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本研究では、実際に太陽光発電と走行中ワイヤレス給電システムを実験用道路に敷設し、太陽光発電によって発電された電力を電気自動車に取り付けた受電システムへ給電する実験に世界で初めて成功しました^[2](図 5)。

現在国内には約70GWの太陽光発電設備の導入が進んでおり世界3位ですが、2030年までには90～120GWの導入、2050年までには300GWを目指しています。

大量導入されると、昼間に発電量が需要を上回り、出力抑制が行われる必要に迫られる場面が出てきています。これを余剰電力といいます。停車中充電の3.7～7.7kWに対し、走行中ワイヤレス給電は自動車が多く走行する日中に1台当たり20～40kW以上の電力を吸収するので、太陽光発電大量導入時代の電力消費先、更にはバッテリー充電を行い余剰電力吸収先として親和性が高いといえます(図 6)。しかし、技術に基づいた太陽光発電と走行中ワイヤレス給電を融合させる研究は世界的に類を見ない状況です。導入シナリオと研究ステップを考慮し、実車実験として今回は電力系統に接続しない、オフグリッド案(図 7)を提案しました^[2]。高速道路脇に太陽光発電(PV)を大量導入し走行中ワイヤレス給電の主電源となる直流電源網であるDCバス(※3)に直結するこのシステムコンセプトは非常に新しいアイデアです。オングリッド案も同時に発表しました^[3]。オングリッドに関しては室内実験のみです。

オフグリッドの研究ではコンセプトを実現するためのシステム構成の考案(図 7)及び、屋内実験装置を用いた実験(図 8)、実際のEVと太陽光発電を用いた実車を用いた実験(図 5)による有効性の検証を行いました。今回は動作原理の実証のため電力は抑えての実験となります。

まずシステム構成としては、太陽光発電と走行中ワイヤレス給電システムを直接つなぐのではなく、それらの間に電気二重層キャパシタ(EDLC：Electrical Double Layer Capacitor)を挟んだ構成としています(図 7)。これは太陽光発電の出力を最大化する最大電力点追従制御(MPPT：Maximum Power Point Tracking)と走行中ワイヤレス給電のそれぞれで想定される負荷変動の周期のズレを吸収するためです。さらに、インバータ(※4)から出力される電圧波形を、位相シフト制御によって変動させ、出力電圧の基本波の実効値が一定となるように制御を行っています。つまり、電圧調整です。EDLCが挟まれるDCバスの電圧は、太陽光発電の発電状況やEVの走行台数の変化などによって変動します。そこで、このインバータの制御によって給電電力を一定にすることが出来るようになります。以上により、MPPT制御を行いながらも通常の電力系統に接続された走行中ワイヤレス給電システムのように一定の電力を給電することのできるシステムが構成できることになります。

上記の提案システムを、モーター駆動ベンチを用いた屋内基礎実験装置による小電力実験によって検証しました(図 8)。この結果は図 9に示す通りで、MPPT制御による出力電力の最大化を行いながら、一定の電力を給電し続けられることが確認されました。モーター駆動ベンチに取り付けられた受電コイルは往復を繰り返しており、受電コイルが来たときに電力が送られています。

屋内基礎実験によって検証されたシステムを実車実験に適用した場合にも正常に動作し得ることを確認するため、実際の電気自動車の床下に受電回路を固定し、本学野田キャンパス生命研裏に用意した走行中給電実験用道路に送電システム及び太陽光発電を設置した実車を用いた実験を行いました(図 5)。屋内実験と比べたとき、実車を用いた実験では電気自動車のボディやアスファルトなどによる給電への影響が懸念されます。しかし本実験では大きな影響を受けることなく屋内基礎実験と同様に動作可能であることが示されました(図 10)。

本研究では、将来の太陽光発電大量導入時代を見据えた、太陽光発電と電気自動車への走行中ワイヤレス給電を融合させたシステムの提案及び検証を行いました。太陽光発電と走行中ワイヤレス給電システムとの間にEDLCを挟み、なおかつインバータの出力を位相シフト制御によって一定に保つことで、MPPT制御と走行中ワイヤレス給電との両立を図りながらも、電力系統に接続されたシステムと同様に一定の給電電力を保てることが屋内実験、実スケール実験の両方で示されました。また、これらの実験により今後の検討すべき事項も明らかとなり、将来のカーボンニュートラルを実現した世界へ一歩近づく重要な研究を行うことが出来たと考えています。