JP2004266929A - 太陽光エネルギー収集伝送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロビームの方向精度の規制を緩和し、宇宙からエネルギー伝送する無線ビーム方向に齟齬を生じても地球上の通信設備等に影響を与えず、また宇宙で使用されるマイクロ波アンテナの小型化が図れる太陽光エネルギー収集伝送システムを得る。
【解決手段】宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備１と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備８と、を備えた。
【選択図】 図１
【解決手段】宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備１と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備８と、を備えた。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間や高高度上空にて太陽光を収集し、そのエネルギーを地球に無線で送電する太陽光エネルギー収集伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムでは、宇宙空間に、広大な太陽電池パネルを展開し、太陽光で発電した電力をマイクロ波に変換した後、巨大なマイクロ波アンテナによってこれを地上に無線送電している。地上ではこのマイクロ波を受電して必要なエネルギーに変換する（例えば非特許文献１、ｐ．１１６、図５参照）。宇宙空間では太陽光強度が地上より強いためより大電力を発電できる、昼夜の別なく発電できる等の利点を有している。また、マイクロ波を無線送電に使用するのは、大気による減衰が少ない周波数帯であるからである。
【０００３】
【非特許文献１】
松本操一 他：「宇宙太陽光発電システム「ＳＯＬＡＲＢＩＲＤ（商標登録）」、〜バッテリレス社会「ＴｅｌｅＥｎｅｒｇｙ社会」の構想〜」，電磁環境工学情報（ＥＭＣ）， Ｎｏ．１７５， ｐｐ．１１３−１１９，２００２年１１月５日
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムは以上のように構成されていたが、次のような問題があった。すなわち、宇宙から地上に無線送電を行う場合、地球上の他の通信設備等に影響を与えないため、宇宙の太陽光エネルギー収集伝送設備は地上の受電設備に対して正確にマイクロ波ビームを照射しなければならない。しかし、宇宙と地上の距離が長いため、極めて厳密なビーム方向精度を求められる。例えば、３６０００ｋｍの静止軌道に太陽光エネルギー収集伝送設備を設けた場合、地上の受電設備が直径１０ｋｍ程度の面積を有していても、マイクロ波ビームの方向精度は０．０１°以下を必要とする。万一、ビーム方向制御に齟齬を生じれば、地球上の他の通信設備に影響を与える。また、マイクロ波ビームのビーム幅も上記ビーム方向精度と同等の値が必要になるので、上記太陽光エネルギー収集伝送設備に広大なマイクロ波送電アンテナを設けなければならない。
【０００５】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、第１の目的はマイクロビームの方向精度を緩和し、地球上の他の通信設備等に影響を与え難い太陽光エネルギー収集伝送システムを得ることにある。
【０００６】
また、第２の目的は、宇宙からエネルギーを伝送する無線のビーム方向に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等に影響を与えることのない太陽光エネルギー収集伝送システムを得ることにある。
【０００７】
また、第３の目的は、従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムにおいて必要とされる、広大なマイクロ波アンテナをより小さいアンテナに置換して、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑みこの発明は、宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備と、を備えたことを特徴とする太陽光エネルギー収集伝送システムにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図１において宇宙空間に設置された太陽光エネルギー収集伝送設備１は太陽電池設備２、ミリ波発振器３、ミリ波送電アンテナ４よりなる。太陽電池設備２は太陽光３１を収集して電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いてミリ波発振器３でミリ波を発生させ、ミリ波送電アンテナ４を用いて地球１０側へミリ波３２を無線伝送する。
【００１０】
地球１０の対流圏境界１１より上空には（対流圏境界に近い程望ましい）、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置されたミリ波用レクテナ設備６（レクテナ：電波を受信するアンテナと、その受信電波を直流電力に変換する整流回路より構成されるデバイス）およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が単数または複数存在する。このミリ波受電・マイクロ波送電設備８は、太陽光エネルギー収集伝送設備１より伝送されたミリ波３２をミリ波用レクテナ設備６で受電して直流電力に変換し、この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７でマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。
【００１１】
地球１０上にはマイクロ波用のレクテナ設備９が展開しており、このミリ波受電・マイクロ波送電設備８より伝送されるマイクロ波３３を受電して電気エネルギーに変換し、地球１０上のエネルギー供給源となる。なお、このレクテナ設備９は、地上のみならず、海上に展開することも考え得る。また、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８は、対流圏より上空、すなわち大気密度が小さい場所に位置するため、太陽光エネルギー収集伝送設備１−ミリ波受電・マイクロ波送電設備８間における、ミリ波の大気減衰は少ない。
【００１２】
この実施の形態ではマイクロ波を送電するミリ波受電・マイクロ波送電設備８が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離がかなり短い。このため、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度もかなり緩和される。例えば上記発明が解決しようとする課題の項で挙げたように地球１０上のレクテナ設備９が直径１０ｋｍである場合、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８を地上から数十ｋｍ上空に設けると、マイクロ波ビームの方向精度は数度で良く、従来想定システムの１００倍以上の許容量になる。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果がある。
【００１３】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果がある。
【００１４】
また、太陽光エネルギー収集伝送設備１よりミリ波受電・マイクロ波送電設備８に向けて伝送されるミリ波は、大気中では急速に減衰するため、万一、太陽光エネルギー収集伝送設備１のミリ波ビーム方向制御に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等へ悪影響を与えないという効果がある。すなわち、より安定した太陽光エネルギー収集伝送システムを得るという効果がある。
【００１５】
さらに、太陽光エネルギー収集伝送設備１は、マイクロ波より波長の短いミリ波を送電するため、従来想定システムに比べて送電アンテナを小さくできるという利点を有する。例えば、従来想定システムのマイクロ波送電アンテナと同等の指向性を必要とした場合、太陽光エネルギー収集伝送設備１のミリ波送電アンテナ４は、波長に比例した大きさまで小さくできる。すなわち、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減する効果がある。
【００１６】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図２において宇宙空間に設置された太陽光エネルギー収集伝送設備１は太陽電池設備２、レーザー光発生装置１２よりなる。太陽電池設備２は太陽光３１を収集して電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いてレーザー光発生装置１２でレーザー光を発生させ、地球１０側へレーザー光３４を伝送する。
【００１７】
地球１０の対流圏境界１１より上空には、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置されたレーザー光受光装置１３およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４が単数または複数存在する。レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４は、太陽光エネルギー収集伝送設備１より伝送されたレーザー光３４をレーザー光受光装置１３で受光して電力に変換し、この電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７でマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。実施の形態１と同様、図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。以下の動作は実施の形態１と同様である。
【００１８】
この実施の形態でもマイクロ波を送電するレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離が短くなり、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度が緩和されるのは、実施の形態１と同様である。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果も同様に得ることができる。
【００１９】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果を同様に得る。
【００２０】
また、レーザー光はミリ波より波長が極めて短く集光性に優れる。そのため、太陽光エネルギー収集伝送設備１からレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４に精度良く、エネルギーを集中して伝送できる。ミリ波で伝送する場合は、図１のミリ波受電・マイクロ波送電設備８の外に照射されたエネルギーは無駄になるが、本発明では、この損失が少なくなるという効果を有する。
【００２１】
また、実施の形態１と同様、太陽光エネルギー収集伝送設備１は、マイクロ波より波長の短いレーザー光を使用するので、従来想定システムの大型送電アンテナに代わる小さなレーザー光照射装置（レーザー光発生装置１２）を使用できるという利点を有する。
【００２２】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図３において宇宙空間に設置された太陽光反射鏡１６は太陽光３１を地球側１０に反射する。地球１０の対流圏境界１１より上空には、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置された太陽電池装置１７およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなる太陽光受光・マイクロ波送電設備１８が単数または複数存在する。
【００２３】
反射鏡１６より送られる反射光３５は、太陽電池装置１７で受光され電力に変換される。この電力を使用して、マイクロ波発生・伝送設備７においてマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。実施の形態１と同様、図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。以下の動作は実施の形態１と同様である。
【００２４】
この実施の形態でもマイクロ波を送電する太陽光受光・マイクロ波送電設備１８が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離が短くなり、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度が緩和されるのは、実施の形態１と同様である。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果も同様に得ることができる。
【００２５】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果を同様に得る。
【００２６】
また、上述の実施の形態１、２と異なり、最初に太陽光３１を受光する設備として、単純な反射鏡を構築すれば良い。例えば静止軌道上に構築するなら、光を反射できる平面板で十分である。図１、２の太陽光エネルギー収集伝送設備１のような複雑な設備は不要であり、実施の形態１、２より構築が容易である。
【００２７】
また、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８は、太陽光反射鏡１６から来る反射光３５のみならず、昼間は、太陽から直接来る光からも電力を得ることができることは言うまでもない。
【００２８】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例である。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。図４においては、対流圏境界より上空に複数の飛行船５が滞空しており、またミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が上記複数の飛行船５に支えられて展開している。
【００２９】
図１の太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は、図４のミリ波用レクテナ設備６に受電され、直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を図１の地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。なお図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。
【００３０】
このように複数の飛行船５によりミリ波受電・マイクロ波送電設備８を支える構成により、広い範囲にミリ波受電・マイクロ波送電設備８を展開することができる。このため、太陽光エネルギー収集伝送設備１から送られてくるミリ波エネルギーをより無駄なく受電し、地上へ送ることができるという効果を有する。
【００３１】
ここでは、実施の形態１に対応したものを示したが、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を展開しても同様の効果を得る。
【００３２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の別の構成例である。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。図５においては、対流圏境界より上空に複数の飛行船５が滞空しており、またミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が複数の飛行船５上に設置されている。
【００３３】
図１の太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は図５のミリ波用レクテナ設備６に受電され直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、送電用マイクロ波アンテナ１９により、マイクロ波３３を図１の地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。
【００３４】
このように個々の飛行船５上にミリ波受電・マイクロ波送電設備８を設ける構成では、風圧による、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の位置変動が起こりにくくまた、位置制御がたやすいという効果を有する。
【００３５】
ここでは実施の形態１に対応したものを示したが、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を飛行船５に搭載しても同様の効果を得る。
【００３６】
また実施の形態４、５において飛行船上に太陽電池を搭載し、それによって得た電力を飛行船の動力に用いたり、地上に送電する電力の追加分とすることも可能である。
【００３７】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものであり、対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備が異なる。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。ミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が、低軌道衛星２０上に設置されている。太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は、ミリ波用レクテナ設備６に受電され直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、送信用マイクロ波アンテナ１９により、マイクロ波３３を地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。
【００３８】
低軌道衛星２０は、飛行船や気球よりさらに上空に配置することが可能である。このため、大気密度がさらに薄くなり、太陽光エネルギー収集伝送設備１−ミリ波受電・マイクロ波送電設備８間における、ミリ波の大気減衰が、実施の形態１に比べてさらに少なくなるという効果を有する。
【００３９】
また、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を、低軌道衛星に搭載することも可能である。
【００４０】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係わる衛星軌跡の様子を示したものである。本実施の形態では第１のエネルギー収集・伝送設備（図１の１〜４、図２の１，２，１２、図３の１６等）を準静止衛星２２に設置している。準静止衛星２２は赤道２１に対して傾いた軌道を有し、地球１０から見た衛星の移動軌跡を、図７のように一定の地域に８の字を描くようにすることができる。８の字の軌跡２３において、一方のループを小さくするように軌道を選ぶと、このループ内に衛星２２がいる間、特定の地域２４からは衛星が高仰角天空で回転しているように見える。従って、この衛星軌道に複数の衛星を配置すれば、特定の地域２４の高仰角上に、常に衛星が存在する。
【００４１】
静止衛星は赤道２１近辺からは高仰角に見えるが、高緯度地域では、低仰角に見える。そのため、第１のエネルギー収集・伝送設備（１，１６）を静止軌道上に設けると、第２のエネルギー収集・伝送設備（８，１４，１８）が高緯度地域にある場合、実施の形態１、２、３で無線電力伝送に使用するミリ波３２、レーザー光３４、反射光３５等は低仰角から斜めに入射してくる。従って、第２のエネルギー収集・伝送設備が赤道２１近辺にある場合と同等の無線伝送エネルギーを収集する場合、より大きな面積に渡って第２のエネルギー収集・伝送設備を展開しなければならない。
【００４２】
本実施の形態のように第１のエネルギー収集・伝送設備を準静止衛星２２に設置すれば、高緯度地域においても、上記無線伝送エネルギーを高仰角から照射できるため、第２のエネルギー収集・伝送設備の面積・規模を小さくできるという効果を有する。
【００４３】
なお、図１、６の１〜４、図２の１，２，１２、図３の１６がそれぞれ第１のエネルギー収集・伝送設備を構成し、図１、４，５，６の６〜８（図５は１９も含む），（５，２０）、図２の７，１３，１４，（５）、図３の７，１７，１８，（５）がそれぞれ第２のエネルギー収集・伝送設備を構成する。また図１、６の３，４がミリ波発生・伝送装置を構成し、図２の１２がレーザー光発生・伝送装置を構成する。
【００４４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備と、を備えたことを特徴とする太陽光エネルギー収集伝送システムとしたので、マイクロビームの方向精度の規制を緩和し、地球上の他の通信設備等に影響を与え難く、また宇宙からエネルギーを伝送する無線のビーム方向に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等に影響を与えることがなく、さらに従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムにおいて必要とされる広大なマイクロ波アンテナをより小さいアンテナに置換して、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態５における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態６における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態７に係わる衛星軌跡の様子を示した図である。
【符号の説明】
１ 太陽光エネルギー収集伝送設備、２ 太陽電池設備、３ ミリ波発振器、４ ミリ波送電アンテナ、５ 飛行船、６ ミリ波用レクテナ設備、７ マイクロ波発生・伝送設備、８ ミリ波受電・マイクロ波送電設備、９ マイクロ波用レクテナ設備、１０ 地球、１１ 対流圏境界、１２ レーザー光発生装置、１３ レーザー光受光装置、１４ レーザー光受光・マイクロ波送電設備、１６ 太陽光反射鏡、１７ 太陽電池装置、１８ 太陽光受光・マイクロ波送電設備、１９ 送電用マイクロ波アンテナ、２０ 低軌道衛星、２２ 準静止衛星、３１太陽光、３２ ミリ波、３３ マイクロ波、３４ レーザー光、３５ 反射光。
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間や高高度上空にて太陽光を収集し、そのエネルギーを地球に無線で送電する太陽光エネルギー収集伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムでは、宇宙空間に、広大な太陽電池パネルを展開し、太陽光で発電した電力をマイクロ波に変換した後、巨大なマイクロ波アンテナによってこれを地上に無線送電している。地上ではこのマイクロ波を受電して必要なエネルギーに変換する（例えば非特許文献１、ｐ．１１６、図５参照）。宇宙空間では太陽光強度が地上より強いためより大電力を発電できる、昼夜の別なく発電できる等の利点を有している。また、マイクロ波を無線送電に使用するのは、大気による減衰が少ない周波数帯であるからである。
【０００３】
【非特許文献１】
松本操一 他：「宇宙太陽光発電システム「ＳＯＬＡＲＢＩＲＤ（商標登録）」、〜バッテリレス社会「ＴｅｌｅＥｎｅｒｇｙ社会」の構想〜」，電磁環境工学情報（ＥＭＣ）， Ｎｏ．１７５， ｐｐ．１１３−１１９，２００２年１１月５日
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムは以上のように構成されていたが、次のような問題があった。すなわち、宇宙から地上に無線送電を行う場合、地球上の他の通信設備等に影響を与えないため、宇宙の太陽光エネルギー収集伝送設備は地上の受電設備に対して正確にマイクロ波ビームを照射しなければならない。しかし、宇宙と地上の距離が長いため、極めて厳密なビーム方向精度を求められる。例えば、３６０００ｋｍの静止軌道に太陽光エネルギー収集伝送設備を設けた場合、地上の受電設備が直径１０ｋｍ程度の面積を有していても、マイクロ波ビームの方向精度は０．０１°以下を必要とする。万一、ビーム方向制御に齟齬を生じれば、地球上の他の通信設備に影響を与える。また、マイクロ波ビームのビーム幅も上記ビーム方向精度と同等の値が必要になるので、上記太陽光エネルギー収集伝送設備に広大なマイクロ波送電アンテナを設けなければならない。
【０００５】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、第１の目的はマイクロビームの方向精度を緩和し、地球上の他の通信設備等に影響を与え難い太陽光エネルギー収集伝送システムを得ることにある。
【０００６】
また、第２の目的は、宇宙からエネルギーを伝送する無線のビーム方向に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等に影響を与えることのない太陽光エネルギー収集伝送システムを得ることにある。
【０００７】
また、第３の目的は、従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムにおいて必要とされる、広大なマイクロ波アンテナをより小さいアンテナに置換して、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑みこの発明は、宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備と、を備えたことを特徴とする太陽光エネルギー収集伝送システムにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図１において宇宙空間に設置された太陽光エネルギー収集伝送設備１は太陽電池設備２、ミリ波発振器３、ミリ波送電アンテナ４よりなる。太陽電池設備２は太陽光３１を収集して電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いてミリ波発振器３でミリ波を発生させ、ミリ波送電アンテナ４を用いて地球１０側へミリ波３２を無線伝送する。
【００１０】
地球１０の対流圏境界１１より上空には（対流圏境界に近い程望ましい）、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置されたミリ波用レクテナ設備６（レクテナ：電波を受信するアンテナと、その受信電波を直流電力に変換する整流回路より構成されるデバイス）およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が単数または複数存在する。このミリ波受電・マイクロ波送電設備８は、太陽光エネルギー収集伝送設備１より伝送されたミリ波３２をミリ波用レクテナ設備６で受電して直流電力に変換し、この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７でマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。
【００１１】
地球１０上にはマイクロ波用のレクテナ設備９が展開しており、このミリ波受電・マイクロ波送電設備８より伝送されるマイクロ波３３を受電して電気エネルギーに変換し、地球１０上のエネルギー供給源となる。なお、このレクテナ設備９は、地上のみならず、海上に展開することも考え得る。また、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８は、対流圏より上空、すなわち大気密度が小さい場所に位置するため、太陽光エネルギー収集伝送設備１−ミリ波受電・マイクロ波送電設備８間における、ミリ波の大気減衰は少ない。
【００１２】
この実施の形態ではマイクロ波を送電するミリ波受電・マイクロ波送電設備８が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離がかなり短い。このため、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度もかなり緩和される。例えば上記発明が解決しようとする課題の項で挙げたように地球１０上のレクテナ設備９が直径１０ｋｍである場合、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８を地上から数十ｋｍ上空に設けると、マイクロ波ビームの方向精度は数度で良く、従来想定システムの１００倍以上の許容量になる。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果がある。
【００１３】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果がある。
【００１４】
また、太陽光エネルギー収集伝送設備１よりミリ波受電・マイクロ波送電設備８に向けて伝送されるミリ波は、大気中では急速に減衰するため、万一、太陽光エネルギー収集伝送設備１のミリ波ビーム方向制御に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等へ悪影響を与えないという効果がある。すなわち、より安定した太陽光エネルギー収集伝送システムを得るという効果がある。
【００１５】
さらに、太陽光エネルギー収集伝送設備１は、マイクロ波より波長の短いミリ波を送電するため、従来想定システムに比べて送電アンテナを小さくできるという利点を有する。例えば、従来想定システムのマイクロ波送電アンテナと同等の指向性を必要とした場合、太陽光エネルギー収集伝送設備１のミリ波送電アンテナ４は、波長に比例した大きさまで小さくできる。すなわち、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減する効果がある。
【００１６】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図２において宇宙空間に設置された太陽光エネルギー収集伝送設備１は太陽電池設備２、レーザー光発生装置１２よりなる。太陽電池設備２は太陽光３１を収集して電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いてレーザー光発生装置１２でレーザー光を発生させ、地球１０側へレーザー光３４を伝送する。
【００１７】
地球１０の対流圏境界１１より上空には、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置されたレーザー光受光装置１３およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４が単数または複数存在する。レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４は、太陽光エネルギー収集伝送設備１より伝送されたレーザー光３４をレーザー光受光装置１３で受光して電力に変換し、この電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７でマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。実施の形態１と同様、図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。以下の動作は実施の形態１と同様である。
【００１８】
この実施の形態でもマイクロ波を送電するレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離が短くなり、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度が緩和されるのは、実施の形態１と同様である。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果も同様に得ることができる。
【００１９】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、レーザー光受光・マイクロ波送電設備１４に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果を同様に得る。
【００２０】
また、レーザー光はミリ波より波長が極めて短く集光性に優れる。そのため、太陽光エネルギー収集伝送設備１からレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４に精度良く、エネルギーを集中して伝送できる。ミリ波で伝送する場合は、図１のミリ波受電・マイクロ波送電設備８の外に照射されたエネルギーは無駄になるが、本発明では、この損失が少なくなるという効果を有する。
【００２１】
また、実施の形態１と同様、太陽光エネルギー収集伝送設備１は、マイクロ波より波長の短いレーザー光を使用するので、従来想定システムの大型送電アンテナに代わる小さなレーザー光照射装置（レーザー光発生装置１２）を使用できるという利点を有する。
【００２２】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものである。図３において宇宙空間に設置された太陽光反射鏡１６は太陽光３１を地球側１０に反射する。地球１０の対流圏境界１１より上空には、複数の飛行船５上、またはその飛行船５間に設置された太陽電池装置１７およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなる太陽光受光・マイクロ波送電設備１８が単数または複数存在する。
【００２３】
反射鏡１６より送られる反射光３５は、太陽電池装置１７で受光され電力に変換される。この電力を使用して、マイクロ波発生・伝送設備７においてマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を地上へ向けて無線送電する。実施の形態１と同様、図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。以下の動作は実施の形態１と同様である。
【００２４】
この実施の形態でもマイクロ波を送電する太陽光受光・マイクロ波送電設備１８が対流圏よりやや上空に設置されるため、従来想定されているシステムに比べて、マイクロ波３３の伝送距離が短くなり、必要とされるマイクロ波ビームの方向精度が緩和されるのは、実施の形態１と同様である。このため、ビーム方向誤差による地球上の他の通信設備等への影響は格段に改善されるという効果も同様に得ることができる。
【００２５】
さらに、マイクロ波３３の伝送距離が短いことにより、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８から見たレクテナ設備９の範囲角が広くなることから、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８に搭載する送電用マイクロ波アンテナ（図示省略）も、ビーム幅をより大きくできるため、従来想定システムのマイクロ波アンテナより小さくできるという効果を同様に得る。
【００２６】
また、上述の実施の形態１、２と異なり、最初に太陽光３１を受光する設備として、単純な反射鏡を構築すれば良い。例えば静止軌道上に構築するなら、光を反射できる平面板で十分である。図１、２の太陽光エネルギー収集伝送設備１のような複雑な設備は不要であり、実施の形態１、２より構築が容易である。
【００２７】
また、太陽光受光・マイクロ波送電設備１８は、太陽光反射鏡１６から来る反射光３５のみならず、昼間は、太陽から直接来る光からも電力を得ることができることは言うまでもない。
【００２８】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例である。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。図４においては、対流圏境界より上空に複数の飛行船５が滞空しており、またミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が上記複数の飛行船５に支えられて展開している。
【００２９】
図１の太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は、図４のミリ波用レクテナ設備６に受電され、直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、かつマイクロ波３３を図１の地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。なお図示していないが、マイクロ波発生・伝送設備７にはマイクロ波３３を送電するためのアンテナが含まれている。
【００３０】
このように複数の飛行船５によりミリ波受電・マイクロ波送電設備８を支える構成により、広い範囲にミリ波受電・マイクロ波送電設備８を展開することができる。このため、太陽光エネルギー収集伝送設備１から送られてくるミリ波エネルギーをより無駄なく受電し、地上へ送ることができるという効果を有する。
【００３１】
ここでは、実施の形態１に対応したものを示したが、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を展開しても同様の効果を得る。
【００３２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の別の構成例である。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。図５においては、対流圏境界より上空に複数の飛行船５が滞空しており、またミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が複数の飛行船５上に設置されている。
【００３３】
図１の太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は図５のミリ波用レクテナ設備６に受電され直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、送電用マイクロ波アンテナ１９により、マイクロ波３３を図１の地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。
【００３４】
このように個々の飛行船５上にミリ波受電・マイクロ波送電設備８を設ける構成では、風圧による、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の位置変動が起こりにくくまた、位置制御がたやすいという効果を有する。
【００３５】
ここでは実施の形態１に対応したものを示したが、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を飛行船５に搭載しても同様の効果を得る。
【００３６】
また実施の形態４、５において飛行船上に太陽電池を搭載し、それによって得た電力を飛行船の動力に用いたり、地上に送電する電力の追加分とすることも可能である。
【００３７】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示したものであり、対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備が異なる。ここでは実施の形態１に対応したものを示している。ミリ波用レクテナ設備６およびマイクロ波発生・伝送設備７よりなるミリ波受電・マイクロ波送電設備８が、低軌道衛星２０上に設置されている。太陽光エネルギー収集伝送設備１から地球１０側に送電されたミリ波３２は、ミリ波用レクテナ設備６に受電され直流電力に変換される。この直流電力を用いてマイクロ波発生・伝送設備７はマイクロ波を発振し、送信用マイクロ波アンテナ１９により、マイクロ波３３を地上のレクテナ設備９へ向けて無線送電する。
【００３８】
低軌道衛星２０は、飛行船や気球よりさらに上空に配置することが可能である。このため、大気密度がさらに薄くなり、太陽光エネルギー収集伝送設備１−ミリ波受電・マイクロ波送電設備８間における、ミリ波の大気減衰が、実施の形態１に比べてさらに少なくなるという効果を有する。
【００３９】
また、実施の形態２や３に対応して、ミリ波受電・マイクロ波送電設備８の代わりに図２のレーザー光受光・マイクロ波送電設備１４や図３の太陽光受光・マイクロ波送電設備１８を、低軌道衛星に搭載することも可能である。
【００４０】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係わる衛星軌跡の様子を示したものである。本実施の形態では第１のエネルギー収集・伝送設備（図１の１〜４、図２の１，２，１２、図３の１６等）を準静止衛星２２に設置している。準静止衛星２２は赤道２１に対して傾いた軌道を有し、地球１０から見た衛星の移動軌跡を、図７のように一定の地域に８の字を描くようにすることができる。８の字の軌跡２３において、一方のループを小さくするように軌道を選ぶと、このループ内に衛星２２がいる間、特定の地域２４からは衛星が高仰角天空で回転しているように見える。従って、この衛星軌道に複数の衛星を配置すれば、特定の地域２４の高仰角上に、常に衛星が存在する。
【００４１】
静止衛星は赤道２１近辺からは高仰角に見えるが、高緯度地域では、低仰角に見える。そのため、第１のエネルギー収集・伝送設備（１，１６）を静止軌道上に設けると、第２のエネルギー収集・伝送設備（８，１４，１８）が高緯度地域にある場合、実施の形態１、２、３で無線電力伝送に使用するミリ波３２、レーザー光３４、反射光３５等は低仰角から斜めに入射してくる。従って、第２のエネルギー収集・伝送設備が赤道２１近辺にある場合と同等の無線伝送エネルギーを収集する場合、より大きな面積に渡って第２のエネルギー収集・伝送設備を展開しなければならない。
【００４２】
本実施の形態のように第１のエネルギー収集・伝送設備を準静止衛星２２に設置すれば、高緯度地域においても、上記無線伝送エネルギーを高仰角から照射できるため、第２のエネルギー収集・伝送設備の面積・規模を小さくできるという効果を有する。
【００４３】
なお、図１、６の１〜４、図２の１，２，１２、図３の１６がそれぞれ第１のエネルギー収集・伝送設備を構成し、図１、４，５，６の６〜８（図５は１９も含む），（５，２０）、図２の７，１３，１４，（５）、図３の７，１７，１８，（５）がそれぞれ第２のエネルギー収集・伝送設備を構成する。また図１、６の３，４がミリ波発生・伝送装置を構成し、図２の１２がレーザー光発生・伝送装置を構成する。
【００４４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備と、この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備と、を備えたことを特徴とする太陽光エネルギー収集伝送システムとしたので、マイクロビームの方向精度の規制を緩和し、地球上の他の通信設備等に影響を与え難く、また宇宙からエネルギーを伝送する無線のビーム方向に齟齬を生じても、地球上の他の通信設備等に影響を与えることがなく、さらに従来提唱されている太陽光エネルギー収集伝送システムにおいて必要とされる広大なマイクロ波アンテナをより小さいアンテナに置換して、宇宙空間に設備を構築する際の技術的・コスト的な問題を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態５における太陽光エネルギー収集伝送システムの対流圏境界より上空に設置された第２のエネルギー収集・伝送設備の構成例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態６における太陽光エネルギー収集伝送システムの構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態７に係わる衛星軌跡の様子を示した図である。
【符号の説明】
１ 太陽光エネルギー収集伝送設備、２ 太陽電池設備、３ ミリ波発振器、４ ミリ波送電アンテナ、５ 飛行船、６ ミリ波用レクテナ設備、７ マイクロ波発生・伝送設備、８ ミリ波受電・マイクロ波送電設備、９ マイクロ波用レクテナ設備、１０ 地球、１１ 対流圏境界、１２ レーザー光発生装置、１３ レーザー光受光装置、１４ レーザー光受光・マイクロ波送電設備、１６ 太陽光反射鏡、１７ 太陽電池装置、１８ 太陽光受光・マイクロ波送電設備、１９ 送電用マイクロ波アンテナ、２０ 低軌道衛星、２２ 準静止衛星、３１太陽光、３２ ミリ波、３３ マイクロ波、３４ レーザー光、３５ 反射光。
Claims (8)
- 宇宙空間において太陽光を収集しこれを源泉とするエネルギーを光域も含むマイクロ波より高い周波数で無線伝送する第１のエネルギー収集・伝送設備と、
この第１のエネルギー収集・伝送設備と地球との間の対流圏の上空でかつ対流圏の近傍に設置され上記第１のエネルギー収集・伝送設備から送られてきた無線エネルギーを収集し上記無線エネルギーをマイクロ波電力に変換して地球に伝送する第２のエネルギー収集・伝送設備と、
を備えたことを特徴とする太陽光エネルギー収集伝送システム。 - 上記第１のエネルギー収集・伝送設備が、太陽光を電力に変換する太陽電池設備と、上記太陽電池設備により発電された電力をミリ波に変換して上記第２のエネルギー収集・伝送設備に無線伝送するミリ波発生・伝送装置とを含み、上記第２のエネルギー収集・伝送設備が、ミリ波を受信してマイクロ波に変換し地球に伝送するミリ波受電・マイクロ波送電設備を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第１のエネルギー収集・伝送設備が、太陽光を電力に変換する太陽電池設備と、上記太陽電池設備により発電された電力をレーザー光に変換して上記第２のエネルギー収集・伝送設備に無線伝送するレーザー光発生・伝送装置とを含み、上記第２のエネルギー収集・伝送設備が、レーザー光を受光してマイクロ波に変換し地球に伝送するレーザー光受光・マイクロ波送電設備を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第１のエネルギー収集・伝送設備が、太陽光を上記第２のエネルギー収集・伝送設備に向けて反射させる反射鏡を含み、上記第２のエネルギー収集・伝送設備は、上記反射鏡からの光を電力に変換する太陽電池設備と、上記太陽電池設備により発電された電力をマイクロ波に変換して地球に伝送する太陽光受光・マイクロ波送電設備を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第２のエネルギー収集・伝送設備を、気球又は飛行船上に設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第２のエネルギー収集・伝送設備を、複数の気球又は飛行船の間に展開構成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第２のエネルギー収集・伝送設備を、単数または複数の低軌道衛星上に設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
- 上記第１のエネルギー収集・伝送設備を、準静止軌道上に複数設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽光エネルギー収集伝送システム。
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