JP2002095190A - 宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 宇宙空間で太陽光から生成した大電力マイク
ロ波を送信する際に、電力基地アンテナに照射するマイ
クロ波のビーム幅がその電力基地アンテナのサイズに適
合し、単位面積あたりの電力が過大とならない宇宙太陽
光発電方法、及びその方法を用いたシステムを得る。 【解決手段】 発電衛星１は、太陽光から変換した電気
エネルギーをマイクロ波に変換し、これを電力基地４へ
送信する。発電衛星１を複数の発電衛星グループに分
け、発電衛星グループ内の各発電衛星が送信するマイク
ロ波の位相量を調整することにより、個々の発電衛星の
アンテナ開口面積を大きくすることなく、送信マイクロ
波のビーム幅を狭くする。また、発電衛星グループ間で
マイクロ波が干渉するとビーム幅が狭くなるので、互い
に非干渉となるように各発電衛星において位相調整後の
マイクロ波をインコヒーレントなマイクロ波に変調す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、宇宙空間におい
て、太陽光を受けて発電し、マイクロ波で宇宙空間を伝
送し、電力基地において集積して利用する宇宙太陽光発
電方法、及びその方法を用いたシステムに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】太陽光を利用した発電システムとして
は、小さなものでは太陽電池、その他、家庭用のもので
は建造物に設置する太陽光発電パネルなどがある。これ
らの地上での太陽光発電は原理的には大気による太陽光
の減衰と、昼夜での陰陽のために必ずしも効率が良いも
のではない。また、宇宙空間における太陽光発電では、
人口衛星に取り付けられる太陽電池パネルが良く知られ
ており、その人工衛星が観測や通信などに必要な電力を
自家生成してミッションを達成する。いずれも、特定機
器に有線で接続された太陽電池による発電エネルギーを
その特定機器で利用する形態のものである。

【０００３】一方、宇宙空間において太陽光を受けて発
電し、これを特定の場所、例えば地球上や宇宙空間内の
特定個所に伝送するシステムについては、昨今の宇宙開
発の成果による通信技術の進展や大規模宇宙構造物の構
築技術などに支持されて、研究開発が盛んに行われるに
至っている。このような宇宙太陽光発電システムの一例
としては、複数の発電衛星を宇宙空間に配置し、各発電
衛星において太陽光を集光し、電気エネルギーに変換し
た後、その電気エネルギーからマイクロ波を地上等の電
力基地に送信するシステムが考案されている。各発電衛
星は、それぞれ相当な高エネルギーのマイクロ波を生成
することとなるので、送信系統としては、高出力増幅器
等の高出力系機器を分散配置できるアレイアンテナが有
効であると考えられている。なお、電力基地では複数の
発電衛星からのマイクロ波を受信するアンテナを備え、
アンテナで受信したマイクロ波をＤＣ変換して合成す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような宇宙太陽
光発電システムにおいて、例えば静止軌道上の発電衛星
から地上の電力基地へマイクロ波送信する場合に地上の
電力基地に設けたアンテナにマイクロ波を照射するため
には、そのビーム幅を狭くする必要がある。上記のよう
なアレイアンテナの場合、ビーム幅を狭くするために
は、基本的には開口面積を大きくしなければならず、ア
ンテナサイズ及び発電衛星の大きさが大型化してしまう
という問題点があった。また、発電能力を高めるために
は電力基地へマイクロ波を送信する発電衛星を数多く宇
宙空間に配置することが必要となるが、複数の発電衛星
のアンテナの集合体を一つの大きなフェーズドアレイア
ンテナと想定して、マイクロ波送信した場合、逆に開口
面積が大きくなりすぎてビーム幅が非常に狭くなり、し
たがって、単位面積あたりの電力が高くなってしまうと
いう問題点があった。

【０００５】この発明は、上記のような問題を解決する
ためになされたもので、宇宙空間で太陽光から生成した
大電力マイクロ波を送信する際に、電力基地アンテナに
照射されるマイクロ波のビーム幅がその電力基地アンテ
ナのサイズに適合するとともに単位面積あたりの電力が
過大とならない大電力マイクロ波を送信することのでき
る宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用いたシステム
を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る宇
宙太陽光発電方法は、宇宙空間に配置した発電衛星によ
って太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波
に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を
生成する宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星
からなる発電衛星グループを複数グループ設け、発電衛
星グループ内における各々の発電衛星から送信するマイ
クロ波の位相のずれを調整するとともに、インコヒーレ
ントなマイクロ波を電力基地へ送信するものである。

【０００７】請求項２の発明に係る宇宙太陽光発電シス
テムは、宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを
生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して
送信するグループ分けした複数の発電衛星と、上記複数
の発電衛星の各グループ毎に設けられ、グループ内の発
電衛星から送信されるマイクロ波の位相調整を行う制御
衛星と、上記複数の発電衛星から送信されるマイクロ波
を遠隔にて受信し、このマイクロ波のエネルギーにより
電力を生成する電力基地とを備え、上記複数の発電衛星
は、インコヒーレントなマイクロ波を上記電力基地へ送
信するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の実施の
形態１に係る宇宙太陽光発電方法、及びその方法を用い
たシステムを図１から図４によって説明する。図１は実
施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステム
に使用する装置の全体構成を示す外観図、図２は実施の
形態１に係る宇宙太陽光発電方法における位相調整の原
理を示す模式図、図３は実施の形態１に係る発電衛星及
び制御衛星の構成を示すブロック図、図４は実施の形態
１に係る電力基地の構成を示すブロック図である。

【０００９】図１において、１は宇宙空間において太陽
光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーか
らマイクロ波を生成して送信する発電衛星である。２は
発電衛星１が送信するマイクロ波の位相調整量を制御す
る制御衛星であり、図示のとおり、これらの制御衛星は
＃１から＃ｋまでの複数台を配置しており、この＃１か
ら＃ｋまで配置した制御衛星２に対して、それぞれ発電
衛星を複数台（ｎ台）配置している。すなわち、制御衛
星＃１が制御する発電衛星＃１−１から＃１−ｎまでに
よって、１つのグループを形成している。３は発電衛星
１からのマイクロ波を受信する電力基地アンテナ、４は
受信したマイクロ波から電力を生成する電力基地であ
る。５は電力基地４と制御衛星２との間で通信するため
の衛星通信アンテナである。

【００１０】発電衛星１は、太陽光から変換した電気エ
ネルギーをマイクロ波に変換し、これを電力基地４へ送
信する。個々の発電衛星１が送出できるマイクロ波の電
力は、各発電衛星における太陽光の集光能力と、光電変
換やマイクロ波増幅能力により決まる。これらの発電衛
星１を宇宙空間に複数台配置することにより大電力のマ
イクロ波を電力基地４へ送信することが可能となる。し
かし、各発電衛星１は宇宙空間において、姿勢が変化
し、また相対的な位置関係も変化するので、別個独立に
マイクロ波を送信すると、それらのマイクロ波は互いに
打消し合い、或いは所望の方向、即ち電力基地４の方向
とは異なる方向へマイクロ波が送信されてしまう。そこ
で、発電衛星１を複数の発電衛星グループに分け、例え
ば＃１−１から＃１−ｎまで発電衛星１が個々に送信す
るマイクロ波の位相量を調整することにより、遠隔の電
力基地において受信できるようにしたものである。同様
に制御衛星＃ｋが制御する発電衛星グループ＃ｋ−１か
ら＃ｋ−ｎにおいても送信するマイクロ波の位相を調整
して送信する。このように発電衛星グループ内で位相を
調整することにより送信されるマイクロ波のビーム幅は
発電衛星グループ内の各発電衛星に設けたアンテナから
なるアレイアンテナの開口面積により決まるので、個々
の発電衛星のアンテナ開口面積を大きくすることなく、
送信マイクロ波のビーム幅を狭くすることができる。

【００１１】しかし、全体の発電衛星からのマイクロ波
が干渉するようなコヒーレントなマイクロ波を送信する
と、ビーム幅は全ての発電衛星１のアンテナを総合した
巨大アンテナの開口面積から決まる超狭なビーム幅とな
り、大電力送信する場合には単位面積あたりの電力（以
下、「電力密度」という。）が大きくなり過ぎてしま
う。この発明は、上記のように複数の発電衛星グループ
を設け、そのグループ内では、制御衛星２により位相調
整を行ってマイクロ波を生成して送信するので、発電衛
星グループ内の各発電衛星（例えば、発電衛星＃１−１
から＃１−ｎ）のアンテナによってフェーズドアレイア
ンテナを形成することができ、ビーム幅は発電衛星グル
ープ内の各発電衛星に設けたアンテナを含むアレイアン
テナの開口面積により決定することができる。また、発
電衛星グループ間でマイクロ波が干渉するとビーム幅が
狭くなるので、互いに非干渉となるように各発電衛星に
おいて位相調整後のマイクロ波をインコヒーレントなマ
イクロ波に変調する。但し、発電衛星グループ内の各発
電衛星から送信するマイクロ波の干渉性は保持する。例
えば制御衛星２から発電衛星グループ内の各発電衛星１
に対してインコヒーレント変調のタイミング信号を送信
し、そのタイミング信号に合わせて変調処理を行う。

【００１２】このように送信されたマイクロ波を電力基
地アンテナ３によって受信し、電力基地４において低周
波変換して電力として利用する。電力基地４は地上に限
らず、宇宙空間内の例えば月面や宇宙プラント施設など
に設けられてもよい。電力基地４を地上に設ける場合、
特に動植物環境や、電波妨害の観点から送信されるマイ
クロ波のエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギ
ー：電力密度）を小さくする必要があり、したがって、
電力基地アンテナ３は数十ｋｍ四方相当から数百ｋｍ四
方相当の面積にも及ぶ場合もある。このような巨大なア
ンテナは、例えば特定サイズのアンテナでアレイ状に配
置して形成するのが一般的である。したがって、電力基
地４は、低周波変換機能に加えて、各アンテナあるい
は、各アンテナ群からの受信マイクロ波を合成する合成
機能をも有するようにしてもよい。

【００１３】さらに図１において、電力基地４は衛星通
信アンテナ５を有している。この衛星通信アンテナ５は
制御衛星２に対してビーコン信号を送出する。制御衛星
２は、このビーコン信号を捕捉することにより、電力基
地４の方向を認識することができ、この方向へ発電衛星
１からのマイクロ波が送出されるよう、各発電衛星１の
送信マイクロ波の位相調整量を制御する。

【００１４】つぎに図２により、各発電衛星グループ内
の発電衛星１が送出するマイクロ波の位相調整の原理を
説明する。図２において、＃１、＃２、＃ｎと示した平
板は、それぞれ発電衛星＃ｋ−１、＃ｋ−２、＃ｋ−
ｎ、の各アンテナ面である。上記のように制御衛星２は
電力基地４からのビーコン信号を捕捉して、その電力基
地４の方向を認識している。この方向に対して直交する
仮想平面Ｓを定義し、この仮想平面Ｓとアンテナ面＃
１、＃２、＃ｎの位置関係を求め位相調整量を算出す
る。各アンテナ面は、各発電衛星１の姿勢変動によって
３並進方向、及び３回転方向の合計６自由度の位置が変
化する。制御衛星２は、原理的には各発電衛星１又は各
アンテナ面に設けた３点を測距することによって、各発
電衛星１又は各アンテナ面の位置を特定することができ
る。つぎに制御衛星２は仮想平面Ｓと特定した各アンテ
ナ面により、アンテナ面と仮想平面Ｓの差分を求める。
この差分は、図示のように並進成分ΔＺと回転成分Δθ
に分けることができる。ΔＺ成分は他の発電衛星１との
間の位相の調整、Δθ成分は仮想平面Ｓに直交する方向
への位相の調整と考えることができるが、アンテナ面の
調整にはΔＺ＋Δθ分の位相調整が必要となる。なお、
この調整において、２πｎ（ｎは整数）分の調整は差し
引くことができる。

【００１５】このように制御衛星２において、発電衛星
１が送信するマイクロ波の位相調整量の計算を行うこと
が可能であるが、この機能の一部を発電衛星側に持たせ
る構成としてもよい。即ち、制御衛星２は電力基地４か
らのビーコン信号を捕捉して電力基地４の方向を認識し
て仮想平面Ｓを定義する。さらに制御衛星２は各発電衛
星１の位置を測定する。そして、仮想平面Ｓとそれぞれ
の発電衛星の位置を制御衛星２から各発電衛星１へ通知
する。各発電衛星１は、通知された仮想平面Ｓと自己の
位置により、上記のように位相調整量を算出する。

【００１６】次に発電衛星１と制御衛星２の構成につい
て図３により説明する。発電衛星１において、６は宇宙
空間にて太陽光を集光する集光部であり、反射光学系や
屈折光学系等によって構成される。７は集光部６からの
光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部、８は
光電変換部によって生成された電気エネルギーをマイク
ロ波に変換する送信部、９は宇宙空間にマイクロ波を送
出する送信アンテナである。送信部８において、１０は
制御衛星２からの制御信号を受信する受信アンテナ、１
１は制御信号に含まれる基準信号ｆｏを増幅する増幅
器、１２は制御信号に含まれる位相調整量によりマイク
ロ波を移相する移相器、１３は移相器１２の出力マイク
ロ波をインコヒーレントなマイクロ波に変調するインコ
ヒーレント変調装置である。インコヒーレント変調装置
１３は、スペクトル拡散変調（ＳＳ変調）等の変調方式
によりマイクロ波をインコヒーレント変調する。１４は
送信するマイクロ波を高出力増幅する高出力増幅器であ
る。１５は制御衛星２からの制御信号を復調する復調
器、１６は制御信号に含まれる位相調整量に基づいて移
相器１２への指令を生成する演算器である。１７は制御
衛星２から発電衛星１の位置を検出するために設けられ
るコーナーリフレクタである。このコーナーリフレクタ
は、光あるいは光を含めて電磁波を反射するものであれ
ばよい。次に、制御衛星２において、１８は基準信号ｆ
ｏを生成する発振器であり、１９は各発電衛星の位相調
整量を基準信号にミキシングして制御信号を生成するミ
キサ、２０は発電衛星１に向けて制御信号を送信するた
めに制御信号を増幅する増幅器、２１は送信アンテナで
ある。２２は発電衛星１の位置を測定するための位置測
定器である。この位置測定器の例として、光学測定の場
合にはレーザ測定器があるが、電磁波による計測を行う
ものであればよい。２３は、上記の位相調整量算出の原
理により各発電衛星１の位相調整量を算出する位相調整
量演算器、２４は位相調整量演算器２３が算出した位相
調整量を変調する変調器である。

【００１７】次に発電衛星１でのマイクロ波への変換と
その送出について説明する。発電衛星１は集光部６によ
り太陽光を集光する。このように太陽光を集光した方が
太陽電池で形成される光電変換部７が受けるエネルギー
密度を高めることができるからである。この集光部６は
数十メートルにも及ぶ反射鏡等で構成されることがあ
る。もちろん、集光部６を設けずに光電変換部７で太陽
光を直接受ける構成としてもよい。光電変換部７は太陽
電池パネルを並べて構成し、集光部６からの集光された
太陽光又は直接の太陽光を受けて、光電変換する。光電
変換部７において生成した電気エネルギーは送信部８内
の高出力増幅器１４へ入力される。太陽電池の出力は、
一般にＤＣ成分であるので、適宜、変圧及び安定化して
高出力増幅器へ入力する。送信部８が生成するマイクロ
波は、受信アンテナ１０により制御衛星２から受信した
制御信号に含まれる基準信号から生成する。基準信号を
制御衛星２から受信するのは、各発電衛星１において基
準信号の位相を揃えるためである。この基準信号を増幅
器１１により増幅し、移相器１２によって移相し、更に
インコヒーレント変調装置１３によりインコヒーレント
変調する。このインコヒーレント変調装置１３は、移相
器１２が出力するマイクロ波をスペクトル拡散変調（Ｓ
Ｓ変調）等の変調方式によってインコヒーレントなマイ
クロ波に変調する。ＳＳ変調はマイクロ波の強度を低く
抑え、帯域を広くする変調方式であり、マイクロ波同士
の干渉を抑制することができる。なお、原理的には送信
するマイクロ波の総エネルギーはＳＳ変調前と同じであ
る。インコヒーレント変調装置１３により変調されたマ
イクロ波は、高出力増幅器１４によって高出力増幅する
ことにより、光電変換部７で生成した電気エネルギーを
マイクロ波に変換する。このマイクロ波をアンテナ９に
よって宇宙空間に送出する。移相器１２におけるマイク
ロ波の移相は、制御衛星２からの制御信号に含まれる位
相調整量に基づいて演算器１６から指令される。制御衛
星２からの制御信号には位相調整量が変調されて含まれ
ているので、まずこの制御信号を復調器１５によって復
調する。復調した位相調整量に基づいて、例えばディジ
タル型移相器に設定するビット情報を演算器１６から指
令する。

【００１８】次に制御衛星２による発電衛星の制御につ
いて説明する。制御衛星２は、位置計測器２２により各
発電衛星１に設けたコーナーリフレクタをタッゲットに
して各発電衛星１の位置を計測する。位相調整量演算器
２３は、計測された位置データに基づいて、上記の位相
調整量算出の原理により各発電衛星１の位相調整量を算
出する。変調器２４は各発電衛星１の位相調整量を変調
する。発振器１８は各発電衛星で共通に使用する基準信
号ｆｏを生成しており、ミキサ１９によって、この基準
信号ｆｏに変調された位相調整量を重畳して制御信号を
生成する。制御信号は各発電衛星１に送信するために増
幅器２０において増幅され、送信アンテナ２１により送
信する。なお、位相調整量算出において、仮想平面Ｓを
定義するために、電力基地４からのビーコン信号を捕捉
する通信アンテナが制御衛星２に設けられているが、こ
の通信アンテナは図３にはとくに図示していない。

【００１９】このように構成された発電衛星１と制御衛
星２は、発電衛星１を逐次増数し、制御衛星２から制御
信号を与えることにより、増数された発電衛星を含めた
全体のマイクロ波の位相を揃えることができ、発電衛星
１内の光電変換部や高出力増幅器、及び伝送線の能力限
界に関係なく、発電する電力を高めていくことができ
る。

【００２０】次に電力基地４の構成について図４により
説明する。電力基地４内において、２５は発電衛星１か
らのマイクロ波を受信する受信アンテナ、２６は受信し
たマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器、２７はＤＣ変
換された電力を伝送する送電システムである。電力基地
４は、制御衛星１が電力基地４の方向を捕捉するための
ビーコン信号を衛星通信アンテナ５によって送信する
が、これは図４には図示していない。

【００２１】電力基地４の個々の受信アンテナ２５によ
り受信された発電衛星１からのマイクロ波は、ＤＣ変換
器２６によって低周波変換して合成し、送電システム２
７により送電する。上記のとおり、受信アンテナの占有
面積が大きく、この電力基地は、離島周辺の海域や、砂
漠などの辺境地に建設される可能性が高い。したがっ
て、都市部までの伝送には、伝送効率の高い直流送電シ
ステムが望ましい。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、宇宙空間における複
数の発電衛星によって太陽光から変換された電気エネル
ギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基
地によって電力を生成する宇宙太陽光発電方法におい
て、複数設けた発電衛星グループ内における各々の発電
衛星から送信するマイクロ波の位相のずれを調整すると
ともに、インコヒーレントなマイクロ波を電力基地へ送
信するので、電力基地の受信アンテナサイズに相当する
ビーム幅のマイクロ波を送信することができるととも
に、発電衛星を多数設けて大電力送信する場合にも送信
マイクロ波のビーム幅が超狭とならず、電力密度を抑え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発
電方法及びその方法を用いたシステムに使用する装置の
全体構成を示す外観図である。

【図２】 この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発
電方法における位相調整の原理を示す模式図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る発電衛星及び
制御衛星の構成を示すブロック図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る電力基地の構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 発電衛星 ２ 制御衛星 ３ 受信アンテナ ４ 電力基地

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙空間に配置した発電衛星によって太
   陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換
   して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成す
   る宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星からな
   る発電衛星グループを複数グループ設け、発電衛星グル
   ープ内における各々の発電衛星から送信するマイクロ波
   の位相のずれを調整するとともに、インコヒーレントな
   マイクロ波を電力基地へ送信することを特徴とする宇宙
   太陽光発電方法。
2. 【請求項２】 宇宙空間において太陽光から電気エネル
   ギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生
   成して送信するグループ分けした複数の発電衛星と、上
   記複数の発電衛星の各グループ毎に設けられ、グループ
   内の発電衛星から送信されるマイクロ波の位相調整を行
   う制御衛星と、上記複数の発電衛星から送信されるマイ
   クロ波を遠隔にて受信し、このマイクロ波のエネルギー
   により電力を生成する電力基地とを備え、上記複数の発
   電衛星は、インコヒーレントなマイクロ波を上記電力基
   地へ送信することを特徴とする宇宙太陽光発電システ
   ム。