JP3584922B2

JP3584922B2 - 宇宙太陽光発電システム

Info

Publication number: JP3584922B2
Application number: JP2001318140A
Authority: JP
Inventors: 隆高根澤; 豊江崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2003134698A

Description

【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。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、宇宙空間における発電能力を高めるためには、地上へマイクロ波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。しかし、それらの発電衛星はお互いの衝突等、危険性回避のため、ある程度の間隔を取って配置しなければならない。そのため、複数の発電衛星の送信アンテナから送信され、合成されるマイクロ波は、干渉の影響によって、それらの送信アンテナが隙間なく配置されて出来るひとつの大きな送信アンテナが送信するマイクロ波とは異なり、複数の非常に細い幅のビームの集合となる。複数の送信アンテナ、及びひとつの大きな送信アンテナにおいて、同一のマイクロ波エネルギーを送信した場合、電力基地の受信アンテナで同一のエネルギーを得るためには、前者では後者より大きな受信アンテナの面積が必要となるという問題があった。
【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電力を複数の発電衛星に設けた送信アンテナから、マイクロ波を電力基地へ送信する際、電力基地の受信アンテナで効率よくマイクロ波エネルギーを受信するための宇宙太陽光発電システムである。
【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システムは、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、発電衛星に設けた送信アンテナで電力基地に送信し、電力基地に設けた受信アンテナによって電力を生成する宇宙太陽光発電方法において、上記複数の発電衛星を１次元ないし２次元で配置する際、発電衛星の間隔を送信アンテナの大きさを基準として変化させたときに得られる、受信アンテナの大きさとその大きさの受信アンテナで受信できるマイクロ波エネルギーの関係を表す、等エネルギー線に基づいた特定間隔に配置することで、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーを受信アンテナで効率よく受信できるようにするものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、上記宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星がもつ送信アンテナが長方形で等しく、その一辺の長さがＤであるとき、その辺と同じ軸において送信アンテナ間の間隔ｄが０．２５Ｄ〜０．６Ｄになるように発電衛星を配置させることで、上記電力基地の受信アンテナにおいて、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの９０％を小さな面積で受信できるようにするものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、上記宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星がもつ送信アンテナが長方形で等しく、その一辺の長さがＤであるとき、その辺と同じ軸において送信アンテナ間の間隔ｄが０．５Ｄ〜１．２Ｄになるように発電衛星を配置させることで、上記電力基地の受信アンテナにおいて、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの８０％を小さな面積で受信できるようにするものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、上記宇宙太陽光発電方法において、複数の発電衛星がもつ送信アンテナが長方形で等しく、その一辺の長さがＤであるとき、その辺と同じ軸において送信アンテナ間の間隔ｄが０．６Ｄ〜１．１Ｄになるように発電衛星を配置させることで、上記電力基地の受信アンテナにおいて、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの８２％を小さな面積で受信できるようにするものである。
【００１０】
【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システムを図１から図５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システムにおける電力基地の受信アンテナ上でのマイクロ波強度分布を示す模式図、図３は受信アンテナ中央からの距離とその距離内で受信できるマイクロ波エネルギーを示す模式図、図４は実施の形態１に係る送信アンテナの配置の概略図、図５は実施の形態１に係る発電衛星の間隔を変化させたときに得られる、受信アンテナの大きさとその大きさの受信アンテナで受信できるマイクロ波エネルギーの関係を表す等エネルギー線を示す模式図である。
【００１１】
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はこの発電衛星１に設けられたマイクロ波を送信する送信アンテナである。３は発電衛星１が送信するマイクロ波を受信する受信アンテナである。ここで以降の説明のため、複数の送信アンテナ２の集まりを送信アンテナ集団、集団を形成する送信アンテナ２の一つ一つを要素送信アンテナと呼ぶことにする。
【００１２】
発電衛星１は、太陽光から生成した電気エネルギーをさらにマイクロ波に変換し、送信アンテナ２によって受信アンテナ３に送信する。この受信アンテナ３上でのマイクロ波強度は、複数の要素送信アンテナ、すなわち送信アンテナ集団から送信されたマイクロ波の重ね合わせから得られる強度となる。干渉のため、受信アンテナ３上におけるマイクロ波強度は一様ではなく、要素送信アンテナの大きさ、配置、および要素送信アンテナ内でのマイクロ波の振幅、位相分布によって変化する。
【００１３】
宇宙太陽光発電の全体の効率に影響するひとつの要因として、送信アンテナ２から送信されたマイクロ波を、受信アンテナ３でどれだけ無駄なく受信できるのか、が挙げられる。もちろん、受信アンテナ３を無限に大きく出来れば、大気等による減衰、散乱を除いて、送信されたマイクロ波のエネルギーを無駄なく受信することができる。しかし、現実的には、土地取得の問題、製造上の問題などにより、受信アンテナ３の大きさは制限される。
【００１４】
そのため、現実的な大きさの受信アンテナ３で効率よくマイクロ波エネルギーを受信できるよう、集団飛行する発電衛星１の要素送信アンテナの大きさ、配置、および要素送信アンテナ内でのマイクロ波の振幅、位相分布を変化させることが、複数の発電衛星１を用いる宇宙太陽光発電においては重要な技術となる。この発明では、要素送信アンテナの大きさとそれらの間隔を一定とする条件のもとで、受信アンテナ３で効率よくマイクロ波エネルギーを受信できる、要素送信アンテナの大きさとそれらの間隔の関係を示す。
【００１５】
図２、３はこの発明の原理を示す図である。図２（１）の実線は、１次元に３つの要素送信アンテナが並んだ場合の、受信アンテナ３上でのマイクロ波の強度分布の概略を示す。干渉により一つ一つのビーム幅は狭くなり、それらの強度も位置によって大きく変化する。この強度分布は、原理的には１次元スリットによる干渉パターンと、単一の要素送信アンテナのビームパターン（破線に対応する）の積となる。図２（２）は３つの要素送信アンテナが間隔ゼロで並んだ場合、すなわち要素送信アンテナが一体となった大型送信アンテナの場合の、受信アンテナ３上でのマイクロ波強度分布である。ビーム幅は送信アンテナ２の大きさに反比例して狭くなるため、同図のように、一体型大型送信アンテナによるビーム幅は単一の要素送信アンテナのビーム幅より狭い。この一体型大型送信アンテナのメインローブに含まれるマイクロ波エネルギーは、図２（１）における破線のメインローブ内の複数の実線のローブに含まれるマイクロ波エネルギーに等しい。つまり、送信アンテナ２の総面積が等しい場合、一体型大型送信アンテナを超える効率を、複数の要素送信アンテナ、すなわち非一体型送信アンテナ集団で実現することはできないことを意味する。
【００１６】
しかし、送信されたマイクロ波エネルギーの一部のみの受信を行う場合、単一の要素送信アンテナ以上の高効率で、マイクロ波エネルギーを受信することができる要素送信アンテナの配置が存在する。図３は受信アンテナ３の中心から測ったある範囲内に含まれるマイクロ波エネルギーを表したものである。横軸が中心から測った距離、縦軸は送信されたエネルギーに対する割合である。実線、破線は、図２（１）での実線、破線に対応し、それぞれ、複数の要素送信アンテナ、すなわち送信アンテナ集団によるものと、単一要素送信アンテナによるものである。図３に見られるように、実線の方が高い割合を示す範囲が存在する。この範囲では送信アンテナ集団の方が、単一の要素送信アンテナよりも効率が良い。従って、送信アンテナ集団のビームパターンは、要素送信アンテナの間隔を変えることによって、変化させることが出来るので、ある決まった大きさの受信アンテナ３に対し、高効率（単一の要素送信アンテナ以上の高効率）となる要素送信アンテナの配置を得ることは可能である。
【００１７】
図４は、より現実的に発電衛星１を２次元に配置した概念図である。ここで、各要素送信アンテナの形状は一辺Ｄの正方形で、各要素送信アンテナ間隔は一様にｄとする。図５は、要素送信アンテナを５×５に配置した場合で、電力衛星１の間隔を変化させたときに得られる、受信アンテナ３の大きさとその大きさの受信アンテナ３で受信できるマイクロ波エネルギーの関係を表す、等エネルギー線のグラフである。ここで、計算に用いた条件、及び各パラメータの値を以下に挙げる。送信アンテナ集団を形成する中心の要素送信アンテナと受信アンテナ３の距離ｚは静止軌道の高さ３６０００ｋｍ。使用するマイクロ波周波数は５．８ＧＨｚで、波長λは５．１７ｃｍとした。要素送信アンテナは、等しい大きさの太陽電池パネルと送信アンテナ２が背中合わせに張り付いたハイブリッド型で、太陽電池パネルには反射鏡などでの集光を行っていないとした。その大きさＤは１９８ｍであり、ＤＣ−マイクロ波−ＤＣ変換効率などを含めたトータルの効率を考慮した上で、受信アンテナ３の大きさが一辺１０ｋｍほどで、地上で得られる電力が１００ＭＷ級程度になるような大きさ。
この一辺１０ｋｍの受信アンテナ３は、土地取得の面からも現実的であり、地上で得られる１００ＭＷの電力も実用を考慮したものである。
【００１８】
要素送信アンテナの大きさと数の具体的な求め方は、以下のとおりである。ビーム幅が拡がることによるエネルギーロスを除いた効率を、ここではまとめて約０．１と仮定する。図２（１）からも分かるように、マイクロ波エネルギーの多くは、破線のメインローブ内に含まれている。そこでここでは、このメインローブ内に含まれるエネルギーを有効に使うこととする。回折の原理より、単一の円形開口の場合、メインローブにエネルギーの８４％が含まれていることが知られている。矩形開口の場合も同程度で、ここでは概ね８０％とし、トータルの効率を０．０８とする。地上で得る電力を１００ＭＷとすると、発電衛星１で受ける太陽光エネルギーは１．２５ＧＷとなり、これを太陽光の輻射エネルギー密度１．３７ｋＷ／ｍ^２で割ると、必要な太陽電池パネルの大きさは、約９６０ｍ平方となる。一方、メインローブの半幅はλｚ／Ｄで得られることから、逆に１０ｋｍの大きさの受信アンテナ３にこのメインローブが入るように送信アンテナ２の大きさを求めると、約３７２ｍとなる。要素送信アンテナの配置の工夫によるエネルギーの集中の効果と、太陽電池パネル、すなわち送信アンテナ２の総面積を上の約９６０ｍより大きくすることによるマージンを見込んで、一辺Ｄ＝１９８ｍの要素送信アンテナ、５×５の送信アンテナ集団を仮定した。
【００１９】
図５では、横軸、縦軸とも、要素送信アンテナの大きさＤとその高度ｚ、およびマイクロ波の波長λでパラメータ表示した。この図から分かるように、送信されたエネルギーに対する一定割合のラインはしゅう曲しており、発電衛星１を特定間隔で配置すると、受信アンテナ３でのマイクロ波エネルギー受信の効率が高くなる。この特定間隔は下向きにしゅう曲しているような部分であり、送信されたマイクロ波エネルギーのある割合を得るのに必要な受信アンテナ３の大きさが小さくて済む、あるいは同じ大きさの受信アンテナ３で多くのエネルギーを受信出来ることを示している。たとえば、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの９０％を得るのであれば、要素送信アンテナ間の距離ｄが、０．２５Ｄ〜０．６Ｄとなるように発電衛星を配置する。８０％においては０．５Ｄ〜１．２Ｄが効率の良い配置である。特に８２％のラインは大きくしゅう曲しており、この割合のエネルギーを得る場合、要素送信アンテナ間の距離ｄを０．６Ｄ〜１．１Ｄにするのが効率的となる。
【００２０】
上記説明では、集団を形作る要素送信アンテナの形状が正方形で、かつ同じ大きさであり、また送信衛星集団も５×５という２次元の正方配列の具体例を挙げたが、要素送信アンテナの形状、大きさ、機数、受信アンテナ３の形状、大きさによって、要素送信アンテナの最適な配置が変化するのは言うまでもない。特にこの複数の発電衛星１を用いるというコンセプトにおいては、順次、発電衛星１を打ち上げることになるので、そのときの状況での最適配置に合わせて発電衛星１を移動させる構成としてもよい。
【００２１】
【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１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１による配置を変化させることで送信マイクロ波の合成ビームパターンを変化させるので、電力基地での受信アンテナ３においてマイクロ波のエネルギーを効率よく受信することができる。
【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電力基地の受信アンテナ上でのマイクロ波強度分布の模式図である。
【図３】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電力基地の受信アンテナ上で、その受信アンテナ中心から測ってある距離内に含まれるエネルギーの模式図である。
【図４】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送信アンテナの２次元配置の概略図である。
【図５】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発電衛星の間隔を変化させたときに得られる、受信アンテナの大きさとその大きさの受信アンテナで受信できるマイクロ波エネルギーの関係を表す等エネルギー線を示す模式図である。
【符号の説明】
１発電衛星
２送信アンテナ
３受信アンテナ
４単一要素送信アンテナによるビームパターン
５送信アンテナ集団によるビームパターン
６一体型大型送信アンテナによるビームパターン
７単一要素送信アンテナでのエネルギー
８送信アンテナ集団でのエネルギー
９一体型大型送信アンテナでのエネルギー
１０要素送信アンテナ

Claims

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、発電衛星に設けた送信アンテナで電力基地に送信し、電力基地に設けた受信アンテナによって電力を生成する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記複数の発電衛星を１次元ないし２次元で配置する際、発電衛星の間隔を変化させたときに得られる、受信アンテナの大きさとその大きさの受信アンテナで受信できるマイクロ波エネルギーとの関係における、等エネルギー線に基づく特定間隔に上記発電衛星を配置したことを特徴とする宇宙太陽光発電システム。
上記発電衛星が有する送信アンテナの一辺の長さがＤであるとき、上記電力基地の受信アンテナによって、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの９０％を受信できるように、送信アンテナ間の間隔ｄを０．２５Ｄ〜０．６Ｄになるように上記発電衛星を配置したことを特徴とする請求項１に記載の宇宙太陽光発電システム。
上記発電衛星が有する送信アンテナの一辺の長さがＤであるとき、上記電力基地の受信アンテナによって、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの８０％を受信できるように、送信アンテナ間の間隔ｄを０．５Ｄ〜１．２Ｄになるように上記発電衛星を配置したことを特徴とする請求項１に記載の宇宙太陽光発電システム。
上記発電衛星が有する送信アンテナの一辺の長さがＤであるとき、上記電力基地の受信アンテナによって、送信アンテナから送られたマイクロ波エネルギーの８２％を受信できるように、送信アンテナ間の間隔ｄを０．６Ｄ〜１．１Ｄになるように上記発電衛星を配置したことを特徴とする請求項１に記載の宇宙太陽光発電システム。