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公開番号2021069252
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019195210
出願日20191028
発明の名称光給電システムの受電装置及び給電装置並びに光給電システム
出願人京セラ株式会社
代理人個人,個人
主分類H02J 50/80 20160101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】負荷の変動があっても余剰電力を抑えて効率化する。
【解決手段】給電装置110と、受電装置310とを備えた光ファイバー給電システム1A1であって、受電装置は給電装置からの給電光112を電力に変換する光電変換素子311と、光電変換素子に入力される給電装置からの給電光の一部をフィードバック給電光112Fとして給電側に出力する分岐光学装置311Fと、負荷20への給電量Q1を監視し、当該給電量に応じてフィードバック量を制御する制御装置312とを備え、給電装置はレーザー発振して給電光を受電装置へ出力する半導体レーザー111と、受電装置からのフィードバック給電光を半導体レーザーが出力する給電光112Gと会合して出力する会合光学装置111Fと、会合光学装置が出力するエネルギー量が一定となるように半導体レーザーの出力を制御する制御装置114とを備える。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
給電装置からの給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置であって、
前記光電変換素子に入力される前記給電装置からの給電光の一部をフィードバック給電光として給電側に出力するフィードバック用分岐光学装置と、
前記光電変換素子により変換した電力の負荷への給電量を監視し、当該給電量に応じて前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する制御装置と、を備える光給電システムの受電装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記制御装置は、前記光電変換素子により変換する電力が、所定の割合で負荷を超える目標値に収束するように、前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する請求項1に記載の光給電システムの受電装置。
【請求項3】
前記光電変換素子の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、レーザー波長500nm以下のレーザー媒体とされた請求項1又は請求項2に記載の光給電システムの受電装置。
【請求項4】
電力によりレーザー発振して給電光を受電装置へ出力する半導体レーザーを含む給電装置であって、
受電装置からのフィードバック給電光を前記半導体レーザーが出力する給電光と会合して出力するフィードバック用会合光学装置と、
前記フィードバック用会合光学装置が出力するエネルギー量が一定となるように、前記半導体レーザーの出力を制御する制御装置と、を備える光給電システムの給電装置。
【請求項5】
前記半導体レーザーの光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、レーザー波長500nm以下のレーザー媒体とされた請求項4に記載の光給電システムの給電装置。
【請求項6】
電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、前記給電装置による給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置とを備えた光ファイバー給電システムであって、
当該受電装置として請求項1から請求項3のうちいずれか一に記載の受電装置を、当該給電装置として請求項4又は請求項5に記載の給電装置を備える光給電システム。
【請求項7】
前記給電装置を含む第1のデータ通信装置と、前記第1のデータ通信装置と光通信し、前記受電装置を含む第2のデータ通信装置とを備え、
前記光電変換素子により変換された電力が、前記第2のデータ通信装置に設けられた発信部及び受信部の駆動電力とされた請求項6に記載の光給電システム。
【請求項8】
一端が前記給電装置に接続可能とされ、他端が前記受電装置に接続可能とされ、前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルを備えた請求項7に記載の光給電システム。
【請求項9】
一端が前記第1のデータ通信装置に接続可能とされ、他端が前記第2のデータ通信装置に接続可能とされ、前記給電光及び信号光を伝送する光ファイバーケーブルを備えた請求項7に記載の光給電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、光給電に関する。
続きを表示(約 8,100 文字)【背景技術】
【0002】
近時、電力を光(給電光と呼ばれる)に変換して伝送し、当該給電光を電気エネルギーに変換して電力として利用する光給電システムが研究されている。
特許文献1には、電気信号で変調された信号光、及び電力を供給するための給電光を発信する光発信機と、上記信号光を伝送するコア、上記コアの周囲に形成され上記コアより屈折率が小さく上記給電光を伝送する第1クラッド、及び上記第1クラッドの周囲に形成され上記第1クラッドより屈折率が小さい第2クラッド、を有する光ファイバーと、上記光ファイバーの第1クラッドで伝送された上記給電光を変換した電力で動作し、上記光ファイバーのコアで伝送された上記信号光を上記電気信号に変換する光受信機と、を備えた光通信装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−135989号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光給電においては、給電側から送った電力は受電側で全て消費されることが理想である。しかし、負荷は一定ではなく変動するため、負荷の消費電力を超える電力を送ることになる。その場合受電側で電力が余り、効率的でない。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の1つの態様は、電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、前記給電装置による給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置とを備えた光ファイバー給電システムであって、
受電装置は、給電装置からの給電光を電力に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子に入力される前記給電装置からの給電光の一部をフィードバック給電光として給電側に出力するフィードバック用分岐光学装置と、前記光電変換素子により変換した電力の負荷への給電量を監視し、当該給電量に応じて前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する制御装置と、を備え、
給電装置は、電力によりレーザー発振して給電光を受電装置へ出力する半導体レーザーを含み、受電装置からのフィードバック給電光を前記半導体レーザーが出力する給電光と会合して出力するフィードバック用会合光学装置と、前記フィードバック用会合光学装置が出力するエネルギー量が一定となるように、前記半導体レーザーの出力を制御する制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【0006】
本開示の1つの態様の光給電システムによれば、負荷の変動があっても受電側での余剰電力が抑えられた効率的な光給電の運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本開示の第1実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。
本開示の第2実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。
本開示の第2実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図であって、光コネクタ等を図示したものである。
本開示の他の一実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。
フィードバック給電光の機能を備える光ファイバー給電システムの構成図である。
電力需給の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
【0009】
(1)システム概要
〔第1実施形態〕
図1に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber)システム1Aは、給電装置(PSE:Power Sourcing Equipment)110と、光ファイバーケーブル200Aと、受電装置(PD:Powered Device)310を備える。
なお、本開示における給電装置は電力を光エネルギーに変換して供給する装置であり、受電装置は光エネルギーの供給を受け当該光エネルギーを電力に変換する装置である。
給電装置110は、給電用半導体レーザー111を含む。
光ファイバーケーブル200Aは、給電光の伝送路を形成する光ファイバー250Aを含む。
受電装置310は、光電変換素子311を含む。
【0010】
給電装置110は電源に接続され、給電用半導体レーザー111等が電気駆動される。
給電用半導体レーザー111は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光112を出力する。
【0011】
光ファイバーケーブル200Aは、一端201Aが給電装置110に接続可能とされ、他端202Aが受電装置310に接続可能とされ、給電光112を伝送する。
給電装置110からの給電光112が、光ファイバーケーブル200Aの一端201Aに入力され、給電光112は光ファイバー250A中を伝搬し、他端202Aから受電装置310に出力される。
【0012】
光電変換素子311は、光ファイバーケーブル200Aを通して伝送されてきた給電光112を電力に変換する。光電変換素子311により変換された電力が、受電装置310内で必要な駆動電力とされる。さらに受電装置310は光電変換素子311により変換された電力を外部機器用に出力可能とされる。
【0013】
給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が500nm以下の短波長のレーザー波長をもった半導体とされる。
短波長のレーザー波長をもった半導体は、バンドギャップが大きく光電変換効率が高いので、光給電の発電側及び受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
そのためには、同半導体材料として、例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、GaN等、レーザー波長(基本波)が200〜500nmのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
また、同半導体材料として、2.4eV以上のバンドギャップを有した半導体が適用される。
例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、GaN等、バンドギャップ2.4〜6.2eVのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
なお、レーザー光は長波長ほど伝送効率が良く、短波長ほど光電変換効率が良い傾向にある。したがって、長距離伝送の場合には、レーザー波長(基本波)が500nmより大きいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、光電変換効率を優先する場合には、レーザー波長(基本波)が200nmより小さいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
これらの半導体材料は、給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311のいずれか一方に適用してもよい。給電側又は受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
【0014】
〔第2実施形態〕
図2に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber)システム1は、光ファイバーを介した給電システムと光通信システムとを含むものであり、給電装置(PSE:Power Sourcing Equipment)110を含む第1のデータ通信装置100と、光ファイバーケーブル200と、受電装置(PD:Powered Device)310を含む第2のデータ通信装置300とを備える。
給電装置110は、給電用半導体レーザー111を含む。第1のデータ通信装置100は、給電装置110のほか、データ通信を行う発信部120と、受信部130とを含む。第1のデータ通信装置100は、データ端末装置(DTE(Date Terminal Equipment))、中継器(Repeater)等に相当する。発信部120は、信号用半導体レーザー121と、モジュレーター122とを含む。受信部130は、信号用フォトダイオード131を含む。
【0015】
光ファイバーケーブル200は、信号光の伝送路を形成するコア210と、コア210の外周に配置され、給電光の伝送路を形成するクラッド220と有する光ファイバー250を含む。
【0016】
受電装置310は、光電変換素子311を含む。第2のデータ通信装置300は、受電装置310のほか、発信部320と、受信部330と、データ処理ユニット340とを含む。第2のデータ通信装置300は、パワーエンドステーション(Power End Station)
等に相当する。発信部320は、信号用半導体レーザー321と、モジュレーター322とを含む。受信部330は、信号用フォトダイオード331を含む。データ処理ユニット340は、受信した信号を処理するユニットである。また、第2のデータ通信装置300は、通信ネットワークにおけるノードである。または第2のデータ通信装置300は、他のノードと通信するノードでもよい。
【0017】
第1のデータ通信装置100は電源に接続され、給電用半導体レーザー111、信号用半導体レーザー121と、モジュレーター122、信号用フォトダイオード131等が電気駆動される。また、第1のデータ通信装置100は、通信ネットワークにおけるノードである。または第1のデータ通信装置100は、他のノードと通信するノードでもよい。
給電用半導体レーザー111は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光112を出力する。
【0018】
光電変換素子311は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた給電光112を電力に変換する。光電変換素子311により変換された電力は、発信部320、受信部330及びデータ処理ユニット340の駆動電力、その他の第2のデータ通信装置300内で必要となる駆動電力とされる。さらに第2のデータ通信装置300は、光電変換素子311により変換された電力を外部機器用に出力可能とされていてもよい。
【0019】
一方、発信部120のモジュレーター122は、信号用半導体レーザー121からのレーザー光123を送信データ124に基づき変調して信号光125として出力する。
受信部330の信号用フォトダイオード331は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた信号光125を電気信号に復調し、データ処理ユニット340に出力する。データ処理ユニット340は、当該電気信号によるデータをノードに送信し、その一方で当該ノードからデータを受信し、送信データ324としてモジュレーター322に出力する。
発信部320のモジュレーター322は、信号用半導体レーザー321からのレーザー光323を送信データ324に基づき変調して信号光325として出力する。
受信部130の信号用フォトダイオード131は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた信号光325を電気信号に復調し出力する。当該電気信号によるデータがノードに送信され、その一方で当該ノードからデータが送信データ124とされる。
【0020】
第1のデータ通信装置100からの給電光112及び信号光125が、光ファイバーケーブル200の一端201に入力され、給電光112はクラッド220を伝搬し、信号光125はコア210を伝搬し、他端202から第2のデータ通信装置300に出力される。
第2のデータ通信装置300からの信号光325が、光ファイバーケーブル200の他端202に入力され、コア210を伝搬し、一端201から第1のデータ通信装置100に出力される。
【0021】
なお、図3に示すように第1のデータ通信装置100に光入出力部140とこれに付設された光コネクタ141が設けられる。また、第2のデータ通信装置300に光入出力部350とこれに付設された光コネクタ351が設けられる。光ファイバーケーブル200の一端201に設けられた光コネクタ230が光コネクタ141に接続する。光ファイバーケーブル200の他端202に設けられた光コネクタ240が光コネクタ351に接続する。光入出力部140は、給電光112をクラッド220に導光し、信号光125をコア210に導光し、信号光325を受信部130に導光する。光入出力部350は、給電光112を受電装置310に導光し、信号光125を受信部330に導光し、信号光325をコア210に導光する。
以上のように、光ファイバーケーブル200は、一端201が第1のデータ通信装置100に接続可能とされ、他端202が第2のデータ通信装置300に接続可能とされ、給電光112を伝送する。さらに本実施形態では、光ファイバーケーブル200は、信号光125,325を双方向伝送する。
【0022】
給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料としては上記第1実施形態と同様のものが適用され、高い光給電効率が実現される。
【0023】
なお、図4に示す光ファイバー給電システム1Bの光ファイバーケーブル200Bように、信号光を伝送する光ファイバー260と、給電光を伝送する光ファイバー270とを別々に設けてもよい。光ファイバーケーブル200Bも複数本で構成してもよい。
【0024】
(2)フィードバック給電光の制御について
次に、フィードバック給電光の制御につき図1から図4に加え図5及び図6を参照して説明する。
【0025】
図5にフィードバック給電光の機能を備える光ファイバー給電システム1A1の構成を示す。
本光ファイバー給電システム1A1は、上記第1実施形態として説明した光ファイバー給電システム1A(図1によって示される構成)に対して、受電装置310及び給電装置110内に、さらに以下の構成を有する。
受電装置310は、フィードバック用分岐光学装置として調光ミラー311Fと、制御装置312を備える。
調光ミラー311Fは、光電変換素子311に入力される給電装置110からの給電光112の一部をフィードバック給電光112Fとして給電側に出力する。調光ミラー311Fは、電気的に鏡状態と透明状態を切り替えられる電子デバイスである。フィードバック給電光112Fの光量の調整は、反射率と透過率の比率を可変制御するもののほか、反射する期間と透過する期間とを周期的に実行し、そのデューティー比を可変制御するものであってもよい。調光ミラー311Fに代え、機械的に反射と透過を切り替える機構を適用して実施してもよい。
制御装置312は、光電変換素子311により変換した電力(Q)の負荷20への給電量(Q1)を監視し、当該給電量(Q1)に応じて調光ミラー311Fによるフィードバック量、すなわち、フィードバック給電光112Fの光量(P1)を制御する。
【0026】
給電装置110は、フィードバック用会合光学装置としてコンバイナ111Fと、制御装置114とを備える。コンバイナ111Fは、給電用半導体レーザー111からの給電光112Gが入射する開口と、フィードバック給電光112Fが入射する開口と、これらを合流させ給電光112が出射する開口とを備えるものである。すなわち、受電装置310からのフィードバック給電光112Fを半導体レーザー111が出力する給電光112Gと会合して出力する。
制御装置114は、コンバイナ111Fが出力するエネルギー量が一定(P)となるように、半導体レーザー111の出力を制御する。そのために半導体レーザー111の出力(P)を検出する。
【0027】
ここで、給電光112の電力相当量をP、フィードバック給電光112Fの電力相当量をP1、光電変換素子311により変換した電力をQ、負荷20への給電量をQ1とする。給電光112の電力相当量Pは、一定であり、P,Q等の時間変化をグラフに示すと図6の通りである。
一方、負荷20への給電量Q1は、その稼働状況により例えば図6(a)に示すように変動する。
図6(a)は、負荷20の最大値を100%として、110%の電力Qを用意した場合を示す。これにより、負荷20は最大値以下で変動するので、電力不足になることが無く、システムがダウンすることを防ぐことができる。
しかし、余剰電力R1が無駄になり、効率的でない。
【0028】
制御装置312は、光電変換素子311により変換する電力Qが、所定の割合で負荷20を超える目標値に収束するように、調光ミラー311Fによるフィードバック量、すなわち、フィードバック給電光112Fの電力相当量P1を制御する。
これにより、余剰電力R1の一部は、電力変換前にフィードバック給電光112Fとして給電側に送られる。
フィードバック給電光112Fは、コンバイナ111Fに入力され、給電光112の一部となる。
給電光112は、フィードバック給電光112Fと、半導体レーザー111が出力する給電光112Gとの合算に相当する。
【0029】
所定の割合は、下限を0%、上限を電力Qが負荷20の最大値を上回る割合とする。本例の場合、電力Qが負荷20の最大値を上回る割合は10%であるので、0〜10%の範囲で設定する。例えば、目標値を負荷20の10%だけ高い値とする。この場合図6(b)に示すようになる。
負荷20への給電量Q1が最大値100%である場合は、フィードバック給電光112F(P1)はゼロでありフィードバックしない。一方、負荷20への給電量Q1が最大値より低くなればなるほど、フィードバック給電光112F(P1)を増やして余剰電力R2を小さく抑える。
相変わらず給電装置110が出力する給電光112の電力相当量Pは一定であるが、負荷20で消費しきれない分は、電力変換前にフィードバック給電光112Fとしてフィードバックされているので、電源10から賄われる新たな電力は、P-P1相当で済み、負荷20の変動があっても受電側での余剰電力R2が抑えられた効率的な光給電の運用が可能となる。
なお、以上の説明では、伝送効率等が100%でないことによる損失を無視する。電力変換前にフィードバックするので、光電変換による損失なくフィードバックすることができ効率的である。
【0030】
なお、負荷20は、受電装置310内で必要な駆動電力のほか、外部の負荷(外部機器用に出力される電力)である。
図5に示した光ファイバー給電システム1A1としては、上記第1実施形態を基礎として説明したが、上記第2実施形態として説明した光ファイバー給電システム1,1B(図2−4に示される構成)を基礎にして、同様にフィードバック給電の機能を実現するための構成(111F,311F,312)を追加して設けることで、光通信システムとを含む構成で実施してもよい。
この場合、受電装置310に備えられる光電変換素子311により変換された電力Qが、第2のデータ通信装置300に設けられた発信部320及び受信部330の駆動電力ともされる。
(【0031】以降は省略されています)

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