ケーブルがからまって煩わしい。
電源コードに足を引っかけた・・・といった経験、皆さんありますよね。
そんなケーブルとおさらばできる「ワイヤレス給電」の開発が進んでいる。
「電磁波」などを使うことで、非接触で充電したり機器を動かしたりすることができる技術で、国内外で開発・競争が激しくなっている。
ワイヤレス給電は私たちの生活をどのように変えるのか。
その未来を、ほんの少し覗いてみた。
(科学文化部 島田尚朗)
部屋からコードなくなる!?
コードがないのに家電が明るく光っている
さいたま市大宮区にあるショールーム。
ワイヤレス給電の研究・開発を行う企業が「未来の生活」の一部を展示している。
部屋の机の上にスマホを置くと、充電が始まった。
大人の背丈ほどあるルームライトを床の上に設置するとぼんやりと部屋を照らし出す。
送風機や加湿器、そしてミシンまで、様々な家電が、この部屋では電源コードにつながずに動かすことができる。
もちろん、電気なしに動いているわけではない。
机や床の下に設置された「送電コイル」。
この「送電コイル」に電気を流すと、磁界が発生し、家電側に設置した「受電コイル」がこの磁界を受けると電気が発生し、動くという仕組みだ。
亀田篤志 社長
「今まで電気を送るにはケーブルをつなぐことが必要でした。電気がすべて無線で行われることで、電力の無線革命が起こる。すべてのものが変わってくる」
無線小型センサーで快適&省エネアップ?
こちらは都内の別のスタートアップ企業。
真っ黒な服を手渡され、それを着て、案内された部屋に入った。
すると…。
服が白く光り始めた。
まるでスターのように服が光る山田アナウンサー
服に縫い付けられた微少なLEDが一斉に輝き出したのだ。
部屋から出ると、LEDは光らなくなった。
これはどういう仕組みなのか。
さきほどの部屋で体験した家電についていた「受電コイル」は見当たらない。
山田アナと岩佐 社長(右)
岩佐凌 社長
「実はこの空間全体がワイヤレス給電空間となっているんです。天井の給電装置から微弱な電波を出して、その電波のエネルギーを電気エネルギーに変換してLEDを点灯させているんです」
天井に設置された送電機 ここからマイクロ波が出ている
このワイヤレスの給電は、電気をマイクロ波と呼ばれる電波に変えて「送電機」と呼ばれる装置から送出し、対となる「受電機」でマイクロ波を電気に再変換する仕組みだ。
この企業は、マイクロ波を使った給電で、17メートル離れて給電できる世界最高クラスの技術を持っている。
受電機側のアンテナの形などを工夫することで、受電効率をあげた結果、この距離での給電を可能にしたという。
岩佐社長によれば、マイクロ波を使った給電では、現状、スマホやPCなどの機器は充電することはできないが、小さな電力で動くLEDやセンサーのような機器であれば、動かすことが可能だ。
この給電によるマイクロ波、すなわち電波が人体に与える影響は、スマートフォンの電話利用時の100分の1以下程度だとしている。
この技術でオフィスの快適性が大幅に向上したというケースがある。
会社のオフィスを訪ねると。
岩佐 社長
「この空間ではワイヤレス給電対応のセンサーを動かしています」
ワイヤレス給電対応の温度センサー
手のひらサイズで、コードもないセンサーが社員たちの机の上にいくつも置かれていた。
天井に設置されたエアコンのセンサーで、温度や湿度などを関知するという。
電源も電池もいらない。
エアコンのセンサーは、これまで配線の関係上、天井やエアコンの内部に設置されていた。
しかし、実際に仕事をする人が座る席と、天井付近では、最大で6度の温度差がある。
エアコン付近のセンサーで検知した温度で調整すると、夏の場合だと、どうしても温度が過度に低くなってしまうことがあったという。
センサーは、フロアの座席の近くに65個設置され、実際に人が感じる温度を正確にきめ細かく測定することができるようになった。
社員
「出勤してきて、そのまま半袖で過ごしてて、ちょうどいいくらいの感覚で過ごしやすいですね」
センサーから得られた情報をエアコンの制御に使うことで、温度や風向きなどが最適化され、無駄な電力の消費も抑制され、このオフィスでは電気代を年間で4割削減することができたという。
小型センサーには、電池を使ったものもあるが、常に給電される状態であれば、24時間、交換や交換に要する時間や人手といったコストも不要になる。
マイクロ波を使った開発や研究はまさにこれから激化すると同時に、私たちの生活にも実装されていくと岩佐社長は語る。
岩佐 社長
「あらゆるものにセンサーが入ってくると思うので、この技術を生かした新しいデジタル世界を作っていきたいですね。そして、配線のない世の中を目指したいです。昔、インターネットに接続するときに、パソコンにケーブルを挿していたと思いますが、今ではWi-Fiが当たり前ですよね。私たちはそれを電気という分野でも同じような革命を起こしていきたいんです」
EVが変わる!? ノンストップで給電も 環境にも貢献
次に向かったのは、東京大学・柏キャンパスにある屋外の実験場だ。
待ち合わせをしていると、1台の電気自動車がこちらに向かってきた。
藤本 教授 電気自動車の制御などが専門だ
藤本 教授
「お待たせしました」
颯爽と降りてきたのは、東京大学の藤本博志 教授。
「まずは車に乗ってみて」と言われ、座らせてもらった。
車内で用意されたパソコンのモニターでは、緑色のバーが上下に小さく動いている。
まるで心電図のようだ。
しばらく走行していると、急にバーが大きく跳ね上がった。
何が起きたのだろうか。
藤本 教授
「これは走行中給電が行われたことを示しています」
走行中給電=DWPTとは、一時停止することなく、走行したまま給電が可能なシステムだという。
車の後部に設置した「受電コイル」。
そして「道路の下」に埋めた「送電コイル」の2つを利用する。
走行中の車がこのコイルに近づくと給電システムが起動。
送電コイルに磁界が発生し、その磁界を受電コイルが受けると電気が発生し、給電。
そして、車が通り過ぎるとシステムは自動的に終了するという仕組みとなっている。
走行中、送電コイルの真上を通過するのは、ほんのわずかな間だが、この技術では1秒間で100m分を走行できる電気を給電することができるという。
藤本 教授
「例えば、信号待ちで30秒止まっていたら、それだけで3キロ分、電気をためることができますよ」
これを実現したのは、96%という世界トップクラスの給電効率だ。
送電側から受電側まで、ほとんどロスなく電気エネルギーを送ることができるという。
この高い給電効率を実現した秘密は2つ。
電気を制御するパワー半導体
ひとつは、パワー半導体と呼ばれる、電気のロスを少なく、効率よく送電できるようにする制御装置を開発したこと。
パワー半導体によって、送電コイルは車両がコイルの上を通過した瞬間、過剰給電にならないようソフトウェアで制御しながら急速給電を行うことができるようになったという。
もう1つが、道路に送電コイルを埋めた深さを従来より浅くしたことだ。
その深さは2.5センチ。
磁界による給電は、コイル同士の距離が遠くなればなるほど送電の効率が極端に落ちてしまう。
送電コイルと受電コイルの互いの距離を何度も試算し、道路とコイルの強度を保ったまま浅く埋めることができるコンクリートも開発するなど、試行錯誤の末にたどり着いた数字だったという。
人体への影響についてはどうか。
国際的なガイドラインでは、磁界の強さについて、27マイクロテスラ以下は、人間への有害な影響がない範囲としている。
藤本教授によれば、計測の結果、15マイクロテスラ以下の値だったということだ。
この走行中のワイヤレス給電については、世界中で研究や開発、実証実験が行われ、ドイツでは一部のバスの路線で実際に客を乗せた商用利用が始まっている。
実証実験は来年3月まで続く予定だ
日本では、東京大学を含む民間企業など11の組織で作る団体が、国内で初となる公道を使った実証実験を去年から始め、週に数回の頻度で千葉県柏市の市街地を走行して、データを集めている。
また、コイルの設置については、減速したり、一時停止したりする交差点に絞って設置することで、十分な充電ができると指摘し「すべての道路に設置する必要はない」と考えている。
藤本教授は、日本の技術力を生かした今後の展望には勝機ありと見込んでいる。
藤本 教授
「実証面では、今まで日本は公道実証を1回もやってこなかったので、正直言って遅れていましたが、去年から国内初となる公道実験が始まり、これであっという間に世界と勝負ができるようになってきました。先月にはEVワイヤレス給電協議会も立ち上がりました。日本は、技術面においては決して後れはとっていません。実証実験や技術も完成し始めるなど、まさにすべてのタイミングが合わさってきたところです」
来年の大阪万博では、万博内を移動する小型バスで走行中給電が実施される予定だという。
藤本教授は、走行中給電が描く未来を次のように語った。
藤本 教授
「自分のEV車のバッテリー残量を意識しなくなるでしょう、もう昔のEVには戻れなくなると思います。充電スタンドでの行列や待ち時間もなくなるでしょう。さらに大容量の充電が不要になるのでバッテリーが小型化して軽量化と安価が進み、EV車の電費や普及が進むことで環境負荷の軽減にも貢献できると思います」
普及に向けた課題は 「安全性」は?
取材で見えてきたのはコードやケーブルがなくなり、一種のストレスから解放されるだけでなく、デザインや設置場所を含めてこれまでにないサービスが展開できそうなこと。
さらに省エネにはじまるコストの削減や資源の有効活用など、メリットは、広範に及ぶと考えられる。
一方で、ワイヤレス給電の研究の第1人者、京都大学の篠原真毅教授は、普及に向けた課題については技術的なハードルの克服や安全に向けた研究や理解などが不可欠とした。
篠原 教授
「ワイヤレス給電は、一度、電波などに変換するのでロスが生じるため、有線に比べて効率ではまだ勝てない部分がある。また、強い電波のエネルギーが人に当たると、条件によっては危ないこともある。さらに他人が使用する電波の邪魔にならないようにする技術や、安全性確保の技術などを発展させていくことも不可欠だ」
電気は空気のようになる!?ワイヤレス給電の未来は
ワイヤレス給電が、実現する、コードからの解放は、ほんの序章に過ぎない。
これ以外にもペースメーカーやドローンの空中給電など、多くの分野にわたって研究開発が進められている。
先ほどの篠原教授も、宇宙空間に浮かぶ人工衛星に設置した太陽光発電の電気をワイヤレス給電で地上に送るという壮大な研究を進めていて、ワイヤレス給電のポテンシャルの高さを「革命」という言葉を使って表現した。
篠原 教授
「私たちはキーワードとして『電気が空気のようになる世界』と言っているが、ワイヤレスになると電気が空気みたいに存在し、場合によっては電池もいらなくなる。そうなると電気の考え方自体に革命が起きて、電気の存在すら忘れるぐらい発展できるんじゃないか。いずれ電池もいらない電気製品ができると考えています」
複雑に絡まったコード
私自身も、今回の空間給電や走行中給電などの取材を通して、充電や電気を一切気にしない世界が、一歩一歩近いづいているという実感があった。
一方で、やはり安全性については、しっかりと研究を進めていく必要がある。今回の取材では、空間給電も走行中給電のいずれも、人体へ影響を与えない範囲とされる国際的な基準値を下回っているという説明だった。しかし、電波や磁界は目に見えないため、不安を感じる人もいるだろう。技術で安心・安全を高めていくと同時に、国民に理解を進めていくことも重要だ。
コードに足をひっかけて転びそうになったり、複雑に絡まったコードを1本1本ほどいていく、この煩わしい作業に悩まされなくてもいい、「コードレス社会」、そして、その先に実現されるであろう「ストレスフリーな社会」の可能性に、期待せずにはいれない。
(2024年7月14日 おはよう日本「サイカル研究室」で放送予定)