JP7432257B1 - Floating offshore microwave power repeater and offshore microwave power transmission system - Google Patents

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Abstract

【課題】再生可能エネルギーの有効利用を可能とする浮体式洋上マイクロ波電力中継装置及び洋上マイクロ波電力伝送システムを提供する。【解決手段】浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は、浮遊状態で洋上に設けられ、マイクロ波で電力を送電する送電アンテナと、マイクロ波の電力を受電する受電アンテナとを備えるマイクロ波電力伝送システムに用いられる。浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は、送電アンテナから送電されるマイクロ波を入射して、水平面における第1角度方向へ反射する第1反射板と、第1反射板で反射されたマイクロ波を入射して受電アンテナの方向へ出射する第2反射板と、第1反射板及び第2反射板を相対的に固定する基体と、第1反射板及び第2反射板にそれぞれ配列され、共振周波数において基準位相で全反射する複数の誘電体共振器アンテナを備える。【選択図】図1The present invention provides a floating offshore microwave power relay device and an offshore microwave power transmission system that enable effective use of renewable energy. [Solution] A floating offshore microwave power relay device is a microwave power transmission system that is installed on the ocean in a floating state and includes a power transmission antenna that transmits power using microwaves and a power reception antenna that receives microwave power. used for. The floating offshore microwave power relay device includes a first reflecting plate that receives microwaves transmitted from a power transmission antenna and reflects them in a first angle direction on a horizontal plane, and receives the microwaves reflected by the first reflecting plate. a second reflector that emits the power in the direction of the receiving antenna; a base that relatively fixes the first reflector and the second reflector; Equipped with multiple dielectric resonator antennas that perform total internal reflection at the reference phase. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、例えば海洋の再生可能エネルギーを高効率で利用できるようにする浮体式洋上マイクロ波電力中継装置及び洋上マイクロ波電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a floating offshore microwave power repeater and an offshore microwave power transmission system that enable highly efficient use of, for example, renewable energy in the ocean.

海洋の再生可能エネルギーは太陽光、風力、波力等である。これら再生可能エネルギーの効率的利用は温室効果ガスの削減とエネルギー安全保障の大幅な改善に繋がる。 Renewable energy in the ocean includes solar power, wind power, wave power, etc. Efficient use of these renewable energies will lead to reductions in greenhouse gas emissions and significant improvements in energy security.

一般的に再生可能エネルギーは広く分布しているので、海洋の再生可能エネルギーを高効率で利用できるようにするために、多数の発電装置を沿岸に配置し、それら多数の発電装置による発電電力を陸地の一箇所の受電部へ電力ケーブルで送ることとなる。 Renewable energy is generally widely distributed, so in order to use ocean renewable energy with high efficiency, a large number of power generation devices are placed on the coast and the power generated by those many power generation devices is combined. Power will be sent via cable to a power receiving point on land.

特許文献1には、複数の風力発電装置同士を電力ケーブルで接続して全体として大電力の発電量を得るようにし、陸地の一箇所の受電部へ電力を電力ケーブルで送る風力発電システムが開示されている。 Patent Document 1 discloses a wind power generation system in which a plurality of wind power generation devices are connected to each other with a power cable to generate a large amount of power as a whole, and the power is sent to a power receiving unit at one location on land using the power cable. has been done.

特開2022-20208号公報JP 2022-20208 Publication

一般に、原子力発電所や火力発電所等の通常発電所は発熱部の冷却が必須である。その冷却のために海水が必要であり、これら発電所は海岸線に沿った土地に設けざるを得ない。また、電力需要家はマクロ的には海岸線に沿った位置で電力を使用する。これら電力需要家への電力伝送路が短くて済むので、電力伝送路での電力損失を抑制する意味でも発電所は海岸線に沿った土地に設けることが有効である。 Generally, in normal power plants such as nuclear power plants and thermal power plants, it is essential to cool the heat generating parts. Seawater is required for cooling, so these power plants have to be located on land along the coastline. Furthermore, from a macroscopic perspective, electricity consumers use electricity at locations along the coastline. Since the power transmission path to these power consumers can be short, it is effective to install the power plant on land along the coastline in order to suppress power loss in the power transmission path.

一方、現在構築されている太陽光、風力、波力等の再生可能エネルギーの利用については次に列挙するような基本的な限界要因がある。 On the other hand, there are fundamental limiting factors in the use of currently available renewable energies such as solar, wind, and wave power, as listed below.

(1)太陽光による植物や植物プランクトンの光合成を除いて、殆どのエネルギーは一旦熱エネルギー変換され、3次元的な温度分布と非熱平衡状態が利用可能なエネルギーを生み出す。太陽光は、地上、海中、大気中の動植物に光と温度を与えるが、太陽光を受ける受光域が我々の住居域に近いと、そのことで我々の住環境が劣化するので自ずと利用限界がある。 (1) With the exception of photosynthesis by plants and phytoplankton caused by sunlight, most of the energy is once converted into thermal energy, and the three-dimensional temperature distribution and non-thermal equilibrium state produce usable energy. Sunlight provides light and temperature to plants and animals on the ground, in the sea, and in the atmosphere, but if the receiving area of sunlight is close to our residential area, this naturally limits its use as it degrades our living environment. be.

(2)高効率で電力変換可能な再生可能エネルギーは薄く広く且つ偏在しているため、大きな空間利用が前提となる。すなわち、動植物空間密度、人口密度による利用限界がある。 (2) Renewable energy that can be converted into electricity with high efficiency is thin, wide, and unevenly distributed, so a large amount of space is required. In other words, there are usage limits depending on the spatial density of plants, animals, and population density.

(3)自然風景や観光地に巨大ないわゆる再エネ構造物が出現することになりやすいので、景観劣化による限界がある。 (3) Since huge so-called renewable energy structures tend to appear in natural landscapes and tourist spots, there is a limit due to landscape deterioration.

(4)山岳・河川・海岸等による物質循環路が変化(劣化)しやすいので、生態環境の劣化による限界がある。 (4) Since material circulation routes through mountains, rivers, coasts, etc. are subject to change (deterioration), there is a limit due to the deterioration of the ecological environment.

(5)大陸棚は海洋産業が発展する経済水域であるので、漁業などの他産業との協調可能面で利用限界がある。 (5) Since the continental shelf is an economic zone where marine industries develop, there are limits to its use in terms of cooperation with other industries such as fishing.

(6)陸地や沿岸に設けられた巨大風車は気象レーダーや防衛レーダーと干渉する重大な課題が生じるおそれがある。すなわち、気象レーダーと干渉すると自然災害予報の面で利用限界があり、防衛レーダーと干渉すると安全保障の面で利用限界がある。 (6) Huge wind turbines installed on land or on the coast may cause serious problems such as interference with weather radars and defense radars. In other words, if it interferes with weather radar, there is a limit to its use in terms of natural disaster forecasting, and if it interferes with defense radar, there is a limit to its use in terms of security.

上述のとおり、狭小な国土内であれば地上での再生可能エネルギーの大量採取は、コスト・文化・安全保障の面で不利である。また、原子力発電所や火力発電所と同様の沿岸域に再生エネルギー発電所を設置しようとしても、その設置場所に限りがあるので国土固有の資源としてエネルギー自給率を高めるには限界がある。 As mentioned above, extracting large amounts of renewable energy on land within a small national territory is disadvantageous in terms of cost, culture, and security. Furthermore, even if renewable energy power plants are installed in the same coastal areas as nuclear power plants and thermal power plants, there are limits to where they can be installed, so there is a limit to increasing energy self-sufficiency as a nationally unique resource.

本発明の目的は、上述の基本的な限界要因を回避して、遠方や遠洋の再生可能エネルギーの有効利用を可能とする浮体式洋上マイクロ波電力中継装置及び洋上マイクロ波電力伝送システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a floating offshore microwave power repeater and an offshore microwave power transmission system that avoid the above-mentioned basic limiting factors and enable effective use of renewable energy in distant and distant waters. There is a particular thing.

本開示の一例としての浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は、
浮遊状態で洋上に設けられマイクロ波で電力を送電する送電アンテナと、前記マイクロ波の電力を受電する受電アンテナとを備えるマイクロ波電力伝送システムに用いられるマイクロ波中継装置であって、
前記送電アンテナから送電されるマイクロ波を入射して、水平面における第1角度方向へ反射するフラットな第1反射板と、
前記第1反射板で反射されたマイクロ波を入射して前記受電アンテナ側へ出射するフラットな第2反射板と、
前記第1反射板及び前記第2反射板を相対的に固定する基体と、
前記第1反射板に配列され、共振周波数における第1基準位相で全反射し、前記第1反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第1基準位相から変化させる複数の第1誘電体共振器と、
前記第2反射板に配列され、共振周波数における第2基準位相で全反射し、前記第2反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第2基準位相から変化させる複数の第2誘電体共振器と、を備え、
前記第1反射板と前記複数の第1誘電体共振器による第1誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成し、前記第2反射板と前記複数の第2誘電体共振器による第2誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成する、ことを特徴とする。
A floating offshore microwave power repeater as an example of the present disclosure includes:
A microwave relay device used in a microwave power transmission system comprising a power transmission antenna that is installed on the ocean in a floating state and transmits power using microwaves, and a power reception antenna that receives the microwave power,
a flat first reflecting plate that receives microwaves transmitted from the power transmission antenna and reflects them in a first angular direction on a horizontal plane;
a flat second reflecting plate that receives the microwave reflected by the first reflecting plate and emits it to the power receiving antenna side;
a base that relatively fixes the first reflector and the second reflector;
A plurality of lenses arranged on the first reflecting plate, totally reflecting at a first reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the first reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the first reflecting plate increases. a first dielectric resonator;
A plurality of components arranged on the second reflecting plate, totally reflecting at a second reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the second reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the second reflecting plate increases. a second dielectric resonator;
A Fresnel lens type microwave mirror is configured by the first reflector and a first dielectric resonator antenna formed by the plurality of first dielectric resonators, and the second reflector and the plurality of second dielectric resonators constitute a Fresnel lens type microwave mirror. The second dielectric resonator antenna according to the present invention constitutes a Fresnel lens type microwave mirror.

本発明によれば、例えば海洋の海面に浮遊する複数の発電装置又は受電装置との間での電力伝送や、海洋の海面に浮遊する複数の発電装置又は受電装置と遠方の陸地に設けられた発電装置又は受電装置との間での電力伝送を、電力ワイヤーケーブルを用いることなく行えるので、前述した、我々の住環境の劣化、動植物空間密度、人口密度による利用限界、生態環境の劣化による限界が回避され、再生可能エネルギーが有効利用できる。 According to the present invention, for example, power transmission between a plurality of power generating devices or power receiving devices floating on the sea surface of the ocean, or between a plurality of power generating devices or power receiving devices floating on the sea surface of the ocean and a plurality of power generating devices or power receiving devices installed on a distant land. Since power can be transmitted between the power generation device or the power receiving device without using power wire cables, there are no limitations on usage due to the deterioration of our living environment, the spatial density of animals and plants, population density, and the deterioration of the ecological environment, as mentioned above. can be avoided and renewable energy can be used effectively.

図1は洋上での再生可能エネルギーを利用するシステムの主要部分を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the main parts of a system that utilizes renewable energy at sea. 図2は、浮体式洋上風力発電装置300等から出射されたマイクロ波ビームMBが、マイクロ波ミラー510で反射し、受電アンテナ520に入射する様子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing how the microwave beam MB emitted from the floating offshore wind power generation device 300 etc. is reflected by the microwave mirror 510 and enters the power receiving antenna 520. 図3はプラットフォーム500に設けられている受電アンテナ520と多数の浮体式洋上風力発電装置300の送電アンテナ311との位置関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the power receiving antenna 520 provided on the platform 500 and the power transmitting antennas 311 of the multiple floating offshore wind power generators 300. 図4は送電アンテナと受電アンテナとの直径が異なる(非対称)である場合のマイクロ波電力伝送効率について例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the microwave power transmission efficiency when the power transmitting antenna and the power receiving antenna have different diameters (asymmetrical). 図5はプラットフォーム500に設けられたマイクロ波ミラー510と受電アンテナ520の構造及びプラットフォーム500の下部に設けられているインバースダム600の構造等を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the structure of a microwave mirror 510 and a power receiving antenna 520 provided on the platform 500, and the structure of an inverse dam 600 provided below the platform 500. 図6は本実施形態の洋上エネルギー収集システムを日本の排他的経済水域(EEZ)内に設けた場合について例示する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a case where the offshore energy collection system of this embodiment is installed within Japan's exclusive economic zone (EEZ). 図7は浮体式洋上風力発電装置300の構造を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the structure of a floating offshore wind power generation device 300. 図8は浮体式洋上風力発電装置300の構造を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the structure of a floating offshore wind power generation device 300. 図9は浮体式洋上風力発電装置300のトルクバランスを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the torque balance of the floating offshore wind power generation device 300. 図10は浮体式洋上風力発電装置300のトルクバランスを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the torque balance of the floating offshore wind power generation device 300. 図11はプラットフォーム500、無給電中継所700及びマイクロ波電力の受電装置100等の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship among the platform 500, the parasitic relay station 700, the microwave power receiving device 100, and the like. 図12は送電装置200Aから3つの受電装置100A,100B,100Cにそれぞれマイクロ波電力ビームを送電する例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example in which microwave power beams are transmitted from the power transmitting device 200A to three power receiving devices 100A, 100B, and 100C, respectively. 図13(A)、図13(B)は、送電装置200Aから3つの受電装置100A,100B,100Cにそれぞれマイクロ波電力ビームを送電する例を示す図である。13(A) and 13(B) are diagrams illustrating an example in which microwave power beams are transmitted from the power transmitting device 200A to three power receiving devices 100A, 100B, and 100C, respectively. 図14はプラットフォーム500に設けられている送電装置200Bから船舶800へマイクロ波ビームで電力を送電している様子を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing how power is transmitted from the power transmission device 200B provided on the platform 500 to the ship 800 using a microwave beam. 図15は一つのインバースダム600の構造を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the structure of one inverse dam 600. 図16はプラットフォーム500の上部に設けられた各種タンクの配置構造の一例である。FIG. 16 is an example of an arrangement structure of various tanks provided on the upper part of the platform 500. 図17は送電装置200A,200Bの共通構成を示すための送電装置200の構成図である。FIG. 17 is a configuration diagram of power transmission device 200 to show a common configuration of power transmission devices 200A and 200B. 図18(A)は本実施形態における電力伝送システムのビームパイロット信号と電力波との関係を示す図であり、図18(B)は比較例の電力伝送システムにおけるパイロット信号と電力波との関係を示す図である。FIG. 18(A) is a diagram showing the relationship between the beam pilot signal and power waves of the power transmission system in this embodiment, and FIG. 18(B) is a diagram showing the relationship between the pilot signal and power waves in the power transmission system of the comparative example. FIG. 図19はビームパイロット信号と電力波との偏波の関係について示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the polarization relationship between beam pilot signals and power waves. 図20(A)は、一つの素子アンテナの斜視図であり、図20(B)はその内部を透視した斜視図である。FIG. 20(A) is a perspective view of one element antenna, and FIG. 20(B) is a perspective view of the inside thereof. 図21は素子アンテナの各部の寸法を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the dimensions of each part of the element antenna. 図22(A)は第1対の磁気結合プローブ(Px1,Px2)に接続される給電部の構成を示す図であり、図22(B)は第2対の磁気結合プローブ(Py1,Py2)に接続される給電部の構成を示す図である。FIG. 22(A) is a diagram showing the configuration of the power feeding section connected to the first pair of magnetic coupling probes (Px1, Px2), and FIG. 22(B) is a diagram showing the configuration of the power feeding section connected to the first pair of magnetic coupling probes (Py1, Py2). FIG. 図23(A)は図22(A)に示した電流が流れるときに生じる磁束を示す図である。図23(B)は図22(A)に示した電流が流れるときに生じる磁界強度の分布を示す図である。FIG. 23(A) is a diagram showing magnetic flux generated when the current shown in FIG. 22(A) flows. FIG. 23(B) is a diagram showing the distribution of magnetic field strength generated when the current shown in FIG. 22(A) flows. 図24(A)は、一つの素子アンテナの誘電体内に設けられる磁気プローブの斜視図であり、図24(B)は一つの素子アンテナの平面図である。FIG. 24(A) is a perspective view of a magnetic probe provided in the dielectric body of one element antenna, and FIG. 24(B) is a plan view of one element antenna. 図25は、図22(A)、図22(B)に示した2つの180°ハイブリッド回路のX偏波ポートとY偏波ポートに接続される回路を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing a circuit connected to the X polarization port and the Y polarization port of the two 180° hybrid circuits shown in FIGS. 22(A) and 22(B). 図26(A)、図26(B)、図26(C)は小規模のモデルとしてのアレーアンテナの構造を示す図である。26(A), FIG. 26(B), and FIG. 26(C) are diagrams showing the structure of an array antenna as a small-scale model. 図27は従来のフェーズドアレイアンテナ方式と最小ビーム導波路方式との比較例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing a comparison example between the conventional phased array antenna method and the minimum beam waveguide method. 図28は、受電側アレーアンテナ111の一つの素子アンテナに接続される回路と、送電側アレーアンテナ221の一つの素子アンテナに接続される回路の構成について示す図である。FIG. 28 is a diagram showing the configuration of a circuit connected to one element antenna of the power receiving array antenna 111 and a circuit connected to one element antenna of the power transmitting array antenna 221. 図29は双方向レトロディレクティブ動作によるマイクロ波ビームの収束の様子を示す図である。FIG. 29 is a diagram showing how microwave beams are converged by bidirectional retrodirective operation. 図30は双方向レトロディレクティブ動作によるマイクロ波ビームの収束の様子を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing how microwave beams are converged by bidirectional retrodirective operation. 図31は繰り返し回数Nに対するビーム収束率η及びエネルギー漏れとの関係を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the beam convergence rate η and energy leakage with respect to the number of repetitions N. 図32は送電アンテナと受電アンテナとによるSマトリクスの一次元モデルを示す図である。FIG. 32 is a diagram showing a one-dimensional model of an S matrix using a power transmitting antenna and a power receiving antenna. 図33はマイクロ波の伝搬経路中にマイクロ波の吸収体が存在するときのマイクロ波の伝搬の様子を示す図である。FIG. 33 is a diagram showing the state of microwave propagation when a microwave absorber is present in the microwave propagation path. 図34はマイクロ波の伝搬経路中にマイクロ波の吸収体が存在するときのマイクロ波の伝搬の様子を示す図である。FIG. 34 is a diagram showing the state of microwave propagation when a microwave absorber is present in the microwave propagation path. 図35は無給電中継所700の構成を示す正面図である。FIG. 35 is a front view showing the configuration of parasitic relay station 700. 図36は無給電中継所700の構成を示す平面図である。FIG. 36 is a plan view showing the configuration of parasitic relay station 700. 図37は、送電装置200と受電装置100との間に二つの無給電中継所700A,700Bを配置した例を示す図である。FIG. 37 is a diagram showing an example in which two parasitic relay stations 700A and 700B are arranged between the power transmitting device 200 and the power receiving device 100. 図38は第1マイクロ波ミラー711と第2マイクロ波ミラー712とによる3軸の微小回転を吸収するマイクロ波中継器の原理を示す図である。FIG. 38 is a diagram showing the principle of a microwave repeater that absorbs minute rotations in three axes caused by the first microwave mirror 711 and the second microwave mirror 712. 図39は第1マイクロ波ミラー711と第2マイクロ波ミラー712とによる3軸の微小回転を吸収するマイクロ波中継器の原理を示す図である。FIG. 39 is a diagram showing the principle of a microwave repeater that absorbs minute rotations in three axes caused by the first microwave mirror 711 and the second microwave mirror 712. 図40はマイクロ波の入射方向に対して一定角度をもって出射する中継器の構成を示す図である。FIG. 40 is a diagram showing the configuration of a repeater that emits microwaves at a constant angle with respect to the incident direction. 図41はマイクロ波ミラーの構成を示す断面図である。FIG. 41 is a sectional view showing the configuration of a microwave mirror. 図42は誘電体共振器721と反射板722等によるマイクロ波ミラーの一単位の構造を示す図である。FIG. 42 is a diagram showing the structure of one unit of a microwave mirror including a dielectric resonator 721, a reflecting plate 722, and the like. 図43はマイクロ波ミラーの他の例を示す図である。FIG. 43 is a diagram showing another example of a microwave mirror.

本発明の実施の形態を、本発明が適用されるシステムについて説明する。また、そのシステムを構成する要素毎に順に説明する。 Embodiments of the present invention will be described with respect to a system to which the present invention is applied. In addition, each element constituting the system will be explained in order.

《洋上エネルギー収集システム》
先ず洋上エネルギー収集システムの全体的な構成について例示する。
《Offshore energy collection system》
First, the overall configuration of the offshore energy collection system will be illustrated.

図1は、洋上での再生可能エネルギーを利用するシステム(以降「洋上エネルギーシステム」という。)の主要部分を示す図である。この洋上エネルギーシステムは、洋上エネルギー収集システム、洋上エネルギー貯留装置及び浮体式洋上マイクロ波電力中継装置を備える。但し、上記浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は図1外にあり、この浮体式洋上マイクロ波電力中継装置については後に図示する。 FIG. 1 is a diagram showing the main parts of a system that uses renewable energy offshore (hereinafter referred to as an "offshore energy system"). The offshore energy system includes an offshore energy collection system, an offshore energy storage device, and a floating offshore microwave power repeater. However, the above-mentioned floating offshore microwave power repeater is located outside of FIG. 1, and this floating offshore microwave power repeater will be illustrated later.

図1に表れているように、洋上には多数の浮体式洋上風力発電装置300が浮遊状態で配置されている。また、洋上にはプラットフォーム500が浮遊状態で配置されている。このプラットフォーム500の下部には複数のインバースダム600が設けられている。プラットフォーム500は複数のインバースダム600の浮力を受けていて、プラットフォーム500の底面は複数のインバースダム600の浮力によって、海面より上部に位置している。すなわち、プラットフォーム500の下面は海面に浸ることなく空中に露出している。このことにより、プラットフォーム500は海流による応力を受けにくく、後に示すスクリューによる推力は小さなものであっても、プラットフォーム500を所定位置に維持できる。 As shown in FIG. 1, a large number of floating offshore wind power generators 300 are arranged in a floating state on the ocean. Further, a platform 500 is placed in a floating state on the ocean. A plurality of inverse dams 600 are provided at the bottom of this platform 500. The platform 500 receives the buoyancy of the plurality of inverse dams 600, and the bottom surface of the platform 500 is positioned above the sea level due to the buoyancy of the plurality of inverse dams 600. That is, the lower surface of the platform 500 is exposed in the air without being immersed in the sea surface. As a result, the platform 500 is less susceptible to stress due to ocean currents, and the platform 500 can be maintained in a predetermined position even if the thrust by the screw, which will be described later, is small.

インバースダム600は入力された電気エネルギーを重力エネルギーに変換し、また重力エネルギーを電気エネルギーに変換する。その構造及び作用については後述する。 The inverse dam 600 converts input electrical energy into gravitational energy, and converts gravitational energy into electrical energy. Its structure and operation will be described later.

浮体式洋上風力発電装置300は風力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と電気エネルギーをマイクロ波電力でプラットフォーム500へ送電する送電装置を備えている。浮体式洋上風力発電装置300はそれぞれ洋上に浮遊しているが、それぞれが所定位置関係となるように制御される。浮体式洋上風力発電装置300の構造及び作用については後述する。 The floating offshore wind power generation device 300 includes a generator that converts wind energy into electrical energy and a power transmission device that transmits the electrical energy as microwave power to the platform 500. Although the floating offshore wind power generators 300 are floating on the ocean, they are each controlled to have a predetermined positional relationship. The structure and operation of the floating offshore wind power generation device 300 will be described later.

プラットフォーム500は、平面視で例えば500m×1kmの長方形板状である。このプラットフォーム500の上部には変電所540が設けられている。変電所540の屋上にはドーナツ状又はリング状の受電アンテナ520が配置されている。そして、この受電アンテナ520の上部に逆円錐形状のマイクロ波ミラー510が設けられている。このマイクロ波ミラー510と受電アンテナ520とは同軸関係にある。受電アンテナ520とマイクロ波ミラー510とで、マイクロ波受電部が構成されている。このマイクロ波受電部は例えば接地境界層(地球表面から数十メートルまでの気層をいい、地球表面の影響を全面的に受けている最も下層の大気、具体的には、運動量や熱の鉛直方向の流束が地表での値と等しいと見なせる気層)より高い位置に設けられている。また、この例ではマイクロ波ミラー510の上部に太陽光発電パネル530が設けられている。 The platform 500 has a rectangular plate shape of, for example, 500 m x 1 km in plan view. A substation 540 is provided at the top of this platform 500. A donut-shaped or ring-shaped power receiving antenna 520 is arranged on the roof of the substation 540. An inverted conical microwave mirror 510 is provided above the power receiving antenna 520. This microwave mirror 510 and power receiving antenna 520 are in a coaxial relationship. The power receiving antenna 520 and the microwave mirror 510 constitute a microwave power receiving section. This microwave power receiving part is, for example, the ground boundary layer (the air layer up to several tens of meters from the earth's surface, the lowest layer of the atmosphere that is fully influenced by the earth's surface, specifically the vertical boundary layer of momentum and heat). It is located at a higher position than the air layer whose directional flux can be considered to be equal to the value at the ground surface. Further, in this example, a solar power generation panel 530 is provided above the microwave mirror 510.

プラットフォーム500の上部には送電装置(または送受電装置)200A,200Bが設けられている。送電装置200Aはマイクロ波ミラー210Aを備え、例えば陸地に設置されている受電装置へマイクロ波電力を送電する。また、送電装置200Bはマイクロ波ミラー210Bを備え、洋上の船舶800に設けられている受電装置へマイクロ波電力を送電する。 At the top of the platform 500, power transmission devices (or power transmission and reception devices) 200A and 200B are provided. The power transmitting device 200A includes a microwave mirror 210A, and transmits microwave power to a power receiving device installed on land, for example. Further, the power transmission device 200B includes a microwave mirror 210B, and transmits microwave power to a power receiving device provided on the ship 800 on the ocean.

プラットフォーム500は船舶に対するコンテナの積み込み及び積み下ろしを行うクレーン並びに船舶の着岸設備を含む港湾設備を備える。また、プラットフォーム500の近傍には、海洋に浮遊して太陽光エネルギーで発電する太陽光発電装置、又は海洋に浮遊して海洋の波力で発電する波力発電装置を備えている。これら発電装置はプラットフォーム500の近傍に配置できるので、それらの発電電力をマイクロ波で伝送するのではなく、電力ケーブルを介してプラットフォームへ供給する電力供給手段をも備えることができる。 The platform 500 is equipped with port facilities including cranes for loading and unloading containers onto and from ships and ship berthing facilities. Further, near the platform 500, there is provided a solar power generation device that floats in the ocean and generates electricity using solar energy, or a wave power generation device that floats in the ocean and generates electricity using ocean wave power. Since these power generating devices can be placed in the vicinity of the platform 500, power supply means can also be provided for supplying the generated power to the platform via a power cable rather than transmitting the generated power by microwaves.

なお、浮体式洋上風力発電装置300にマイクロ波で電力を受電する装置を設け、また、上記太陽光発電装置や波力発電装置にマイクロ波で電力を送電する装置を設けてもよい。そのことで、浮体式洋上風力発電装置300は自身の風力発電電力と、太陽光発電装置や波力発電装置の発電電力とを併せて、電力ケーブルを介することなく、マイクロ波でプラットフォームへ供給するように構成してもよい。つまり、給電点を浮体式洋上風力発電装置300側にしてもよい。このことにより、電力ケーブルが船舶の航行を阻害することがなくなるので、船舶の航路をプラットフォームの近くにまで構成できる。 Note that the floating offshore wind power generation device 300 may be provided with a device that receives power using microwaves, and the solar power generation device or the wave power generation device may be provided with a device that transmits power using microwaves. As a result, the floating offshore wind power generation device 300 combines its own wind power generation power with the power generated by the solar power generation device and the wave power generation device and supplies it to the platform using microwaves without going through a power cable. It may be configured as follows. In other words, the power feeding point may be on the floating offshore wind power generator 300 side. As a result, the power cable does not obstruct the navigation of the ship, so that the ship's route can be configured close to the platform.

プラットフォーム500は、例えば、海水を真水(H2O)にする化学プラント、真水を基にしてグリーン水素を生成する化学プラント、水素と窒素からアンモニア(NH3)を生成する化学プラント、を備える。また、LNGやバイオディーゼル燃料(BDF(登録商標))等を一時貯留するタンクを備える。 The platform 500 includes, for example, a chemical plant that converts seawater into fresh water (H2O), a chemical plant that generates green hydrogen from fresh water, and a chemical plant that generates ammonia (NH3) from hydrogen and nitrogen. It is also equipped with a tank for temporarily storing LNG, biodiesel fuel (BDF (registered trademark)), etc.

本実施形態によれば、プラットフォーム500、浮体式洋上風力発電装置300のいずれについても、ケーソン及びワイヤーケーブルを利用しない浮遊状態の構造物であるので、深海底の掘削作業及び係留作業が不要であり、構築が容易である。 According to this embodiment, both the platform 500 and the floating offshore wind power generation device 300 are floating structures that do not use caissons or wire cables, so deep seabed excavation work and mooring work are not required. , easy to construct.

図2は、浮体式洋上風力発電装置300等から出射されたマイクロ波ビームMBが、マイクロ波ミラー510に反射し、受電アンテナ520に入射する様子を示す図である。図2の上部は斜視図であり、図2の下部は平面図である。この例では、逆円錐形状のマイクロ波ミラー510の主要部は金属板で構成されている。このマイクロ波ミラー510の上部の幅は300mであり、ドーナツ状の受電アンテナ520の受光部の円周に沿った幅は75mである。この受光部の円周に沿った幅は、マイクロ波ビームの幅である50mより大きく、マイクロ波ビームの反射波を漏れなく受電する。各マイクロ波ビームMBは断面円形であるが、逆円錐形状のマイクロ波ミラー510で反射することで、受電アンテナ520にはほぼ楕円形状のマイクロ波ビームが入射する。ここで、マイクロ波ミラー510は金属面であるので、マイクロ波ミラー510にマイクロ波が斜めに入射しても全反射する。そのため、仰角が浅くても、受電アンテナ520に対してはマイクロ波ビームが垂直に近い状態で入射する。そのことにより受電効率の低下が抑制される。 FIG. 2 is a diagram showing how the microwave beam MB emitted from the floating offshore wind power generation device 300 and the like is reflected by the microwave mirror 510 and enters the power receiving antenna 520. The upper part of FIG. 2 is a perspective view, and the lower part of FIG. 2 is a plan view. In this example, the main part of the inverted conical microwave mirror 510 is made of a metal plate. The width of the upper part of this microwave mirror 510 is 300 m, and the width along the circumference of the light receiving part of the donut-shaped power receiving antenna 520 is 75 m. The width along the circumference of this light receiving section is larger than 50 m, which is the width of the microwave beam, and the reflected wave of the microwave beam is received without omission. Although each microwave beam MB has a circular cross section, it is reflected by the microwave mirror 510 having an inverted conical shape, so that the microwave beam having a substantially elliptical shape is incident on the power receiving antenna 520. Here, since the microwave mirror 510 is a metal surface, even if the microwave is obliquely incident on the microwave mirror 510, it is totally reflected. Therefore, even if the elevation angle is shallow, the microwave beam enters the power receiving antenna 520 in a nearly perpendicular state. This suppresses a decrease in power reception efficiency.

図3はプラットフォーム500に設けられている受電アンテナ520と多数の浮体式洋上風力発電装置300の送電アンテナ311との位置関係を示す図である。多数の浮体式洋上風力発電装置300は10km四方に分散配置されている。但し、図3においては浮体式洋上風力発電装置300を図示せず、送電アンテナ311をドットで表現している。そして、この10km四方の中央にプラットフォーム500の受電アンテナ520が配置されている。浮体式洋上風力発電装置300の構成については後に示す。 FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the power receiving antenna 520 provided on the platform 500 and the power transmitting antennas 311 of the multiple floating offshore wind power generators 300. A large number of floating offshore wind power generation devices 300 are distributed in a 10 km square. However, in FIG. 3, the floating offshore wind power generation device 300 is not shown, and the power transmission antenna 311 is represented by a dot. The power receiving antenna 520 of the platform 500 is placed in the center of this 10 km square. The configuration of the floating offshore wind power generation device 300 will be described later.

浮体式洋上風力発電装置300は1基あたり例えば12MWを発電し、108基で1.29GWを発電する。各浮体式洋上風力発電装置300の送電アンテナは直径17mのアレーアンテナである。プラットフォーム500側のドーナツ状の受電アンテナ520は直径250mのアレーアンテナである。後に示すインバースダム600の蓄積容量は200MWh×16基=3.2GWhである。これは例えば20万kW×16時間の定格に相当する。 Each floating offshore wind power generator 300 generates, for example, 12 MW, and 108 units generates 1.29 GW. The power transmission antenna of each floating offshore wind power generator 300 is an array antenna with a diameter of 17 m. The donut-shaped power receiving antenna 520 on the platform 500 side is an array antenna with a diameter of 250 m. The storage capacity of the inverse dam 600, which will be described later, is 200 MWh x 16 = 3.2 GWh. This corresponds to a rating of 200,000 kW x 16 hours, for example.

各浮体式洋上風力発電装置の送電アンテナ311から受電アンテナ520へは直線経路でマイクロ波電力が伝送される位置関係にある。基本的には、各浮体式洋上風力発電装置の送電アンテナ311は等間隔格子の交点に配置されるが、例外的に等間隔格子の交点に配置されない位置に浮体式洋上風力発電装置300が配置される。送電アンテナ311と受電アンテナ520との直線経路の途中に他の浮体式洋上風力発電装置300が存在する場合には、その浮体式洋上風力発電装置300が遮蔽物となる。そのため、この遮蔽物となる浮体式洋上風力発電装置300を格子に沿ってX方向又はY方向に所定距離ずれた位置に設定する。または、位置を定めるべき(着目している)浮体式洋上風力発電装置300と受電アンテナ520との直線経路の途中に他の浮体式洋上風力発電装置300が存在する場合に、前記着目している浮体式洋上風力発電装置300を格子に沿ってX方向又はY方向に所定距離ずれた位置に設定する。 The positional relationship is such that microwave power is transmitted along a straight path from the power transmission antenna 311 of each floating offshore wind power generator to the power reception antenna 520. Basically, the power transmission antenna 311 of each floating offshore wind power generation device is placed at the intersection of the equally spaced grid, but in exceptional cases, the floating offshore wind power generation device 300 is placed at a position that is not placed at the intersection of the equally spaced grid. be done. If another floating offshore wind power generation device 300 exists on the straight path between the power transmission antenna 311 and the power reception antenna 520, that floating offshore wind power generation device 300 becomes a shield. Therefore, the floating offshore wind power generation device 300 serving as the shield is set at a position shifted by a predetermined distance in the X direction or the Y direction along the grid. Alternatively, when there is another floating offshore wind power generation device 300 in the middle of the straight path between the floating offshore wind power generation device 300 whose position should be determined (the focus is on) and the power receiving antenna 520, the above-mentioned focused The floating offshore wind power generation device 300 is set at a position shifted by a predetermined distance in the X direction or the Y direction along the grid.

上述の例ではすべての浮体式洋上風力発電装置300が格子上に位置する例であるが、受電アンテナ520を中心とする同心円に沿った位置に配置してもよい。また、送電アンテナ311と受電アンテナ520との直線経路の途中に他の浮体式洋上風力発電装置300が存在する場合に、上記同心円に沿って所定距離ずれた位置に配置してもよい。また、各浮体式洋上風力発電装置300の位置は格子状、同心円状に限らずランダムに配置してもよい。ただし、いずれの場合でも、浮体式洋上風力発電装置300のプロペラの後方に生じる乱流による悪影響を受けないように各浮体式洋上風力発電装置300の間隔を定めることが重要である。 In the above example, all the floating offshore wind power generators 300 are located on a grid, but they may be arranged along concentric circles with the power receiving antenna 520 at the center. Further, when another floating offshore wind power generation device 300 is present on the straight path between the power transmitting antenna 311 and the power receiving antenna 520, it may be placed at a position shifted by a predetermined distance along the concentric circles. Further, the position of each floating offshore wind power generation device 300 is not limited to a grid pattern or a concentric pattern, but may be arranged randomly. However, in either case, it is important to determine the spacing between each floating offshore wind power generation device 300 so as not to be adversely affected by turbulence generated behind the propeller of the floating offshore wind power generation device 300.

また、図3に示した例では受電アンテナ520の周囲を囲むように浮体式洋上風力発電装置300を設けた例を示したが、多数の浮体式洋上風力発電装置300の配置領域より外洋とプラットフォーム500との間に、船舶が航行可能な航路を設けておいてもよい。これにより、プラットフォーム500に対する船舶の接近または離着岸が容易となる。 In addition, in the example shown in FIG. 3, the floating offshore wind power generation device 300 is provided so as to surround the power receiving antenna 520. 500, a route through which ships can navigate may be provided. This facilitates the approach of a ship to the platform 500, and the ease with which it can leave and dock on the platform 500.

図4は浮体式洋上風力発電装置300の送電アンテナと受電アンテナ(マイクロ波ミラー510と受電アンテナ520とによるアンテナ)との直径が異なる(非対称)である場合のマイクロ波電力伝送効率について例示する図である。この例では、直径25mの送電アンテナと直径50mの受電アンテナとが5km離れているときのマイクロ波電力の伝送効率は99.995%である。 FIG. 4 is a diagram illustrating the microwave power transmission efficiency when the diameters of the power transmitting antenna and the power receiving antenna (the antenna formed by the microwave mirror 510 and the power receiving antenna 520) of the floating offshore wind power generation device 300 are different (asymmetrical). It is. In this example, when a power transmitting antenna with a diameter of 25 m and a power receiving antenna with a diameter of 50 m are separated by 5 km, the transmission efficiency of microwave power is 99.995%.

図5はプラットフォーム500に設けられたマイクロ波ミラー510と受電アンテナ520の構造及びプラットフォーム500の下部に設けられているインバースダム600の構造等を示す図である。マイクロ波ミラー510は円錐の側面が金属板(金属面)で構成された逆円錐形状のマイクロ波ミラーである。受電アンテナ520はアンテナ素子がドーナツ状に配置されたアレーアンテナである。 FIG. 5 is a diagram showing the structure of a microwave mirror 510 and a power receiving antenna 520 provided on the platform 500, and the structure of an inverse dam 600 provided below the platform 500. The microwave mirror 510 is an inverted cone-shaped microwave mirror in which the side surface of the cone is made of a metal plate (metal surface). The power receiving antenna 520 is an array antenna in which antenna elements are arranged in a donut shape.

マイクロ波ミラー510には、複数の方位にある浮体式洋上風力発電装置300から送電されたマイクロ波ビームが入射し、それぞれマイクロ波ミラー510で全反射し、受電アンテナ520に入射する。例えば1つのマイクロ波ビームは10MWである。図2に示したとおり、マイクロ波ミラー510に入射するマイクロ波ビームの断面が円形であっても、それが逆円錐面で反射するので、受電アンテナ520にはほぼ楕円形状のマイクロ波ビームが入射する。 Microwave beams transmitted from the floating offshore wind power generators 300 located in a plurality of directions are incident on the microwave mirror 510 , are totally reflected by the microwave mirror 510 , and are incident on the power receiving antenna 520 . For example, one microwave beam has a power of 10 MW. As shown in FIG. 2, even if the microwave beam incident on the microwave mirror 510 has a circular cross section, it is reflected by the inverted conical surface, so that a microwave beam having an approximately elliptical shape is incident on the power receiving antenna 520. do.

変電所540は受電アンテナ520で受電したマイクロ波電力を整流、変圧、及び直流化する。太陽光発電パネル530による発電電力は例えば変電所に対する電源の一部として用いられる。 The substation 540 rectifies, transforms, and converts the microwave power received by the power receiving antenna 520 into DC. The power generated by the solar power generation panel 530 is used as part of the power supply for a substation, for example.

プラットフォーム500の下部に設けられているインバースダム600はエネルギー貯留装置である。一つのインバースダム600は例えば高さ(深さ)200mで200MWhの揚水発電を行うが、この一つのインバースダム600が発生する全体の浮力は約160万トンである。また、インバースダム600の自重は約78万トンであるので、インバースダム600がプラットフォーム500を持ち上げようとする浮力は差分の約82万トンもあって非常に大きい。これらの大きな浮力を発生させるインバースダム600をプラットフォーム500の下部に設けることにより、多数のインバースダム600をプラットフォーム500と共に安定的に設けることができる。すなわち、これらの大きな浮力を発生させる多数のインバースダム600をプラットフォーム500と共にバランス良く容易に設けることができる。 An inverse dam 600 provided at the bottom of the platform 500 is an energy storage device. One inverse dam 600, for example, has a height (depth) of 200 m and generates 200 MWh of pumped storage power, but the total buoyancy generated by this one inverse dam 600 is about 1.6 million tons. Furthermore, since the weight of the inverse dam 600 is approximately 780,000 tons, the buoyant force exerted by the inverse dam 600 to lift the platform 500 is extremely large, as the difference is approximately 820,000 tons. By providing these inverse dams 600 that generate large buoyancy below the platform 500, a large number of inverse dams 600 can be stably provided together with the platform 500. That is, a large number of inverse dams 600 that generate these large buoyancy forces can be easily provided together with the platform 500 in a well-balanced manner.

上述のとおりインバースダム600は海洋中で浮力を発生させ、多数のインバースダム600の分布により、それらの浮力でプラットフォーム500を上下方向に安定させた状態で浮遊させる。すなわち、プラットフォーム500が海面に沿って傾きが抑制されるような復元力が生じるように複数のインバースダム600は分散配置されている。 As described above, the inverse dam 600 generates buoyancy in the ocean, and due to the distribution of a large number of inverse dams 600, the platform 500 is suspended in a stable state in the vertical direction by the buoyancy. That is, the plurality of inverse dams 600 are arranged in a distributed manner so that a restoring force is generated that suppresses the tilting of the platform 500 along the sea surface.

各インバースダム600の浮力は、第1水槽601と第2水槽602の水量に拘わらずに一定である。そのため、インバースダム600がプラットフォーム500に与える応力は一定であり、揚水発電の繰り返しによる繰り返し応力や振動は小さい。そのため機械的劣化が小さく長寿命化をはかることができる。また、喫水も変わらないため、プラットフォーム500の位置だけでなく、高さ方向についても安定するので、港湾での安定したオペレーションができ、港湾としての機能を保てる。 The buoyancy of each inverse dam 600 is constant regardless of the amount of water in the first water tank 601 and the second water tank 602. Therefore, the stress that the inverse dam 600 applies to the platform 500 is constant, and the repeated stress and vibration caused by repeated pumping power generation are small. Therefore, mechanical deterioration is small and the life can be extended. In addition, since the draft does not change, not only the position of the platform 500 but also the height direction is stabilized, so stable operations at the port can be performed and the port function can be maintained.

プラットフォーム500の下面は海面に接していてもよいが、複数のインバースダム600の浮力により、プラットフォーム500の下面が海面より上方に持ち上げられ、プラットフォーム500の下面が空中に露出するよう、インバースダム600の浮力を定めてもよい。この構造によれば、プラットフォーム500ではなく、各インバースダム600に喫水線が生じることとなり、プラットフォームと各インバースダム600との全体が受ける波力や摩擦抵抗を抑制できる。また、プラットフォーム500全体が海流を受けないので海流による応力を抑制できる。そのため、プラットフォーム500を所定位置に保つ推力発生装置の最大推力は小さくてすむ。また、プラットフォーム500の水平精度及び位置精度を高めることもできる。 The lower surface of the platform 500 may be in contact with the sea surface, but the buoyancy of the plurality of inverse dams 600 lifts the lower surface of the platform 500 above the sea surface, exposing the lower surface of the platform 500 to the air. Buoyancy may also be determined. According to this structure, a waterline is generated not on the platform 500 but on each inverse dam 600, and it is possible to suppress the wave force and frictional resistance that the platform and each inverse dam 600 receive as a whole. Furthermore, since the entire platform 500 is not affected by ocean currents, stress caused by ocean currents can be suppressed. Therefore, the maximum thrust of the thrust generating device that keeps the platform 500 in a predetermined position can be small. Furthermore, the horizontal accuracy and positional accuracy of the platform 500 can also be improved.

なお、プラットフォーム500の底面の複数箇所に泡又はマイクロバブルの噴出口を均一に分布させ、超音波等を利用したマイクロバブル発生装置を設けることも有効である。つまり、プラットフォーム500の底面から吹き出すマイクロバブルによって、プラットフォーム500の底面と海水との間に空気層を形成することで、プラットフォーム500と海水との間の摩擦を低減できる。マイクロバブル自体又は空気層の空気をプラットフォーム500の側方へ漏れ出にくいように、プラットフォーム500の底面の周囲に空気漏れ防止用の囲みを設けてもよい。マイクロバブルや空気はそれ自体がプラットフォーム500の側面に沿ってそのまま海面まで浮き上がるので、プラットフォーム500と海水との摩擦低減効果は殆ど無い。そのため、プラットフォーム500の喫水線はプラットフォーム500の下面に近い方が好ましい。船舶の場合とは異なり、プラットフォーム500は海水に対する相対速度が小さいので、海流にバブルを持っていかれることは殆どない。このように構成すれば、プラットフォーム500の底面を海面上に浮かせない方法でもプラットフォーム500の復元力を安定化することができる。 Note that it is also effective to uniformly distribute bubble or microbubble ejection ports at a plurality of locations on the bottom surface of the platform 500 and to provide a microbubble generator using ultrasonic waves or the like. That is, by forming an air layer between the bottom surface of the platform 500 and the seawater by the microbubbles blowing out from the bottom surface of the platform 500, the friction between the platform 500 and the seawater can be reduced. In order to prevent the microbubbles themselves or the air in the air layer from leaking to the sides of the platform 500, an enclosure for preventing air leakage may be provided around the bottom surface of the platform 500. Since the microbubbles and air themselves float up to the sea surface along the sides of the platform 500, they have almost no effect of reducing friction between the platform 500 and the seawater. Therefore, it is preferable that the waterline of the platform 500 be close to the lower surface of the platform 500. Unlike the case of a ship, the platform 500 has a small relative speed to the seawater, so the bubbles are hardly carried away by the sea current. With this configuration, the restoring force of the platform 500 can be stabilized even by a method that does not allow the bottom surface of the platform 500 to float above the sea surface.

プラットフォーム500は海底等に係留されているわけではないので、プラットフォーム500の下面が海中にある場合(すなわち喫水線がプラットフォーム500にある場合)も、喫水線がインバースダム600の所定位置にある場合も、地震や津波に対応できる。つまり、プラットフォーム500は係留されていないので、地震や津波の発生時に生じる長波長で変化する波面にプラットフォーム500及びインバースダム600が全体的に従う。そのことで、地震や津波による応力に対しても耐性が高い。 Since the platform 500 is not moored to the seabed or the like, earthquakes can occur both when the bottom surface of the platform 500 is underwater (that is, when the waterline is on the platform 500) and when the waterline is at a predetermined position on the inverse dam 600. and tsunamis. In other words, since the platform 500 is not moored, the platform 500 and the inverse dam 600 generally follow the changing long wavelength wave front that occurs during an earthquake or tsunami. This makes it highly resistant to stress caused by earthquakes and tsunamis.

プラットフォーム500は複数の太陽光発電パネルからエネルギーを収集してもよい。その場合、洋上に浮遊する複数の浮体式洋上風力発電装置300と、洋上に浮遊する複数の太陽電池パネルとを備え、複数の浮体式洋上風力発電装置300は、互いに隣接する浮体式洋上風力発電装置300が干渉しない所定間隔を空けて配置し、この所定間隔の位置(例えば図3に示した格子の間隔内)に太陽電池パネルを配置してもよい。これら太陽電池パネルは海面上に露出させずに水没する位置に設けてもよい。そして、太陽光発電装置は、洋上(海洋面近傍)で太陽光を受けて発電する太陽電池パネルと、太陽電池パネルの位置を検知し、太陽電池パネルの洋上における位置を固定する推進部と、太陽電池パネルによる発電電力を、プラットフォームへマイクロ波で送電する送電部と、を備えればよい。 Platform 500 may collect energy from multiple photovoltaic panels. In that case, a plurality of floating offshore wind power generation devices 300 floating on the ocean and a plurality of solar panels floating on the ocean are provided, and the plurality of floating offshore wind power generation devices 300 are adjacent to each other. The devices 300 may be arranged at predetermined intervals that do not interfere with each other, and the solar cell panels may be arranged at the predetermined intervals (for example, within the grid spacing shown in FIG. 3). These solar panels may be placed in a submerged position without being exposed above the sea surface. The solar power generation device includes a solar panel that generates electricity by receiving sunlight on the ocean (near the ocean surface), a propulsion unit that detects the position of the solar panel and fixes the position of the solar panel on the ocean, It is sufficient to include a power transmission unit that transmits power generated by the solar panel to the platform using microwaves.

なお、太陽電池パネルを浅く水没させれば、太陽電池パネルの発電効率を高いまま維持できる。つまり、太陽電池パネルが高温になるほど、その発電効率は低下するが、太陽電池パネルを海中へ水没させれば、その温度は30度を超えない。そのため、太陽電池パネルの発電効率を高く維持できる。また、太陽電池パネルを浅く水没させれば、太陽電池パネル表面の塵埃が絶えず洗い流されてその清浄性が保たれる。ただ、EEZのような綺麗な海洋の海中でも海洋付着物が全く無いわけではないので、ロボットによる定期的な簡単な清掃を自動的に行うことは好ましい。また、太陽電池パネルを浅く水没させることにより、波の叩きつける衝撃から太陽電池パネルが機械的に守られる。海水は太陽光線を吸収するので、太陽電池パネルを深く沈めすぎると発電効率が低下する。したがって、例えば3mから5mぐらいの範囲に太陽電池パネルを沈めることが効果的である。また、この深さを天候によって変化せることも耐久性向上と発電効率向上の点で有効な方策である。 Note that by submerging the solar panel shallowly in water, the power generation efficiency of the solar panel can be maintained at a high level. In other words, the higher the temperature of a solar panel, the lower its power generation efficiency, but if the solar panel is submerged in water, the temperature will not exceed 30 degrees Celsius. Therefore, the power generation efficiency of the solar cell panel can be maintained at a high level. Furthermore, if the solar panel is submerged shallowly in water, the dust on the surface of the solar panel will be constantly washed away and its cleanliness will be maintained. However, even in a clean ocean like the EEZ, it is not completely free of marine deposits, so it is preferable to automatically perform simple cleaning on a regular basis with a robot. Furthermore, by shallowly submerging the solar panel in water, the solar panel is mechanically protected from the impact of waves. Seawater absorbs sunlight, so submerging solar panels too deeply reduces power generation efficiency. Therefore, it is effective to submerge the solar panel within a range of about 3 m to 5 m, for example. Also, changing this depth depending on the weather is an effective measure to improve durability and power generation efficiency.

インバースダム600は、海中に設置され、淡水を貯留する所定容積の第1水槽601と、海中に設置され、第1水槽601より下部に配置され、淡水を貯留する所定容積の第2水槽602と、第1水槽601と第2水槽602とを連通する単一又は複数の連通路604と、第2水槽602から第1水槽601へ連通路604を通って揚水する電動揚水機603と、第1水槽601から第2水槽602へ連通路604を通って流れる落水によって発電する発電機606と、を有する。すなわち揚水発電を行う。 The inverse dam 600 includes a first water tank 601 that is installed in the sea and has a predetermined volume for storing fresh water, and a second water tank 602 that is installed in the sea and is located below the first water tank 601 and has a predetermined volume for storing fresh water. , a single or plural communication path 604 that communicates the first aquarium 601 and the second aquarium 602; an electric water pump 603 that pumps water from the second aquarium 602 to the first aquarium 601 through the communication path 604; It has a generator 606 that generates electricity by using falling water flowing from the water tank 601 to the second water tank 602 through the communication path 604. In other words, pumped storage power generation is performed.

電動揚水機603に入力される電力エネルギーで、電動揚水機603が第2水槽602内の水を第1水槽601へ揚水することで、電力エネルギーを重力エネルギーに変換する(蓄積する)。また、第1水槽601から第2水槽602への落水により発電機606が重力エネルギーを電力エネルギーに変換する(放出する)。 The electric water pump 603 pumps water in the second water tank 602 to the first water tank 601 using the power energy input to the electric water pump 603, thereby converting (accumulating) the power energy into gravitational energy. Furthermore, the generator 606 converts (releases) gravitational energy into electrical energy due to water falling from the first water tank 601 to the second water tank 602 .

なお、第1水槽601と第2水槽602とを連通する単一又は複数の連通路604は、重力方向に隣接する第1水槽601と第2水槽602とを連通させる非常に短い経路であるので、この連通路を水が流れる際に生じる損失は非常に小さく抑えられる。そのため、揚水発電の総合的な損失を低減できる。 Note that the single or plural communication paths 604 that communicate the first aquarium 601 and the second aquarium 602 are very short paths that communicate the first aquarium 601 and the second aquarium 602 that are adjacent in the direction of gravity. , the loss that occurs when water flows through this communication path is kept very small. Therefore, the overall loss of pumped storage power generation can be reduced.

この例では、第1水槽601と第2水槽602との間に、浮力を調整するとともに、プラットフォーム500の重心を下方へずらせる錘607が設けられている。 In this example, a weight 607 is provided between the first water tank 601 and the second water tank 602 to adjust the buoyancy and shift the center of gravity of the platform 500 downward.

インバースダム600の淡水の総質量は一定であるので、インバースダム600の浮力は一定であり、インバースダム600の喫水線は一定である。なお、図5中の機械室610は電動揚水機603及び発電機606の制御等を行う。 Since the total mass of fresh water in inverse dam 600 is constant, the buoyancy of inverse dam 600 is constant and the waterline of inverse dam 600 is constant. Note that a machine room 610 in FIG. 5 controls the electric water pump 603 and the generator 606.

図6は本実施形態の洋上エネルギー収集システムを日本の排他的経済水域(EEZ)内に設けた場合について例示する図である。この海域の風速が12m/sであれば、1km四方あたり10MWの電力を風力発電可能であるので、四方300kmで900GWの電力を発電できる。ちなみに、このようなEEZにおいては飛行する鳥が非常に少ないので、浮体式洋上風力発電装置300の風車に対するバードストライクの問題は殆ど生じない。 FIG. 6 is a diagram illustrating a case where the offshore energy collection system of this embodiment is installed within Japan's exclusive economic zone (EEZ). If the wind speed in this sea area is 12 m/s, it is possible to generate 10 MW of power per 1 km square, so 900 GW of power can be generated in a 300 km square area. Incidentally, since there are very few birds flying in such an EEZ, the problem of bird strikes against the wind turbine of the floating offshore wind power generation device 300 hardly occurs.

図7、図8は浮体式洋上風力発電装置300の構造を示す図である。この浮体式洋上風力発電装置300は、風力を受けて回転する風車301、海中で推力を発生させるスクリュー302X、302Y、複数本の鉄柱303、水槽304、錘305及び送電アンテナ311を備える。スクリュー302X,302Yは海洋での位置を所定位置に保つ推力発生装置である。 7 and 8 are diagrams showing the structure of a floating offshore wind power generation device 300. This floating offshore wind power generation device 300 includes a wind turbine 301 that rotates in response to wind power, screws 302X and 302Y that generate thrust underwater, a plurality of iron columns 303, a water tank 304, a weight 305, and a power transmission antenna 311. The screws 302X and 302Y are thrust generating devices that maintain a predetermined position in the ocean.

水槽304には淡水304Wが入れられていて、その上部は空洞304Cが形成されている。 The water tank 304 contains fresh water 304W, and a cavity 304C is formed in the upper part of the water tank 304.

風車301は例えば直径は150m、風車301の中心から海水面までは125mである。また、海水面から錘305の底面までは200mである。鉄柱303は高さ6mであり、平均海水面が鉄柱303の中央高さとなるように高さ方向のバランスが調整されている。 For example, the diameter of the wind turbine 301 is 150 m, and the distance from the center of the wind turbine 301 to the sea level is 125 m. Further, the distance from the sea level to the bottom of the weight 305 is 200 m. The steel column 303 has a height of 6 m, and the balance in the height direction is adjusted so that the average sea level is at the center height of the steel column 303.

この浮体式洋上風力発電装置300はEEZ内で黒潮経路の外側の海流の弱い大深度海域で利用することが有効である。 This floating offshore wind power generation device 300 is effective to be used in deep sea areas with weak ocean currents outside the Kuroshio Current channel within the EEZ.

発電機306は風車301の回転により発電し、電動機307Xはスクリュー302Xを回転駆動し、電動機307Yはスクリュー302Yを回転駆動する。スクリュー302X,302Yは大面積であり、これを低回転数で駆動することで風車の抗力を相殺すると共に、浮体式洋上風力発電装置300の位置を所定位置に保つ。これにより定点保持制御(DPS)が実現できる。 The generator 306 generates electricity by rotating the windmill 301, the electric motor 307X rotationally drives the screw 302X, and the electric motor 307Y rotationally drives the screw 302Y. The screws 302X and 302Y have a large area, and are driven at low rotational speeds to offset the drag of the wind turbine and to maintain the position of the floating offshore wind power generator 300 at a predetermined position. This makes it possible to implement fixed point holding control (DPS).

ここで、風車301で発電しつつ洋上に静止するために要する電力と推力の概算の一例を示す。 Here, an example of a rough estimate of the electric power and thrust required for the wind turbine 301 to generate power and remain stationary on the ocean will be shown.

Figure 0007432257000002
Figure 0007432257000002

上記式において、VAは風速、VWは水流の流速、PAは風車の発生電力、PWはスクリューに必要な電力、Nはスクリューの数である。構造パラメータを決めると風速に比例した水流をスクリューが作り出す必要がある。比例定数はスクリューに対する風車の面積比の平方根であり、スクリューの面積が大きい程、静止電力は少なくて済む。この物理的意味は、大量の水をゆっくり吐き出すことで運動量(力)を一定に保ち、速度の2乗に比例する水の運動エネルギーを小さくすることである。 In the above formula, V A is the wind speed, V W is the water flow speed, P A is the power generated by the wind turbine, P W is the power required for the screw, and N is the number of screws. Once the structural parameters are determined, the screw needs to create a water flow proportional to the wind speed. The proportionality constant is the square root of the area ratio of the wind turbine to the screw; the larger the area of the screw, the less static power is required. The physical meaning of this is that by slowly discharging a large amount of water, the momentum (force) is kept constant and the kinetic energy of the water, which is proportional to the square of the velocity, is reduced.

上記式中の定点停止電力の例では、風速VAを10m/s、風車の直径を150m、スクリューを16個、その直径を12mとしている。空気の質量密度は1.225kg/m3、水と空気の質量密度比は816、エネルギー効率Cpは0.593としている。 In the example of the fixed point stop power in the above formula, the wind speed V A is 10 m/s, the diameter of the wind turbine is 150 m, and the number of screws is 16, with a diameter of 12 m. The mass density of air is 1.225 kg/m 3 , the mass density ratio of water to air is 816, and the energy efficiency Cp is 0.593.

このようにスクリューの直径を風車の直径の約1/10以上大きくすることで定点停止電力は風車の発生する電力の1割程度に抑えることができる。 In this way, by increasing the diameter of the screw by about 1/10 or more of the diameter of the wind turbine, the fixed point stop power can be suppressed to about 10% of the power generated by the wind turbine.

図9、図10は浮体式洋上風力発電装置300のトルクバランスを示す図である。例えば風車301が受ける風圧が100トンであれば、風圧とは逆方向にスクリュー302Xを100トンで推進させる。計算例として図8、図9に示した構造を考えると、傾斜角3.41度でトルクがバランスする。 9 and 10 are diagrams showing the torque balance of the floating offshore wind power generation device 300. For example, if the wind pressure applied to the wind turbine 301 is 100 tons, the screw 302X is propelled at 100 tons in the opposite direction to the wind pressure. Considering the structures shown in FIGS. 8 and 9 as calculation examples, the torque is balanced at an inclination angle of 3.41 degrees.

《洋上マイクロ波電力伝送システム》
図11はプラットフォーム500、無給電中継所700及びマイクロ波電力の受電装置100等の関係を示す図である。
《Offshore microwave power transmission system》
FIG. 11 is a diagram showing the relationship among the platform 500, the parasitic relay station 700, the microwave power receiving device 100, and the like.

プラットフォーム500は海洋における位置を検知するGPS衛星や準天頂衛星等の測位衛星により極めて高精度な位置情報を得る位置検知装置を備える。また、プラットフォーム500は海洋での位置を所定位置に保つ推力発生装置を備える。 The platform 500 includes a position detection device that obtains extremely accurate position information using positioning satellites such as GPS satellites and quasi-zenith satellites that detect positions in the ocean. The platform 500 also includes a thrust generator that maintains a predetermined position in the ocean.

プラットフォーム500の下部には上記推力発生装置としてのスクリュー608が設けられている。スクリュー608は少なくとも経度方向と緯度方向に移動させる向きの複数のスクリューで構成されている。これによりプラットフォーム500の定点保持制御(DPS)が実現できる。 A screw 608 as the thrust generating device is provided at the bottom of the platform 500. The screw 608 is composed of a plurality of screws oriented to move at least in the longitudinal direction and the latitudinal direction. This makes it possible to implement fixed point control (DPS) of the platform 500.

陸地の沿岸に設けられている受電装置100とプラットフォーム500に設けられている送電装置200Aとの構成は同様である。送電装置200Aは無給電中継所700を向いていて、受電装置100も無給電中継所700を向いている。 The configurations of power receiving device 100 provided on the coast of land and power transmitting device 200A provided on platform 500 are similar. The power transmitting device 200A faces the parasitic relay station 700, and the power receiving device 100 also faces the parasitic relay station 700.

無給電中継所700は、マイクロ波ミラー装置701、浮体706、スクリュー702、鉄柱703及び錘705を備える。鉄柱703は浮体706から所定高さにマイクロ波ミラー装置701を支持する。錘705は、その重力と浮体706等による浮力とをバランスさせ、マイクロ波ミラー装置701の高さを一定に保つ。 The parasitic relay station 700 includes a microwave mirror device 701, a floating body 706, a screw 702, an iron pole 703, and a weight 705. The iron pillar 703 supports the microwave mirror device 701 at a predetermined height from the floating body 706. The weight 705 balances the gravity and the buoyancy of the floating body 706, etc., and keeps the height of the microwave mirror device 701 constant.

例えば、プラットフォーム500の総排水量は160万トン、無給電中継所700の総排水量は4000トンである。また、送電装置200Aから無給電中継所700までの距離は20km、受電装置100から無給電中継所700までの距離は20kmである。送電装置200Aの高さは120m、海面からマイクロ波ビームの下端までは60mであり、マイクロ波ビームの下端は接地境界層より高い。 For example, the total displacement of platform 500 is 1.6 million tons, and the total displacement of unpowered relay station 700 is 4000 tons. Further, the distance from the power transmitting device 200A to the parasitic relay station 700 is 20 km, and the distance from the power receiving device 100 to the parasitic relay station 700 is 20 km. The height of the power transmission device 200A is 120 m, the distance from the sea surface to the lower end of the microwave beam is 60 m, and the lower end of the microwave beam is higher than the ground boundary layer.

図12、図13(A)、図13(B)は、送電装置200Aから3つの受電装置100A,100B,100Cにそれぞれマイクロ波電力ビームを送電する例を示す図である。送電装置200Aは単一の受電装置へマイクロ波電力ビームを送電することに限らない。送電装置200Aは、パイロット信号の送受信に応じて、そのパイロット信号の方向へマイクロ波電力ビームを送電する。 FIG. 12, FIG. 13(A), and FIG. 13(B) are diagrams showing an example in which microwave power beams are transmitted from the power transmitting device 200A to three power receiving devices 100A, 100B, and 100C, respectively. The power transmitting device 200A is not limited to transmitting a microwave power beam to a single power receiving device. The power transmission device 200A transmits a microwave power beam in the direction of the pilot signal in response to transmission and reception of the pilot signal.

図12に示す例では、送電装置200Aは直径50mの送電アンテナを備え、送電装置200Aから受電装置100A,100B,100Cまで10km離れている。また、受電装置100Aと受電装置100Bとの間隔は70m、受電装置100Aと受電装置100Cとの間隔は90mである。送電装置200Aから受電装置100Aへ1000kWのマイクロ波電力が伝送され、送電装置200Aから受電装置100Bへ360kWのマイクロ波電力が伝送され、送電装置200Aから受電装置100Cへ90kWのマイクロ波電力が伝送される。 In the example shown in FIG. 12, the power transmitting device 200A includes a power transmitting antenna with a diameter of 50 m, and the power receiving devices 100A, 100B, and 100C are 10 km apart from the power transmitting device 200A. Further, the distance between the power receiving device 100A and the power receiving device 100B is 70 m, and the distance between the power receiving device 100A and the power receiving device 100C is 90 m. 1000 kW of microwave power is transmitted from the power transmitting device 200A to the power receiving device 100A, 360 kW of microwave power is transmitted from the power transmitting device 200A to the power receiving device 100B, and 90 kW of microwave power is transmitted from the power transmitting device 200A to the power receiving device 100C. Ru.

図12においてはエネルギー密度をdBの濃淡で表している。図13(A)は受電装置100A,100B,100Cにおけるエネルギー密度をリニアの濃淡で表していて、図13(B)は受電装置100A,100B,100Cにおけるエネルギー密度をグラフで表している。 In FIG. 12, the energy density is expressed in dB shading. FIG. 13(A) shows the energy density in the power receiving devices 100A, 100B, and 100C in linear shading, and FIG. 13(B) shows the energy density in the power receiving devices 100A, 100B, and 100C in a graph.

図14はプラットフォーム500に設けられている送電装置200Bから船舶800へマイクロ波ビームで電力を送電している様子を示す図である。送電装置200Bは送電側アレーアンテナ221Bとマイクロ波ミラー210Bとを備える。送電装置200Bと送電装置200Aとの構成は同様である。この例では送電側アレーアンテナ221Bの直径は50mであり、船舶800の受電アンテナ810は一辺15mのアレーアンテナで構成されている。送電装置200Bから船舶800までの距離は30m~100mであり、100~300MWのマイクロ波を送電する。 FIG. 14 is a diagram showing how power is transmitted from the power transmission device 200B provided on the platform 500 to the ship 800 using a microwave beam. Power transmission device 200B includes a power transmission side array antenna 221B and a microwave mirror 210B. The configurations of power transmission device 200B and power transmission device 200A are similar. In this example, the power transmission side array antenna 221B has a diameter of 50 m, and the power receiving antenna 810 of the ship 800 is configured with an array antenna with a side of 15 m. The distance from the power transmission device 200B to the ship 800 is 30 m to 100 m, and microwaves of 100 to 300 MW are transmitted.

《洋上エネルギー貯留装置》
図15は一つのインバースダム600の構造を示す図である。図5に表れていたインバースダム600とは構造が異なる。図15に示すインバースダム600は、海中に設置され、淡水を貯留する所定容積の第1水槽601と、海中に設置され、第1水槽601より下部に配置され、淡水を貯留する所定容積の第2水槽602と、第1水槽601と第2水槽602とを連通する連通路604,605と、第2水槽602から第1水槽601へ連通路604を通って揚水する電動揚水機603と、第1水槽601から第2水槽602へ連通路605を通って流れる落水によって発電する発電機606と、を有する。第2水槽602の下部には、浮力を調整するとともに、プラットフォーム500の重心を下方へずらせる錘607が設けられている。
《Offshore energy storage device》
FIG. 15 is a diagram showing the structure of one inverse dam 600. The structure is different from the inverse dam 600 shown in FIG. The inverse dam 600 shown in FIG. 15 includes a first water tank 601 installed in the sea and having a predetermined volume for storing fresh water, and a second water tank 601 installed in the sea and having a predetermined volume for storing fresh water and located below the first water tank 601. 2 aquarium 602, communication passages 604, 605 that communicate the first aquarium 601 and the second aquarium 602, an electric water pump 603 that pumps water from the second aquarium 602 to the first aquarium 601 through the communication passage 604, It has a generator 606 that generates electricity by using falling water flowing from the first water tank 601 to the second water tank 602 through the communication path 605. A weight 607 is provided at the bottom of the second water tank 602 to adjust the buoyancy and shift the center of gravity of the platform 500 downward.

この例では、第1水槽601及び第2水槽602の内径は100m、第1水槽601と第2水槽602とを併せた全体の高さは200mである。淡水の重量とインバースダム600本体の重量と発電機606及び電動揚水機603の重量は82.8万トンであり、浮力(インバースダム本体の外容積とほぼ同じ水の排水量)は157万トンである。錘607の重量は上記157万トンと82.8万トンとの差に等しい74.2万トンである。 In this example, the inner diameter of the first water tank 601 and the second water tank 602 is 100 m, and the total height of the first water tank 601 and the second water tank 602 is 200 m. The weight of fresh water, the weight of the inverse dam 600 body, the generator 606, and the electric water pump 603 are 828,000 tons, and the buoyancy (displacement amount of water approximately equal to the external volume of the inverse dam body) is 1.57 million tons. be. The weight of the weight 607 is 742,000 tons, which is equal to the difference between the above 1,570,000 tons and 828,000 tons.

なお、図15に示した例では、第1水槽601と第2水槽602とを連通する複数の連通路604,605と、第2水槽602から第1水槽601へ連通路を通って揚水する電動揚水機603と、第1水槽601から第2水槽602へ連通路を通って流れる落水によって発電する発電機606を備える例を示したが、第2水槽602から第1水槽601へ連通路を通って揚水する電動揚水機と、第1水槽601から第2水槽602へ連通路を通って流れる落水によって発電する発電機とは兼用させてもよい。また、第1水槽601と第2水槽602とを連通する連通路は単一であってもよい。 In the example shown in FIG. 15, there are a plurality of communication paths 604 and 605 that communicate the first water tank 601 and the second water tank 602, and an electric motor that pumps water from the second water tank 602 to the first water tank 601 through the communication path. An example has been shown in which a water pump 603 and a generator 606 that generates electricity from falling water flowing from the first water tank 601 to the second water tank 602 through the communication path are provided. An electric water pump that pumps up water and a generator that generates electricity using falling water flowing from the first water tank 601 to the second water tank 602 through the communication path may also be used. Further, the first water tank 601 and the second water tank 602 may have a single communication path.

図16はプラットフォーム500の上部に設けられた各種タンクの配置構造の一例である。このプラットフォーム500は港湾設備を備え、物流、水、燃料(電気・水素・LNG・バイオディーゼル燃料(BDF(登録商標))・アンモニア(NH3))、食料等を提供できる「海の駅」的性格を有する。 FIG. 16 is an example of an arrangement structure of various tanks provided on the upper part of the platform 500. This platform 500 is equipped with port facilities and has the characteristics of a "sea station" that can provide logistics, water, fuel (electricity, hydrogen, LNG, biodiesel fuel (BDF (registered trademark)), ammonia (NH3)), food, etc. has.

プラットフォーム500のエネルギー貯蔵量は200MWh×4=80万kWh、発電能力は定格200MW(20万kW)、最大400MWである。一次エネルギーは浮体式洋上風力発電装置及び洋上太陽光発電であり、水素の製造・貯蔵能力及び淡水の製造・貯蔵能力を有する。タンク501には水素、淡水、LNG、バイオガス等が貯蔵される。これらタンク501はインバースダム600の上方に配置されている。そのことにより、インバースダム600の浮力が作用点とタンク501の重心とが鉛直線上で一致することとなり、プラットフォーム500およびタンク501に掛かる応力を低減できる。 The energy storage capacity of Platform 500 is 200 MWh x 4 = 800,000 kWh, and the power generation capacity is rated at 200 MW (200,000 kW) and maximum at 400 MW. The primary energy sources are floating offshore wind power generation equipment and offshore solar power generation, and it has hydrogen production and storage capacity and freshwater production and storage capacity. The tank 501 stores hydrogen, fresh water, LNG, biogas, etc. These tanks 501 are arranged above the inverse dam 600. As a result, the point of action of the buoyant force of the inverse dam 600 and the center of gravity of the tank 501 coincide on the vertical line, and the stress applied to the platform 500 and the tank 501 can be reduced.

《洋上マイクロ波電力伝送システム》
図1に示した送電装置200A,200Bは同様の構成である。図17は送電装置200A,200Bの共通構成を示すための送電装置200の構成図である。送電装置200は複数の素子アンテナが配列された送電側アレーアンテナ221とマイクロ波ミラー210とを備える。送電側アレーアンテナ221は鉛直方向に電力波を送出し、マイクロ波ミラー210はその電力波を90°反射して水平方向(海面に平行な方向)に導く。
《Offshore microwave power transmission system》
Power transmission devices 200A and 200B shown in FIG. 1 have similar configurations. FIG. 17 is a configuration diagram of power transmission device 200 to show a common configuration of power transmission devices 200A and 200B. The power transmission device 200 includes a power transmission side array antenna 221 in which a plurality of element antennas are arranged, and a microwave mirror 210. The power transmission side array antenna 221 sends out power waves in the vertical direction, and the microwave mirror 210 reflects the power waves at 90 degrees and guides them in the horizontal direction (direction parallel to the sea surface).

図17に表れているように、送電側アレーアンテナ221は配列された複数の素子アンテナ21を備えている。 As shown in FIG. 17, the power transmission side array antenna 221 includes a plurality of arrayed element antennas 21.

後に詳述するように、受電装置は、受電側アレーアンテナの複数の素子アンテナの受信信号の振幅および位相を制御することでビーム形成されたパイロット信号(ビームパイロット信号)を受電側アレーアンテナから送信する手段と、送電側アレーアンテナ221から送電された電力波を受電する回路と、を備える。また、送電装置200は、送電側アレーアンテナ221の複数の素子アンテナが上記ビームパイロット信号を受信することによる受信信号から、その位相共役関係にある位相共役信号を生成し、この位相共役信号を増幅し、素子アンテナを駆動することで、電力波を送電する送電側素子アンテナ回路を備える。 As will be detailed later, the power receiving device transmits a beam-formed pilot signal (beam pilot signal) from the power receiving array antenna by controlling the amplitude and phase of the received signal of the multiple element antennas of the power receiving array antenna. and a circuit for receiving power waves transmitted from the power transmitting array antenna 221. Further, the power transmission device 200 generates a phase conjugate signal having a phase conjugate relationship from the received signal caused by the plurality of element antennas of the power transmission side array antenna 221 receiving the beam pilot signal, and amplifies this phase conjugate signal. The power transmission side element antenna circuit transmits power waves by driving the element antenna.

なお、後述するように、定常状態ではビームパイロット信号は専用の信号ではなく、受電装置側アレーアンテナから送信された信号である。順次説明する都合上、先ずは、受電装置側アレーアンテナからビームパイロット信号が送信され、このビームパイロット信号を基にして、送電側アレーアンテナ221から電力波が送電されるものとする。 Note that, as described later, in a steady state, the beam pilot signal is not a dedicated signal but a signal transmitted from the array antenna on the power receiving device side. For convenience of sequential explanation, it is assumed that a beam pilot signal is first transmitted from the array antenna on the power receiving device side, and a power wave is transmitted from the power transmitting side array antenna 221 based on this beam pilot signal.

図18(A)は本実施形態における電力伝送システムのビームパイロット信号と電力波との関係を示す図であり、図18(B)は比較例の電力伝送システムにおけるパイロット信号と電力波との関係を示す図である。 FIG. 18(A) is a diagram showing the relationship between the beam pilot signal and power waves of the power transmission system in this embodiment, and FIG. 18(B) is a diagram showing the relationship between the pilot signal and power waves in the power transmission system of the comparative example. FIG.

図18(B)に示す比較例の電力伝送システムでは、受電アンテナの中央部の極一部にパイロット信号送信用のアレーアンテナ111Cが設けられ、その周囲の大部分に電力波受電用のアレーアンテナ111Pが設けられている。また、送電アンテナの中央部の極一部にパイロット信号受信用アレーアンテナ221Cが設けられ、その周囲の大部分に電力波送電用のアレーアンテナ221Pが設けられている。受電局は受電アンテナのパイロット信号送信用のアレーアンテナ111Cを用いてパイロット信号を送信し、送電局では、送電アンテナのパイロット信号受信用のアレーアンテナ221Cを用いてパイロット信号を受信することで、そのパイロット信号の到来方向を検知し、その方向に、電力波送電用のアレーアンテナ221Pを用いてビーム形成された電力波を送電する。 In the power transmission system of the comparative example shown in FIG. 18(B), an array antenna 111C for pilot signal transmission is provided in a very small part of the center of the power receiving antenna, and an array antenna 111C for receiving power waves is provided in most of the surrounding area. 111P is provided. Further, a pilot signal receiving array antenna 221C is provided in a very small part of the center of the power transmission antenna, and an array antenna 221P for power wave transmission is provided in most of the surrounding area. The power receiving station transmits a pilot signal using the array antenna 111C for pilot signal transmission of the power receiving antenna, and the power transmitting station receives the pilot signal using the array antenna 221C for pilot signal reception of the power transmitting antenna. The arrival direction of the pilot signal is detected, and a beam-formed power wave is transmitted in that direction using the array antenna 221P for power wave transmission.

このように、比較例の受電アンテナは、アレーアンテナの大部分(大面積)を電力伝送に利用するために、アレーアンテナの残りの一部の領域をパイロット信号の送受用に用いるので、受電局は言わば拡散パイロット信号を送信することになる。そのため、この比較例の電力伝送システムでは、海面や散乱体でパイロット信号が反射して、送電局のパイロット信号受信用アレーアンテナ221Cに対するマルチパスが生じる。その結果、レトロディレクティブが不正確となって、電力伝送効率は大きく低下する。 In this way, in the power receiving antenna of the comparative example, in order to use most of the array antenna (large area) for power transmission, the remaining part of the array antenna is used for sending and receiving pilot signals, so the power receiving antenna In other words, it transmits a spread pilot signal. Therefore, in the power transmission system of this comparative example, the pilot signal is reflected by the sea surface or scatterers, resulting in multipaths to the pilot signal receiving array antenna 221C of the power transmission station. As a result, retrodirectives become inaccurate and power transfer efficiency is significantly reduced.

これに対し、図18(A)に示す、本実施形態の電力伝送システムでは、先ず、受電側アレーアンテナ111の全面の素子アンテナを用いて、ビームパイロット信号を受電側アレーアンテナ111から送電側アレーアンテナ221へ送信する。送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナは上記ビームパイロット信号の受信による受信信号から、この受信信号の位相共役の関係にある位相共役信号を生成し、この位相共役信号で素子アンテナを駆動することで、結果的にビーム形成された電力波を送電する。すなわち、受電側アレーアンテナの全部または大部分の素子アンテナを用いてビームパイロット信号が送信され、送電側アレーアンテナの全部または大部分の素子アンテナを用いてビームパイロット信号の受信および電力波の送電が行われる。上記「大部分」とは、必ずしも全部の素子アンテナを用いてビームパイロット信号を生成することに限らないことを表すものであり、例えば90%以上の素子アンテナを用いてビームパイロット信号を生成してもよい。 On the other hand, in the power transmission system of this embodiment shown in FIG. It is transmitted to the antenna 221. Each element antenna of the power transmission side array antenna 221 generates a phase conjugate signal having a phase conjugate relationship of the received signal from the received signal by receiving the beam pilot signal, and drives the element antenna with this phase conjugate signal. , transmitting the resulting beamformed power waves. That is, the beam pilot signal is transmitted using all or most of the element antennas of the power receiving array antenna, and the beam pilot signal is received and the power wave is transmitted using all or most of the element antennas of the power transmitting array antenna. It will be done. The above-mentioned "mostly" means that the beam pilot signal is not necessarily generated using all the element antennas; for example, the beam pilot signal is generated using 90% or more of the element antennas. Good too.

本実施形態によれば、パイロット信号を、送電側アレーアンテナ221に鋭く指向するビーム(後述の自己収束ビーム)で送信するので、海面などでの反射が少なく、マルチパスの殆ど無い状態でビームパイロット信号が送電側アレーアンテナ221へ送信される。そのため、パイロット信号のマルチパスによる問題が解消される。 According to this embodiment, the pilot signal is transmitted as a beam (self-convergent beam to be described later) that is sharply directed toward the power transmitting array antenna 221, so there is little reflection on the sea surface, etc., and the beam pilot signal is transmitted in a state where there is almost no multipath. The signal is transmitted to the power transmitting array antenna 221. Therefore, the problem caused by multipath of the pilot signal is solved.

図19は上記ビームパイロット信号と電力波との偏波の関係について示す図である。受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナは水平偏波用の素子と、垂直偏波用の素子とを備え、同様に、送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナも水平偏波用の素子と、垂直偏波用の素子とを備える。この例では、受電側アレーアンテナ111は、ビームパイロット信号を垂直偏波で送信し、送電側アレーアンテナ221は電力波を水平偏波で送電する。 FIG. 19 is a diagram showing the polarization relationship between the beam pilot signal and the power wave. Each element antenna of the power receiving array antenna 111 includes an element for horizontal polarization and an element for vertical polarization, and similarly, each element antenna of the power transmitting array antenna 221 includes an element for horizontal polarization and an element for vertical polarization. and a polarization element. In this example, the power receiving array antenna 111 transmits a beam pilot signal with vertical polarization, and the power transmitting array antenna 221 transmits a power wave with horizontal polarization.

このようにビームパイロット信号と電力波とは偏波面が直交していて互いに独立しているので、受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナに接続されているパイロット信号給電用の回路が電力波に影響を受けることはない。また、送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナに接続されるパイロット信号受信用の回路が、自身の素子アンテナが送電する電力波の影響を受けることもない。 In this way, the beam pilot signal and the power wave have orthogonal polarization planes and are independent from each other, so the pilot signal feeding circuit connected to each element antenna of the receiving array antenna 111 affects the power wave. You will not receive any. Furthermore, the pilot signal receiving circuit connected to each element antenna of the power transmission side array antenna 221 is not affected by the power waves transmitted by its own element antenna.

図20(A)は、一つの素子アンテナの斜視図であり、図20(B)はその内部を透視した斜視図である。素子アンテナ11,21は、導体平面GPから突出する誘電体DHと、この誘電体DH内に設けられた2対の磁気結合プローブ(Px1,Px2)(Py1,Py2)とを備える。 FIG. 20(A) is a perspective view of one element antenna, and FIG. 20(B) is a perspective view of the inside thereof. The element antennas 11 and 21 include a dielectric DH protruding from the conductor plane GP, and two pairs of magnetic coupling probes (Px1, Px2) (Py1, Py2) provided within the dielectric DH.

誘電体DHは、全体の概形は半球状であり、導体平面GPの平面視では十字型である。つまり、図20(A)に表れているように、半球状の誘電体の4箇所に切り欠きCOが形成されたような形状、または半月切り形状の2つの誘電体片が十字型に組み合わされたような形状である。図20(B)に示すように、誘電体DHの中心(導体平面GPに接する誘電体DHの面の中心)を直交x,y,z座標の原点とすると、上記2つの誘電体片の一方はx-z面に拡がり、他方はy-z面に拡がる。 The dielectric DH has a hemispherical overall shape, and is cross-shaped when viewed in plan from the conductor plane GP. In other words, as shown in FIG. 20(A), a hemispherical dielectric has a shape in which cutouts CO are formed at four locations, or two half-moon-shaped dielectric pieces are combined in a cross shape. It is shaped like a. As shown in FIG. 20(B), if the center of the dielectric DH (the center of the surface of the dielectric DH that is in contact with the conductor plane GP) is the origin of the orthogonal x, y, z coordinates, one of the two dielectric pieces extends in the xz plane, and the other in the yz plane.

第1対の磁気結合プローブ(Px1,Px2)は、それらのループ面がx-z面内にあり、第2対の磁気結合プローブ(Py1,Py2)は、それらのループ面がy-z面内にある。 The first pair of magnetic coupling probes (Px1, Px2) have their loop planes in the xz plane, and the second pair of magnetic coupling probes (Py1, Py2) have their loop planes in the yz plane. It's within.

図21は上記素子アンテナの各部の寸法を示す図である。この例では、誘電体DHの比誘電率εrは12.6であり、誘電体DHの直径dは16mm、磁気結合プローブPx1,Px2の半径rは1.75mm、磁気結合プローブPx1,Px2の半円状ループの中心高さhは1.35mm、中心から磁気結合プローブの給電点までのピッチPは6mmである。磁界結合プローブの高さhを調整することにより、入出力ポートとアンテナとの整合を調整することができる。磁気結合プローブPy1,Py2についても、各部の寸法は磁気結合プローブPx1,Px2と同様である。なお、素子アンテナ毎の導体平面GPは直径30mmの金属円板であり、例えば直径50mの金属板に所定間隔で二次元上に配列される。 FIG. 21 is a diagram showing the dimensions of each part of the element antenna. In this example, the dielectric constant εr of the dielectric DH is 12.6, the diameter d of the dielectric DH is 16 mm, the radius r of the magnetic coupling probes Px1, Px2 is 1.75 mm, and the semicircle of the magnetic coupling probes Px1, Px2 The center height h of the shaped loop is 1.35 mm, and the pitch P from the center to the feeding point of the magnetic coupling probe is 6 mm. By adjusting the height h of the magnetic field coupling probe, the matching between the input/output port and the antenna can be adjusted. The dimensions of each part of the magnetic coupling probes Py1 and Py2 are also the same as those of the magnetic coupling probes Px1 and Px2. Note that the conductor plane GP for each element antenna is a metal disk having a diameter of 30 mm, and is arranged two-dimensionally at predetermined intervals on a metal plate having a diameter of 50 m, for example.

図22(A)は第1対の磁気結合プローブ(Px1,Px2)に接続される給電部の構成を示す図であり、図22(B)は第2対の磁気結合プローブ(Py1,Py2)に接続される給電部の構成を示す図である。第1対の磁気結合プローブ(Px1,Px2)にはそれぞれ中心に近い端部が導体平面(グランド)に接続され、中心から離れた端部から給電される。磁気結合プローブPx1,Px2には、180°ハイブリッド回路から位相が180°異なる信号が給電されることにより、磁気結合プローブPx1,Px2は差動給電(平衡給電)され、矢印方向の電流が流れる。このことは第2対の磁気結合プローブ(Py1,Py2)についても同様である。 FIG. 22(A) is a diagram showing the configuration of the power feeding section connected to the first pair of magnetic coupling probes (Px1, Px2), and FIG. 22(B) is a diagram showing the configuration of the power feeding section connected to the first pair of magnetic coupling probes (Py1, Py2). FIG. The ends of the first pair of magnetic coupling probes (Px1, Px2) near the center are connected to a conductive plane (ground), and the ends far from the center are supplied with power. The magnetic coupling probes Px1 and Px2 are supplied with signals having a phase difference of 180° from the 180° hybrid circuit, so that the magnetic coupling probes Px1 and Px2 are differentially supplied with power (balanced power supply), and a current flows in the direction of the arrow. This also applies to the second pair of magnetic coupling probes (Py1, Py2).

図23(A)は図22(A)に示した電流が流れるときに生じる磁束を示す図である。また、図23(B)は図22(A)に示した電流が流れるときに生じる磁界強度の分布を示す図である。このように、磁気結合プローブPx1,Px2を差動給電することによって、誘電体DHが磁気結合プローブPx1,Px2で励振されて、誘電体DHは(磁気ダイポールと等価な放射電磁界を持つ)TE11 Xモードの誘電体共振器として作用する。このTE11 Xモードの誘電体共振器がX偏波用の素子アンテナである。同様に、磁気結合プローブPy1,Py2を差動給電することによって、誘電体DHが磁気結合プローブ(Py1,Py2)で励振されて、誘電体DHは(磁気ダイポールと等価な放射電磁界を持つ)TE11 Yモードの誘電体共振器として作用する。このTE11 Yモードの誘電体共振器がY偏波用の素子アンテナである。TE11 XモードとTE11 Yモードとは互いに独立しているので、各素子アンテナはTE11 二重モード誘電体共振器として作用する。この例では、共振器の放射Q係数(Qrad)は約20である。このTE11 二重モード誘電体共振器は、直交二重モード誘電体共振器アンテナの一例である。 FIG. 23(A) is a diagram showing magnetic flux generated when the current shown in FIG. 22(A) flows. Moreover, FIG. 23(B) is a diagram showing the distribution of magnetic field strength generated when the current shown in FIG. 22(A) flows. In this way, by differentially feeding the magnetic coupling probes Px1 and Px2, the dielectric body DH is excited by the magnetic coupling probes Px1 and Px2, and the dielectric body DH (having a radiation electromagnetic field equivalent to a magnetic dipole) 11 Acts as an X- mode dielectric resonator. This TE 11 X mode dielectric resonator is an element antenna for X polarization. Similarly, by differentially feeding the magnetic coupling probes Py1 and Py2, the dielectric DH is excited by the magnetic coupling probes (Py1, Py2), and the dielectric DH (has a radiated electromagnetic field equivalent to a magnetic dipole) TE 11 Acts as a Y- mode dielectric resonator. This TE 11 Y mode dielectric resonator is an element antenna for Y polarization. Since the TE 11 X mode and TE 11 Y mode are independent of each other, each element antenna acts as a TE 11 dual mode dielectric resonator. In this example, the radiation quality factor (Qrad) of the resonator is approximately 20. This TE11 dual mode dielectric resonator is an example of an orthogonal dual mode dielectric resonator antenna.

次に、素子アンテナの別の構成について示す。図24(A)は、一つの素子アンテナの誘電体内に設けられる磁気プローブの斜視図であり、図24(B)は一つの素子アンテナの平面図である。この素子アンテナは、導体平面GPから突出する誘電体DHと、この誘電体DH内に設けられた2つの磁気結合プローブPx,Pyとを備える。 Next, another configuration of the element antenna will be described. FIG. 24(A) is a perspective view of a magnetic probe provided in the dielectric body of one element antenna, and FIG. 24(B) is a plan view of one element antenna. This element antenna includes a dielectric DH protruding from the conductor plane GP, and two magnetic coupling probes Px and Py provided within the dielectric DH.

誘電体DHの形状は図20(A)、図20(B)に示したものと同じである。磁気結合プローブPxは、そのループ面がx-z面内にあり、磁気結合プローブPyは、そのループ面がy-z面内にある。 The shape of the dielectric DH is the same as that shown in FIGS. 20(A) and 20(B). The magnetic coupling probe Px has its loop plane in the xz plane, and the magnetic coupling probe Py has its loop plane in the yz plane.

磁気結合プローブPx,Pyそれぞれの中点は導体平面(グランド導体)GPに接続されている。磁気結合プローブPx、Pyそれぞれは両端から差動給電(平衡給電)される。 The midpoints of each of the magnetic coupling probes Px and Py are connected to a conductor plane (ground conductor) GP. Each of the magnetic coupling probes Px and Py is differentially powered (balanced powered) from both ends.

このようにクロスループ構造であっても、図23(A)、図23(B)に示したと同様の磁束が生じ、磁気結合プローブPxはY軸に磁気ダイポールモーメントを持つTE11 X モードに結合し、磁気結合プローブPyはX軸に磁気ダイポールモーメントを持つTE11 Yモードに結合する。 Even with this cross-loop structure, magnetic flux similar to that shown in FIGS. 23(A) and 23(B) is generated, and the magnetic coupling probe Px is coupled to the TE 11 X mode that has a magnetic dipole moment on the Y axis. However, the magnetic coupling probe Py couples to the TE 11 Y mode having a magnetic dipole moment on the X axis.

以上に示した、直交二重モード誘電体共振器アンテナを用いることにより、パイロット信号と電力波とは充分に高い偏波アイソレーションが得られ、同一周波数を用いながらも、パイロット信号と電力波との干渉の無いシステムが構成できる。 By using the orthogonal dual mode dielectric resonator antenna shown above, sufficiently high polarization isolation can be obtained between the pilot signal and the power wave, and even though the same frequency is used, the pilot signal and the power wave can be separated. A system without interference can be constructed.

次に、各素子アンテナが円偏波でパイロット信号の送受信および電力波の送受電を行う例を示す。 Next, an example will be shown in which each element antenna transmits and receives pilot signals and power waves using circularly polarized waves.

図25は、図22(A)、図22(B)に示した2つの180°ハイブリッド回路のX偏波ポートとY偏波ポートに接続される回路を示す図である。図25に示す90°ハイブリッド回路のInput-portは右旋円偏波の入出力ポートであり、90°ハイブリッド回路のIsolated-portは左旋円偏波の入出力ポートである。90°ハイブリッド回路の0°-portと90°-portとの位相差は90°であるので、図22(A)、図22(B)に示した2対の磁気結合プローブには90°位相差で給電される。この構成により、右旋円偏波でパイロット信号の送信または電力波の送電がなされ、左旋円偏波のパイロット信号の受信または電力波の受電がなされる。 FIG. 25 is a diagram showing a circuit connected to the X polarization port and the Y polarization port of the two 180° hybrid circuits shown in FIGS. 22(A) and 22(B). The Input-port of the 90° hybrid circuit shown in FIG. 25 is an input/output port for right-handed circularly polarized waves, and the Isolated-port of the 90° hybrid circuit is an input/output port for left-handed circularly polarized waves. Since the phase difference between the 0°-port and the 90°-port of the 90° hybrid circuit is 90°, the two pairs of magnetic coupling probes shown in FIGS. 22(A) and 22(B) Powered by phase difference. With this configuration, pilot signals or power waves are transmitted with right-handed circularly polarized waves, and pilot signals or power waves with left-handed circularly polarized waves are received.

このようにして、パイロット信号と電力波とで旋回方向を異ならせることによっても、受信信号と送信信号とは偏波が直交関係にあるので、同一周波数を用いながらも、パイロット信号と電力波とが干渉しない電力伝送システムが構成できる。 In this way, even if the pilot signal and the power wave have different turning directions, the polarization of the received signal and the transmitted signal are orthogonal, so even though the same frequency is used, the pilot signal and the power wave can be It is possible to construct a power transmission system that does not interfere with

図26(A)、図26(B)、図26(C)は小規模のモデルとしてのアレーアンテナの構造を示す図である。図26(A)はアレーアンテナの平面図、図26(B)はアレーアンテナの正面図、図26(C)はアレーアンテナの下面図である。このアレーアンテナは送電側アレーアンテナまたは受電側アレーアンテナとして用いられる。 26(A), FIG. 26(B), and FIG. 26(C) are diagrams showing the structure of an array antenna as a small-scale model. 26(A) is a plan view of the array antenna, FIG. 26(B) is a front view of the array antenna, and FIG. 26(C) is a bottom view of the array antenna. This array antenna is used as a power transmitting side array antenna or a power receiving side array antenna.

複数の素子アンテナ11(21)は導体平面GPに配列されている。この例では、合計177個の素子アンテナが0.7λ(36mm)ピッチで縦横に配列されている。 The plurality of element antennas 11 (21) are arranged on the conductor plane GP. In this example, a total of 177 element antennas are arranged vertically and horizontally at a pitch of 0.7λ (36 mm).

図26(B)に表れているように、基準信号グリッド基板GBと導体平面GPとの間に多数のRFユニットRFUが配置されている。これらRFユニットRFUは素子アンテナ11(21)毎に設けられている。基準信号グリッド基板GBには配線パターンLPが形成されていて、この配線パターンLPを介して各RFユニットRFUに等振幅等位相の基準信号を供給する。 As shown in FIG. 26(B), a large number of RF units RFU are arranged between the reference signal grid board GB and the conductor plane GP. These RF units RFU are provided for each element antenna 11 (21). A wiring pattern LP is formed on the reference signal grid board GB, and a reference signal of equal amplitude and equal phase is supplied to each RF unit RFU via this wiring pattern LP.

図27は従来のフェーズドアレイアンテナ方式と最小ビーム導波路方式との比較例を示す図である。従来のフェーズドアレイアンテナ方式では各アンテナ素子の電界強度がフラットに分布するので、電波の伝搬に伴いガウス基本モードが近軸に選択される。これに対して、最小ビーム導波路方式では中央ほど電界強度の強い分布で伝搬する。 FIG. 27 is a diagram showing a comparison example between the conventional phased array antenna method and the minimum beam waveguide method. In the conventional phased array antenna system, the electric field strength of each antenna element is distributed flatly, so the Gaussian fundamental mode is selected paraxially as the radio wave propagates. On the other hand, in the minimum beam waveguide method, the electric field propagates with a distribution where the electric field strength is stronger toward the center.

アレイアンテナの直径が50m、伝搬距離が10kmで、5.8GHzのマイクロ波を用いたとき、フェーズドアレイアンテナ方式では伝搬効率(補足率)が91.25%であるのに対し、最小ビーム導波路方式では伝搬効率(補足率)が99.996%である。 When the diameter of the array antenna is 50 m, the propagation distance is 10 km, and 5.8 GHz microwave is used, the propagation efficiency (completion rate) is 91.25% in the phased array antenna method, whereas the minimum beam waveguide In this method, the propagation efficiency (completion rate) is 99.996%.

図28は、受電側アレーアンテナ111に接続される回路と、送電側アレーアンテナ221に接続される回路の構成について示す図である。受電側アレーアンテナ111は複数の素子アンテナ11を備え、送電側アレーアンテナ221は複数の素子アンテナ21を備える。各素子アンテナ11は垂直偏波用素子11Vと水平偏波用素子11Hとで構成され、各素子アンテナ21は垂直偏波用素子21Vと水平偏波用素子21Hとで構成される。 FIG. 28 is a diagram showing the configuration of a circuit connected to the power receiving array antenna 111 and a circuit connected to the power transmitting array antenna 221. The power receiving array antenna 111 includes a plurality of element antennas 11 , and the power transmitting array antenna 221 includes a plurality of element antennas 21 . Each element antenna 11 is composed of a vertical polarization element 11V and a horizontal polarization element 11H, and each element antenna 21 is composed of a vertical polarization element 21V and a horizontal polarization element 21H.

受電側アレーアンテナの素子アンテナ11には受電側素子アンテナ回路10が接続されている。定常状態において、受電局の位相共役回路14から出力される信号は電力増幅器17で増幅され、垂直偏波用の素子11Vへ供給される。 A power receiving side element antenna circuit 10 is connected to the element antenna 11 of the power receiving side array antenna. In a steady state, a signal output from the phase conjugate circuit 14 of the power receiving station is amplified by the power amplifier 17 and supplied to the vertical polarization element 11V.

各素子アンテナ11の垂直偏波用素子11Vに対して、このように信号が供給されることによって、受電側アレーアンテナ111からビームパイロット信号が送信される。ビームパイロット信号の送信電力は例えば1kWである。 By supplying the signal to the vertically polarized wave element 11V of each element antenna 11 in this manner, a beam pilot signal is transmitted from the power receiving side array antenna 111. The transmission power of the beam pilot signal is, for example, 1 kW.

送電側アレーアンテナ221の素子アンテナ21には送電側素子アンテナ回路20が接続されている。素子アンテナ21のうち垂直偏波用素子21Vは上記パイロット信号を受信することで受信パイロット信号を出力する。位相共役回路24は受信パイロット信号に対して位相共役関係の信号を出力する。そのため、電力波の周波数はパイロット信号の周波数と同一周波数である。 The power transmitting element antenna circuit 20 is connected to the element antenna 21 of the power transmitting array antenna 221 . The vertically polarized wave element 21V of the element antenna 21 receives the pilot signal and outputs a received pilot signal. The phase conjugate circuit 24 outputs a signal having a phase conjugate relationship with respect to the received pilot signal. Therefore, the frequency of the power wave is the same as the frequency of the pilot signal.

なお、位相共役回路14、位相共役回路24は、基本波発生回路及び二倍波発生回路を備えるが、この基本波発生回路及び二倍波発生回路の源振は共通のGPS衛星等の測位衛星からの電波を基に生成することが有効である。これにより、各送信回路と受信回路において実質的に同一周波数及び位相相関の揃った信号で相関をもった位相共役をとることができる。また、そのことで、マイクロ波受電装置は多数のマイクロ波送電装置からコヒーレントなマイクロ波電力を受電できる。 Note that the phase conjugate circuit 14 and the phase conjugate circuit 24 include a fundamental wave generation circuit and a double wave generation circuit, but the source oscillation of the fundamental wave generation circuit and the double wave generation circuit is a common positioning satellite such as a GPS satellite. It is effective to generate radio waves based on radio waves from As a result, it is possible to perform correlated phase conjugation with signals having substantially the same frequency and phase correlation in each transmitting circuit and receiving circuit. Furthermore, this allows the microwave power receiving device to receive coherent microwave power from a large number of microwave power transmitting devices.

なお、本実施形態において、「同一周波数」とは周波数が完全に同一であることを意味するのではなく、実質的に同一周波数であればよい。つまり、マイクロ波が非常に長い距離を伝搬してもコヒーレント性を失わない波で安定した発振状態が生じる周波数であればよい。 Note that in this embodiment, "the same frequency" does not mean that the frequencies are completely the same, but may be substantially the same frequency. In other words, any frequency can be used as long as the microwave does not lose its coherency even if it propagates over a very long distance, and a stable oscillation state can be achieved.

上記位相共役回路24の出力信号は電力増幅器27で増幅され、水平偏波用素子21Hへ供給される。 The output signal of the phase conjugate circuit 24 is amplified by a power amplifier 27 and supplied to the horizontal polarization element 21H.

送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナ21が上記動作を行うことにより、ビーム形成された電力波が送電側アレーアンテナ221から送電される。この電力波の送電電力は例えば1MWである。 When each element antenna 21 of the power transmission side array antenna 221 performs the above operation, a beam-formed power wave is transmitted from the power transmission side array antenna 221. The transmitted power of this power wave is, for example, 1 MW.

素子アンテナ11のうち素子11Hは送電側アレーアンテナ221から送信された信号を受信する。この信号は分配器12で分配され、大部分の電力は整流器13で整流されて電力として取り出される。分配された残りの信号は位相共役回路14へ与えられる。位相共役回路14は送電側アレーアンテナ221から受けた信号に対して位相共役関係の信号を出力する。 The element 11H of the element antenna 11 receives a signal transmitted from the power transmission side array antenna 221. This signal is divided by a distributor 12, and most of the power is rectified by a rectifier 13 and taken out as power. The remaining distributed signals are applied to the phase conjugate circuit 14. The phase conjugate circuit 14 outputs a signal having a phase conjugate relationship with respect to the signal received from the power transmission side array antenna 221.

ここで、ビームパイロット信号のアンプ増幅率を30dBとし、ノイズレベルとして30dBのマージンを仮定すれば、アイソレーションレベルとして-60dB以下を達成することが重要である。したがって、送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナ21の垂直偏波用素子21Vと水平偏波用素子21Hとの入出力間は-60dB以下のアイソレーションを確保する。受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナ11の垂直偏波用素子11Vと水平偏波用素子11Hとの入出力間についても同様に、-60dB以下のアイソレーションを確保する。 Here, assuming that the amplifier amplification factor of the beam pilot signal is 30 dB and a noise level margin of 30 dB, it is important to achieve an isolation level of -60 dB or less. Therefore, isolation of -60 dB or less is ensured between the input and output of the vertical polarization element 21V and the horizontal polarization element 21H of each element antenna 21 of the power transmission side array antenna 221. Similarly, isolation of -60 dB or less is ensured between the input and output of the vertical polarization element 11V and the horizontal polarization element 11H of each element antenna 11 of the power receiving side array antenna 111.

以上に示したように、受電側アレーアンテナ111から送電側アレーアンテナ221へ送信された信号は送電装置200に対するビームパイロット信号として用いられ、送電側アレーアンテナ221から受電側アレーアンテナ111へ送信された電力波は受電装置100に対するビームパイロット信号として用いられる。このようにして、双方向レトロディレクティブシステムが構成される。 As shown above, the signal transmitted from the power receiving array antenna 111 to the power transmitting array antenna 221 is used as a beam pilot signal for the power transmitting device 200, and is transmitted from the power transmitting array antenna 221 to the power receiving array antenna 111. The power wave is used as a beam pilot signal for power receiving device 100. In this way, a bidirectional retrodirective system is constructed.

そして、上記電力波からビームパイロット信号を生成することで、受電側アレーアンテナ111の垂直偏波用素子11V→伝搬路→送電側アレーアンテナ221の垂直偏波用素子21V→送電側素子アンテナ回路20→送電局の素子アンテナ21の水平偏波用素子21H→伝搬路→受電局の素子アンテナ11の素子11H→受電側素子アンテナ回路10→受電側アレーアンテナ111の垂直偏波用素子11V、の経路による閉ループが構成される。この閉ループが一つの発振回路系を構成する。したがって、パイロット信号を生成するための専用の複雑な回路が不要であるので、装置の構成が簡素化され、低コスト化される。 By generating a beam pilot signal from the power wave, the vertical polarization element 11V of the power receiving array antenna 111 → propagation path → the vertical polarization element 21V of the power transmitting array antenna 221 → the power transmitting element antenna circuit 20 → Horizontal polarization element 21H of the element antenna 21 of the power transmitting station → Propagation path → Element 11H of the element antenna 11 of the power receiving station → Power receiving side element antenna circuit 10 → Vertical polarization element 11V of the power receiving side array antenna 111. A closed loop is constructed. This closed loop constitutes one oscillation circuit system. Therefore, since a dedicated complicated circuit for generating pilot signals is not required, the configuration of the device is simplified and costs are reduced.

受電側アレーアンテナ111および送電側アレーアンテナ221には、それら自体に、定常動作のためのビームフォーミング制御回路を備えていない。しかし、後に説明するように、送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナ21および送電側素子アンテナ回路20の動作によって、送電側アレーアンテナ221は結果的にフェーズドアレーアンテナとして作用する。同様に、受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナ11および受電側素子アンテナ回路10の動作によって、受電側アレーアンテナ111は結果的にフェーズドアレーアンテナとして作用する。 The power receiving array antenna 111 and the power transmitting array antenna 221 are not equipped with a beamforming control circuit for steady operation. However, as will be explained later, due to the operation of each element antenna 21 of the power transmission side array antenna 221 and the power transmission side element antenna circuit 20, the power transmission side array antenna 221 eventually acts as a phased array antenna. Similarly, by the operation of each element antenna 11 of the power receiving side array antenna 111 and the power receiving side element antenna circuit 10, the power receiving side array antenna 111 eventually acts as a phased array antenna.

送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナ21の垂直偏波用素子21Vがパイロット信号を受信することにより、その受信信号から、この受信信号の位相共役の関係にある位相共役信号が生成され、この位相共役信号が増幅され、当該素子アンテナの水平偏波用素子21Hが駆動される。このことにより、送電側アレーアンテナ221の各素子アンテナはパイロット信号と位相共役の関係にある電力波を送信する。したがって、相反定理によって、電力波はビームパイロット信号の伝搬経路を逆戻りするように伝搬する。すなわち、ビームパイロット信号と同じ経路で、電力波が受電側アレーアンテナ111へ伝搬する。 When the vertical polarization element 21V of each element antenna 21 of the power transmission side array antenna 221 receives the pilot signal, a phase conjugate signal having a phase conjugate relationship of the received signal is generated from the received signal, and this phase The conjugate signal is amplified, and the horizontally polarized wave element 21H of the element antenna is driven. As a result, each element antenna of the power transmission side array antenna 221 transmits a power wave having a phase conjugate relationship with the pilot signal. Therefore, according to the reciprocity theorem, the power wave propagates backward along the propagation path of the beam pilot signal. That is, the power wave propagates to the power receiving array antenna 111 along the same route as the beam pilot signal.

同様に、受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナ11の水平偏波用素子11Hが電力波を受電(受信)することにより、その受信信号から、この受信信号の位相共役の関係にある位相共役信号が生成され、この位相共役信号が増幅され、当該素子アンテナの垂直偏波用素子11Vが駆動される。このことにより、受電側アレーアンテナ111の各素子アンテナは電力波の位相共役の関係にあるパイロット信号を送信する。したがって、相反定理によって、ビームパイロット信号は電力波の伝搬経路を逆戻りするように伝搬する。すなわち、電力波と同じ経路で、ビームパイロット信号が送電側アレーアンテナ221へ伝搬する。 Similarly, when the horizontally polarized wave element 11H of each element antenna 11 of the power receiving array antenna 111 receives (receives) a power wave, a phase conjugate signal having a phase conjugate relationship of the received signal is generated from the received signal. is generated, this phase conjugate signal is amplified, and the vertical polarization element 11V of the element antenna is driven. As a result, each element antenna of the power receiving side array antenna 111 transmits a pilot signal having a phase conjugate relationship with the power wave. Therefore, according to the reciprocity theorem, the beam pilot signal propagates backward along the power wave propagation path. That is, the beam pilot signal propagates to the power transmission side array antenna 221 along the same route as the power wave.

ビームパイロット信号と電力波は同じ周波数であるので、伝搬路が周波数依存性を有する場合でも、正確な相反性を期待できる。 Since the beam pilot signal and the power wave have the same frequency, accurate reciprocity can be expected even if the propagation path has frequency dependence.

図29、図30は双方向レトロディレクティブ動作によるマイクロ波ビームの収束の様子を示す図である。これらの図中Nはパイロット信号ビームの伝搬及び電力ビームの伝搬の回数を示す。時刻t=0.000msのときN=1であり、時刻t=0.034msのときN=2である。図29、図30に表れているように、このパイロット信号の送受及び電力ビームの送受を繰り返す毎にパイロット信号ビーム及び電力ビームは自己収束する。 FIGS. 29 and 30 are diagrams showing how microwave beams are converged by bidirectional retrodirective operation. In these figures, N indicates the number of times the pilot signal beam propagates and the power beam propagates. When time t=0.000ms, N=1, and when time t=0.034ms, N=2. As shown in FIGS. 29 and 30, the pilot signal beam and the power beam self-converge each time the pilot signal transmission and reception and the power beam transmission and reception are repeated.

図31は上記繰り返し回数Nに対するビーム収束率η及びエネルギー漏れとの関係を示す図である。このように、パイロット信号ビームの伝搬及び電力ビームの伝搬の回数Nが6を超えるとビーム収束率ηは99%を超え、回数Nが6を超えるとエネルギー漏れは1%を下回る。 FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the beam convergence rate η and energy leakage with respect to the number of repetitions N. Thus, when the number N of pilot signal beam propagation and power beam propagation exceeds 6, the beam convergence rate η exceeds 99%, and when the number N exceeds 6, the energy leakage falls below 1%.

図32は送電アンテナと受電アンテナとによるSマトリクスの一次元モデルを示す図である。Si,j のiは受電側の素子アンテナの番号であり、jは送電側の素子アンテナの番号である。白丸はアレーアンテナの素子アンテナ、黒丸はアレーアンテナの範囲外に無限に広がる領域に仮想的に配置された素子アンテナである。 FIG. 32 is a diagram showing a one-dimensional model of an S matrix using a power transmitting antenna and a power receiving antenna. i in Si,j is the number of the element antenna on the power receiving side, and j is the number of the element antenna on the power transmitting side. The white circles are element antennas of the array antenna, and the black circles are element antennas virtually arranged in an area that extends infinitely outside the range of the array antenna.

受電アンテナを入力端、送電アンテナを出力端としたときのSマトリクスをSj,i で表す。各端子は負荷と完全に整合しているものと仮定する。送電側で受けた第N波のパイロット信号は、次式のように、ゲインGjTx で増幅され、基準信号で位相共役操作を受ける。 The S matrix when the power receiving antenna is the input end and the power transmitting antenna is the output end is represented by Sj,i. Assume that each terminal is perfectly matched to the load. The Nth wave pilot signal received on the power transmission side is amplified by the gain GjTx and subjected to phase conjugate operation with the reference signal, as shown in the following equation.

Figure 0007432257000003
Figure 0007432257000003

そして、送電アンテナから再放射された電力を受電アンテナが受け取り、位相共役をとり、更に、増幅することにより、次式で示す第N+1波のパイロット信号となる。 Then, the power receiving antenna receives the power re-radiated from the power transmitting antenna, takes the phase conjugate, and further amplifies it, resulting in the N+1 wave pilot signal shown by the following equation.

Figure 0007432257000004
Figure 0007432257000004

ここで、もしGjTx が一定値GconstTx とすると、第N波のパイロット信号の振幅の平均値と第N+1波のパイロット信号の振幅の平均値は次式で表される。ここでδm,i はクロネッカーのデルタ(単位行列)である。 Here, if GjTx is a constant value GconstTx, the average value of the amplitude of the Nth wave pilot signal and the average value of the amplitude of the N+1th wave pilot signal are expressed by the following equation. Here, δm,i is Kronecker's delta (identity matrix).

Figure 0007432257000005
Figure 0007432257000005

送電側と受電側の増幅器で電磁界強度が維持されるなら、発振が持続することになる。したがって、発振条件は次式で表される。 If the electromagnetic field strength is maintained between the transmitting and receiving amplifiers, oscillation will continue. Therefore, the oscillation condition is expressed by the following equation.

Figure 0007432257000006
Figure 0007432257000006

このように、送電局、受電局のアレーアンテナと、その間の伝送路とで、構成される空間結合型の発振器を単一の発振器として扱って、一つのループゲインで発振条件が定まるものと見なせる。 In this way, the spatially coupled oscillator made up of the array antennas at the power transmitting station and power receiving station, and the transmission line between them can be treated as a single oscillator, and the oscillation conditions can be determined by one loop gain. .

送電局のアレーアンテナと受電局のアレーアンテナが有限である場合に、この有限のアンテナからの放射波を、無限大のアンテナからの時間反転界の放射と仮想アンテナ領域からの逆相時間反転界とを組み合わせることで表現することができる。これは次式の関係で表される。 When the array antenna of the power transmitting station and the array antenna of the power receiving station are finite, the radiation waves from the finite antennas are divided into the radiation of the time reversal field from the infinite antenna and the antiphase time reversal field from the virtual antenna area. It can be expressed by combining. This is expressed by the following relationship.

Figure 0007432257000007
Figure 0007432257000007

上式のうち結論の式中の第2項は仮想アンテナ領域からの逆相戻り波成分であり、スピルオーバー損失に対応する。ビーム形成が速く、スピルオーバー損失が0と見なせる場合は、上記第2項は0であるので、[数6]は上記[数4]と同じ扱いができる。 The second term in the conclusion of the above equation is an anti-phase return wave component from the virtual antenna region, and corresponds to spillover loss. If beam formation is fast and the spillover loss can be considered to be 0, the second term is 0, so [Equation 6] can be treated in the same way as [Equation 4].

アンテナが小さく、最適状態でもスピルオーバー損失が発生する場合は、まず上記第2項でパイロット信号の分布が最適化される。このことで、漏洩損失があっても、増幅器の増幅率の設定によって発振条件を満たすことができる。 If the antenna is small and spillover loss occurs even in the optimal state, the pilot signal distribution is first optimized using the second term. With this, even if there is leakage loss, the oscillation conditions can be satisfied by setting the amplification factor of the amplifier.

このようにして、仮想アンテナ領域からの戻り波成分を消すように自己修復作用がはたらく。 In this way, a self-healing effect works to eliminate the return wave component from the virtual antenna region.

図33、図34はマイクロ波の伝搬経路中に何らかの理由でマイクロ波の吸収体が存在するときのマイクロ波の伝搬の様子を示す図である。いずれの例でも直径50mの送電アンテナと直径25mの受電アンテナとが5km離れている。図33の例では伝送経路の途中に直径5mのマイクロ波吸収体が存在する。この状態でパイロット信号とマイクロ波電力との98往復時間(2.5ms)後、前述の双方向レトロディレクティブシステムの作用により、送電アンテナでは不均一な電力分布でマイクロ波が送電され、吸収体が存在する部分の場はマイクロ波エネルギーが相殺され、受電アンテナの位置では99.3%の伝送効率でマイクロ波電力を受ける。 33 and 34 are diagrams showing the state of microwave propagation when a microwave absorber exists for some reason in the microwave propagation path. In either example, a power transmitting antenna with a diameter of 50 m and a power receiving antenna with a diameter of 25 m are separated by 5 km. In the example of FIG. 33, a microwave absorber with a diameter of 5 m exists in the middle of the transmission path. In this state, after 98 round trip times (2.5ms) between the pilot signal and the microwave power, due to the action of the bidirectional retrodirective system mentioned above, the microwave is transmitted with uneven power distribution at the power transmission antenna, and the absorber The microwave energy of the existing field is canceled out, and the microwave power is received at the receiving antenna position with a transmission efficiency of 99.3%.

図34の例では、伝送経路の途中に直径10mのマイクロ波吸収体が存在する。この状態でパイロット信号とマイクロ波電力との148往復時間(3.8ms)後、前述の双方向レトロディレクティブシステムの作用により、送電アンテナでは障害物を避けるようにマイクロ波が放射され、吸収体が存在する箇所ではマイクロ波の散乱と吸収を避けるように吸収体を包み込む場が形成され、受電アンテナの位置では98.2%の伝送効率でマイクロ波電力を受ける。受電アンテナの直径がもう少し大きければ100%に近い伝送効率が得られる。 In the example of FIG. 34, a microwave absorber with a diameter of 10 m exists in the middle of the transmission path. In this state, after 148 round trip times (3.8ms) between the pilot signal and the microwave power, due to the action of the bidirectional retrodirective system mentioned above, the power transmitting antenna radiates microwaves to avoid obstacles, and the absorber At the location where the microwave is present, a field is formed that surrounds the absorber to avoid scattering and absorption of the microwave, and at the power receiving antenna position, the microwave power is received with a transmission efficiency of 98.2%. If the diameter of the receiving antenna is a little larger, a transmission efficiency close to 100% can be obtained.

《浮体式洋上マイクロ波電力中継装置》
図35は無給電中継所700の構成を示す正面図である。この無給電中継所700は、マイクロ波ミラー装置701、浮体706、スクリュー702、鉄柱703及び錘705を備える。鉄柱703は浮体706から所定高さにマイクロ波ミラー装置701を支持する。錘705は、その重力と浮体706による浮力とをバランスさせ、マイクロ波ミラー装置701の高さを一定に保つ。基本的な構成は図11に示した無給電中継所700と同様である。
《Floating offshore microwave power repeater》
FIG. 35 is a front view showing the configuration of parasitic relay station 700. This unpowered relay station 700 includes a microwave mirror device 701, a floating body 706, a screw 702, an iron pole 703, and a weight 705. The iron pillar 703 supports the microwave mirror device 701 at a predetermined height from the floating body 706. The weight 705 balances the gravity and the buoyancy of the floating body 706 to keep the height of the microwave mirror device 701 constant. The basic configuration is the same as the parasitic relay station 700 shown in FIG.

図36は無給電中継所700の構成を示す平面図である。マイクロ波ミラー装置701は第1マイクロ波ミラー711,第2マイクロ波ミラー712及びそれらを支持する円柱状の支持体を備える。マイクロ波ミラー装置701のマイクロ波入射部にはレドーム707、出射部にはレドーム708が設けられている。 FIG. 36 is a plan view showing the configuration of parasitic relay station 700. The microwave mirror device 701 includes a first microwave mirror 711, a second microwave mirror 712, and a cylindrical support that supports them. A radome 707 is provided at the microwave input portion of the microwave mirror device 701, and a radome 708 is provided at the output portion.

ちなみに、通信に用いられる数m程度のパラボラアンテナであれば円錐状(傘状)の樹脂板でレドームを構成できるが、低漏洩性が要求され且つ非常に大型の電力伝送用のレドームでは、そのような構成をとることは現実的に不可能である。すなわち、レドームの寸法が非常に大きいので、補強用の支持体が必要となるが、その補強用支持体でマイクロ波が反射・吸収してしまって大きな電力損失が生じるので、現実的には補強用支持体を入れることができない。また、従来構造のレドームの厚みを増して強度を高めようとすると、レドームでのマイクロ波の吸収が大きくなってしまう。 Incidentally, a radome can be constructed from a conical (umbrella-shaped) resin plate for parabolic antennas of several meters long used for communications, but for very large power transmission radomes that require low leakage, it is not possible to do so. It is practically impossible to adopt such a configuration. In other words, since the dimensions of the radome are extremely large, a reinforcing support is required, but the reinforcing support reflects and absorbs microwaves, causing a large power loss, so in reality, reinforcement is not necessary. It is not possible to insert a support for Furthermore, if an attempt is made to increase the strength of a conventionally structured radome by increasing its thickness, the absorption of microwaves by the radome will increase.

図36で示すレドーム707,708は厚み寸法が半波長の整数倍の発泡スチロール(登録商標)等の発泡樹脂で構成されている。発泡スチロール等の発泡樹脂は誘電損失や誘電率そのものが小さく反射損失透過損失が小さい。 Radomes 707 and 708 shown in FIG. 36 are made of foamed resin such as Styrofoam (registered trademark) having a thickness that is an integral multiple of a half wavelength. Foamed resin such as expanded polystyrene has low dielectric loss and dielectric constant itself, and low reflection loss and transmission loss.

ちなみに、通信に用いられる数m程度のパラボラアンテナのレドームのように、レドームの中央の柱など入れると、強度は保てるが、散乱波が発生してエネルギーが失われる。直径50mのレドームを柱なしで覆うのは困難である。そこで、ここでは発泡スチロール(登録商標)の長さを利用して低損失特性を維持したまま強度を出すようにしている。 By the way, if you insert a pillar in the center of the radome, such as the radome of a several-meter parabolic antenna used for communications, the strength will be maintained, but scattered waves will be generated and energy will be lost. It is difficult to cover a 50m diameter radome without pillars. Therefore, here, the length of Styrofoam (registered trademark) is utilized to provide strength while maintaining low loss characteristics.

また、この発泡スチロール(登録商標)はハニカム構造とし、発泡スチロール(登録商標)を完全充填する構造に比べて、より低損失化している。すなわち、誘電率が空気に近いことを利用して空洞を作りながら厚みを稼いでいる。強度はハネカム構造で維持できる。レドーム707,708は直径50mの円形であるので、厚みは例えば5mから10m位とする。 Moreover, this expanded polystyrene (registered trademark) has a honeycomb structure, which has a lower loss than a structure completely filled with expanded polystyrene (registered trademark). In other words, the thickness is gained by creating cavities by taking advantage of the fact that the dielectric constant is close to that of air. Strength can be maintained with the honeycomb structure. Since the radomes 707 and 708 are circular with a diameter of 50 m, their thickness is, for example, about 5 m to 10 m.

レドーム707,708は波風や暴風雨を防ぐ非常に重要な役割を要するので、先頭部分に薄い半波長の樹脂板を設けることによって海水の浸入防止や防塵を行ってもよい。この樹脂板は長い発泡スチロール(登録商標)の表面に貼り付ければよい。この樹脂板の厚さは半波長の整数倍の厚みにすれば完全整合する。マイクロ波電力伝送の場合、周波数帯に広がりがないので、マイクロ波通信でいういわゆる周波数帯域特性を考える必要がなく、正確な設計ができる。先頭の樹脂板は薄くてよく、例えば半波長であればよい。 Since the radomes 707 and 708 have a very important role in preventing wind waves and rainstorms, a thin half-wavelength resin plate may be provided at the leading end to prevent seawater from entering and to prevent dust. This resin plate may be attached to the surface of a long Styrofoam (registered trademark). If the thickness of this resin plate is an integral multiple of a half wavelength, perfect matching will be achieved. In the case of microwave power transmission, there is no spread in the frequency band, so there is no need to consider the so-called frequency band characteristics in microwave communication, allowing for accurate design. The leading resin plate may be thin, for example, half a wavelength.

浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は送電装置と受電装置との間に一つの無給電中継所700を設けることに限らない。図37は、送電装置200と受電装置100との間に二つの無給電中継所700A,700Bを配置した例を示す図である。無給電中継所700Aは、送電装置200から送電されるマイクロ波エネルギーを最大効率で受けるように配置し、無給電中継所700Bは無給電中継所700Aから送電されるマイクロ波エネルギーを最大効率で受けるように配置する。そして、受電装置100は無給電中継所700Bから最大効率でマイクロ波電力を受電する。このようにして、複数の無給電中継所700の数に比例してマイクロ波電力の伝送距離を延ばすことができる。 The floating offshore microwave power relay device is not limited to providing one parasitic relay station 700 between the power transmitting device and the power receiving device. FIG. 37 is a diagram showing an example in which two parasitic relay stations 700A and 700B are arranged between the power transmitting device 200 and the power receiving device 100. The parasitic relay station 700A is arranged to receive the microwave energy transmitted from the power transmission device 200 with maximum efficiency, and the parasitic relay station 700B receives the microwave energy transmitted from the parasitic relay station 700A with maximum efficiency. Place it like this. Then, the power receiving device 100 receives microwave power from the parasitic relay station 700B with maximum efficiency. In this way, the transmission distance of microwave power can be extended in proportion to the number of parasitic relay stations 700.

ここで、入射波に対する反射波の損失は、一般に次の式で表される。 Here, the loss of the reflected wave with respect to the incident wave is generally expressed by the following formula.

Pout/Pin=1 - 2√{(2εo ω)/σ}
Pin:入射波の電力
Pout:反射波の電力
εo:真空誘電率
ω:マイクロ波の周波数
σ:反射板の導電率
反射板が銅である場合、反射板での反射損失は0.03%である。1つの無給電中継所700で2枚の反射板があるので、1つの無給電中継所700での損失は0.06%である。例えば20回の中継で400kmを伝送させても、無給電中継所700を経由することによる電力損失はたかだか1.2%に過ぎない。反射損失以外に誘電体損失もあるが、20回の中継で、受電電力は1.2%~2%程度しか低下しない。このように無給電中継所700ではエネルギー変換していないので、非常に低損失で中継できる。
Pout/Pin=1 - 2√{(2εo ω)/σ}
Pin: Power of incident wave
Pout: Power of reflected wave εo: Vacuum dielectric constant ω: Frequency of microwave σ: Electrical conductivity of reflector When the reflector is made of copper, the reflection loss at the reflector is 0.03%. Since there are two reflecting plates in one parasitic relay station 700, the loss in one parasitic relay station 700 is 0.06%. For example, even if the signal is transmitted over a distance of 400 km with 20 relays, the power loss due to passing through the unpowered relay station 700 is only 1.2% at most. In addition to reflection loss, there is also dielectric loss, but after 20 relays, the received power only decreases by about 1.2% to 2%. In this way, since the parasitic relay station 700 does not convert energy, it can be relayed with very low loss.

また、無給電中継所700の数に拘わらず、双方向レトロディレクティブ動作により最適な伝送経路が選ばれるので、無給電中継所700を設けることによる伝送効率の低下は抑えられる。 Moreover, regardless of the number of parasitic relay stations 700, the optimal transmission path is selected by the bidirectional retrodirective operation, so that a decrease in transmission efficiency due to the provision of parasitic relay stations 700 can be suppressed.

図38、図39は第1マイクロ波ミラー711と第2マイクロ波ミラー712とにより3軸についての微小回転を相殺するマイクロ波中継器の原理を示す図である。図38は斜視図、図39は平面図である。ここで、反射の基礎方程式から求めた、入射光ベクトルと反射光ベクトルとの関係は次のとおりである。 FIGS. 38 and 39 are diagrams showing the principle of a microwave repeater that uses a first microwave mirror 711 and a second microwave mirror 712 to cancel minute rotations about three axes. FIG. 38 is a perspective view, and FIG. 39 is a plan view. Here, the relationship between the incident light vector and the reflected light vector, determined from the basic equation of reflection, is as follows.

Figure 0007432257000008
Figure 0007432257000008

このように、平行平板であれば、面の法線ベクトルによらず、反射光ベクトルは入射光と同一である。すなわち、任意の傾斜角をもつ平行反射板でビーム方向は保存される。したがって、3軸についてのねじれ回転に強い中継装置が無給電で構成できる。 In this way, if the plate is a parallel plate, the reflected light vector is the same as the incident light regardless of the normal vector of the surface. That is, the beam direction is preserved with a parallel reflector having an arbitrary tilt angle. Therefore, a relay device that is resistant to torsional rotation about three axes can be constructed without power supply.

図40はマイクロ波の入射方向に対して一定角度をもって出射する中継器の構成を示す図である。図39等に示した例では、第1マイクロ波ミラー711と第2マイクロ波ミラー712とが平行関係にあって、入射光と出射光とが同方向であったが、第1マイクロ波ミラー711と第2マイクロ波ミラー712とが非平行であってもよい(図40においては、回転ベクトルは2つのミラーに平行である)。そのことにより、無給電中継所700の、水平面に対する垂直軸回りの微小回転に対して方向性を維持できる。 FIG. 40 is a diagram showing the configuration of a repeater that emits microwaves at a constant angle with respect to the incident direction. In the example shown in FIG. 39 etc., the first microwave mirror 711 and the second microwave mirror 712 are in a parallel relationship, and the incident light and the outgoing light are in the same direction. and the second microwave mirror 712 may be non-parallel (in FIG. 40, the rotation vector is parallel to the two mirrors). Thereby, directionality can be maintained against minute rotations of parasitic relay station 700 about an axis perpendicular to the horizontal plane.

図41はマイクロ波ミラーの構成を示す断面図である。マイクロ波ミラーは図41の下部に示す誘電体共振器721及び反射板722を備える。このマイクロ波ミラーは光集フレネルレンズの原理をマイクロ波ビームに適用したものと言える。 FIG. 41 is a sectional view showing the configuration of a microwave mirror. The microwave mirror includes a dielectric resonator 721 and a reflecting plate 722 shown at the bottom of FIG. This microwave mirror can be said to apply the principle of a light condensing Fresnel lens to microwave beams.

図41において、上部に誘電体凸レンズとそのフレネルレンズを表している。光学用フレネルレンズでは、レンズセグメントをフラットに配置するが、光の波長では加工精度の限界で、波長単位での精度をもって加工することは不可能である。一方、マイクロ波ミラーでは光に比べて波長が長い。例えば直径51.7mmの光学用誘電体レンズは5.8GHzのマイクロ波では直径50mに相当する。そのため、グレーティングローブをほぼ完全に消すため、1波長毎に連続的に位相を合わせることが可能である。この例では、誘電体共振器の間隔を1波長未満である0.7波長で配置している。このようにして、マイクロ波ではより正確なフレネルレンズ効果を実現できる。このようなマイクロ波ミラーの2枚の反射によって、例えば直径50mのマイクロ波ミラーで10km先にビームウエストが生じるように設計する。 In FIG. 41, a dielectric convex lens and its Fresnel lens are shown in the upper part. In an optical Fresnel lens, the lens segments are arranged flat, but due to the limit of processing accuracy at the wavelength of light, it is impossible to process with precision in units of wavelengths. On the other hand, microwave mirrors have longer wavelengths than light. For example, an optical dielectric lens with a diameter of 51.7 mm corresponds to a diameter of 50 m when using a microwave at 5.8 GHz. Therefore, in order to almost completely eliminate the grating lobe, it is possible to continuously adjust the phase for each wavelength. In this example, the dielectric resonators are arranged at intervals of 0.7 wavelength, which is less than one wavelength. In this way, a more accurate Fresnel lens effect can be achieved with microwaves. For example, a microwave mirror with a diameter of 50 m is designed so that a beam waist is generated at a distance of 10 km due to the reflection of the two microwave mirrors.

図42は誘電体共振器721と反射板722等によるマイクロ波ミラーの一単位の構造を示す図である。球形の誘電体共振器721は、そのTE11モードでの共振を利用する。誘電体共振器の共振周波数ではない周波数の入射波は全反射し、共振周波数の入射波は誘電体共振器と反射板722との間の伝搬導波管を伝搬して1/2波長(1/4波長の往復)遅れて出射する。 FIG. 42 is a diagram showing the structure of one unit of a microwave mirror including a dielectric resonator 721, a reflecting plate 722, and the like. The spherical dielectric resonator 721 utilizes resonance in its TE 11 mode. The incident wave with a frequency other than the resonant frequency of the dielectric resonator is totally reflected, and the incident wave with the resonant frequency propagates through the propagation waveguide between the dielectric resonator and the reflection plate 722 and has a 1/2 wavelength (1 /4 wavelength round trip) is emitted with a delay.

このような誘電体共振器アンテナの位相制御の設計及び作用は次のとおりである。 The design and operation of phase control of such a dielectric resonator antenna are as follows.

(1)誘電体共振器の共振周波数でマイクロ波は後方の伝搬導波管と整合する。 (1) The microwave is matched with the rear propagation waveguide at the resonant frequency of the dielectric resonator.

(2)誘電体共振器の共振周波数でのマイクロ波の通過位相を0°とする。 (2) The passage phase of the microwave at the resonant frequency of the dielectric resonator is set to 0°.

(3)誘電体共振器の共振周波数での反射波は基準面でπとする。すなわち、共振周波数での反射は金属面反射と等価である。 (3) The reflected wave at the resonant frequency of the dielectric resonator is assumed to be π on the reference plane. That is, reflection at the resonant frequency is equivalent to reflection from a metal surface.

(4)誘電体共振器の共振周波数よりずっと低い周波数の電波は基準面で全反射し、その反射位相は+180°である。 (4) Radio waves with a frequency much lower than the resonant frequency of the dielectric resonator are totally reflected at the reference plane, and the reflection phase is +180°.

(5)誘電体共振器の共振周波数よりずっと高い周波数の電波は基準面で全反射し、その反射位相は-180°である。 (5) Radio waves with a frequency much higher than the resonant frequency of the dielectric resonator are totally reflected at the reference plane, and the reflection phase is -180°.

(6)動作周波数ωooは固定であり、各誘電体共振器の共振周波数ωojを定めることで反射波の位相を定める。 (6) The operating frequency ωoo is fixed, and the phase of the reflected wave is determined by determining the resonance frequency ωoj of each dielectric resonator.

誘電体共振器をアンテナ基板上にアレー状に配置し、誘電体共振器のアンテナの中心周波数を、径方向で変化させる。このことにより、図41に示した360度の位相差をもつフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成する。 Dielectric resonators are arranged in an array on an antenna substrate, and the center frequency of the dielectric resonator antenna is varied in the radial direction. As a result, a Fresnel lens type microwave mirror having a phase difference of 360 degrees as shown in FIG. 41 is constructed.

図43はマイクロ波ミラーの他の例を示す図である。図41、図42に示した例では、誘電体共振器の後方に伝搬導波管を備えたものであったが、図43に示すマイクロ波ミラーは、この伝搬導波管を備えない。 FIG. 43 is a diagram showing another example of a microwave mirror. In the examples shown in FIGS. 41 and 42, a propagation waveguide was provided behind the dielectric resonator, but the microwave mirror shown in FIG. 43 does not include this propagation waveguide.

図43は誘電体共振器721と反射板722等によるマイクロ波ミラーの一単位の構造を示す図である。図43に示す例では、誘電体共振器721は半球形であり、その後方(球の切断面相当面)に金属の反射板722が配置されている。誘電体共振器721はTE011モードで共振する。 FIG. 43 is a diagram showing the structure of one unit of a microwave mirror including a dielectric resonator 721, a reflecting plate 722, and the like. In the example shown in FIG. 43, the dielectric resonator 721 has a hemispherical shape, and a metal reflection plate 722 is disposed behind it (a surface corresponding to a cut surface of a sphere). The dielectric resonator 721 resonates in the TE 011 mode.

図43に示した構造の誘電体共振器アンテナの場合、マイクロ波の周波数が誘電体共振器721の共振周波数でも非共振周波数でも金属面反射する。非共振周波数ではそのまま金属面反射し、共振周波数に近づくほど位相がずれた状態で金属面反射する。つまり、誘電体共振器721の共振周波数の設定により、マイクロ波の反射波の位相を定めることができる。 In the case of the dielectric resonator antenna having the structure shown in FIG. 43, the microwave frequency is reflected from the metal surface at both the resonant frequency and the non-resonant frequency of the dielectric resonator 721. At non-resonant frequencies, it is reflected directly from the metal surface, and as it approaches the resonant frequency, it is reflected from the metal surface with a shifted phase. That is, by setting the resonant frequency of the dielectric resonator 721, the phase of the reflected microwave wave can be determined.

マイクロ波ミラーにおいて中央に近い誘電体共振器721ほど、その共振周波数がマイクロ波の周波数からずれていて、マイクロ波ミラーにおいて周辺部に近い誘電体共振器721ほど、その共振周波数がマイクロ波の周波数に近い(共振する)ほうがよい。 The closer the dielectric resonator 721 is to the center of the microwave mirror, the more its resonant frequency deviates from the microwave frequency, and the closer the dielectric resonator 721 is to the periphery of the microwave mirror, the closer its resonant frequency is to the microwave frequency. It is better to be close to (resonate with).

マイクロ波ビームの断面でのエネルギー分布はガウス状分布であることが好ましいが、上述のとおり、エネルギー密度の高い、マイクロ波ミラーの中央ほど、その共振周波数がマイクロ波の周波数からずれていることにより、誘電体共振器721による誘電体損が低損失になるので、上述の誘電体共振器721の共振周波数の設定により、マイクロ波ミラー全体で効果的に低損失化できる。 The energy distribution in the cross section of the microwave beam is preferably a Gaussian distribution, but as mentioned above, the resonance frequency deviates from the microwave frequency at the center of the microwave mirror where the energy density is high. Since the dielectric loss caused by the dielectric resonator 721 is reduced, by setting the resonant frequency of the dielectric resonator 721 as described above, the loss can be effectively reduced in the entire microwave mirror.

図42、図43に示した誘電体共振器の共振周波数は、内部に空洞を形成する、表面の一部を削る、直径を変える、といった方法で調整することができる。 The resonant frequency of the dielectric resonator shown in FIGS. 42 and 43 can be adjusted by forming a cavity inside, cutting a part of the surface, or changing the diameter.

以上に述べたとおり、高精度な機械加工で凹面反射板を形成するのではなく、フラットな金属反射板に誘電体共振器721を配列して、誘電体共振器721による経路差によって反射位相を設定するので、高い機械加工精度が不要である。また、機械加工によって大口径の凹面反射板を作成できたとしても、そのような大口径の反射板は温度によって歪みが生じやすい。それに対しフラットな金属板は高精度に作成できる。さらに、一般に大型部材の幾何学的寸法を高精度に測定することは非常に困難であるが、本実施形態では、機械加工及び幾何学的寸法の測定によってレンズを形成するのではなく、各誘電体共振器721の共振周波数は電気的計測によって極めて高精度に測定できる。そのため、所定共振周波数の誘電体共振器アンテナを容易に形成でき、高精度なフレネルレンズ型マイクロ波ミラーが容易に得られる。 As described above, instead of forming a concave reflector through high-precision machining, the dielectric resonators 721 are arranged on a flat metal reflector, and the reflection phase is adjusted by the path difference caused by the dielectric resonators 721. Since it is set, high machining accuracy is not required. Furthermore, even if a large-diameter concave reflector can be created by machining, such a large-diameter reflector is likely to be distorted by temperature. In contrast, flat metal plates can be made with high precision. Furthermore, although it is generally very difficult to measure the geometrical dimensions of large members with high precision, in this embodiment, instead of forming lenses by machining and measuring geometrical dimensions, each dielectric The resonant frequency of the body resonator 721 can be measured with extremely high accuracy by electrical measurement. Therefore, a dielectric resonator antenna having a predetermined resonant frequency can be easily formed, and a highly accurate Fresnel lens type microwave mirror can be easily obtained.

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Finally, the above description of the embodiments is illustrative in all respects and is not restrictive. Modifications and changes can be made as appropriate by those skilled in the art. The scope of the invention is indicated by the claims rather than the embodiments described above. Furthermore, the scope of the present invention is intended to include all changes within the meaning and range of equivalence of the claims.

例えば、洋上エネルギー収集システムは、複数の浮体式発電装置とこれら複数の浮体式発電装置とは分離されたプラットフォームとを含んで構成され、浮体式発電装置は洋上での浮遊状態で発電する発電部と、当該発電部による発電電力をマイクロ波で送電するマイクロ波送電部と、をそれぞれ備え、プラットフォームは、浮体式発電装置のマイクロ波送電部から送電されたマイクロ波をそれぞれ受電するマイクロ波受電部を備え、マイクロ波送電部及びマイクロ波受電部は、それぞれ複数の素子アンテナが配列され、接地境界層より高い位置に設けられたアレーアンテナを有し、マイクロ波受電部は、パイロット信号を送信し、マイクロ波送電部から送電される電波を受電する受電部側素子アンテナ回路を備え、マイクロ波送電部は、パイロット信号を受信し、当該パイロット信号の位相共役の関係にある位相共役信号を生成し、当該位相共役信号でマイクロ波送電部の素子アンテナを駆動することで、レトロディレクティブ動作で送電電力をマイクロ波受電部へ送電する、送電部側素子アンテナ回路を備えることにより、マイクロ波受電部が、各浮体式発電装置から周波数及び位相が揃ったコヒーレントなマイクロ波を受電する、という片方向レトロディレクティブ動作によりマイクロ波電力を送電するようにしてもよい。 For example, an offshore energy collection system includes a plurality of floating power generation devices and a platform separated from the floating power generation devices, and the floating power generation device is a power generation unit that generates electricity while floating on the ocean. and a microwave power transmission unit that transmits the power generated by the power generation unit using microwaves, and the platform includes a microwave power reception unit that receives the microwaves transmitted from the microwave power transmission unit of the floating power generation device. The microwave power transmission section and the microwave power reception section each have an array antenna in which a plurality of element antennas are arranged and are provided at a position higher than the ground boundary layer, and the microwave power reception section transmits a pilot signal. , a power receiving unit side element antenna circuit that receives radio waves transmitted from a microwave power transmitting unit, and the microwave power transmitting unit receives a pilot signal and generates a phase conjugate signal having a phase conjugate relationship of the pilot signal. By driving the element antenna of the microwave power transmission unit with the phase conjugate signal, the microwave power reception unit is equipped with a power transmission unit side element antenna circuit that transmits transmitted power to the microwave power reception unit in a retrodirective operation. , the microwave power may be transmitted by a unidirectional retrodirective operation in which coherent microwaves with the same frequency and phase are received from each floating power generation device.

本発明の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置は次に記載の各態様で提供されてもよい。 The floating offshore microwave power repeater of the present invention may be provided in each of the following embodiments.

<1>
浮遊状態で洋上に設けられマイクロ波で電力を送電する送電アンテナと、前記マイクロ波の電力を受電する受電アンテナとを備えるマイクロ波電力伝送システムに用いられるマイクロ波中継装置であって、
前記送電アンテナから送電されるマイクロ波を入射して、水平面における第1角度方向へ反射するフラットな第1反射板と、
前記第1反射板で反射されたマイクロ波を入射して前記受電アンテナ側へ出射するフラットな第2反射板と、
前記第1反射板及び前記第2反射板を相対的に固定する基体と、
前記第1反射板に配列され、共振周波数における第1基準位相で全反射し、前記第1反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第1基準位相から変化させる複数の第1誘電体共振器と、
前記第2反射板に配列され、共振周波数における第2基準位相で全反射し、前記第2反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第2基準位相から変化させる複数の第2誘電体共振器と、を備え、
前記第1反射板と前記複数の第1誘電体共振器による第1誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成し、前記第2反射板と前記複数の第2誘電体共振器による第2誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成する、
浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<1>
A microwave relay device used in a microwave power transmission system comprising a power transmission antenna that is installed on the ocean in a floating state and transmits power using microwaves, and a power reception antenna that receives the microwave power,
a flat first reflecting plate that receives microwaves transmitted from the power transmission antenna and reflects them in a first angular direction on a horizontal plane;
a flat second reflecting plate that receives the microwave reflected by the first reflecting plate and emits it to the power receiving antenna side;
a base that relatively fixes the first reflector and the second reflector;
A plurality of lenses arranged on the first reflecting plate, totally reflecting at a first reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the first reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the first reflecting plate increases. a first dielectric resonator;
A plurality of components arranged on the second reflecting plate, totally reflecting at a second reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the second reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the second reflecting plate increases. a second dielectric resonator;
A Fresnel lens type microwave mirror is configured by the first reflector and a first dielectric resonator antenna formed by the plurality of first dielectric resonators, and the second reflector and the plurality of second dielectric resonators constitute a Fresnel lens type microwave mirror. A Fresnel lens type microwave mirror is constructed with a second dielectric resonator antenna according to
Floating offshore microwave power repeater.

<2>
前記複数の第1誘電体共振器及び前記複数の第2誘電体共振器はそれぞれ前記マイクロ波の一波長未満の間隔で配置されている、
<1>に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<2>
The plurality of first dielectric resonators and the plurality of second dielectric resonators are each arranged at intervals of less than one wavelength of the microwave,
The floating offshore microwave power relay device according to <1>.

<3>
前記第1反射板と前記第2反射板とは平行である、
<1>又は<2>に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<3>
the first reflecting plate and the second reflecting plate are parallel;
The floating offshore microwave power relay device according to <1> or <2>.

<4>
前記第1反射板と前記第2反射板とは非平行である、
<1>又は<2>に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<4>
the first reflecting plate and the second reflecting plate are non-parallel;
The floating offshore microwave power relay device according to <1> or <2>.

<5>
前記マイクロ波の入射部及び出射部にレドームを備え、
前記レドームは前記入射部及び前記出射部に充填された発泡樹脂で構成された、
<1>から<3>のいずれかに記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<5>
A radome is provided at the incidence part and the emission part of the microwave,
The radome is made of foamed resin filled in the input part and the output part.
The floating offshore microwave power repeater according to any one of <1> to <3>.

<6>
前記発泡樹脂は空洞部を備えるハニカム構造である、
<5>に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<6>
The foamed resin has a honeycomb structure including a cavity,
The floating offshore microwave power relay device according to <5>.

<7>
前記マイクロ波の入射部及び出射部の外面に前記マイクロ波の半波長の整数倍の厚みを有する樹脂板を備える、
<5>又は<6>に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<7>
A resin plate having a thickness that is an integral multiple of a half wavelength of the microwave is provided on the outer surface of the microwave incidence part and the emission part.
The floating offshore microwave power relay device according to <5> or <6>.

<8>
前記送電アンテナ又は前記受電アンテナとの間隔の約1/2の位置がビームウエストとなるように前記複数の誘電体共振器アンテナの共振周波数を定めた、
<1>から<7>のいずれかに記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
<8>
The resonant frequency of the plurality of dielectric resonator antennas is determined so that the beam waist is located at a position approximately 1/2 of the distance between the antenna and the power transmitting antenna or the power receiving antenna.
The floating offshore microwave power repeater according to any one of <1> to <7>.

また、本発明の洋上マイクロ波電力伝送システムは次に記載の各態様で提供されてもよい。 Moreover, the offshore microwave power transmission system of the present invention may be provided in each of the following aspects.

<9>
<1>から<8>のいずれかに記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置を、前記マイクロ波の伝送方向に所定間隔で配置して、前記送電アンテナから視て、地平線又は水平線より遠方にある前記受電アンテナへ前記マイクロ波電力を伝送する洋上マイクロ波の電力伝送システム。
<9>
The floating offshore microwave power repeater according to any one of <1> to <8> is arranged at predetermined intervals in the microwave transmission direction, and is located at the horizon or further away from the horizon when viewed from the power transmission antenna. An offshore microwave power transmission system that transmits the microwave power to a certain power receiving antenna.

<10>
<1>から<8>のいずれかに記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置を、伝搬するマイクロ波の経路に沿った位置に配置して、前記送電アンテナから前記受電アンテナへ前記マイクロ波の電力を伝送する洋上マイクロ波電力伝送システム。
<10>
The floating offshore microwave power repeater according to any one of <1> to <8> is arranged at a position along the path of the propagating microwave, and transmits the microwave from the power transmitting antenna to the power receiving antenna. An offshore microwave power transmission system that transmits electric power.

CO…切り欠き
DH…誘電体
GB…基準信号グリッド基板
LP…配線パターン
MB…マイクロ波ビーム
Px1,Px2…磁気結合プローブ
Py1,Py2…磁気結合プローブ
RFU…RFユニット
11,21…素子アンテナ
11H…水平偏波用素子
11V…垂直偏波用素子
12…分配器
13…整流器
14…位相共役回路
17…電力増幅器
20…送電側素子アンテナ回路
21H…水平偏波用素子
21V…垂直偏波用素子
24…位相共役回路
27…電力増幅器
100…受電装置
100A,100B,100C…受電装置
111…受電側アレーアンテナ
111C…アレーアンテナ
111P…アレーアンテナ
200…送電装置
200A,200B…送電装置
210…マイクロ波ミラー
210A,210B…マイクロ波ミラー
221…送電側アレーアンテナ
221B…送電側アレーアンテナ
221C…パイロット信号受信用アレーアンテナ
221P…アレーアンテナ
300…浮体式洋上風力発電装置
301…風車
302X,302Y…スクリュー
303…鉄柱
304…水槽
304C…空洞
304W…淡水
305…錘
306…発電機
307X,307Y…電動機
311…送電アンテナ
500…プラットフォーム
501…タンク
510…マイクロ波ミラー
520…受電アンテナ
530…太陽光発電パネル
540…変電所
600…インバースダム
601…第1水槽
602…第2水槽
603…電動揚水機
604,605…連通路
606…発電機
607…錘
608…スクリュー
610…機械室
700…無給電中継所
700A,700B…無給電中継所
701…マイクロ波ミラー装置
702…スクリュー
703…鉄柱
705…錘
706…浮体
707,708…レドーム
711…第1マイクロ波ミラー
712…第2マイクロ波ミラー
721…誘電体共振器
722…反射板
800…船舶
810…受電アンテナ
CO...Notch DH...Dielectric GB...Reference signal grid board LP...Wiring pattern MB...Microwave beams Px1, Px2...Magnetic coupling probe Py1, Py2...Magnetic coupling probe
RFU...RF units 11, 21...Element antenna 11H...Horizontal polarization element 11V...Vertical polarization element 12...Distributor 13...Rectifier 14...Phase conjugate circuit 17...Power amplifier 20...Power transmission side element antenna circuit 21H...Horizontal Polarization element 21V... Vertical polarization element 24... Phase conjugate circuit 27... Power amplifier 100... Power receiving device 100A, 100B, 100C... Power receiving device 111... Power receiving side array antenna 111C... Array antenna 111P... Array antenna 200... Power transmission device 200A, 200B...Power transmission device 210...Microwave mirror 210A, 210B...Microwave mirror 221...Power transmission side array antenna 221B...Power transmission side array antenna 221C...Pilot signal reception array antenna 221P...Array antenna 300...Floating offshore wind power generation device 301...Windmill 302X, 302Y...Screw 303...Iron column 304...Water tank 304C...Cavity 304W...Fresh water 305...Weight 306...Generator 307X, 307Y...Electric motor 311...Power transmission antenna 500...Platform 501...Tank 510...Microwave mirror 520...Power receiving Antenna 530... Solar power generation panel 540... Substation 600... Inverse dam 601... First water tank 602... Second water tank 603... Electric water pump 604, 605... Communication path 606... Generator 607... Weight 608... Screw 610... Machine room 700... Parasitic relay station 700A, 700B... Parasitic relay station 701... Microwave mirror device 702... Screw 703... Steel column 705... Weight 706... Floating body 707, 708... Radome 711... First microwave mirror 712... Second microwave Mirror 721...Dielectric resonator 722...Reflector plate 800...Ship 810...Power receiving antenna

Claims (10)

浮遊状態で洋上に設けられマイクロ波で電力を送電する送電アンテナと、前記マイクロ波の電力を受電する受電アンテナとを備えるマイクロ波電力伝送システムに用いられるマイクロ波中継装置であって、
前記送電アンテナから送電されるマイクロ波を入射して、水平面における第1角度方向へ反射するフラットな第1反射板と、
前記第1反射板で反射されたマイクロ波を入射して前記受電アンテナ側へ出射するフラットな第2反射板と、
前記第1反射板及び前記第2反射板を相対的に固定する基体と、
前記第1反射板に配列され、共振周波数における第1基準位相で全反射し、前記第1反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第1基準位相から変化させる複数の第1誘電体共振器と、
前記第2反射板に配列され、共振周波数における第2基準位相で全反射し、前記第2反射板の中心から離れるにしたがった共振周波数の変化により反射位相を前記第2基準位相から変化させる複数の第2誘電体共振器と、を備え、
前記第1反射板と前記複数の第1誘電体共振器による第1誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成し、前記第2反射板と前記複数の第2誘電体共振器による第2誘電体共振器アンテナとでフレネルレンズ型マイクロ波ミラーを構成する、
浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
A microwave relay device used in a microwave power transmission system comprising a power transmission antenna that is installed on the ocean in a floating state and transmits power using microwaves, and a power reception antenna that receives the microwave power,
a flat first reflecting plate that receives microwaves transmitted from the power transmission antenna and reflects them in a first angular direction on a horizontal plane;
a flat second reflecting plate that receives the microwave reflected by the first reflecting plate and emits it to the power receiving antenna side;
a base that relatively fixes the first reflector and the second reflector;
A plurality of lenses arranged on the first reflecting plate, totally reflecting at a first reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the first reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the first reflecting plate increases. a first dielectric resonator;
A plurality of components arranged on the second reflecting plate, totally reflecting at a second reference phase at a resonant frequency, and changing the reflection phase from the second reference phase by changing the resonant frequency as the distance from the center of the second reflecting plate increases. a second dielectric resonator;
A Fresnel lens type microwave mirror is configured by the first reflector and a first dielectric resonator antenna formed by the plurality of first dielectric resonators, and the second reflector and the plurality of second dielectric resonators constitute a Fresnel lens type microwave mirror. A Fresnel lens type microwave mirror is constructed with a second dielectric resonator antenna according to
Floating offshore microwave power repeater.
前記複数の第1誘電体共振器及び前記複数の第2誘電体共振器はそれぞれ前記マイクロ波の一波長未満の間隔で配置されている、
請求項1に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
The plurality of first dielectric resonators and the plurality of second dielectric resonators are each arranged at intervals of less than one wavelength of the microwave,
The floating offshore microwave power repeater according to claim 1.
前記第1反射板と前記第2反射板とは平行である、
請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
the first reflecting plate and the second reflecting plate are parallel;
The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2.
前記第1反射板と前記第2反射板とは非平行である、
請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
the first reflecting plate and the second reflecting plate are non-parallel;
The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2.
前記マイクロ波の入射部及び出射部にレドームを備え、
前記レドームは前記入射部及び前記出射部に充填された発泡樹脂で構成された、
請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
A radome is provided at the incidence part and the emission part of the microwave,
The radome is made of foamed resin filled in the input part and the output part.
The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2.
前記発泡樹脂は空洞部を備えるハニカム構造である、
請求項5に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
The foamed resin has a honeycomb structure including a cavity,
The floating offshore microwave power repeater according to claim 5.
前記マイクロ波の入射部及び出射部の外面に前記マイクロ波の半波長の整数倍の厚みを有する樹脂板を備える、
請求項5に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
A resin plate having a thickness that is an integral multiple of a half wavelength of the microwave is provided on the outer surface of the microwave incidence part and the emission part.
The floating offshore microwave power repeater according to claim 5.
前記送電アンテナ又は前記受電アンテナとの間隔の約1/2の位置がビームウエストとなるように前記複数の誘電体共振器アンテナの共振周波数を定めた、
請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置。
The resonant frequency of the plurality of dielectric resonator antennas is determined so that the beam waist is located at a position approximately 1/2 of the distance between the antenna and the power transmitting antenna or the power receiving antenna.
The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2.
請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置を、前記マイクロ波の伝送方向に所定間隔で配置して、前記送電アンテナから視て、地平線又は水平線より遠方にある前記受電アンテナへ前記マイクロ波の電力を伝送する洋上マイクロ波電力伝送システム。 The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2 is arranged at predetermined intervals in the microwave transmission direction to the power receiving antenna located at the horizon or farther from the horizon when viewed from the power transmitting antenna. An offshore microwave power transmission system that transmits the microwave power. 請求項1又は2に記載の浮体式洋上マイクロ波電力中継装置を、伝搬するマイクロ波の経路に沿った位置に配置して、前記送電アンテナから前記受電アンテナへ前記マイクロ波の電力を伝送する洋上マイクロ波電力伝送システム。 The floating offshore microwave power repeater according to claim 1 or 2 is disposed at a position along a propagating microwave path to transmit the microwave power from the power transmitting antenna to the power receiving antenna. Microwave power transmission system.
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