JP3613142B2 - 宇宙太陽光発電方法、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地 - Google Patents
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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方法、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地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、反射鏡やレンズなどを組み合わせて太陽光を集光してエネルギー密度を高め、集光された光を特定大の太陽電池パネルのセルを幾数枚も機械的かつ電気的に結合し、光電変換して発電し、発電されたエネルギーによって、マイクロ波を生成し、送信アンテナを介して地上へ送信するものがある。地上に送信されたマイクロ波は安全性を考慮して、そのエネルギー密度が小さく、広い範囲に照射される。地上の電力基地は受信アンテナを数十ｋｍ四方相当のエリアに配列して、この照射されるマイクロ波を受信し、集積して大電力を生成する。
【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は、宇宙空間に配置した核となる送信アンテナ及びマイクロ波生成設備に太陽電池を幾数重にも付加していくことにより、大規模な発電と電力送信が可能な宇宙構造物を建築できる。このように構築される宇宙太陽光発電システムは、原理的にマイクロ波生成設備や送信アンテナに太陽電池からの電力が集中することになり、電力供給ラインでの放電破壊による電力伝送限界や、マイクロ波生成設備の増幅能力の限界のために、宇宙太陽光発電システムの発電能力に限界が生じ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１点に集中させることなく、分散的に電力基地へ送信するための宇宙太陽光発電方法、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地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、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整するようにしたものである。
【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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、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、このマイクロ波を位相調整して送信する複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データから各発電衛星が送信するマイクロ波の位相ずれを調整する位相調整量を算出し、この位相調整量を上記複数の発電衛星に通知する制御衛星とを備えたものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データを各発電衛星に通知する制御衛星とを備え、上記複数の発電衛星は、上記制御衛星からの位置データに基づいて、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【００１０】
請求項５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複数の発電衛星と、この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、受信した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、制御衛星から受信する基準信号を上記電気エネルギーにより増幅して上記マイクロ波を生成し、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【００１１】
請求項６の発明に係る発電衛星は、宇宙空間において太陽光を集光する集光光学部と、この集光光学部で集光された光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部と、この光電変換部の電気エネルギーによりマイクロ波を生成し、生成したマイクロ波の位相を調整して宇宙空間へ送出する送信部と、自己の衛星から送出するマイクロ波と他の発電衛星から送出されるマイクロ波との位相のずれを調整する位相調整量を制御衛星から受信する受信アンテナとを備え、上記送信部は、受信した上記位相調整量により上記生成したマイクロ波の位相を調整するものである。
【００１３】
請求項７の発明に係る制御衛星は、宇宙空間において太陽光からマイクロ波を生成して送出する複数の発電衛星にそれぞれ設けたターゲットにより、各発電衛星の位置を計測する位置計測器と、この位置計測器によって計測した上記複数の発電衛星の位置データに基づいて、上記複数の発電衛星が送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する位相調整量演算器と、この位相調整量演算器により算出した位相調整量を含む制御信号を上記複数の発電衛星に送信する送信アンテナとを備えたものである。
【００１４】
請求項８の発明に係る電力基地は、宇宙空間に配置された複数の発電衛星が太陽光から生成し送信するマイクロ波を受信する受信アンテナと、この受信アンテナにより受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器と、このＤＣ変換器により変換されたＤＣ電力を直流送電する直流送電システムと、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する制御衛星が、上記位相調整量の算出に用いる自己の基地の方向を認識するために捕捉するビーコン信号を送信する衛星通信アンテナとを備えたものである。
【００１５】
【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、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地を図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。
【００１６】
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り、図示のとおり、これらの発電衛星は＃１から＃ｎまでの複数台を配置している。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。
【００１７】
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、この発明は発電衛星１が個々に送信するマイクロ波の位相量を調整して各発電衛星が送出するマイクロ波の位相を揃えることにより、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。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。
【００１８】
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）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。
【００１９】
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。
【００２０】
つぎに図２により、各発電衛星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＃１、＃２、＃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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、１１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。１４は制御衛星２からの制御信号を復調する復調器、１５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。１６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、１７は基準信号ｆｏを生成する発振器であり、１８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、１９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、２０は送信アンテナである。２１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。２２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、２３は位相調整量演算器２２が算出した位相調整量を変調する変調器である。
【００２３】
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１３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、高出力増幅器１３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１５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１４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１５から指令する。
【００２４】
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２１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２２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２３は各発電衛星１の位相調整量を変調する。発振器１７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１８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１９において増幅され、送信アンテナ２０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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、２４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、２５は受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器、２６はＤＣ変換された電力を伝送する直流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。
【００２７】
電力基地４の個々の受信アンテナ２４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２５によって低周波変換して合成し、直流送電システム２６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を使用する。
【００２８】
【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、複数の発電衛星による各々のマイクロ波の位相のずれを調整するので、宇宙からの送信点を１点に集中させることなく、各発電衛星に分散的に設けることができる。
【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
５ 衛星通信アンテナ
６ 集光部
７ 光電変換部
８ 送信部
１０ 受信アンテナ
１６ コーナーリフレクタ
２０ 送信アンテナ
２１ 位置計測器
２２ 位相調整量演算器
２５ ＤＣ変換器
２６ 直流送電システム
【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、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地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、反射鏡やレンズなどを組み合わせて太陽光を集光してエネルギー密度を高め、集光された光を特定大の太陽電池パネルのセルを幾数枚も機械的かつ電気的に結合し、光電変換して発電し、発電されたエネルギーによって、マイクロ波を生成し、送信アンテナを介して地上へ送信するものがある。地上に送信されたマイクロ波は安全性を考慮して、そのエネルギー密度が小さく、広い範囲に照射される。地上の電力基地は受信アンテナを数十ｋｍ四方相当のエリアに配列して、この照射されるマイクロ波を受信し、集積して大電力を生成する。
【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は、宇宙空間に配置した核となる送信アンテナ及びマイクロ波生成設備に太陽電池を幾数重にも付加していくことにより、大規模な発電と電力送信が可能な宇宙構造物を建築できる。このように構築される宇宙太陽光発電システムは、原理的にマイクロ波生成設備や送信アンテナに太陽電池からの電力が集中することになり、電力供給ラインでの放電破壊による電力伝送限界や、マイクロ波生成設備の増幅能力の限界のために、宇宙太陽光発電システムの発電能力に限界が生じ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１点に集中させることなく、分散的に電力基地へ送信するための宇宙太陽光発電方法、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地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、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整するようにしたものである。
【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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、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、このマイクロ波を位相調整して送信する複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データから各発電衛星が送信するマイクロ波の位相ずれを調整する位相調整量を算出し、この位相調整量を上記複数の発電衛星に通知する制御衛星とを備えたものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データを各発電衛星に通知する制御衛星とを備え、上記複数の発電衛星は、上記制御衛星からの位置データに基づいて、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【００１０】
請求項５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複数の発電衛星と、この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、受信した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、制御衛星から受信する基準信号を上記電気エネルギーにより増幅して上記マイクロ波を生成し、上記マイクロ波の位相ずれを調整して上記電力基地へ送信するものである。
【００１１】
請求項６の発明に係る発電衛星は、宇宙空間において太陽光を集光する集光光学部と、この集光光学部で集光された光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部と、この光電変換部の電気エネルギーによりマイクロ波を生成し、生成したマイクロ波の位相を調整して宇宙空間へ送出する送信部と、自己の衛星から送出するマイクロ波と他の発電衛星から送出されるマイクロ波との位相のずれを調整する位相調整量を制御衛星から受信する受信アンテナとを備え、上記送信部は、受信した上記位相調整量により上記生成したマイクロ波の位相を調整するものである。
【００１３】
請求項７の発明に係る制御衛星は、宇宙空間において太陽光からマイクロ波を生成して送出する複数の発電衛星にそれぞれ設けたターゲットにより、各発電衛星の位置を計測する位置計測器と、この位置計測器によって計測した上記複数の発電衛星の位置データに基づいて、上記複数の発電衛星が送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する位相調整量演算器と、この位相調整量演算器により算出した位相調整量を含む制御信号を上記複数の発電衛星に送信する送信アンテナとを備えたものである。
【００１４】
請求項８の発明に係る電力基地は、宇宙空間に配置された複数の発電衛星が太陽光から生成し送信するマイクロ波を受信する受信アンテナと、この受信アンテナにより受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器と、このＤＣ変換器により変換されたＤＣ電力を直流送電する直流送電システムと、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する制御衛星が、上記位相調整量の算出に用いる自己の基地の方向を認識するために捕捉するビーコン信号を送信する衛星通信アンテナとを備えたものである。
【００１５】
【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、そのシステム、発電衛星、制御衛星及び電力基地を図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。
【００１６】
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り、図示のとおり、これらの発電衛星は＃１から＃ｎまでの複数台を配置している。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。
【００１７】
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、この発明は発電衛星１が個々に送信するマイクロ波の位相量を調整して各発電衛星が送出するマイクロ波の位相を揃えることにより、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。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。
【００１８】
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）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。
【００１９】
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。
【００２０】
つぎに図２により、各発電衛星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＃１、＃２、＃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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、１１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。１４は制御衛星２からの制御信号を復調する復調器、１５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。１６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、１７は基準信号ｆｏを生成する発振器であり、１８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、１９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、２０は送信アンテナである。２１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。２２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、２３は位相調整量演算器２２が算出した位相調整量を変調する変調器である。
【００２３】
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１３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、高出力増幅器１３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１５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１４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１５から指令する。
【００２４】
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２１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２２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２３は各発電衛星１の位相調整量を変調する。発振器１７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１８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１９において増幅され、送信アンテナ２０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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、２４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、２５は受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器、２６はＤＣ変換された電力を伝送する直流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。
【００２７】
電力基地４の個々の受信アンテナ２４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２５によって低周波変換して合成し、直流送電システム２６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を使用する。
【００２８】
【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、複数の発電衛星による各々のマイクロ波の位相のずれを調整するので、宇宙からの送信点を１点に集中させることなく、各発電衛星に分散的に設けることができる。
【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
５ 衛星通信アンテナ
６ 集光部
７ 光電変換部
８ 送信部
１０ 受信アンテナ
１６ コーナーリフレクタ
２０ 送信アンテナ
２１ 位置計測器
２２ 位相調整量演算器
２５ ＤＣ変換器
２６ 直流送電システム
Claims (8)
- 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、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整するようにしたことを特徴とする宇宙太陽光発電方法。
- 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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記マイクロ波の位相ずれを調整して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。
- 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、このマイクロ波を位相調整して送信する複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データから各発電衛星が送信するマイクロ波の位相ずれを調整する位相調整量を算出し、この位相調整量を上記複数の発電衛星に通知する制御衛星とを備えたことを特徴とする宇宙太陽光発電システム。
- 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複数の発電衛星と、この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、受信した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、上記複数の発電衛星の位置を検出し、この位置データを各発電衛星に通知する制御衛星とを備え、上記複数の発電衛星は、上記制御衛星からの位置データに基づいて、上記マイクロ波の位相ずれを調整して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。
- 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複数の発電衛星と、この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、受信した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、制御衛星から受信する基準信号を上記電気エネルギーにより増幅して上記マイクロ波を生成し、上記マイクロ波の位相ずれを調整して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。
- 宇宙空間において太陽光を集光する集光光学部と、この集光光学部で集光された光を受けて電気エネルギーに変換する光電変換部と、この光電変換部の電気エネルギーによりマイクロ波を生成し、生成したマイクロ波の位相を調整して宇宙空間へ送出する送信部と、自己の衛星から送出するマイクロ波と他の発電衛星から送出されるマイクロ波との位相のずれを調整する位相調整量を制御衛星から受信する受信アンテナとを備え、上記送信部は、受信した上記位相調整量により上記生成したマイクロ波の位相を調整することを特徴とする発電衛星。
- 宇宙空間において太陽光からマイクロ波を生成して送出する複数の発電衛星にそれぞれ設けたターゲットにより、各発電衛星の位置を計測する位置計測器と、この位置計測器によって計測した上記複数の発電衛星の位置データに基づいて、上記複数の発電衛星が送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する位相調整量演算器と、この位相調整量演算器により算出した位相調整量を含む制御信号を上記複数の発電衛星に送信する送信アンテナとを備えたことを特徴とする制御衛星。
- 宇宙空間に配置された複数の発電衛星が太陽光から生成し送信するマイクロ波を受信する受信アンテナと、この受信アンテナにより受信したマイクロ波をＤＣ変換するＤＣ変換器と、このＤＣ変換器により変換されたＤＣ電力を直流送電する直流送電システムと、上記複数の発電衛星から送信する各々のマイクロ波の位相のずれを調整する位相調整量を算出する制御衛星が、上記位相調整量の算出に用いる自己の基地の方向を認識するために捕捉するビーコン信号を送信する衛星通信アンテナとを備えたことを特徴とする電力基地。
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