特許 6414978 レクテナ装置及びレクテナ装置の故障検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6414978

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】レクテナ装置及びレクテナ装置の故障検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/27 20160101AFI20181022BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/27

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-24130(P2015-24130)

(22)【出願日】2015年2月10日

(65)【公開番号】特開2016-149824(P2016-149824A)

(43)【公開日】2016年8月18日

【審査請求日】2017年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】小澤 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】藤原 暉雄

【審査官】 坂本 聡生

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−０３３２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７５４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１２２７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００− ７／１２

７／３４− ７／３６

５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｓ５０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マイクロ波を受信して該マイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換するレクテナを多数具備したレクテナ装置であって、
前記多数のレクテナは互いに並列に接続されて複数のブロックに区分けされ、
区分けされて互いに並列に接続された複数のレクテナを含むブロック同士は互いに直列に接続され、
前記複数のブロックには、該ブロック毎の電圧を計測する電圧計がそれぞれ配置され、
前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合において、前記電圧計で計測される前記異常ブロックの電圧と、前記複数のブロックの各正常な電圧との間に生じる電圧差から前記異常ブロックが検出されるレクテナ装置。

【請求項2】

前記複数のブロック毎に配置された前記電圧計は、計測値を遠隔モニタ可能な表示部にそれぞれ接続され、前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合の前記電圧差が前記表示部に表示されて前記異常ブロックが検出される請求項１に記載のレクテナ装置。

【請求項3】

前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合の前記電圧差に基づいてオープン故障検出閾値が設定され、前記電圧差が前記オープン故障検出閾値を超える場合に前記異常ブロックが検出される請求項１又は２に記載のレクテナ装置。

【請求項4】

前記複数のブロック毎で互いに並列に接続された前記複数のレクテナは、前記複数のブロック毎の前記電圧計でそれぞれ計測される電圧を互いに同等とするべく配置されている請求項１又は２に記載のレクテナ装置。

【請求項5】

マイクロ波を受信して該マイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換するレクテナを多数具備したレクテナ装置の故障検出方法であって、
前記多数のレクテナを互いに並列に接続して複数のブロックに区分けすると共に、区分して互いに並列に接続した複数のレクテナを含むブロック同士を互いに直列に接続して、前記複数のブロックに、該ブロック毎の電圧を計測する電圧計をそれぞれ配置し、
前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合には、前記電圧計で計測される前記異常ブロックの電圧と、前記複数のブロックの各正常な電圧との間に生じる電圧差から前記異常ブロックを検出するレクテナ装置の故障検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロ波を受信してこのマイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換するレクテナを多数具備したレクテナ装置及びこのレクテナ装置のレクテナに関わる故障を検出するのに好適なレクテナ装置の故障検出方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、上記したような多数のレクテナを具備したレクテナ装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあり、このレクテナ装置では、レクテナを構成するマイクロ波を受信するアンテナと、マイクロ波を整流する整流回路との間にハイブリッド回路及びモニタ回路を設け、整流回路に故障が生じた場合には、その反射波をモニタ回路でモニタすることで、レクテナに関わる故障の有無を検出するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2012-023857号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上記した従来のレクテナ装置において、多数のレクテナの各整流回路にモニタ回路をそれぞれ設ける必要があることから、例えば、数千万個〜数億個のレクテナを使用する宇宙太陽光発電システムのレクテナ装置では、モニタ回路の数が非現実的なものになってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

【0005】

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、レクテナの個数が莫大な数であったとしても、故障を検出するためのハイブリッド回路やモニタ回路等の検出手段を少なく抑えたうえで、レクテナに関わる故障を確実に検出することができるレクテナ装置及びレクテナ装置の故障検出方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様は、マイクロ波を受信して該マイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換するレクテナを多数具備したレクテナ装置であって、前記多数のレクテナは互いに並列に接続されて複数のブロックに区分けされ、区分けされて互いに並列に接続された複数のレクテナを含むブロック同士は互いに直列に接続され、前記複数のブロックには、該ブロック毎の電圧を計測する電圧計がそれぞれ配置され、前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合において、前記電圧計で計測される前記異常ブロックの電圧と、前記複数のブロックの各正常な電圧との間に生じる電圧差から前記異常ブロックが検出される構成としている。

【0007】

また、本発明の第２の態様において、前記複数のブロック毎に配置された前記電圧計は、計測値を遠隔モニタ可能な表示部にそれぞれ接続され、前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合の前記電圧差が前記表示部に表示されて前記異常ブロックが検出される構成としている。

【0008】

さらに、本発明の第３の態様は、前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合の前記電圧差に基づいてオープン故障検出閾値が設定され、前記電圧差が前記オープン故障検出閾値を超える場合に前記異常ブロックが検出される構成としている。

【0009】

さらにまた、本発明の第４の態様において、前記複数のブロック毎で互いに並列に接続された前記複数のレクテナは、前記複数のブロック毎の前記電圧計でそれぞれ計測される電圧を互いに同等とするべく配置されている構成としている。

【0010】

さらにまた、本発明の第５の態様は、マイクロ波を受信して該マイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換するレクテナを多数具備したレクテナ装置の故障検出方法であって、前記多数のレクテナを互いに並列に接続して複数のブロックに区分けすると共に、区分して互いに並列に接続した複数のレクテナを含むブロック同士を互いに直列に接続して、前記複数のブロックに、該ブロック毎の電圧を計測する電圧計をそれぞれ配置し、前記複数のブロックの中でオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在する場合には、前記電圧計で計測される前記異常ブロックの電圧と、前記複数のブロックの各正常な電圧との間に生じる電圧差から前記異常ブロックを検出する構成としている。

【発明の効果】

【0011】

本発明の第１の態様に係るレクテナ装置及び第５の態様に係るレクテナ装置の故障検出方法では、レクテナの個数が莫大な数であったとしても、故障を検出するためのハイブリッド回路やモニタ回路等の検出手段を少なく抑えたうえで、レクテナに関わる故障を確実に検出することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

【0012】

また、本発明の第２の態様に係るレクテナ装置では、複数のブロックの中にオープン故障が生じているレクテナを含む異常ブロックが存在することを遠隔でモニタすることができる。
さらに、本発明の第３の態様に係るレクテナ装置では、電圧の計測誤差による故障の誤検出を防ぐことができる。
さらにまた、本発明の第４の態様に係るレクテナ装置では、マイクロ波を直流電力に変換するＲＦ／ＤＣ変換効率の低下を防いだうえで、故障検出の際の判定を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施例によるレクテナ装置の概略構成説明図である。

【図2】図１に示したレクテナ装置の作用を説明するためのレクテナアレイを示す概略構成説明図（ａ）及び図２（ａ）のレクテナアレイ内のレクテナの一配置例を示すレイアウト説明図（ｂ）である。

【図3】図２におけるレクテナアレイのインピーダンス制御時における正常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【図4】図２におけるレクテナアレイのブロックのインピーダンス制御時における正常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【図5】図２におけるレクテナアレイのブロックのインピーダンス制御時における異常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【図6】図２におけるレクテナアレイの定電圧制御時における正常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【図7】図２におけるレクテナアレイのブロックの定電圧制御時における正常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【図8】図２におけるレクテナアレイのブロックの定電圧制御時における異常動作の際の電流電圧特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係るレクテナ装置を図面に基づいて説明する。
図１〜図８は、本発明の一実施例に係るレクテナ装置を示しており、この実施例では、本発明に係るレクテナ装置を宇宙太陽光発電システムに採用した場合を例に挙げて説明する。

【0015】

宇宙太陽光発電システムは、例えば、静止軌道上に投入した少なくとも１機の発電衛星で太陽光を集めて電気エネルギを生成し、この生成した電気エネルギをマイクロ波に変換して発電衛星の送信アンテナを介して地上の電力基地へ送信する。

【0016】

電力基地には、発電衛星から送信されたＲＦ電力であるマイクロ波を受信するレクテナ装置が備えられている。図１に示すように、このレクテナ装置１は、受信したマイクロ波のエネルギを直流電流に整流変換する多数のレクテナ３で構成されるレクテナアレイ２を備えており、このレクテナアレイ２には集電回路４が接続されている。この集電回路４には直流電流から交流電流に変換するＤＣ−ＡＣ変換部５が接続されており、直流電流から変換された交流電流は送電ケーブル６を介して図外の商用電力網に送電される。

【0017】

この宇宙太陽光発電システムにおいて、発電衛星から電力基地までの距離が非常に長いことから、発電衛星の送信アンテナの直径は数ｋｍにおよぶ場合があり、一方、電力基地に配置されるレクテナ装置１の直径も数ｋｍにおよぶ場合がある。

【0018】

この場合、レクテナ装置１の多数のレクテナ３で構成されるレクテナアレイ２では、レクテナ３をｍ個ずつｎ個のブロック１０_１〜１０_ｎに区分けして互いに並列に接続し、区分けして並列に接続したレクテナ３_１〜３_ｍを含むｎ個のブロック１０_１〜１０_ｎ同士を互いに直列に接続して、多数のレクテナ３のグループ分けを行っている。

【0019】

複数のブロック１０_１〜１０_ｎには、これらのブロック１０_１〜１０_ｎ毎の電圧を計測する電圧計１１_１〜１１_ｎがそれぞれ配置されており、複数のブロック１０_１〜１０_ｎ毎に配置された電圧計１１_１〜１１_ｎには、装置全体の動作状況を表示する表示部８が接続されている。

【0020】

この表示部８では、電圧計１１_１〜１１_ｎで計測される複数のブロック１０_１〜１０_ｎの各計測値を遠隔でモニタ可能となっている。この表示部８では、複数のブロック１０_１〜１０_ｎの中でオープン故障が生じているレクテナ３を含む異常なブロック、例えば、ブロック１０_１が存在する場合において、電圧計１１_１〜１１_ｎで計測される異常なブロック１０_１の電圧と、複数のブロック１０の各正常な電圧との間に生じる電圧差を表示することで、異常なブロック１０_１の検出が成されるようになっている。

【0021】

この際、異常なブロック１０_１が存在する場合の電圧差に基づくオープン故障検出閾値を表示部８に設定して、電圧差がこのオープン故障検出閾値を超える場合にその電圧差を表示することで、異常なブロック１０_１を検出するようにしてもよい。

【0022】

このレクテナ装置１における複数のブロック１０_１〜１０_ｎ中のレクテナ３が短絡故障ないし短絡に近い状態で故障（ショート故障）している場合には、その故障があるブロック１０の電圧が著しく低下するので、この電圧の著しい低下を表示部８で読み取ることで、故障があるブロック１０の検出が容易に成されることとなる。

【0023】

次に、このレクテナ装置１における複数のブロック１０_１〜１０_ｎの中で並列に接続されているレクテナ３が開放状態になったりレクテナ３自体が破損したりする故障（オープン故障）を起こしている場合の故障の検出要領を説明する。

【0024】

説明を簡単にするために、図２（ａ）に示すように、並列に接続した１６個のレクテナ３_１〜３_１６を含む２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂを直列に接続して成るレクテナアレイ２_ＡＢを例に挙げて、オープン故障の検出要領を説明する。

【0025】

この際、図２（ｂ）に示すように、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂにおける各１６個のレクテナ３_１〜３_１６は、マイクロ波の照射電力密度分布が均一になるように、すなわち、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂ毎の電圧計１１_Ａ，１１_Ｂでそれぞれ計測される電圧が互いに同等になるように配置されている。

【0026】

まず、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂにおける各１６個のレクテナ３_１〜３_１６の出力電圧が飽和しない不飽和領域において、負荷抵抗を一定（２４Ω）に保つインピーダンス制御を行う場合、図３に示すように、レクテナアレイ２_ＡＢの正常動作時には、レクテナアレイ２_ＡＢの電流電圧特性ライン（以下、動作ライン）Ｐ１とインピーダンス制御ラインＱ１とが交差する動作点Ｏ１の電流は０．５８Ａであり、制御電圧は１３．９Ｖである。

【0027】

このとき、説明を簡単にするために２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂの各特性が同一であると仮定すると、図４に示すように、正常動作時のブロック１０_Ａ，１０_Ｂの動作ラインＰ２とインピーダンス制御ラインＱ２とが交差する動作点Ｏ２の電流は０．５８Ａになり、電圧は６．９５Ｖになる。

【0028】

ここで、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂのうちのいずれか一方のブロック１０_Ａ（或いはブロック１０_Ｂ）の１個のレクテナ３にオープン故障が生じた場合、故障が生じたブロック１０_Ａには変化が生じ、ブロック１０_Ａの動作ラインは、図５に示すように、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＰ２との間に差異がある動作ラインＰ３となる。

【0029】

この故障が生じたブロック１０_Ａの動作ラインＰ３が出力電流一定の直線Ｌと交差する点が動作点Ｏ３であり、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＰ２が出力電流一定の直線Ｌと交差する点が動作点Ｏ２’である。この際、故障が生じたブロック１０_Ａの動作点Ｏ３と正常なブロック１０_Ｂの動作点Ｏ２’とを結ぶ直線Ｌの出力電流は、動作点Ｏ３，Ｏ２’の各電圧の和がインピーダンス制御の制御電圧１３．９Ｖとほぼ一致するように約０．５７Ａに決定される。

【0030】

つまり、故障が生じたブロック１０_Ａの動作ラインＰ３上における動作点Ｏ３の電圧は６．６２Ｖであり、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＰ２上における動作点Ｏ２’の電圧は７．０７Ｖとなり、両動作点Ｏ３，Ｏ２’間に０．４５Ｖの電圧差が生じる。

【0031】

そして、レクテナ装置１における表示部８では、上記した異常なブロック１０_Ａの動作ラインＰ３上における動作点Ｏ３の電圧と、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＰ２上における動作点Ｏ２’の電圧との間に生じる電圧差を表示する。これにより、オープン故障の発生が告知されると共に、低い値の電圧を示したブロックが異常ブロック１０_Ａとして検出されることとなる。

【0032】

次に、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂにおける各１６個のレクテナ３_１〜３_１６の出力電圧が飽和する飽和領域において、出力電圧を飽和領域で一定電圧（１９．２Ｖ）に保つ定電圧制御を行う場合、図６に示すように、レクテナアレイ２_ＡＢの正常動作時には、レクテナアレイ２_ＡＢの動作ラインＲ１と定電圧制御ラインＳ１とが交差する動作点Ｔ１の電流は０．８４Ａであり、制御電圧は１９．２Ｖである。

【0033】

このとき、説明を簡単にするために２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂの各特性が同一であると仮定すると、図７に示すように、正常動作時のブロック１０_Ａ，１０_Ｂの動作ラインＲ２と定電圧制御ラインＳ２とが交差する動作点Ｔ２の電流は０．８４Ａになり、電圧は９．６Ｖになる。

【0034】

ここで、２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂのうちのいずれか一方のブロック１０_Ａ（或いはブロック１０_Ｂ）の１個のレクテナ３にオープン故障が生じた場合、故障が生じたブロック１０_Ａには変化が生じ、ブロック１０_Ａの動作ラインは、図８に示すように、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＲ２との間に差異がある動作ラインＲ３となる。

【0035】

この故障が生じたブロック１０_Ａの動作ラインＲ３が出力電流一定の直線Ｕと交差する点が動作点Ｔ３であり、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＲ２が出力電流一定の直線Ｕと交差する点が動作点Ｔ２’である。この際、故障が生じたブロック１０_Ａの動作点Ｔ３と正常なブロック１０_Ｂの動作点Ｔ２’とを結ぶ直線Ｕの出力電流は、動作点Ｔ３，Ｔ２’の各電圧の和が定電圧制御の制御電圧１９．２Ｖとほぼ一致するように約０．８１Ａに決定される。

【0036】

つまり、故障が生じたブロック１０_Ａの動作ラインＲ３上における動作点Ｔ３の電圧は９．３０Ｖであり、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＲ２上における動作点Ｔ２’の電圧は９．９０Ｖとなり、両動作点Ｔ３，Ｔ２’間に０．６Ｖの電圧差が生じる。

【0037】

そして、レクテナ装置１における表示部８では、上記した異常なブロック１０_Ａの動作ラインＲ３上における動作点Ｔ３の電圧と、正常なブロック１０_Ｂの動作ラインＲ２上における動作点Ｔ２’の電圧との間に生じる電圧差を表示する。これにより、オープン故障の発生が告知されると共に、低い値の電圧を示したブロックが異常ブロック１０_Ａとして検出されることとなる。

【0038】

ここまで、簡単のため、並列に接続した１６個のレクテナ３_１〜３_１６を含む２つのブロック１０_Ａ，１０_Ｂを直列に接続して成るレクテナアレイ２_ＡＢを例に挙げて、オープン故障の検出要領を説明したが、故障したレクテナの数が増加すれば上記電圧差はさらに増加する。

【0039】

また、レクテナアレイ２_ＡＢにおけるブロック１０_Ａ，１０_Ｂ内のレクテナ３の並列数が増加すれば、上記電圧差が縮小し、レクテナ３の並列数が減少すれば、上記電圧差が増加する。

【0040】

さらに、直列に接続するブロック１０が多数ある場合には、複数のレクテナ３の各特性が同一であれば、正常な状態においてすべてのブロック１０の各電圧が同一になる。
一方、複数のレクテナ３のうちのいずれかのレクテナ３に故障が生じている異常な状態では、故障が生じたレクテナ３を含むブロック１０の電圧が下がるので、互いに同じ電圧を示す他の正常なブロック１０中において低い電圧を示しているブロック１０を故障が生じたレクテナ３を含む異常なブロック１０として検出する。

【0041】

そして、故障が生じたレクテナ３を含む異常なブロック１０が複数存在する状態では、これらの異常なブロック１０の各電圧が他の正常なブロック１０の電圧と比べて一様に下がるので、異常なブロック１０が一つ存在する場合と同様に、多数の正常なブロック１０中において低い電圧を示しているブロック１０の全てを故障が生じたレクテナ３を含む異常なブロック１０として検出する。

【0042】

上記したように、この実施例に係るレクテナ装置１では、多数のレクテナ３で構成されるレクテナアレイ２において、レクテナ３をｍ個ずつｎ個のブロック１０_１〜１０_ｎに区分けして互いに並列に接続し、区分けして並列に接続したレクテナ３_１〜３_ｍを含むｎ個のブロック１０_１〜１０_ｎ同士を互いに直列に接続して、多数のレクテナ３のグループ分けを行っている。

【0043】

そして、複数のブロック１０_１〜１０_ｎに電圧計１１_１〜１１_ｎをそれぞれ配置して、これらの電圧計１１_１〜１１_ｎの測定値に基づく装置全体の動作状況を表示部８に表示するようにしているので、故障を検出するためのハイブリッド回路やモニタ回路等の検出手段を少なく抑えたうえで、レクテナ３に関わる故障を確実に検出し得ることとなる。

【0044】

また、この実施例に係るレクテナ装置１では、電圧計１１_１〜１１_ｎで計測される複数のブロック１０_１〜１０_ｎの各計測値を表示部８で遠隔でモニタすることができる。
さらに、この実施例に係るレクテナ装置１では、異常なブロック１０が存在する場合の電圧差に基づくオープン故障検出閾値を表示部８に設定することで、電圧の計測誤差による故障の誤検出を防ぐことができる。
さらにまた、この実施例に係るレクテナ装置１では、マイクロ波の照射電力密度分布が均一になるようにレクテナ３を配置することで、マイクロ波を直流電力に変換するＲＦ／ＤＣ変換効率の低下を防ぎつつ、故障検出の際の判定を容易に行うことができる。

【0045】

上記した実施例では、レクテナ装置１を宇宙太陽光発電システムに採用した場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。

【0046】

本発明に係るレクテナ装置及びレクテナ装置の故障検出方法の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0047】

１ レクテナ装置
３（３_１〜３_１６，３_ｍ） レクテナ
８ 表示部
１０（１０_１〜１０_ｎ，１０_Ａ，１０_Ｂ） ブロック
１１（１１_１〜１１_ｎ，１１_Ａ，１１_Ｂ） 電圧計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】