JP3372583B2 - 太陽発電の発送電装置 - Google Patents
太陽発電の発送電装置Info
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Description
発電された電力をマイクロ波で受電物体へ送電する太陽
発電の発送電装置に関する。 【0002】 【従来の技術】太陽エネルギーにより発電された電力を
マイクロ波で地上の受電物体や、飛翔体あるいは宇宙工
場などの受電物体へ送電する太陽発電の発送電装置が知
られている(例えば、平成4年7月14日付読売新聞
(朝刊)13版第15面参照)。図4は、太陽発電の発
送電装置として静止軌道上に打ち上げれた太陽発送電衛
星を示す。この太陽発送電衛星は、太陽エネルギーによ
り発電された電力をマイクロ波に変換し、送電アンテナ
によって受電物体からのパイロット信号の到来方向へ放
射し、受電物体へ電力を無線送電するものである。 【0003】ところで、太陽発送電衛星の送電アンテナ
は複数のアンテナ素子から構成されており、この送電ア
ンテナから放射されるマイクロ波のビームを受電物体の
受電アンテナに正確に収束させるために、ビーム制御に
レトロディレクティブ方式の採用が考えられる。レトロ
ディレクティブ方式とは、送信すべき信号を、受信した
パイロット信号と共役位相を有する信号に変換して放射
するアンテナシステムである。太陽発送電衛星の送電ア
ンテナにレトロディレクティブ方式を採用することによ
り、受電点に対して鋭い指向性をもつ送電アンテナを形
成することができる。 【0004】図5により、レトロディレクティブ方式を
説明する。ここで、送電波を集中したい受電側の目標点
をAとし、この目標点Aから送電側に向けて周波数ωi
なるパイロット信号を放射するものとする。さらに、送
電側ではこのパイロット信号を受信するとともに、周波
数ωtなる送電波を目標点Aに向けて放射するものとす
る。目標点Aから発せられたパイロット信号が、t0時
間後に距離x0離れた送電側の基準点P0に到達するも
のと仮定すると、基準点P0におけるパイロット信号の
位相φ0は、 φ0=ωi(t0−x0/c) ・・・(1) となる。ここで、cは光速である。同様に、目標点Aか
ら距離x1離れた送電側の点P1における位相φ1は、 φ1=ωi(t0−x1/c) ・・・(2) となる。したがって、2点P0,P1間の位相差φi
は、 φi=φ1−φ0=−ωi・r/c ・・・(3) ここで、r=x1−x0となる。 【0005】今、送電側の2点P0,P1から同相で送
電波を放射したとすれば、目標点Aで受信されるこれら
の送電波の位相差は、送電波の周波数がωtであるか
ら、(3)式により、 φt=−ωt/c ・・・(4) となる。したがって、2点P0,P1からの送電波の位
相が目標点Aにおいて等しくなるためには、点P1から
放射される送電波の位相を、 φc=ωt・r/c ・・・(5) だけ補償してやればよい。つまり、送電側の基準点P0
以外の点において(5)式の位相補償を行うことによ
り、送電側から発せられたすべての送電波の位相が目標
点Aにおいて等しくなる。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たレトロディレクティブ方式を太陽発電の発送電装置に
採用する場合、送電アンテナの各アンテナ素子ごとにパ
イロット信号を受信するためのパイロットアンテナを設
けると、送電アンテナが大型になる上に、発送電装置の
重量が大幅に増加するという問題がある。 【0007】本発明の目的は、送電アンテナ素子とパイ
ロットアンテナとを合理的に配置して太陽発電の発送電
装置の小型化と計量化を計ることにある。 【0008】 【課題を解決するための手段】一実施例の構成を示す図
1に対応づけて本発明を説明すると、請求項1の発明
は、受電物体から送られてきたパイロット信号にしたが
って、太陽エネルギーにより発電された電力を複数のア
ンテナ素子から成る送電アンテナによってマイクロ波で
受電物体へ送電する太陽発電の発送電装置に適用され、
送電アンテナを複数のサブアレイ1に分割し、各サブア
レイ1の隅部に、受信したパイロット信号に基づいて基
準マイクロ波信号を生成する基準信号用パイロットアン
テナ3を配置し、基準信号用パイロットアンテナ3と対
向する隅部に、受信したパイロット信号に基づいて受電
物体の方向を演算する位相差検出用パイロットアンテナ
4〜6を配置し、それ以外の部分に、複数の送電アンテ
ナ2のアンテナ素子を均等に配置することにより、上記
目的を達成する。 【0009】 【作用】送電アンテナを複数のサブアレイ1に分割して
各サブアレイ1ごとにパイロットアンテナ3〜6を設け
る。これにより、太陽発電の発送電装置が小型、計量に
なる。 【0010】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段および作用の項では、本発明を分り
やすくするために実施例の図を用いたが、これにより本
発明が実施例に限定されるものではない。 【0011】 【実施例】本発明に係わる太陽発電の発送電装置は、多
数のサブアレイから成るアンテナを備える。図1は一実
施例のサブアレイを示す斜視図である。サブアレイ1
は、例えば縦横30cm、厚さ1cmの多層積層板から
成り、図4に示す太陽発送電衛星のフレームに多数枚固
定する。サブアレイ1の一方の表面には、受電物体へ電
力を送電するためのn個のマイクロストリップアンテナ
素子から成る送電アンテナ2、および受電物体からのパ
イロット信号を受信するためのパイロットアンテナ3〜
6を設ける。 【0012】サブアレイ1上の一方の隅部にパイロット
アンテナ3を設け、このパイロットアンテナ3で受信し
たパイロット信号に基づいて基準マイクロ波信号を生成
する。また、サブアレイ1上の他方の隅部に3個のパイ
ロットアンテナ4〜6を設け、一辺が送電アンテナ2か
ら送電されるマイクロ波の1波長以内の長さの正三角形
の各頂点にそれぞれ配置する。これらのパイロットアン
テナ4〜6で受信したパイロット信号に基づいて受電物
体の方向を演算する。なお、パイロットアンテナ3〜6
の設置場所以外のサブアレイ1上には、送電アンテナ2
のn個のマイクロストリップアンテナ素子を均等に配置
する。また、サブアレイ1の他方の表面には発電部7を
設け、太陽エネルギーによる発電を行う。 【0013】図2は図1に示すサブアレイ1の断面図で
ある。サブアレイ1の内部は多層積層構造となってお
り、アルミニウムハニカム層110を挟んで発電部7と
送電部8が上下に配置される。発電部7には、表面から
アルミニウムハニカム層110に向けて、カバーガラス
層111、接着剤層112、シリコン太陽電池セル11
3、電極層114、接着剤層115、絶縁フィルム層1
16、接着剤層117およびグラファイトエポキシ樹脂
層118が順に積層される。 【0014】一方、送電部8には、表面からアルミニウ
ムハニカム層110に向けて、アンテナ2〜6を含むア
ンテナ部層119、電力増幅部層120、位相制御部層
121およびアルミニウムハニカム層110を含む信号
処理部・電源部層122が順に積層される。 【0015】アンテナ部層119は、表面側の導電体層
123、テフロングラスファイバから成る誘電体層12
4、導電体層125およびテフロングラスファイバから
成る誘電体層126から構成される。 【0016】電力増幅部層120は、導電体層127、
テフロングラスファイバから成る誘電体層128、およ
び誘電体層128内に埋め込まれた電力増幅器などの集
積回路129から構成される。この集積回路129は、
アンテナ部層119のマイクロストリップアンテナ素子
と位相制御部層121の後述する導電体層130に電気
的に接続される。 【0017】位相制御部層121は、導電体層130、
テフロングラスファイバから成る誘電体層131、およ
び誘電体層131内に埋め込まれたMMIC(Mono
lithic Microwave Integrat
ed Circuit)などの集積回路132から構成
される。集積回路132は、誘電体層131に形成され
た収納部133内に接着剤134を充填して埋め込まれ
ており、導電体層130に電気的に接続されている。 【0018】信号処理部・電源部層122は、導電体層
135、アルミニウムハニカム層136および誘電体層
137内に埋め込まれた集積回路138から構成され
る。集積回路138は、誘電体層137に形成された収
納部139に接着剤140を充填して埋め込まれてお
り、誘電体層137に電気的に接続される。このよう
に、サブアレイ1は太陽発電の発送電装置として完全に
独立している。 【0019】図3は、図1に示すサブアレイ1の電気回
路のブロック図である。受信回路11は、パイロットア
ンテナ3により受信した例えば8GHzのパイロット信
号を所定のレベルに増幅して位相共役回路12へ出力す
る。位相共役回路12は、入力されたパイロット信号と
位相が共役な3倍周波数の基準マイクロ波信号を生成し
て分波回路13へ出力する。 【0020】ここで、図5に示す送電側の基準点P0に
おける入力信号の位相をωi・tとすると、(3)式に
より点P1における位相φiは、 φi=ωi・t−ωi・r/c =ωi(t−r/c) ・・・(6) となる。点P1において位相を補償した後の出力信号の
位相は、(5)式により、 φ=ωt・t+ωt・r/c =ωt(t+r/c) ・・・(7) とならなければならない。つまり、位相共役回路12は
(6)式に示すパイロット信号の位相を(7)式に示す
位相に変換して出力する。 【0021】分波回路13は、入力された基準マイクロ
波信号を分波してn個の可変移相器14a,14b,・
・・,14nへ出力する。なお、各可変位相器14a〜
14nは送電アンテナ2のn個のマイクロストリップア
ンテナにそれぞれ対応している。 【0022】一方、受信回路15〜17は、それぞれパ
イロットアンテナ4〜6により受信したパイロット信号
を所定のレベルに増幅して角度検出回路18へ出力す
る。角度検出回路18はRF干渉計を備えており、3個
のパイロットアンテナ4〜6で受信したパイロット信号
の移相差を計ることにより受電物体の方向を求め、その
方向を示す角度信号を演算処理回路19へ出力する。 【0023】演算処理回路19はマイクロコンピュータ
ーを備えており、入力された角度信号に基づいて送電ア
ンテナ2の各マイクロストリップアンテナ素子20a,
20b,・・・,20nから出力されるマイクロ波が受
電物体の受電アンテナに収束するようなマイクロ波の移
相差を演算して可変移相器14a,14b,・・・,1
4nへ出力する。可変移相器14a,14b,・・・,
14nはそれぞれ、演算処理回路19から入力された移
相差信号にしたがって分波回路13から入力された基準
位相のマイクロ波に位相差を生じさせ、電力増幅器21
a,21b,・・・,21nへ出力する。 【0024】電力増幅器21a,21b,・・・,21
nは、送電アンテナ2の各マイクロストリップアンテナ
素子20a,20b,・・・,20nにそれぞれ対応し
て設けられ、発電部7で発電された電力によって可変位
相器14a,14b,・・・,14nから出力されたマ
イクロ波を電力増幅し、送電アンテナ2の各マイクロス
トリップアンテナ素子20a,20b,・・・,20n
へ出力する。送電アンテナ2の各マイクロストリップア
ンテナ素子20a,20b,・・・,20nはそれぞ
れ、電力増幅された位相差を有するマイクロ波を受電物
体に向けて放射する。 【0025】なお、受信回路11、位相共役回路12、
分波回路13および可変位相器14a,14b,・・
・,14nが位相制御部23を構成し、パイロットアン
テナ4〜6、受信回路15〜17、角度検出回路18お
よび演算処理回路19が信号処理部24を構成する。 【0026】このように、太陽発電の発送電装置のアン
テナを複数のサブアレイに分割し、各サブアレイごとに
受電物体から放射されるパイロット信号を受信するため
のパイロットアンテナを設けるようにしたので、太陽発
電の発送電装置を小型化、計量化することができるとと
もに、電力送電をサブアレイ単位で独立して行うことが
でき、効率のよい太陽発電の発送電装置を構成できる。 【0027】また、サブアレイ間でパイロット信号の授
受を行う必要がなく、高周波信号の引き回しがないので
正確なパイロット信号に基づいてアンテナ素子ごとの正
確な位相制御と受電物体の正確な方向演算とが可能とな
り、送電ロスが低減できる。 【0028】さらに、サブアレイの隅部にパイロットア
ンテナを設けるとともに、それ以外の部分に複数のマイ
クロストリップアンテナ素子を均等に配置し、3個のパ
イロットアンテナを正三角計の各頂点に配置するように
したので、アンテナ素子の実装効率を上げることがで
き、太陽発電の発送電装置をさらに小型化、計量化する
ことができる。 【0029】なお、上記実施例では正四角形のサブアレ
イを例に上げて説明したが、サブアレイの形状は上記実
施例に限定されず、複数のサブアレイを設置して太陽発
電の発送電装置のアンテナを形成した時に、アンテナの
面積が最小になるような形状であればどのような形状で
もよい。 【0030】また、上記実施例では基準マイクロ波信号
用にパイロットアンテナ3を設けたが、受電物体の方向
演算用のパイロットアンテナ4〜6のいずれか1個を基
準マイクロ波信号用と兼用してもよい。 【0031】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、送
電アンテナを複数のサブアレイに分割し、各サブアレイ
ごとにパイロット信号を受信するためのパイロットアン
テナを設けるようにしたので、太陽発電の発送電装置を
小型化、計量化することができるとともに、電力送電を
サブアレイ単位で独立して行うことができ、効率のよい
太陽発電の発送電装置を構成できる。また、サブアレイ
の隅部にパイロットアンテナを設けるとともに、それ以
外の部分に複数の送電アンテナ素子を均等に配置するよ
うにしたので、アンテナ素子の実装効率を上げることが
でき、太陽発電の発送電装置をさらに小型化、計量化す
ることができる。
図。 【図4】太陽発送電衛星を示す図。 【図5】レトロディレクティブ方式の説明図。 【符号の説明】 1 サブアレイ 2 送電アンテナ 3〜6 パイロットアンテナ 7 発電部 8 送電部 11,15〜17 受信回路 12 位相共役回路 13 分波回路 14a〜14n 可変位相器 18 角度検出回路 19 演算処理回路 20a〜20n マイクロストリップアンテナ素子 21a〜21n 電力増幅器 23 位相制御部 24 信号処理部 110,136 アルミニウムハニカム層 111 カバーガラス層 112,115,117 接着剤層 113 シリコン太陽電池セル 114 電極層 116 絶縁フィルム層 118 グラファイトエポキシ樹脂層 119 アンテナ部層 120 電力増幅部層 121 位相制御部層 122 信号処理部・電源部層 123,125,127,130,135 導電体層 124,126,128,131,137 誘電体層 129,132 集積回路 133,139 収納部 134,140 接着剤
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 受電物体から送られてきたパイロット信
号にしたがって、太陽エネルギーにより発電された電力
を複数のアンテナ素子から成る送電アンテナによってマ
イクロ波で前記受電物体へ送電する太陽発電の発送電装
置において、 前記送電アンテナを複数のサブアレイに分割し、前記パ
イロット信号を受信するための1個の基準信号用パイロ
ットアンテナを各サブアレイの隅部に配置し、3個の位
相差検出用のパイロットアンテナを前記基準信号用パイ
ロットアンテナと対向する隅部に配置し、それ以外の部
分に前記送電アンテナ素子を均等に配置することを特徴
とする太陽発電の発送電装置。
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