JP3613158B2

JP3613158B2 - 宇宙太陽光発電方法、そのシステム、発電衛星及び電力基地

Info

Publication number: JP3613158B2
Application number: JP2000279785A
Authority: JP
Inventors: 泉三神; 善彦小西; 和幸高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: US6495751B2; EP1189328A2; US20020029796A1; EP1189328B1; DE60116205T2; EP1189328A3; JP2002095189A; DE60116205D1

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、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、複数の発電衛星にそれぞれ設けられたアンテナからの送信マイクロ波は、互いに干渉しあう。そこで、複数の発電衛星のアンテナの集合体をアレイアンテナと考え、全体として一つの大きなフェーズドアレイアンテナを構成してマイクロ波送信を行うことが考えられる。上記のように発電能力を高めるために発電衛星の数を増加させた場合、複数の発電衛星のアンテナの集合体としてのアレイアンテナの面積が増大し、送信されるマイクロ波のビーム幅は非常に狭くなり、地上での単位面積あたりの電力密度が高くなってしまう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電力を発電する発電衛星群から送信される電力の地上での電力密度を小さくし、且つ地上に送信される総エネルギー量のロスが少ない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。
【０００７】
【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に基準信号を含む制御信号を送信する制御衛星と、上記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、上記制御衛星から受信した制御信号に含まれる基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して送信するものである。
【０００８】
請求項２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送信する送信部と、制御衛星から自己の衛星および他の発電衛星に向けて送信される制御信号を受信する受信手段とを備え、上記送信部は、上記受信手段により受信した制御信号に含まれる基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して送信するものである。
【００１０】
請求項３の発明に係る電力基地は、宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成する複数の発電衛星が制御衛星から受信した基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して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電力を送電する送電システムとを備えたものである。
【００１１】
【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における各発電衛星の電力送信アンテナと電力基地の受信アンテナとの送受信関係を示す模式図、図２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３は実施の形態１に係る電力のインコヒーレント合成の基礎原理を示す模式図、図４は実施の形態１に係る発電衛星電力送信アンテナの構造の一例を示す模式図である。
【００１２】
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からのマイクロ波を受信する電力基地受信アンテナである。
【００１３】
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、これを電力基地受信アンテナ２へ送信する。その際、変換されたマイクロ波をインコヒーレント制御することによって、＃１から＃ｎの各発電衛星の電力送信アンテナと電力基地の受信アンテナ２の間の距離Ｒ、Ｒ’、Ｒ’’に関わらず、常にｎ倍の電力が得られ、且つビーム巾が狭くならず、エネルギー密度（単位面積当りのエネルギー）を低く抑えることができる。
【００１４】
図１において各発電衛星が無制御にマイクロ波を電力基地の受信アンテナ２に照射した場合、それぞれの送信アンテナからのマイクロ波が干渉し、電力基地にて生成される電力が低下する。またマイクロ波をコヒーレント制御した場合、常にｎ倍の電力が得られるが、ビーム巾が狭くなり、エネルギー密度が大きくなってしまう。
【００１５】
電力基地は地上に限らず、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を小さくする必要があり、そのためにはマイクロ波のインコヒーレント送信が適していることは上述した通りである。更にマイクロ波のエネルギー密度を小さくする為に受信アンテナ２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。従って、電力基地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。
【００１６】
次に発電衛星とその制御衛星の構成について図２により説明する。３は制御衛星を示す。発電衛星において４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。５は集光部４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、６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、７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６において、８は制御衛星３からの制御信号を受信する受信アンテナ、９は制御信号に含まれる基準信号ｆ_０を増幅する増幅器、１０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、１１は移相器の出力マイクロ波をインコヒーレントに変調するインコヒーレント変調装置、１２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。１１のインコヒーレント変調装置では、スペクトル拡散変調（ＳＳ変調）等の変調方式によりマイクロ波をインコヒーレント変調する。１３は制御衛星３からの制御信号を復調する復調器、１４は制御信号に含まれる位相調整量に基づいて位相器１０への指令を生成する演算器である。１５は制御衛星３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ーである。このコーナーリフレクターは、光あるいは光を含めた電磁波を反射するものであればよい。次に制御衛星３において、１６は基準信号ｆ_０を生成する発振器であり、１７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、１８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、１９は送信アンテナである。２０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なうものであればよい。２１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、２２は位相調整量演算器２１が算出した位相調整量を変調する変調器である。
【００１７】
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４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５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４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４を設けずに光電変換部で太陽光を直接受ける構成としてもよい。光電変換部５は太陽電池パネルを並べて構成し、集光部４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５において生成した電気エネルギーは送信部６内の高出力増幅器１２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６が生成するマイクロ波は、受信アンテナ８により制御衛星３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３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９により増幅し、移相器１０によって移相し、更にインコヒーレント変調装置１１で移相器１０の出力マイクロ波をインコヒーレントにするための変調を行なう。インコヒーレント変調装置１１では移相器１０の出力マイクロ波をスペクトル拡散変調（ＳＳ変調）等の変調方式によってインコヒーレントにする。ＳＳ変調はマイクロ波の強度を低く抑え、帯域を広くする変調方式であり、マイクロ波同士の干渉を抑制することができる。なお原理的には、送信するマイクロ波の総エネルギー量はＳＳ変調前と同じである。
【００１８】
インコヒーレント変調器で変調されたマイクロ波は高出力増幅器１２によって高出力増幅することにより、光電変換部５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７によって宇宙空間に送出する。移相器１０におけるマイクロ波の移相は、制御衛星３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１４から指令される。制御衛星３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１３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１４から指令する。
【００１９】
次に制御衛星３による発電衛星の制御について説明する。制御衛星３は、位置計測器２０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２１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２２は各発電衛星１の位相調整量を変調する。発振器１６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１７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１８において増幅され、送信アンテナ１９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３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。
【００２０】
発電衛星１から電力基地へのマイクロ波の伝送は、上述したように各発電衛星が生成するマイクロ波がインコヒーレントになるように行なわれるが、そのインコヒーレントなマイクロ波の電力基地での合成について図３により説明する。発電衛星から電力基地に電力をマイクロ波に変換して送信する場合、図３の上図に示すように、マイクロ波をコヒーレントにすると発電衛星群全体を一つのフェーズドアレイアンテナと見なすことができ、アンテナ径が大きいため集光力が高くなり、エネルギー密度が高いマイクロ波が受信アンテナに送信されることになる。しかし動植物環境や電波妨害の観点からエネルギー密度が高いマイクロ波を送信することは望ましくない。一方、図３の下図に示すように各発電衛星からの送信マイクロ波をインコヒーレントにすることによって、発電衛星が送信するマイクロ波が互いに非干渉になり、受信アンテナに発電衛星の数量分のエネルギー密度が低いマイクロ波が受信される。各マイクロ波はエネルギー密度は低いが帯域が大きいため、送信された全マイクロ波のエネルギーの合計は図３の上図に示された送信方式で送信できるマイクロ波のエネルギー量と等しくなる。
【００２１】
このように構成された発電衛星１と制御衛星３は、発電衛星１を逐次増数し、制御衛星３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。
【００２２】
またマイクロ波送信アンテナに関して、各発電衛星１においてマイクロ波送信アンテナ７は構造的に分離していてもよいし、図４のように連続していてもよい。図４において、２３は太陽光を集光して発電する集光発電部であり、２４は集光発電部２３で発電した電力を宇宙空間へマイクロ波送信する送信アンテナである。図４に示すように、送信アンテナ２４は複数あり、それぞれインコヒーレントなマイクロ波を送信する。この際、図４に図示しない複数の送信部によって送信アンテナ２４に供給するマイクロ波をインコヒーレント変調する。なお、集光発電部２３は、図２に示す集光部４と光電変換部５に相当するものである。
【００２３】
【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、複数の発電衛星の送信アンテナからインコヒーレントなマイクロ波を電力基地へ送信するので、送信マイクロ波のエネルギー密度を抑えることができ、環境、電波妨害などに配慮した電力伝送が可能となる。
【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における各発電衛星の電力送信アンテナと電力基地の受信アンテナとの間の送受信関係を示す模式図である。
【図２】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３】この発明の実施の形態１に係る電力のインコヒーレント合成の基礎原理を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る発電衛星電力送信アンテナの構造の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１発電衛星
２電力基地受信アンテナ
３制御衛星
４集光部
５光電変換部
６送信部
７送信アンテナ
８受信アンテナ
９増幅器
２３集光発電部
２４送信アンテナ

Claims

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に基準信号を含む制御信号を送信する制御衛星と、上記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、上記制御衛星から受信した制御信号に含まれる基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して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送信する送信部と、制御衛星から自己の衛星および他の発電衛星に向けて送信される制御信号を受信する受信手段とを備え、上記送信部は、上記受信手段により受信した制御信号に含まれる基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して送信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電気エネルギーを生成する複数の発電衛星が制御衛星から受信した基準信号を増幅し、インコヒーレント変調して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電力を送電する送電システムとを備えたことを特徴とする電力基地。