JP2527905B2 - 自由電子レ―ザ―光の発生装置及びそのレ―ザ―光によるエネルギ輸送システム - Google Patents
自由電子レ―ザ―光の発生装置及びそのレ―ザ―光によるエネルギ輸送システムInfo
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- JP2527905B2 JP2527905B2 JP5155446A JP15544693A JP2527905B2 JP 2527905 B2 JP2527905 B2 JP 2527905B2 JP 5155446 A JP5155446 A JP 5155446A JP 15544693 A JP15544693 A JP 15544693A JP 2527905 B2 JP2527905 B2 JP 2527905B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、地球外周の所定空間
に静止した人工衛星に設置した装置で太陽光のエネルギ
を自由電子レーザー光に変換する自由電子レーザー光の
発生装置と、この装置により発生するレーザー光を地上
へ伝送してエネルギ源とするエネルギ輪送システムに関
する。
に静止した人工衛星に設置した装置で太陽光のエネルギ
を自由電子レーザー光に変換する自由電子レーザー光の
発生装置と、この装置により発生するレーザー光を地上
へ伝送してエネルギ源とするエネルギ輪送システムに関
する。
【０００２】
【従来の技術】地球環境問題が重要視される中で、太陽
光発電はクリーンなエネルギ源として注目されており、
太陽電池による発電効率の向上をめざして種々の開発が
行なわれている。
光発電はクリーンなエネルギ源として注目されており、
太陽電池による発電効率の向上をめざして種々の開発が
行なわれている。
【０００３】一方、地球外周の所定空間に人工衛星を静
止させ、この衛星内に設置した装置によりマイクロ波を
発射し、これを地上で受信して電気エネルギに変換する
方法も例えば雑誌「日経サイエンス」別冊、特集宇宙科
学、１９８１年９月１日発行Ｐ１２７〜１３７、１４３
により提案されている。
止させ、この衛星内に設置した装置によりマイクロ波を
発射し、これを地上で受信して電気エネルギに変換する
方法も例えば雑誌「日経サイエンス」別冊、特集宇宙科
学、１９８１年９月１日発行Ｐ１２７〜１３７、１４３
により提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た太陽光発電方式は天候の影響を受け易く、夜間は電力
供給ができなくなり、このため稼動率は実質的に日本に
おいては１０％程度（ピークパワー時相当）となる。
又、太陽光を受光する太陽電池の設置面積として大面積
が必要であり、エネルギ集中性も悪いという欠点があ
る。このためたとえ太陽電池コストが目標どおり１００
〜２００円／ＫＷＰまで下ったとしても主要エネルギ源
とはなり難い。
た太陽光発電方式は天候の影響を受け易く、夜間は電力
供給ができなくなり、このため稼動率は実質的に日本に
おいては１０％程度（ピークパワー時相当）となる。
又、太陽光を受光する太陽電池の設置面積として大面積
が必要であり、エネルギ集中性も悪いという欠点があ
る。このためたとえ太陽電池コストが目標どおり１００
〜２００円／ＫＷＰまで下ったとしても主要エネルギ源
とはなり難い。
【０００５】マイクロ波による発電方式は、エネルギの
指向性が悪く、かつ加熱等の効果で長距離での高密度エ
ネルギ輸送が困難である。又、仮りに地上で５００万Ｋ
Ｗパワーの受信施設を設けるとすると、その施設面積は
径が１０Ｋｍ以上と極めて大規模となり、日本のような
状況ではコスト面からも地理的な面からもその実施には
大きな困難性がある。
指向性が悪く、かつ加熱等の効果で長距離での高密度エ
ネルギ輸送が困難である。又、仮りに地上で５００万Ｋ
Ｗパワーの受信施設を設けるとすると、その施設面積は
径が１０Ｋｍ以上と極めて大規模となり、日本のような
状況ではコスト面からも地理的な面からもその実施には
大きな困難性がある。
【０００６】これに対してレーザー光はエネルギの指向
性、集中性、直進性に優れ、エネルギの必要な地点へ小
面積でかつ高密度でエネルギを送ることができ、述上し
た他の方式に比して実用上多くの有利な点を有する。
性、集中性、直進性に優れ、エネルギの必要な地点へ小
面積でかつ高密度でエネルギを送ることができ、述上し
た他の方式に比して実用上多くの有利な点を有する。
【０００７】しかし、レーザー光であればどんなもので
もよい訳ではなく、固体レーザー、ガスレーザーなどの
一般的なレーザー装置は、励起媒体によって決まる一定
波長のレーザー光しか発振しないため、宇宙空間から空
気中への伝送途中で減衰する割合が大きい場合があり、
高効率なレーザー光によるエネルギ輸送システムの確立
が所望されている。
もよい訳ではなく、固体レーザー、ガスレーザーなどの
一般的なレーザー装置は、励起媒体によって決まる一定
波長のレーザー光しか発振しないため、宇宙空間から空
気中への伝送途中で減衰する割合が大きい場合があり、
高効率なレーザー光によるエネルギ輸送システムの確立
が所望されている。
【０００８】この発明は、上述した従来の太陽エネルギ
を利用した発電システムの種々の問題点に留意して、静
止衛星内に太陽光から太陽電池により発電した電力で駆
動される自由電子レーザー光の発生装置と、これにより
発生される自由電子レーザー光を地上の受光装置へ送信
して高効率で高密度エネルギを地上まで輸送するエネル
ギ輸送システムを提供することを課題とする。
を利用した発電システムの種々の問題点に留意して、静
止衛星内に太陽光から太陽電池により発電した電力で駆
動される自由電子レーザー光の発生装置と、これにより
発生される自由電子レーザー光を地上の受光装置へ送信
して高効率で高密度エネルギを地上まで輸送するエネル
ギ輸送システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題の解決手段】上記課題を解決する手段としてこの
発明は、カソードから放出される電子ビームを加速する
加速器と、この光速に近く加速された電子ビームを一対
のミラーから成る光共振器の間に置かれた周期的に電磁
場の向きが反転する磁界を形成する電磁場形成手段中に
導き、電子ビームの電磁場中での蛇行による相互作用に
より発生した電磁波を光共振器により増幅してレーザー
光を発生する自由電子レーザー発振部と、この発振部か
ら出た電子ビームを減速して電子ビームエネルギを回復
させる減速器とをその減速器から出た電子ビームが周回
経路により加速器へ戻るように設け、上記加速器と減速
器はそれぞれ太陽電池と、その一方の電極に接続され発
電により分極した一方の電極電圧で加速電界、又は減速
電界を生じさせる電極板とから成る自由電子レーザー発
生装置としたのである。そして上記自由電子レーザー発
生装置を用いて地球上へ宇宙空間から太陽エネルギを送
る手段として、地球外周の所定空間に静止した人工衛星
内に請求項１に記載の自由電子レーザー発生装置を設置
し、このレーザー発生装置の太陽電池と電極板から成る
加速器、減速器で電子ビームを加速、又は減速し、かつ
周期磁場のピッチ、磁場強度及び加速電界、減速限界を
適宜設定することにより大気中での伝送損失が最小とな
る波長帯を選択した自由電子レーザー光を発生させ、得
られた自由電子レーザー光を拡がり角度が所定範囲内で
大気中へ伝送し、地上又は空中の受光装置で受光してエ
ネルギを輸送することからなる自由電子レーザー光によ
るエネルギ輸送システムとしたのである。
発明は、カソードから放出される電子ビームを加速する
加速器と、この光速に近く加速された電子ビームを一対
のミラーから成る光共振器の間に置かれた周期的に電磁
場の向きが反転する磁界を形成する電磁場形成手段中に
導き、電子ビームの電磁場中での蛇行による相互作用に
より発生した電磁波を光共振器により増幅してレーザー
光を発生する自由電子レーザー発振部と、この発振部か
ら出た電子ビームを減速して電子ビームエネルギを回復
させる減速器とをその減速器から出た電子ビームが周回
経路により加速器へ戻るように設け、上記加速器と減速
器はそれぞれ太陽電池と、その一方の電極に接続され発
電により分極した一方の電極電圧で加速電界、又は減速
電界を生じさせる電極板とから成る自由電子レーザー発
生装置としたのである。そして上記自由電子レーザー発
生装置を用いて地球上へ宇宙空間から太陽エネルギを送
る手段として、地球外周の所定空間に静止した人工衛星
内に請求項１に記載の自由電子レーザー発生装置を設置
し、このレーザー発生装置の太陽電池と電極板から成る
加速器、減速器で電子ビームを加速、又は減速し、かつ
周期磁場のピッチ、磁場強度及び加速電界、減速限界を
適宜設定することにより大気中での伝送損失が最小とな
る波長帯を選択した自由電子レーザー光を発生させ、得
られた自由電子レーザー光を拡がり角度が所定範囲内で
大気中へ伝送し、地上又は空中の受光装置で受光してエ
ネルギを輸送することからなる自由電子レーザー光によ
るエネルギ輸送システムとしたのである。
【００１０】
【００１１】
【作用】上記の構成としたこの発明のエネルギ輸送シス
テムは、マイクロ波方式など他のエネルギ輸送システム
に比してはるかに高効率で高密度エネルギを地上に輸送
できる。そして、システム全体は原子力発電方式よりも
安いコストで十分実現できる。そのエネルギ輸送の概略
は以下の通りである。
テムは、マイクロ波方式など他のエネルギ輸送システム
に比してはるかに高効率で高密度エネルギを地上に輸送
できる。そして、システム全体は原子力発電方式よりも
安いコストで十分実現できる。そのエネルギ輸送の概略
は以下の通りである。
【００１２】まず、上述した自由電子レーザー光の発生
装置における自由電子レーザー光の発振効率は、図５の
レーザーシステムのパワー流れ図に示すように装置を構
成すると次のようになる。
装置における自由電子レーザー光の発振効率は、図５の
レーザーシステムのパワー流れ図に示すように装置を構
成すると次のようになる。
【００１３】
【数１】
【００１４】上式により発振効率を求めると図６の
（ａ）、（ｂ）のようになる。この場合、（ａ）、
（ｂ）のグラフはそのηb やηOSC 、ＧL の値を種々に
変化させて求めたηL の２つの代表例を示すものであ
る。（ａ）においてηrecO＝０．９とするとηL ≒０．
５となるのが分る。なお、ηOSC は発振器の効率、Ｇは
増幅器での利得である。Ｒ＝（ηb ηext ／ηOSC ）・
Ｇである。
（ａ）、（ｂ）のようになる。この場合、（ａ）、
（ｂ）のグラフはそのηb やηOSC 、ＧL の値を種々に
変化させて求めたηL の２つの代表例を示すものであ
る。（ａ）においてηrecO＝０．９とするとηL ≒０．
５となるのが分る。なお、ηOSC は発振器の効率、Ｇは
増幅器での利得である。Ｒ＝（ηb ηext ／ηOSC ）・
Ｇである。
【００１５】上記自由電子レーザー光の発生装置を用い
てエネルギ輸送する場合のコストについて検討すると次
の通りである。
てエネルギ輸送する場合のコストについて検討すると次
の通りである。
【００１６】レーザーエネルギ輸送による宇宙太陽エネ
ルギシステムを考える。このときパワーフローは図１の
ようになる。最終的に得られる電力Ｐは、 Ｐ＝ＩS ＡηC ηL ηT ηR ＝ＩS Ａη １） で表される。ここでＩS は地球近傍での太陽パワー密度
で、Ａは太陽受光面積、ηC は太陽エネルギからレーザ
ー励起のための電力への変換効率、ηL はレーザーの効
率、ηT は伝送効率、ηR は受信効率である。η＝ηC
ηL ηT ηR で全システム効率を示す。エネルギ変換に
は、太陽電池、熱電子発電、ＭＨＤ発電等が考えられる
が、ここでは太陽電池を主として考える。このとき宇宙
太陽発電ステーションのコストＣS はおおまかに、 ＣS ＝ＡＭＣP ＋ＡＣm ２） と考えられる。ここでＭは太陽電池システムの単位面積
当たりの平均重量であり、ＣP は単位重量当たりの宇宙
軌道への打ち上げのためのペイロードコストを表す。ま
たＣm は太陽電池の実質的な単位面積当たりの製作コス
トである。これには太陽電池自体とその周辺機器、伝送
用レーザー、受信システムの製作費が含まれている。こ
れらは出力すなわち受光面積Ａに一次元的に依存するも
のとして考えている。そのためＡでくくられた形でここ
では表している。１）、２）式より最終的な電力コスト
（／ＫＷｈ）は、
ルギシステムを考える。このときパワーフローは図１の
ようになる。最終的に得られる電力Ｐは、 Ｐ＝ＩS ＡηC ηL ηT ηR ＝ＩS Ａη １） で表される。ここでＩS は地球近傍での太陽パワー密度
で、Ａは太陽受光面積、ηC は太陽エネルギからレーザ
ー励起のための電力への変換効率、ηL はレーザーの効
率、ηT は伝送効率、ηR は受信効率である。η＝ηC
ηL ηT ηR で全システム効率を示す。エネルギ変換に
は、太陽電池、熱電子発電、ＭＨＤ発電等が考えられる
が、ここでは太陽電池を主として考える。このとき宇宙
太陽発電ステーションのコストＣS はおおまかに、 ＣS ＝ＡＭＣP ＋ＡＣm ２） と考えられる。ここでＭは太陽電池システムの単位面積
当たりの平均重量であり、ＣP は単位重量当たりの宇宙
軌道への打ち上げのためのペイロードコストを表す。ま
たＣm は太陽電池の実質的な単位面積当たりの製作コス
トである。これには太陽電池自体とその周辺機器、伝送
用レーザー、受信システムの製作費が含まれている。こ
れらは出力すなわち受光面積Ａに一次元的に依存するも
のとして考えている。そのためＡでくくられた形でここ
では表している。１）、２）式より最終的な電力コスト
（／ＫＷｈ）は、
【００１７】
【数２】
【００１８】と表される。ここでｆは単純化された装置
の初期資本コスト因子であり耐用年数τにもよるがｆ＝
４〜５程度である。Ｒは稼動率を示す。ｆ、Ｒ、τはそ
れぞれ相関関係があるが、ここでは詳しく議論せずに独
立したものと考える。
の初期資本コスト因子であり耐用年数τにもよるがｆ＝
４〜５程度である。Ｒは稼動率を示す。ｆ、Ｒ、τはそ
れぞれ相関関係があるが、ここでは詳しく議論せずに独
立したものと考える。
【００１９】今、仮りに使用できる最終的な電力をＰ＝
１００万ＫＷｅと考える。太陽電池のηc ＝０．２とお
いてηL ＝０．５、ηT ＝０．９、ηR ＝０６とおく
と、必要な太陽電池の面積Ａ＝１．８×１０7 ｍ2 とな
り、約４Ｋｍ四方となる。またこのときのコストＣP ＝
８×１０4 ｙｅｎ／ｋｇと考えｍ＝０．０３ｋｇ／
ｍ2、Ｃm ＝６００ｙｅｎ／ｍ2 、η＝ηC ηL ηT η
R ＝０．２×０．５×０．９×０．６＝０．０２７と
し、ｆ＝５、τ＝５、Ｒ＝０．９とおくとＣ＝５ｙｅｎ
／ＫＷｈとなる。これは原子力の原価を下回る。
１００万ＫＷｅと考える。太陽電池のηc ＝０．２とお
いてηL ＝０．５、ηT ＝０．９、ηR ＝０６とおく
と、必要な太陽電池の面積Ａ＝１．８×１０7 ｍ2 とな
り、約４Ｋｍ四方となる。またこのときのコストＣP ＝
８×１０4 ｙｅｎ／ｋｇと考えｍ＝０．０３ｋｇ／
ｍ2、Ｃm ＝６００ｙｅｎ／ｍ2 、η＝ηC ηL ηT η
R ＝０．２×０．５×０．９×０．６＝０．０２７と
し、ｆ＝５、τ＝５、Ｒ＝０．９とおくとＣ＝５ｙｅｎ
／ＫＷｈとなる。これは原子力の原価を下回る。
【００２０】１ｋｇ当たりのペイロードコストはスペー
スシャトルで１，０００，０００円、アリアンロケット
で６００，０００円、また近い将来開発されるＡＬＳで
８０，０００円となっている。ペイロードコストがコス
トの上からは最大の課題である。現状ではアリアンで打
ち上げてＣm ＝２０００ｙｅｎ／ｍ2 とすると１２０
ｙｅｎ／ＫＷｈとなる。その内の９０％が打ち上げ費用
となる。太陽電池自体は７００ｙｅｎ／ＫＷｐが現状で
あるが近い将来２００ｙｅｎ／ＫＷｐとなる可能性があ
る。これを基として全システムはその２倍として計算し
ている。
スシャトルで１，０００，０００円、アリアンロケット
で６００，０００円、また近い将来開発されるＡＬＳで
８０，０００円となっている。ペイロードコストがコス
トの上からは最大の課題である。現状ではアリアンで打
ち上げてＣm ＝２０００ｙｅｎ／ｍ2 とすると１２０
ｙｅｎ／ＫＷｈとなる。その内の９０％が打ち上げ費用
となる。太陽電池自体は７００ｙｅｎ／ＫＷｐが現状で
あるが近い将来２００ｙｅｎ／ＫＷｐとなる可能性があ
る。これを基として全システムはその２倍として計算し
ている。
【００２１】これらのパラメータを表１にまとめる。Ｃ
m 、ｍ，Ｃp 等をパラメータにとった場合の関係を図７
に示す。
m 、ｍ，Ｃp 等をパラメータにとった場合の関係を図７
に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】以上から高効率でレーザー光を太陽光から
発振させこれを地上へ伝送してエネルギ輸送し得ること
が理解されるであろう。
発振させこれを地上へ伝送してエネルギ輸送し得ること
が理解されるであろう。
【００２４】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１はこの発明のエネルギ輸送システム
の概念図を示す。地球Ｅの外周の所定空間に人工衛星Ｏ
Ｂを静止させ、この人工衛星ＯＢ内にはレーザー発生装
置１を設ける。レーザー発生装置１は多数の太陽電池２
と自由電子レーザー発振装置（以下ＦＥＬと略記する）
３とから成り、発振装置で発生したレーザー光を直接に
又は中継ステーション４を介して地上又は空中に設置し
た受光装置５へ伝送する。
して説明する。図１はこの発明のエネルギ輸送システム
の概念図を示す。地球Ｅの外周の所定空間に人工衛星Ｏ
Ｂを静止させ、この人工衛星ＯＢ内にはレーザー発生装
置１を設ける。レーザー発生装置１は多数の太陽電池２
と自由電子レーザー発振装置（以下ＦＥＬと略記する）
３とから成り、発振装置で発生したレーザー光を直接に
又は中継ステーション４を介して地上又は空中に設置し
た受光装置５へ伝送する。
【００２５】上記レーザー発生装置１では、図２に示す
ように、複数の太陽電池２により電子ビームの加速器６
及び減速器７を構成し、かつウイグラー磁界を用いたＦ
ＥＬ３とレーザー増幅装置３’を備えている。
ように、複数の太陽電池２により電子ビームの加速器６
及び減速器７を構成し、かつウイグラー磁界を用いたＦ
ＥＬ３とレーザー増幅装置３’を備えている。
【００２６】なお、図示省略しているが、レーザー発生
装置１は、電子ビーム（図中太線で示す）が周回する軌
道の経路に沿って設けられた加速器６、ＦＥＬ３、減速
器７、加速器６、レーザー増幅器３’、及び減速器７か
ら成る１組のレーザー発生装置を所要の複数組備えたも
のから成る。
装置１は、電子ビーム（図中太線で示す）が周回する軌
道の経路に沿って設けられた加速器６、ＦＥＬ３、減速
器７、加速器６、レーザー増幅器３’、及び減速器７か
ら成る１組のレーザー発生装置を所要の複数組備えたも
のから成る。
【００２７】加速器６は、図２に示すように、多数の小
さな太陽電池を組合せて１つのユニット化した太陽電池
２を上記電子ビームの軌道を挟んで一対配置しかつこれ
を複数対軌道に沿って配設し、記号Ａの拡大図に示すよ
うに、各太陽電池２の＋極２ａを電子ビームの進行方向
側とし、一対の太陽電池２、２の＋極２ａ、２ａ同士間
に加速板６ａを設けたものから成る。
さな太陽電池を組合せて１つのユニット化した太陽電池
２を上記電子ビームの軌道を挟んで一対配置しかつこれ
を複数対軌道に沿って配設し、記号Ａの拡大図に示すよ
うに、各太陽電池２の＋極２ａを電子ビームの進行方向
側とし、一対の太陽電池２、２の＋極２ａ、２ａ同士間
に加速板６ａを設けたものから成る。
【００２８】ＦＥＬ３は、図３（ａ）に示すような既に
周知の一般的なレーザー光を発生する装置であり、全反
射ミラー３１と半透ミラー３２の一対のミラー間にウイ
グラー磁石３３を配置したものから成る。このＦＥＬ３
では、前段の線形加速器６で相対論的な光速に近い速度
に加速された電子ビーム（太線で示す）が、偏向磁石３
４、３４によって軌道を曲げられて３１と３２のミラー
間に導入されると、磁石によって形成される電磁場の向
きが１８０°ずつ周期的に異なるように配置されたウイ
グラー磁石３３の磁界内で蛇行される。
周知の一般的なレーザー光を発生する装置であり、全反
射ミラー３１と半透ミラー３２の一対のミラー間にウイ
グラー磁石３３を配置したものから成る。このＦＥＬ３
では、前段の線形加速器６で相対論的な光速に近い速度
に加速された電子ビーム（太線で示す）が、偏向磁石３
４、３４によって軌道を曲げられて３１と３２のミラー
間に導入されると、磁石によって形成される電磁場の向
きが１８０°ずつ周期的に異なるように配置されたウイ
グラー磁石３３の磁界内で蛇行される。
【００２９】電子ビームが蛇行して進む間に、電子ビー
ムと電磁場との相互作用により発生する電磁波（光）の
作用で集群化（バンチ化）された電子ビームによって放
射光が放射され、これが一対のミラー３１、３２間を多
数回往復する間に増幅されてレーザー光として取り出さ
れる。以上が一般的なＦＥＬによるレーザー光の発生原
理である。
ムと電磁場との相互作用により発生する電磁波（光）の
作用で集群化（バンチ化）された電子ビームによって放
射光が放射され、これが一対のミラー３１、３２間を多
数回往復する間に増幅されてレーザー光として取り出さ
れる。以上が一般的なＦＥＬによるレーザー光の発生原
理である。
【００３０】減速器７は、基本的には加速器６とほぼ同
じ構成であり、複数の太陽電池２を組合せたものから成
るが、加速器６とは電極の向きが反対でかつ加速板６ａ
に代えて減速板７ａ（図示省略）が一極側に設けられて
いる点が異なる。
じ構成であり、複数の太陽電池２を組合せたものから成
るが、加速器６とは電極の向きが反対でかつ加速板６ａ
に代えて減速板７ａ（図示省略）が一極側に設けられて
いる点が異なる。
【００３１】減速器７では、電子ビームは減速板７ａで
速度を減速する間に電界からのエネルギ補給を受けて電
子ビームのエネルギレベルが回復される。
速度を減速する間に電界からのエネルギ補給を受けて電
子ビームのエネルギレベルが回復される。
【００３２】その後、図２に示すように、減速器７を出
た電子ビームと光はそれぞれ偏向磁石８、ミラー９で進
行方向を１８０°反転され、もう１つの加速器６へ送り
込まれる。この加速器６では上記減速器の太陽電池２の
片側列のものが兼用され、加速板６ａへ加速電圧を印加
するのに共用されている。
た電子ビームと光はそれぞれ偏向磁石８、ミラー９で進
行方向を１８０°反転され、もう１つの加速器６へ送り
込まれる。この加速器６では上記減速器の太陽電池２の
片側列のものが兼用され、加速板６ａへ加速電圧を印加
するのに共用されている。
【００３３】レーザー増幅器３’はＦＥＬ３の光共振器
である一対のミラー３１、３２が設けられていないウイ
グラー磁石３３’のみから構成されている。
である一対のミラー３１、３２が設けられていないウイ
グラー磁石３３’のみから構成されている。
【００３４】レーザー増幅３’では、その内部の同一軌
道上に導入されたレーザー光と電子ビームはウイグラー
磁石３３’中で再び相互作用を受けてレーザー光の強度
が増幅された後、レーザー光はミラー３５で反射されて
取り出され、電子ビームは偏向磁石３４’、３４’によ
り軌道を曲げて次のもう１つの減速器７へ送り込まれ
る。
道上に導入されたレーザー光と電子ビームはウイグラー
磁石３３’中で再び相互作用を受けてレーザー光の強度
が増幅された後、レーザー光はミラー３５で反射されて
取り出され、電子ビームは偏向磁石３４’、３４’によ
り軌道を曲げて次のもう１つの減速器７へ送り込まれ
る。
【００３５】もう１つの減速器７では再び電子ビームの
エネルギレベルの回復が図られ、その内部に設けられた
コレクタ１０で集められ、偏向磁石１１、１１で軌道を
曲げられてカソード１２へ送られる。
エネルギレベルの回復が図られ、その内部に設けられた
コレクタ１０で集められ、偏向磁石１１、１１で軌道を
曲げられてカソード１２へ送られる。
【００３６】こうして加速、減速、加速、減速の各作用
を受けながら電子ビームは周回軌道を回りながら繰り返
し、レーザー光の発振及び増幅を行なってレーザー光が
得られる。そして、上記と同じ周回軌道を形成するレー
ザー発生装置が複数組設けられているから、それら複数
組の装置によってレーザー光の強度が所望の大きさとな
るように設定される。
を受けながら電子ビームは周回軌道を回りながら繰り返
し、レーザー光の発振及び増幅を行なってレーザー光が
得られる。そして、上記と同じ周回軌道を形成するレー
ザー発生装置が複数組設けられているから、それら複数
組の装置によってレーザー光の強度が所望の大きさとな
るように設定される。
【００３７】上記レーザー発生装置では一般によく知ら
れているように、発生するレーザー光の波長λS は λS ＝λω（１＋Ｋ2 ）／２γ2 で表される。λωはウイグラー磁石の設置間隔、Ｋは共
鳴条件のパラメータ、γは電子ビームの加速エネルギで
ある。
れているように、発生するレーザー光の波長λS は λS ＝λω（１＋Ｋ2 ）／２γ2 で表される。λωはウイグラー磁石の設置間隔、Ｋは共
鳴条件のパラメータ、γは電子ビームの加速エネルギで
ある。
【００３８】従って、上記λω、Ｋパラメータ、γのい
ずれかを調整する（予めある大きさに設定する）ことに
よって発生するレーザー光は所望の波長のものが得られ
ることが分る。
ずれかを調整する（予めある大きさに設定する）ことに
よって発生するレーザー光は所望の波長のものが得られ
ることが分る。
【００３９】以上のようなレーザー発生装置を人工衛星
内に積込んで、これを所定の位置に静止させ、発生した
レーザー光を地上又は空中に設置した受光装置へ送り、
受光することによって太陽光のエネルギを輸送できるこ
とが分る。
内に積込んで、これを所定の位置に静止させ、発生した
レーザー光を地上又は空中に設置した受光装置へ送り、
受光することによって太陽光のエネルギを輸送できるこ
とが分る。
【００４０】なお、中継ステーション４は宇宙空間でレ
ーザー光を中継して増幅、送信するものであり、例えば
前述したレーザー発生装置中の加速器６、レーザー増幅
器３’の部分及びレーザー光の受光装置、送信装置など
を含むものとする。
ーザー光を中継して増幅、送信するものであり、例えば
前述したレーザー発生装置中の加速器６、レーザー増幅
器３’の部分及びレーザー光の受光装置、送信装置など
を含むものとする。
【００４１】上記宇宙空間から発射されるレーザー光の
波長は大気中へ入ったとき空気による減裏作用を受ける
から、その透過率の最大となる波長のレーザー光を選ぶ
必要がある。
波長は大気中へ入ったとき空気による減裏作用を受ける
から、その透過率の最大となる波長のレーザー光を選ぶ
必要がある。
【００４２】図４に光の波長と空気中の光の吸収率の関
係をグラフで示している。レーザーの波長は、大気中で
の成分分子による吸収、エアゾルによる散乱および大気
動揺による光の拡散、レーザーによる大気膨脹等を考慮
すると、グラフから近赤外から中赤外域が適していると
考えられる。遠赤外域になるとＯＫの吸収、可視光にな
ると散乱等の要素があり適当でない。
係をグラフで示している。レーザーの波長は、大気中で
の成分分子による吸収、エアゾルによる散乱および大気
動揺による光の拡散、レーザーによる大気膨脹等を考慮
すると、グラフから近赤外から中赤外域が適していると
考えられる。遠赤外域になるとＯＫの吸収、可視光にな
ると散乱等の要素があり適当でない。
【００４３】又、人工衛星内に設置される上記発電ステ
ーションと地表との距離は、いわゆる静止軌道が３．６
×１０4 ｋｍであることを考慮すると、１０4 〜１０5
ｋｍ位いとなり、この距離間でレーザー光を送受信する
際のレーザー光のビームの拡がり角は〜１０-4ｒｅｄと
なる。
ーションと地表との距離は、いわゆる静止軌道が３．６
×１０4 ｋｍであることを考慮すると、１０4 〜１０5
ｋｍ位いとなり、この距離間でレーザー光を送受信する
際のレーザー光のビームの拡がり角は〜１０-4ｒｅｄと
なる。
【００４４】受光装置５は、例えば半導体や熱電気変換
システムが用いられる。特に半導体による光・電気変換
装置は効率が約８０％以上であり、現状では最適であろ
う。
システムが用いられる。特に半導体による光・電気変換
装置は効率が約８０％以上であり、現状では最適であろ
う。
【００４５】以上のレーザー発生装置を人工衛星内に設
置する場合、その大きさは例えば次の通りとなる。
置する場合、その大きさは例えば次の通りとなる。
【００４６】システム全体の出力を１０００ＭＷ（１０
０万ＫＷ）とすると、レーザー１ビーム当り約１００Ｍ
Ｗとして１０ビーム必要となる。太陽電池が発生するエ
ネルギはレーザーの効率を約５０％とすると、その倍程
度の電力を発生する必要がある。太陽電池の効率は宇宙
空間では１０〜２０％と考えられ、太陽光の宇宙でのパ
ワーは１．４ＫＷ／ｍ2 であるから、面積は３．５×１
０5 ｍ2 のものが必要であり、これが１０組必要とな
る。
０万ＫＷ）とすると、レーザー１ビーム当り約１００Ｍ
Ｗとして１０ビーム必要となる。太陽電池が発生するエ
ネルギはレーザーの効率を約５０％とすると、その倍程
度の電力を発生する必要がある。太陽電池の効率は宇宙
空間では１０〜２０％と考えられ、太陽光の宇宙でのパ
ワーは１．４ＫＷ／ｍ2 であるから、面積は３．５×１
０5 ｍ2 のものが必要であり、これが１０組必要とな
る。
【００４７】なお、上述した実施例のレーザー発生装置
は主として地上へ太陽エネルギを輸送するシステムとし
て説明したが、規模を縮小すれば人工衛星での発電装
置、あるいはレーザー発生装置として人工衛星内での他
の目的に使用することもできることは言うまでもない。
は主として地上へ太陽エネルギを輸送するシステムとし
て説明したが、規模を縮小すれば人工衛星での発電装
置、あるいはレーザー発生装置として人工衛星内での他
の目的に使用することもできることは言うまでもない。
【００４８】
【効果】以上詳細に説明したように、この発明によるエ
ネルギ輸送システムは太陽電池駆動の自由電子レーザー
発生装置により大気中の伝送効率のよい波長の自由電子
レーザー光を宇宙空間の人工衛星内で発生させ、小さい
ビーム拡がり角で地上又は空中の受光装置へ伝送するこ
ととしたから、極めて高効率で太陽エネルギを地上へ輸
送することができ、原子力に代わるクリーンなエネルギ
として利用できるという優れた効果が得られる。
ネルギ輸送システムは太陽電池駆動の自由電子レーザー
発生装置により大気中の伝送効率のよい波長の自由電子
レーザー光を宇宙空間の人工衛星内で発生させ、小さい
ビーム拡がり角で地上又は空中の受光装置へ伝送するこ
ととしたから、極めて高効率で太陽エネルギを地上へ輸
送することができ、原子力に代わるクリーンなエネルギ
として利用できるという優れた効果が得られる。
【図１】この発明によるエネルギ輸送システムの概念図
【図２】レーザー発生装置の概略構成図
【図３】自由電子レーザー発振装置、レーザー増幅装置
の概略構成図
の概略構成図
【図４】大気中の光の吸収率と波長の関係を表わす図表
【図５】レーザーシステムでのパワー流れ図
【図６】レーザー効率と抽出効率の関係を示す図表
【図７】電力コストの概算値とレーザー効率の関係を示
す図表
す図表
１ レーザー発生装置 ２ 太陽電池 ３ 自由電子レーザー発振装置 ３’ レーザー増幅装置 ４ 中継ステーション ５ 受光装置 ６ 加速器 ７ 減速器 ８ 偏向磁石 ９ ミラー １０ コレクタ １１ 偏向磁石 １２ カソード
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−94681（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−102545（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−9482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−133846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−302739（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−205549（ＪＰ，Ａ) ＳＣＩＥＮＣＥ（1968年11月22日）巻 162、第3856号Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＤＩＲ ＥＣＴＥＤ ＥＮＥＲＧＹ ＷＥＡＰＯ ＮＳ（1987）Ｐ．228 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｑ ｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．28，Ｎｏ．４（Ａｐｒｉｌ, 1992) Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ ｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ 318（1992）20−25
Claims (2)
- 【請求項１】 カソードから放出される電子ビームを加
速する加速器と、この光速に近く加速された電子ビーム
を一対のミラーから成る光共振器の間に置かれた周期的
に電磁場の向きが反転する磁界を形成する電磁場形成手
段中に導き、電子ビームの電磁場中での蛇行による相互
作用により発生した電磁波を光共振器により増幅して自
由電子レーザー光を発生する自由電子レーザー発振部
と、この発振部から出た電子ビームを減速して電子ビー
ムエネルギを回復させる減速器とをその減速器から出た
電子ビームが周回経路により加速器へ戻るように設け、
上記加速器と減速器はそれぞれ太陽電池と、その一方の
電極に接続され発電により分極した一方の電極電圧で加
速電界、又は減速電界を生じさせる電極板とから成る自
由電子レーザー光の発生装置。 - 【請求項２】 地球外周の所定空間に静止した人工衛星
内に請求項１に記載の自由電子レーザー発生装置を設置
し、このレーザー発生装置の太陽電池と電極板から成る
加速器、及び減速器で電子ビームを加速、又は減速し、
かつ周期磁場のピッチ、磁場強度及び加速電界、減速電
界を適宜設定することにより大気中での伝送損失が最小
となる波長帯を選択した自由電子レーザー光を発生さ
せ、得られた自由電子レーザー光をその拡がり角度が所
定範囲内で大気中へ伝送し、地上又は空中の受光装置で
受光してエネルギを輸送することからなる自由電子レー
ザー光によるエネルギ輸送システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5155446A JP2527905B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 自由電子レ―ザ―光の発生装置及びそのレ―ザ―光によるエネルギ輸送システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5155446A JP2527905B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 自由電子レ―ザ―光の発生装置及びそのレ―ザ―光によるエネルギ輸送システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0715895A JPH0715895A (ja) | 1995-01-17 |
| JP2527905B2 true JP2527905B2 (ja) | 1996-08-28 |
Family
ID=15606222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5155446A Expired - Lifetime JP2527905B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 自由電子レ―ザ―光の発生装置及びそのレ―ザ―光によるエネルギ輸送システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2527905B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09247875A (ja) * | 1996-03-11 | 1997-09-19 | Naohisa Suzuki | 月面におけるエネルギー発生と レーザーによる地球へのエネルギー輸送 |
| DE19746430A1 (de) * | 1997-10-21 | 1999-04-22 | Ferdinand Christ | Anordnung zur Nutzung von Energie aus dem oder über das Weltall, insbesondere Sonnenenergie |
| US20120274147A1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-11-01 | Alliant Techsystems Inc. | Wireless energy transmission using near-field energy |
| US8802966B2 (en) * | 2011-12-06 | 2014-08-12 | The Boeing Company | Methods and systems for light energy augmented power |
| DE112014000582B4 (de) * | 2013-03-27 | 2021-05-06 | International Business Machines Corp. | Energieübertragungsvorrichtung, energieversorgungssystem und energieversorgungsverfahren |
| RU2605956C2 (ru) * | 2015-04-02 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) | Солнечная космическая электростанция |
| KR20170126326A (ko) * | 2016-05-09 | 2017-11-17 | 안광우 | 비행선을 이용한 풍력발전시스템 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54102545A (en) * | 1977-10-20 | 1979-08-13 | Davis Charles E | Solar energy system |
| JPS559482A (en) * | 1978-07-07 | 1980-01-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Light energy supply system |
| JPS5694681A (en) * | 1979-12-12 | 1981-07-31 | Us Government | Free electron laser |
| JPS63133846A (ja) * | 1986-11-20 | 1988-06-06 | 三井造船株式会社 | レ−ザによる送電方法及びレ−ザ発電器 |
| JPS63302739A (ja) * | 1987-05-29 | 1988-12-09 | Mitsubishi Electric Corp | 非接触給電装置 |
| JPH06205549A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-22 | Natl Aerospace Lab | 発電装置 |
-
1993
- 1993-06-25 JP JP5155446A patent/JP2527905B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH06205549A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-22 | Natl Aerospace Lab | 発電装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0715895A (ja) | 1995-01-17 |
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