JP2013158166A

JP2013158166A - 太陽光発電衛星システム

Info

Publication number: JP2013158166A
Application number: JP2012017671A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Yasuda; 国治安田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15

Abstract

【課題】太陽方向を追尾するための機械的な駆動機構や、地上局を追尾するための機械的な駆動機構を用いることなく、発電と送電を行うことができる太陽光発電衛星システムを得る。
【解決手段】太陽電池及び送電アンテナを固定した主衛星に対して、反射体を有する複数の集光衛星を周回させることによって、太陽光を反射させて主衛星の太陽電池へ太陽光を照射させことで、主衛星の太陽電池を発電させ、発電した電力をマイクロ波に変換して地球上に送電する。
【選択図】図１

Description

この発明は、宇宙空間にて太陽光を受けて発電を行い、得られた電力を送電する太陽光発電衛星システムに関する。

従来の太陽光発電衛星は、太陽電池にて太陽光を受けて、得られた電力をマイクロ波のエネルギに変換し、送電アンテナを介してこれを地上へ伝送する（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６１３１５８号公報（図２）

太陽光発電衛星は、地上の特定の場所へ送電するため、送電先の場所と衛星の位置関係が一定となる静止軌道上に配置し、太陽光発電衛星に搭載した送電アンテナを送電先へ指向させるのが望ましい。この場合、太陽光発電衛星は、静止軌道上を周回する間に衛星に対する太陽光の入射方向が変化する。

従来の太陽光発電衛星は、太陽の方向を追尾して太陽電池の受光面を回転駆動させるための駆動機構（以下「太陽追尾駆動機構」）を搭載する必要があった。このため太陽追尾駆動機構が故障した場合に、太陽光発電衛星はその機能を喪失し送電できなくなるという問題がある。

また、太陽追尾駆動機構を用いることなく衛星本体に太陽電池の受光面を固定し、送電アンテナをジンバルにて保持して送電アンテナの指向方向を機械的に駆動する機構（以下「送電アンテナ駆動機構」）を採用した場合であっても、送電アンテナ駆動機構が故障した場合、太陽光発電衛星はその機能を喪失し送電できなくなるという問題が依然として残る。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、太陽方向を追尾するための機械的な駆動機構や、地上局を追尾するための機械的な駆動機構を用いることなく、発電と送電を行うことができる太陽光発電衛星システムを得ることを目的とする。

この発明による太陽光発電衛星システムは、太陽光を受けて発電し、発電した電力を送電する主衛星と、上記主衛星の周りを周回するとともに、入射した太陽光を反射して上記主衛星に照射する反射体を有した複数の集光衛星と、を備え、上記それぞれの集光衛星の軌道は、遠地点が上記主衛星の軌道の外側に設定され、それぞれの軌道の遠地点の位置が互いに異なるように配置されたものである。

また、上記集光衛星は軌道制御装置を備え、上記主衛星に対する相対的位置関係を上記集光衛星の軌道の変更によって制御し、公転の周期に同期させて上記集光衛星の遠地点の位置を移動させるようにしても良い。

この発明によれば、太陽追尾駆動機構、送電アンテナ駆動機構を用いないため、機械的な駆動機構の故障による送電の停止が無く、システムの信頼性を高めることができる。また、駆動機構の動作に伴う機械的擾乱が発生しないため、送電アンテナの指向方向を安定化することができる。

実施の形態１による太陽光発電衛星システムの構成図である。実施の形態１による太陽光発電衛星システムの軌道の配置図である。実施の形態１による太陽光発電衛星６ａの位置を、主衛星１を基準とした回転座標系で時間経過とともに示した図である。実施の形態１による太陽光発電衛星システムの位置関係を示す図である。実施の形態１による太陽光発電衛星システムの位置関係において太陽光の入射方向が変わった場合を示す図である。実施の形態２による太陽光発電衛星システムの構成図である実施の形態２による集光衛星の軌道制御前後での軌道を示す図である。実施の形態２による太陽光発電衛星システムの位置関係を示す図である。実施の形態２において太陽の方向が変化した場合の太陽光発電衛星の位置関係を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による太陽光発電衛星システムの構成を示す図である。図１において、主衛星１と、複数の集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる衛星群は、太陽光発電衛星システムを構成する。主衛星１は、受光面で太陽光を受けて発電する太陽電池２と、これが発電した電力をマイクロ波に変換する送信部３と、送信部３で生成されたマイクロ波を放射する送信アンテナ４と、主衛星本体５とからなる。主衛星本体５は、一方の面に太陽電池２を搭載し、反対側の他方の面に送信アンテナ４を搭載している。主衛星本体５は、送信部３と姿勢制御装置（図示せず）を内蔵している。太陽電池２は、板状の太陽電池搭載用パネル（図示せず）と、太陽電池搭載用パネルの一方の表面上に実装された複数の太陽電池セル（図示せず）から構成される。太陽電池搭載用パネルの他方の面は主衛星本体５に取り付けられる。送信部３は、太陽電池２の発生電力をマイクロ波に変換して、送信アンテナ４に給電する。送信アンテナ４は、地球上の送電先を指向している。送信アンテナ４は、送信部３から給電されたマイクロ波を宇宙空間に放射し、地球上の送電先へ向かって送電する。また、太陽電池２は、主衛星本体５の有する姿勢制御装置（図示せず）にも電力を与える。

また、複数（図１の例では４つ）の集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、それぞれ集光衛星本体７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、反射体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとからなる。それぞれの反射体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、集光衛星本体７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄにそれぞれ固定され、表面に入射した太陽光を主衛星１の太陽電池２に向かって反射する。
なお、それぞれの反射体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、表面または裏面の一部に図示しない太陽電池セルが実装されて、その発電した電力が集光衛星本体７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄにそれぞれ供給されることで、各集光衛星本体の具備した姿勢制御装置（図示せず）に電力を与えるように構成されても良い。この場合、各集光衛星本体の姿勢制御装置（図示せず）は、反射体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの反射面が主衛星１の太陽電池２の表面または裏面を向い対向するように、姿勢の制御を行う。

図２は、実施の形態１による太陽光発電衛星システムの軌道の配置図である。図２において、円軌道をなす主衛星１の軌道９に対して、集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄのそれぞれの軌道１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが配置される。軌道９、軌道１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは何れも互いに異なる軌道となっている。各集光衛星の軌道１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、その軌道長半径を主衛星１の軌道９の半径と同じに設定するとともに、若干の離心率を与えた楕円とし、遠地点を主衛星１の軌道９の外側に設定する。図２の例では、軌道９に対して軌道１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの遠地点ＡＰ１０ａ、ＡＰ１０ｂ、ＡＰ１０ｃ、ＡＰ１０ｄがそれぞれ９０度間隔で異なる位置に配置されている。

このように軌道を設定することで、集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、主衛星１を基準にした回転座標系にて、主衛星１のまわりを軌道周期と同じ周期でまわる。このように主衛星１の周りをまわる動作をフライアラウンドと呼ぶ。

図３はフライアラウンドする集光衛星６ａだけに着目して、主衛星１を基準とする回転座標系での位置を時間経過に合わせて示した図である。図３において、軸Ｒは地球を中心とする動径方向にとり（反地球側を「正」とする）、軸Ｖは軸Ｒと直交し衛星の進行方向を「正」とする。集光衛星６ａは、時刻ｔ_０において基準とする主衛星１よりも動径が大きいためケプラーの法則によって速度が主衛星１よりも遅く、主衛星１の進行に対して遅れるため時刻ｔ_１では軸Ｖにおいて負側（図中右側）へ移動する。その後、時刻t_２、時刻t_３では動径が短くなるため主衛星１の下側（地球側）へ至り、主衛星１との相対速度が増して軸Ｖにおいて正側（図中左側）へ移動し、再び時刻t_０の時と同じ位置へ戻る。このようにして、集光衛星６ａは主衛星１の周りを時計方向に軌道周期でフライアラウンドする。

図４はこの発明の実施の形態１による太陽光発電衛星システムの位置関係を北の天頂から見て示した図である。この図において、主衛星１の軌道一周回中の太陽光１１の入射方向は変わらないものとし、図４中の下から上に向かっているものとする。また、主衛星１は地上へ電力を伝送するため絶えず軌道９の中心を指向しており、主衛星１に固定した太陽電池２の受光面が反地球側（図中では軌道の外側）を向いている。この図４において、主衛星１からなる太陽光発電衛星システムの時間経過による移動方向は、反時計まわりである。なお、図３では主衛星１を基準とする回転座標系での集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの位置の遷移を示したのに対し、図４では地球を中心とした慣性空間での太陽光発電衛星システムを示している。また、互いの位置関係によって太陽１１の日陰にならないよう、集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの間隔は十分に離れているものとする。

次に図４を用いて、主衛星１と集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの位置関係による発電の状態を、時間の経過に合わせて説明する。まず初期の時刻ｔ_０において主衛星１に搭載した太陽電池２の受光面は太陽と反対側にある。このため、従来の太陽光発電衛星システムは太陽追尾機構を用いて太陽電池を太陽方向に向けて発電を行うよう構成されていた。しかしながら、この実施の形態１による太陽光発電衛星システムは、集光衛星６ａ（ｔ_０）と集光衛星６ｂ（ｔ_０）が反射した太陽光を、太陽電池２の受光面で受けて発電する。太陽電池２の電力はマイクロ波に変換され、送信アンテナ４から地上へ電力を伝送する。

時刻ｔ_１及び時刻ｔ_２においても、時刻ｔ_０と同様に主衛星１の太陽電池２の受光面は太陽光を直接受けられないが、この実施の形態１では、集光衛星６ａ（ｔ_１）及び集光衛星６ｂ（ｔ_２）にて反射した太陽光を受けて太陽電池２が発電する。時刻ｔ_３では主衛星１に搭載した太陽電池２が太陽に正対するため、集光衛星からの反射光を利用せずに発電できる。時刻ｔ_４及び時刻ｔ_５では時刻ｔ_０と同様に、主衛星１の太陽電池２は太陽光を直接受けられない。このため、太陽電池２は集光衛星６ｂ（ｔ_４）及び集光衛星６ｂ（ｔ_５）にて反射した太陽光を受けて発電する。
なお、集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはそれぞれ姿勢制御装置を具備しているが、慣性空間で大きく姿勢変更することなく、反射光を主衛星１へ送り込めることが、この図から分かる。

次に地球の公転によって、地球とこれを周回する太陽光発電衛星システムへの太陽光１１の入射方向が反時計回りに変化した場合について説明する。図５は太陽光１１の入射方向が図中上から下となった場合の太陽光発電衛群の位置関係を示している。

時刻ｔ_０においては、主衛星１に搭載した太陽電池２が太陽に正対するため、集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからの反射光を利用せずに発電できる。また、時刻ｔ_２では集光衛星６ｄ（ｔ_２）にて反射した太陽光を受けて発電する。さらに、時刻ｔ_３では集光衛星６ｄ（ｔ_３）と集光衛星６ｃ（ｔ_３）にて反射した太陽光を受けて発電する。したがって、１年を通じて太陽光１１の入射方向が変化しても、太陽光発電衛星システムは常時発電を続けることができる。

以上説明したように、実施の形態１の太陽光発電衛群は、太陽光を受けて太陽電池２で発電し、太陽電池２の発電した電力を送電する主衛星１と、上記主衛星１の周りを周回するとともに、入射した太陽光を反射して上記主衛星１に照射する反射体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを有した複数の集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、を備え、上記それぞれの集光衛星６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの軌道は、遠地点が上記主衛星１の軌道の外側に設定され、それぞれの軌道の遠地点の位置が互いに異なるように配置されて構成される。これによって、主衛星１に搭載した太陽電池２を回転駆動することなく、発電を継続することができる。

実施の形態２.
上記の実施の形態１では、集光衛星の軌道を変更していないが、それぞれに軌道制御装置を与えることで、積極的に遠地点の位置を変えても良い。

図６は、主衛星１、及び軌道制御装置（図示せず）と姿勢制御装置（図示せず）を具備した複数（図の例では２つ）の集光衛星６ａ、６ｂからなる、太陽光発電衛星システムの構成を示す図である。図６において、主衛星１は、図１と同じ構成を具備しており、太陽電池２と、送信部３と、送信アンテナ４と、主衛星本体５からなる。集光衛星６ａ、６ｂは、図１と同じ構成を具備しており、それぞれ反射体８ａ、８ｂと、集光衛星本体７ａ、７ｂからなる。また、実施の形態２の集光衛星本体７ａ、７ｂは、スラスタ、モーメンタムホイール、姿勢検出センサ、計算機などからなる姿勢制御装置（図示せず）と、スラスタ、位置検出センサ、計算機などからなる軌道制御装置（図示せず）とを搭載している。集光衛星本体７ａ、７ｂは、姿勢制御装置によって適宜姿勢を制御しながら、その軌道制御装置によって集光衛星６ａ、６ｂの軌道を制御し、遠地点の位置を地球の公転の周期に同期させて移動させる。

また、図７は集光衛星６ａの軌道１０ａをこれに搭載した軌道制御装置によって制御し、遠地点の位置を地球の公転の周期に同期させて移動させた時の、半年後の軌道１０ａ_２を示す模式図である。図７では、集光衛星６ａの軌道のみについて表しているが、集光衛星の全てについて主衛星１の公転の周期に同期させて遠地点の位置を移動させる軌道制御を行う。

図８は実施の形態２における太陽光発電衛星システムの位置関係を北の天頂から見て示した図である。この図において、軌道一周回中の太陽光１１の入射方向は変わらないものとし、図８中の下から上に向かっている。

図８の時刻ｔ_０において集光衛星６ａ（ｔ_０）と集光衛星６ｂ（ｔ_０）は太陽光を反射させ、主衛星１の太陽電池２はこれを受けて発電し電力を地上へ伝送する。時刻ｔ_２では集光衛星６ａ（ｔ_２）にて反射した太陽光を主衛星１が受けて発電する。時刻ｔ_３では主衛星１が太陽光を直接受けて発電する。時刻ｔ_４では集光衛星６ｂ（ｔ_４）にて反射した太陽光を主衛星１が受けて発電する。

図８は、地球の公転によって、地球とこれを周回する太陽光発電衛星システムへの太陽光１１の入射方向が反時計回りに変化し、太陽光１１の入射方向が図中上から下となった場合の、太陽光発電衛群の位置関係を示している。このとき集光衛星６ａ、６ｂの軌道の遠地点は軌道制御によって移動しており、図７では近地点となるタイミングであっても軌道制御後の図８では遠地点となる。この図８の時刻ｔ_０において太陽光を主衛星１が直接受けて発電する。時刻ｔ_２では集光衛星６ｂ（ｔ_２）にて反射した太陽光を主衛星１が受けて発電する。時刻ｔ_３では集光衛星６ａ（ｔ_３）、６ｂ（ｔ_３）にて反射した太陽光を主衛星１が受けて発電する。同様にして時刻ｔ_４では集光衛星６ｂ（ｔ_４）にて反射した太陽光を主衛星１が受けて発電する。

このように実施の形態２による太陽光発電衛星システムは、太陽光を受けて太陽電池２で発電し、太陽電池２の発電した電力を送電する主衛星１と、上記主衛星１の周りを周回するとともに、入射した太陽光を反射して上記主衛星１に照射する反射体８ａ、８ｂを有した複数の集光衛星６ａ、６ｂと、を備え、上記それぞれの集光衛星６ａ、６ｂの軌道は、遠地点が上記主衛星１の軌道の外側に設定され、それぞれの軌道の遠地点の位置が互いに異なるように配置されて構成される。また、上記集光衛星は軌道制御装置を備え、上記主衛星に対する相対的位置関係を上記集光衛星の軌道の変更によって制御し、公転の周期に同期させて上記集光衛星の遠地点の位置を移動させる。

したがって、公転の周期に同期させて集光衛星６ａ、６ｂの遠地点の位置を軌道制御によって移動させることにより、主衛星１と少なくとも２つの集光衛星６ａ、６ｂを用いて、１年を通じた太陽光１１の入射方向変化においても発電することができる。

ところで、上記実施の形態１、２の説明では、太陽電池２の受光面を平面状でかつ片面としていたが、立体的に構成しても良く、平面状でかつ両面としても良いことは言うまでもない。

１主衛星、２太陽電池、３送信部、４送信アンテナ、５主衛星本体、６ａ集光衛星、６ｂ集光衛星、６ｃ集光衛星、６ｄ集光衛星、７ａ集光衛星本体、７ｂ集光衛星本体、７ｃ集光衛星本体、７ｄ集光衛星本体、８ａ反射体、８ｂ反射体、８ｃ反射体、８ｄ反射体。

Claims

太陽光を受けて発電し、発電した電力を送電する主衛星と、
上記主衛星の周りを周回するとともに、入射した太陽光を反射して上記主衛星に照射する反射体を有した複数の集光衛星と、
を備え、
上記それぞれの集光衛星の軌道は、遠地点が上記主衛星の軌道の外側に設定され、それぞれの軌道の遠地点の位置が互いに異なるように配置された太陽光発電衛星システム。
上記集光衛星は軌道制御装置を備え、上記主衛星に対する相対的位置関係を上記集光衛星の軌道の変更によって制御し、公転の周期に同期させて上記集光衛星の遠地点の位置を移動させる請求項１記載の太陽光発電衛星システム。