JP3642309B2 - レーザー光学系からの透過エネルギーを用いた発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギーをレーザーによって遠隔地に伝送するレーザー伝送光学系からの透過エネルギーを用いた発電装置に関するもので、特に電力供給が困難な環境で使用されるレーザー光学系における制御手段の電源として最適な発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光学系を制御する制御系には通常電気的手段が用いられており、その制御系を作動させるために従来は外部から電力を供給して用いているのが一般的である。ところが、このレーザー光学系は最近実験室等の施設内の使用に留まらず、広く多様な場所で使用されるようになっている。例えば宇宙空間や僻地などでの使用もあり、このような環境では必ずしも電力が手軽に供給されるとは限らない。
【０００３】
エネルギー問題は地球環境保全の観点から、従来型の火力、水力、原子力には問題が提起されている現状の中で、太陽光からエネルギーを取り出す太陽光発電は、自然エネルギーを用いた発電方法の中でも有望な技術手段と目されており、既に太陽電池は広く用いられている実績がある。太陽光発電による電力供給を行う場合の課題は、発電装置の設置場所と送電設備の確保にある。太陽から送られる光のエネルギー密度は低いため、大量のエネルギーを供給するには大きな受光面積が必要になる。都会のような電力の大量消費地の近郊にそのスペースを確保することは困難であり、それが確保できるのは、宇宙空間、砂漠、海洋上などの電力消費地から離れた場所とならざるを得ない。しかし、そのような遠隔地から電力を輸送するためには送電網に頼ることになるが、その送電網を介した電力供給は損失が大きく、非効率的である上、設置のための費用メンテナンスのための費用が嵩むことになる。送電網に頼らない方法としては、得られた電力でマイクロ波を作りマイクロ波を用いてエネルギーを伝送する方法が提示されているが、この方法はマイクロ波の指向性がよくないという問題があり、遠距離のエネルギー供給ネットワークを構築する際には損失が多く伝送効率面で不利なシステムである。
【０００４】
そこで本発明者のグループは、エネルギー伝送に指向性のよいレーザーを用いる伝送システムと、太陽光を電力を経ずに直接レーザーに変換することの可能な技術手段を含む宇宙規模のレーザーエネルギー供給ネットワークを提示し、別途特許出願（特願2001-330673号）している。このエネルギー供給ネットワークシステムは図３に概念的に示されるように宇宙空間等に設置される複数の太陽光エネルギー取得ステーションからのエネルギーは、まずレーザーの形態でレーザー中継ステーションに送られる。このレーザー中継ステーションから更にエネルギーを必要としている地上施設や衛星、宇宙ステーション、宇宙航行体等に向けて、またレーザーによってエネルギーを伝送供給するものである。この際に使用されるレーザーはエネルギー供給用であるため、必然的に高エネルギーの極めて強力なレーザーとなる。また、宇宙空間等にある中継施設や他の施設には種々の機器が搭載され、それらを稼動させるための電源を必要とする。しかし、宇宙空間等にあることにより、電力の供給は必ずしも容易ではないという状況にある。
【０００５】
また、レーザー光学系自体の技術的問題として、レーザー光学系には共振器を構成したり、レーザー光の誘導のため複数の反射鏡が用いられているのが一般的であるが、現在の技術では 100％レーザー光を反射する鏡面を作成することが不可能であるため、レーザー光はレーザー光学系内の反射部分で一部透過という現象を起こしている。この透過という現象は単なるレーザー光の散逸ということであり、レーザー光学系から見るとこれはエネルギーの損失に他ならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、レーザー光学系の制御に必要なエネルギーを外部からの供給に頼らないで、従来単なる損失であったレーザー光学系から洩れるレーザーエネルギーをも有効利用して光学系の内部で電力を生成するシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー光学系からの漏洩エネルギーを用いた発電システムは、反射鏡を積極的に透過型とし、裏側に太陽電池を配置し、透過したレーザー光のエネルギーを用いて発電するものであって、その発電量は、反射鏡の透過度を変化させ、太陽電池に届くエネルギー量を変えて行う。その際使用する光電素子には該レーザーの波長に対応したものを選ぶことにより、高変換効率でエネルギーを取り出すことを可能とする。また、レーザー光学系から放出される熱量を利用し熱電素子によって発電を行わせる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明はエネルギーの伝送媒体としてのレーザー光を中継するような施設において、該施設が宇宙空間等の位置的条件から電力供給が容易ではない状況にあることに鑑み、設備されているレーザー光学系や他の機器の稼動に必要な電力をそのレーザー光学系から放出されるエネルギーを有効利用して生成しようという着想に至ったものである。そして、レーザー光学系から放出されるエネルギーには前述のミラー等の光学部材から漏洩されるレーザー光そのものの他、発熱による熱放出がある。そこで、本発明ではこのような施設での発電方式として▲１▼レーザー光を利用した発電と、▲２▼熱エネルギーを利用した発電の二方式を提示する。
【０００９】
まずレーザー光を利用した発電であるが、これは基本的に太陽電池と同じ光電素子を用いた発電方式を採用するものとした。ただしレーザーは太陽光のように沢山の波長の光が混合したものではなく、波長の定まった単色光であることから該波長に合った光電素子を選択出来る点で効率のよい発電が可能となる。問題は光学部材から漏洩されるレーザー光をどのように発電に利用するかであるが、前述のミラー部での透過光は通常のレーザー光学系においてはさほど大きいものではなく、その漏洩光だけで発電を行わせることは実用的でない。したがって、本発明ではこの漏洩光に意図的にレーザー光の一部をとり出したものを加えて発電に用いるようにした。
【００１０】
本発明によるレーザー伝送光学系からの透過エネルギーを用いた発電装置の実施の態様例を図１を参照しつつ説明する。図の(a)は反射鏡の背面に光電池を配置したものの側面図である。図において▲１▼は反射鏡であり、▲２▼は該反射鏡の背面に配置した光電池である。図の(b)は鏡面側面の一部を拡大表示したもので、入射光の一部が透過し、背面の太陽電池に向かうことを示している。図の(c)は鏡面表面の図で、一部を透過する以外は通常の反射鏡である。(d)は鏡面裏で、光電池を張り付けてある。この光電池を用い、鏡面表面より透過した光を用いて発電を行うようにした。ここで光の一部を透過させる反射鏡であるが、鏡面における透過率はこの施設で必要とされる電力とこの施設で受光するレーザー光の量的バランスを勘案して設定する。透過率を決める手段としては鏡面に細かい透過孔を率に応じて分布させたもの、透過孔を有する二枚の鏡を重ね位置関係によって透過率を調整するものなどを用いることができる。
【００１１】
本発明によるレーザー伝送光学系からの発熱エネルギーを用いた発電装置の実施の態様例を図２を参照しつつ説明する。図２に示した例はレーザー伝送光学系中のレンズにおける発熱を利用するものである。エネルギー伝送媒体として用いるレーザーを扱う光学系であることから、該光学系からの発熱量も大きいものとなる。この発熱を単なる熱放出として捨ててしまわずに発電エネルギーとして利用するのがこの実施態様例である。具体的構成は図に示されたようにレンズの発熱はレンズの枠部に伝えられるので、該レンズの枠部に熱電素子を配置し、レンズと接する側を高温側とし、放熱部となる外側を低温側とすることで、温度差に起因する起電力を電力として利用するものである。低温側をラジエーターによって積極的に冷却してやることで温度差を大きくし効率のよい発電を実行出来る。この例はレンズにおける発熱を利用したものであるが、この他の光学部材であってもその部材の熱伝達路に熱電素子を配置し、熱が伝わってくる側を高温側とし、放熱部となる外側を低温側とするほぼ同様の形態で、温度差に起因する起電力を電力として利用することができる。
【００１２】
エネルギーの伝送媒体としてのレーザー光を中継するような施設において、レーザー伝送光学系からの熱放出は必然的に起きる現象であることを勘案すれば、まずこの発熱を利用した発電を行わせ、該施設において必要とされる電力の内この熱発電だけでは不足する分をレーザー光の一部を利用した光電池方式の発電で補う設計とすることが合理的である。すなわち、この不足量に応じて光電地を背面に配置した鏡面における透過率を設定するようにすれば、伝送すべきエネルギーの有効利用が計られることになる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、エネルギーをレーザーによって遠隔地に伝送するレーザー伝送光学系から漏洩するレーザーエネルギーを用いて発電するシステムであるから、そのままでは単なる損失となるものを該施設において必要とされる電力に変換して有効利用できるものである。レーザー伝送光学系の制御など自分自身への電力供給に始まり、伝送光学系を維持する設備への電力供給など伝送光学系外部への電力供給など、該施設で必要とされる電力をこれで賄うことが可能となる。
レーザーの届く範囲であればどこにも設置可能であるため、レーザー伝送ネットワークを構築する際の各中継施設等、外部から電力の供給が難しい施設において本発明は特に有用である。
エネルギーの具体的利用法としてレーザー伝送光学系の反射鏡の背面に太陽電池を配置し、該太陽電池で前記反射鏡を透過したレーザーエネルギーを用いて発電を行う方式を採用したものは、反射鏡の背面に太陽電池を張るというコンパクトな機構であるため、重量要求が厳しい宇宙空間での使用に適している。
【００１４】
エネルギーの具体的利用法として熱起電力素子を用いた熱発電手段を備え、レーザー伝送光学系の部材の発熱を用いて発電を行う方式を採用したものは、レーザー伝送光学系の稼動に伴い必然的に起きる発熱現象を積極利用するものであるから、エネルギーの有効利用という点で優れたものである。しかもその構造は発熱部材の熱伝達路に、熱が伝わってくる側を高温側とし、放熱部となる外側を低温側とする形態で熱電素子を配置するだけのコンパクトな機構であるから、この方式も重量要求が厳しい宇宙空間での使用に適したものである。
また、本発明はエネルギーの伝送媒体としてのレーザー光を中継するような施設において、レーザー伝送光学系からの熱放出を利用した発電を行わせ、該施設において必要とされる電力の内この熱発電だけでは不足する分を、レーザー光の一部を利用した光電池方式の発電で補うように背面に光電地を配置した反射鏡の透過率を設定する発電システムであるので、レーザーをエネルギーの伝送媒体として利用するネットワークにおいて、エネルギーの有効利用を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザー伝送光学系からの透過エネルギーを用いた発電装置の実施の態様例を示す図である。
【図２】本発明によるレーザー伝送光学系からの発熱エネルギーを用いた発電装置の実施の態様例を示す図である。
【図３】本発明を適用する宇宙規模のレーザーエネルギー供給ネットワークを示す概念図である。
【符号の説明】
１ レーザー反射鏡 ３ レンズ
２ 光電地 ４ 熱電素子

Claims (4)

1. エネルギーをレーザーによって遠隔地に伝送するレーザー伝送光学系における反射鏡又はレンズから漏洩するレーザーエネルギーを用いて発電するシステム。
2. レーザー伝送光学系における反射鏡の背面に光電素子を用いた光電池を配置し、該光電池で前記反射鏡を透過したレーザーエネルギーを用いて発電を行うものである発電システム。
3. レーザー伝送光学系に配置されたレンズの枠部に、熱が伝わってくる内側を高温側とし、放熱部となる外側を低温側とする熱起電力素子を用いた熱発電手段を配置し、該レンズの部材の発熱を用いて発電を行うものである請求項１に記載の発電システム。
4. エネルギーの伝送媒体としてのレーザー光を中継するような施設において、レーザー伝送光学系からの熱放出を利用した発電を行わせ、該施設において必要とされる電力の内この熱発電だけでは不足する分を、レーザー光の一部を利用した光電池方式の発電で補うように背面に光電地を配置した反射鏡の透過率を設定する発電システム。

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