術が活用されています。近年は、AGV（無人搬送車）、超電導リニア、EVバスなど大電力用途への応用も進められています。特に超電導リニアの車上電源は、独自の誘導集電方式により長距離かつ高効率な走行中給電を実現しようとしています。

実用例と将来

ワイヤレス電力伝送技術は、様々な分野で活用されています。センサー、カプセル内視鏡、ワイヤレスマウス、EVバス、海中ロボットなど、多様な機器への応用が進んでいます。今後、さらに技術開発が進み、より長距離、高効率、高電力での送電が可能になることで、私たちの生活は大きく変化していくでしょう。

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