JP3584869B2

JP3584869B2 - 宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステム

Info

Publication number: JP3584869B2
Application number: JP2000279786A
Authority: JP
Inventors: 泉三神; 善彦小西; 和幸高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: EP1189329A2; DE60104063T2; EP1189329B1; DE60104063D1; US6528719B2; EP1189329A3; JP2002095190A; US20020029797A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間において、太陽光を受けて発電し、マイクロ波で宇宙空間を伝送し、電力基地において集積して利用する宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光を利用した発電システムとしては、小さなものでは太陽電池、その他、家庭用のものでは建造物に設置する太陽光発電パネルなどがある。これらの地上での太陽光発電は原理的には大気による太陽光の減衰と、昼夜での陰陽のために必ずしも効率が良いものではない。また、宇宙空間における太陽光発電では、人口衛星に取り付けられる太陽電池パネルが良く知られており、その人工衛星が観測や通信などに必要な電力を自家生成してミッションを達成する。いずれも、特定機器に有線で接続された太陽電池による発電エネルギーをその特定機器で利用する形態のものである。
【０００３】
一方、宇宙空間において太陽光を受けて発電し、これを特定の場所、例えば地球上や宇宙空間内の特定個所に伝送するシステムについては、昨今の宇宙開発の成果による通信技術の進展や大規模宇宙構造物の構築技術などに支持されて、研究開発が盛んに行われるに至っている。このような宇宙太陽光発電システムの一例としては、複数の発電衛星を宇宙空間に配置し、各発電衛星において太陽光を集光し、電気エネルギーに変換した後、その電気エネルギーからマイクロ波を地上等の電力基地に送信するシステムが考案されている。各発電衛星は、それぞれ相当な高エネルギーのマイクロ波を生成することとなるので、送信系統としては、高出力増幅器等の高出力系機器を分散配置できるアレイアンテナが有効であると考えられている。なお、電力基地では複数の発電衛星からのマイクロ波を受信するアンテナを備え、アンテナで受信したマイクロ波をＤＣ変換して合成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような宇宙太陽光発電システムにおいて、例えば静止軌道上の発電衛星から地上の電力基地へマイクロ波送信する場合に地上の電力基地に設けたアンテナにマイクロ波を照射するためには、そのビーム幅を狭くする必要がある。上記のようなアレイアンテナの場合、ビーム幅を狭くするためには、基本的には開口面積を大きくしなければならず、アンテナサイズ及び発電衛星の大きさが大型化してしまうという問題点があった。また、発電能力を高めるためには電力基地へマイクロ波を送信する発電衛星を数多く宇宙空間に配置することが必要となるが、複数の発電衛星のアンテナの集合体を一つの大きなフェーズドアレイアンテナと想定して、マイクロ波送信した場合、逆に開口面積が大きくなりすぎてビーム幅が非常に狭くなり、したがって、単位面積あたりの電力が高くなってしまうという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、宇宙空間で太陽光から生成した大電力マイクロ波を送信する際に、電力基地アンテナに照射されるマイクロ波のビーム幅がその電力基地アンテナのサイズに適合するとともに単位面積あたりの電力が過大とならない大電力マイクロ波を送信することのできる宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステムを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る宇宙太陽光発電方法は、宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成する宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星からなる発電衛星グループを複数グループ設け、発電衛星グループ内における各々の発電衛星から送信するマイクロ波の位相のずれを調整するとともに、インコヒーレントなマイクロ波を電力基地へ送信するものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して送信するグループ分けした複数の発電衛星と、上記複数の発電衛星の各グループ毎に設けられ、グループ内の発電衛星から送信されるマイクロ波の位相調整を行う制御衛星と、上記複数の発電衛星から送信されるマイクロ波を遠隔にて受信し、このマイクロ波のエネルギーにより電力を生成する電力基地とを備え、上記複数の発電衛星は、インコヒーレントなマイクロ波を上記電力基地へ送信するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステムを図１から図４によって説明する。図１は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図、図２は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法における位相調整の原理を示す模式図、図３は実施の形態１に係る発電衛星及び制御衛星の構成を示すブロック図、図４は実施の形態１に係る電力基地の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１において、１は宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して送信する発電衛星である。２は発電衛星１が送信するマイクロ波の位相調整量を制御する制御衛星であり、図示のとおり、これらの制御衛星は＃１から＃ｋまでの複数台を配置しており、この＃１から＃ｋまで配置した制御衛星２に対して、それぞれ発電衛星を複数台（ｎ台）配置している。すなわち、制御衛星＃１が制御する発電衛星＃１−１から＃１−ｎまでによって、１つのグループを形成している。３は発電衛星１からのマイクロ波を受信する電力基地アンテナ、４は受信したマイクロ波から電力を生成する電力基地である。５は電力基地４と制御衛星２との間で通信するための衛星通信アンテナである。
【００１０】
発電衛星１は、太陽光から変換した電気エネルギーをマイクロ波に変換し、これを電力基地４へ送信する。個々の発電衛星１が送出できるマイクロ波の電力は、各発電衛星における太陽光の集光能力と、光電変換やマイクロ波増幅能力により決まる。これらの発電衛星１を宇宙空間に複数台配置することにより大電力のマイクロ波を電力基地４へ送信することが可能となる。しかし、各発電衛星１は宇宙空間において、姿勢が変化し、また相対的な位置関係も変化するので、別個独立にマイクロ波を送信すると、それらのマイクロ波は互いに打消し合い、或いは所望の方向、即ち電力基地４の方向とは異なる方向へマイクロ波が送信されてしまう。そこで、発電衛星１を複数の発電衛星グループに分け、例えば＃１−１から＃１−ｎまで発電衛星１が個々に送信するマイクロ波の位相量を調整することにより、遠隔の電力基地において受信できるようにしたものである。同様に制御衛星＃ｋが制御する発電衛星グループ＃ｋ−１から＃ｋ−ｎにおいても送信するマイクロ波の位相を調整して送信する。このように発電衛星グループ内で位相を調整することにより送信されるマイクロ波のビーム幅は発電衛星グループ内の各発電衛星に設けたアンテナからなるアレイアンテナの開口面積により決まるので、個々の発電衛星のアンテナ開口面積を大きくすることなく、送信マイクロ波のビーム幅を狭くすることができる。
【００１１】
しかし、全体の発電衛星からのマイクロ波が干渉するようなコヒーレントなマイクロ波を送信すると、ビーム幅は全ての発電衛星１のアンテナを総合した巨大アンテナの開口面積から決まる超狭なビーム幅となり、大電力送信する場合には単位面積あたりの電力（以下、「電力密度」という。）が大きくなり過ぎてしまう。この発明は、上記のように複数の発電衛星グループを設け、そのグループ内では、制御衛星２により位相調整を行ってマイクロ波を生成して送信するので、発電衛星グループ内の各発電衛星（例えば、発電衛星＃１−１から＃１−ｎ）のアンテナによってフェーズドアレイアンテナを形成することができ、ビーム幅は発電衛星グループ内の各発電衛星に設けたアンテナを含むアレイアンテナの開口面積により決定することができる。また、発電衛星グループ間でマイクロ波が干渉するとビーム幅が狭くなるので、互いに非干渉となるように各発電衛星において位相調整後のマイクロ波をインコヒーレントなマイクロ波に変調する。但し、発電衛星グループ内の各発電衛星から送信するマイクロ波の干渉性は保持する。例えば制御衛星２から発電衛星グループ内の各発電衛星１に対してインコヒーレント変調のタイミング信号を送信し、そのタイミング信号に合わせて変調処理を行う。
【００１２】
このように送信されたマイクロ波を電力基地アンテナ３によって受信し、電力基地４において低周波変換して電力として利用する。電力基地４は地上に限らず、宇宙空間内の例えば月面や宇宙プラント施設などに設けられてもよい。電力基地４を地上に設ける場合、特に動植物環境や、電波妨害の観点から送信されるマイクロ波のエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギー：電力密度）を小さくする必要があり、したがって、電力基地アンテナ３は数十ｋｍ四方相当から数百ｋｍ四方相当の面積にも及ぶ場合もある。このような巨大なアンテナは、例えば特定サイズのアンテナでアレイ状に配置して形成するのが一般的である。したがって、電力基地４は、低周波変換機能に加えて、各アンテナあるいは、各アンテナ群からの受信マイクロ波を合成する合成機能をも有するようにしてもよい。
【００１３】
さらに図１において、電力基地４は衛星通信アンテナ５を有している。この衛星通信アンテナ５は制御衛星２に対してビーコン信号を送出する。制御衛星２は、このビーコン信号を捕捉することにより、電力基地４の方向を認識することができ、この方向へ発電衛星１からのマイクロ波が送出されるよう、各発電衛星１の送信マイクロ波の位相調整量を制御する。
【００１４】
つぎに図２により、各発電衛星グループ内の発電衛星１が送出するマイクロ波の位相調整の原理を説明する。図２において、＃１、＃２、＃ｎと示した平板は、それぞれ発電衛星＃ｋ−１、＃ｋ−２、＃ｋ−ｎ、の各アンテナ面である。上記のように制御衛星２は電力基地４からのビーコン信号を捕捉して、その電力基地４の方向を認識している。この方向に対して直交する仮想平面Ｓを定義し、この仮想平面Ｓとアンテナ面＃１、＃２、＃ｎの位置関係を求め位相調整量を算出する。各アンテナ面は、各発電衛星１の姿勢変動によって３並進方向、及び３回転方向の合計６自由度の位置が変化する。制御衛星２は、原理的には各発電衛星１又は各アンテナ面に設けた３点を測距することによって、各発電衛星１又は各アンテナ面の位置を特定することができる。つぎに制御衛星２は仮想平面Ｓと特定した各アンテナ面により、アンテナ面と仮想平面Ｓの差分を求める。この差分は、図示のように並進成分ΔＺと回転成分Δθに分けることができる。ΔＺ成分は他の発電衛星１との間の位相の調整、Δθ成分は仮想平面Ｓに直交する方向への位相の調整と考えることができるが、アンテナ面の調整にはΔＺ＋Δθ分の位相調整が必要となる。なお、この調整において、２πｎ（ｎは整数）分の調整は差し引くことができる。
【００１５】
このように制御衛星２において、発電衛星１が送信するマイクロ波の位相調整量の計算を行うことが可能であるが、この機能の一部を発電衛星側に持たせる構成としてもよい。即ち、制御衛星２は電力基地４からのビーコン信号を捕捉して電力基地４の方向を認識して仮想平面Ｓを定義する。さらに制御衛星２は各発電衛星１の位置を測定する。そして、仮想平面Ｓとそれぞれの発電衛星の位置を制御衛星２から各発電衛星１へ通知する。各発電衛星１は、通知された仮想平面Ｓと自己の位置により、上記のように位相調整量を算出する。
【００１６】
次に発電衛星１と制御衛星２の構成について図３により説明する。発電衛星１において、６は宇宙空間にて太陽光を集光する集光部であり、反射光学系や屈折光学系等によって構成される。７は集光部６からの光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部、８は光電変換部によって生成された電気エネルギーをマイクロ波に変換する送信部、９は宇宙空間にマイクロ波を送出する送信アンテナである。送信部８において、１０は制御衛星２からの制御信号を受信する受信アンテナ、１１は制御信号に含まれる基準信号ｆｏを増幅する増幅器、１２は制御信号に含まれる位相調整量によりマイクロ波を移相する移相器、１３は移相器１２の出力マイクロ波をインコヒーレントなマイクロ波に変調するインコヒーレント変調装置である。インコヒーレント変調装置１３は、スペクトル拡散変調（ＳＳ変調）等の変調方式によりマイクロ波をインコヒーレント変調する。１４は送信するマイクロ波を高出力増幅する高出力増幅器である。１５は制御衛星２からの制御信号を復調する復調器、１６は制御信号に含まれる位相調整量に基づいて移相器１２への指令を生成する演算器である。１７は制御衛星２から発電衛星１の位置を検出するために設けられるコーナーリフレクタである。このコーナーリフレクタは、光あるいは光を含めて電磁波を反射するものであればよい。次に、制御衛星２において、１８は基準信号ｆｏを生成する発振器であり、１９は各発電衛星の位相調整量を基準信号にミキシングして制御信号を生成するミキサ、２０は発電衛星１に向けて制御信号を送信するために制御信号を増幅する増幅器、２１は送信アンテナである。２２は発電衛星１の位置を測定するための位置測定器である。この位置測定器の例として、光学測定の場合にはレーザ測定器があるが、電磁波による計測を行うものであればよい。２３は、上記の位相調整量算出の原理により各発電衛星１の位相調整量を算出する位相調整量演算器、２４は位相調整量演算器２３が算出した位相調整量を変調する変調器である。
【００１７】
次に発電衛星１でのマイクロ波への変換とその送出について説明する。発電衛星１は集光部６により太陽光を集光する。このように太陽光を集光した方が太陽電池で形成される光電変換部７が受けるエネルギー密度を高めることができるからである。この集光部６は数十メートルにも及ぶ反射鏡等で構成されることがある。もちろん、集光部６を設けずに光電変換部７で太陽光を直接受ける構成としてもよい。光電変換部７は太陽電池パネルを並べて構成し、集光部６からの集光された太陽光又は直接の太陽光を受けて、光電変換する。光電変換部７において生成した電気エネルギーは送信部８内の高出力増幅器１４へ入力される。太陽電池の出力は、一般にＤＣ成分であるので、適宜、変圧及び安定化して高出力増幅器へ入力する。送信部８が生成するマイクロ波は、受信アンテナ１０により制御衛星２から受信した制御信号に含まれる基準信号から生成する。基準信号を制御衛星２から受信するのは、各発電衛星１において基準信号の位相を揃えるためである。この基準信号を増幅器１１により増幅し、移相器１２によって移相し、更にインコヒーレント変調装置１３によりインコヒーレント変調する。このインコヒーレント変調装置１３は、移相器１２が出力するマイクロ波をスペクトル拡散変調（ＳＳ変調）等の変調方式によってインコヒーレントなマイクロ波に変調する。ＳＳ変調はマイクロ波の強度を低く抑え、帯域を広くする変調方式であり、マイクロ波同士の干渉を抑制することができる。なお、原理的には送信するマイクロ波の総エネルギーはＳＳ変調前と同じである。インコヒーレント変調装置１３により変調されたマイクロ波は、高出力増幅器１４によって高出力増幅することにより、光電変換部７で生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換する。このマイクロ波をアンテナ９によって宇宙空間に送出する。移相器１２におけるマイクロ波の移相は、制御衛星２からの制御信号に含まれる位相調整量に基づいて演算器１６から指令される。制御衛星２からの制御信号には位相調整量が変調されて含まれているので、まずこの制御信号を復調器１５によって復調する。復調した位相調整量に基づいて、例えばディジタル型移相器に設定するビット情報を演算器１６から指令する。
【００１８】
次に制御衛星２による発電衛星の制御について説明する。制御衛星２は、位置計測器２２により各発電衛星１に設けたコーナーリフレクタをタッゲットにして各発電衛星１の位置を計測する。位相調整量演算器２３は、計測された位置データに基づいて、上記の位相調整量算出の原理により各発電衛星１の位相調整量を算出する。変調器２４は各発電衛星１の位相調整量を変調する。発振器１８は各発電衛星で共通に使用する基準信号ｆｏを生成しており、ミキサ１９によって、この基準信号ｆｏに変調された位相調整量を重畳して制御信号を生成する。制御信号は各発電衛星１に送信するために増幅器２０において増幅され、送信アンテナ２１により送信する。なお、位相調整量算出において、仮想平面Ｓを定義するために、電力基地４からのビーコン信号を捕捉する通信アンテナが制御衛星２に設けられているが、この通信アンテナは図３にはとくに図示していない。
【００１９】
このように構成された発電衛星１と制御衛星２は、発電衛星１を逐次増数し、制御衛星２から制御信号を与えることにより、増数された発電衛星を含めた全体のマイクロ波の位相を揃えることができ、発電衛星１内の光電変換部や高出力増幅器、及び伝送線の能力限界に関係なく、発電する電力を高めていくことができる。
【００２０】
次に電力基地４の構成について図４により説明する。電力基地４内において、２５は発電衛星１からのマイクロ波を受信する受信アンテナ、２６は受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器、２７はＤＣ変換された電力を伝送する送電システムである。電力基地４は、制御衛星１が電力基地４の方向を捕捉するためのビーコン信号を衛星通信アンテナ５によって送信するが、これは図４には図示していない。
【００２１】
電力基地４の個々の受信アンテナ２５により受信された発電衛星１からのマイクロ波は、ＤＣ変換器２６によって低周波変換して合成し、送電システム２７により送電する。上記のとおり、受信アンテナの占有面積が大きく、この電力基地は、離島周辺の海域や、砂漠などの辺境地に建設される可能性が高い。したがって、都市部までの伝送には、伝送効率の高い直流送電システムが望ましい。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、宇宙空間における複数の発電衛星によって太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成する宇宙太陽光発電方法において、複数設けた発電衛星グループ内における各々の発電衛星から送信するマイクロ波の位相のずれを調整するとともに、インコヒーレントなマイクロ波を電力基地へ送信するので、電力基地の受信アンテナサイズに相当するビーム幅のマイクロ波を送信することができるとともに、発電衛星を多数設けて大電力送信する場合にも送信マイクロ波のビーム幅が超狭とならず、電力密度を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びその方法を用いたシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法における位相調整の原理を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る発電衛星及び制御衛星の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る電力基地の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１発電衛星
２制御衛星
３受信アンテナ
４電力基地

Claims

宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成する宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星からなる発電衛星グループを複数グループ設け、発電衛星グループ内における各々の発電衛星から送信するマイクロ波の位相のずれを調整するとともに、インコヒーレントなマイクロ波を電力基地へ送信することを特徴とする宇宙太陽光発電方法。
宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して送信するグループ分けした複数の発電衛星と、上記複数の発電衛星の各グループ毎に設けられ、グループ内の発電衛星から送信されるマイクロ波の位相調整を行う制御衛星と、上記複数の発電衛星から送信されるマイクロ波を遠隔にて受信し、このマイクロ波のエネルギーにより電力を生成する電力基地とを備え、上記複数の発電衛星は、インコヒーレントなマイクロ波を上記電力基地へ送信することを特徴とする宇宙太陽光発電システム。