JPS596582A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、宇宙空間を飛しようする人工衛星等の電源
として、太陽光を光電変換素子により電気エネルギーに
変換する電源装置に関するものである。

宇宙空間において得られる太陽光エネルギーは自然エネ
ルギーとして人工衛星が使うことのできる唯一のもので
あるところから、上記電源装置は良く用いられている。

また宇宙空間における太陽光の恒常性に着目した太陽発
電衛星の構想がある。

これは宇宙空間で太陽光を電気に変え、これをマイクロ
波で地球に伝送しようとするものであってここでも上記
電源装置を用いる必要がある。

まず従来の電源装置圧ついて簡単に説明する。

第１図は従来のこの種装置の構成を示すもので。

図において（１１は太陽光、（２）は太陽光＋１１を電
気に変換する光電変換素子を配列した太陽電池プレイ。

（３）はこの太陽電池アレイ（２）を支持する太陽電池
パネル、（４）は上記太陽電池アレイ（２）で発生した
電力を伝送するワイヤ、　（５）＃１上記太陽電池パネ
ル（３）が太陽方向に追従して回転するとき、上記ワイ
ヤ（４）が回転中も電力を電力制御器（６）に接続され
るよう摺動構造を有するスリップリング、（７）は上記
電力制御器で調節された電力をユーザーであるユニット
（８）へ供給するパスラインである。

このような構成において、太陽光（１）が太陽電池アレ
イ（２）に入力すると、ここで光電変換が行われて電力
が発生する。−万太陽電池パネル（３）は太陽光（１）
が垂直に入射するような方向へ常時回転しながら向けら
れる。

さて、上記電力はワイヤ（４）とスリップリング（５）
を通って電力制御器（６）へ導かれる。そして電力制御
器（６）により電圧の安定化と電力の分配が行われ。

所要の電力がユニット（８）へ供給される。

この様に従来の電源装置は太陽電池アレイ（２）全宇宙
空間に直接さらして太麺光（１）を受光し光電変換して
電力を得、この電力をワイヤにより人工衛星内部へ伝送
するという構成１（なりており安定して所要電力を供給
することができる。

しかしながらこのような従来の％Ｌ電源装置おいては、
太陽輩池プレイ（２）が宇宙空間に露出しているため宇
宙線の衝突により光を変換能力が劣化し寿命が制限さｎ
てしまう。

また上記太陽電池アレイ（２）が発生しｆｃｔ力をワイ
ヤ（４）により電気的に伝送するのでワイヤ（４）の抵
抗損があり、大型、力を伝送する場合に効率が悪くなる
。

さらに人工衛星内部の配線を電磁干渉や伝送特性などの
改善のためファイバケーブルにおきかえようとするとき
、電力伝送にもファイバケーブルを用いなければならな
いのに、上記ワイヤ（４）による電力伝送を行っていた
のでは都合が悪い、またさらに上記太陽電池アレイの温
度が大幅に変化しく一１００’０〜＋１００’（１程度
）高温における出力低下や機械的ストレスによる破壊な
どの問題があった。

この発明はこのような従来の電源装置の問題点を改善し
、高効率電力伝送を行なえ、電力伝送をファイバケーブ
ルで行ない電磁干渉を無くシ、光覚変換素子の温度制御
を行って高効率化し、さらに放射線から上記光電変換素
子を保護して長寿命にする電源装置を提供するもので以
下図を用いて詳述する。

第２図〜第６図はこの発明の一実施例を示すもので、第
２図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
３図は集光パネルの構成図、第４図は集光素子の構成図
、第５図はスリップリングの構成図、第１図は光電変換
素子アレイの光電変換特性を示す図である。図中９口）
　’＊　（４１、（６）　、　（７１。

（８）は第１図と同じである。（５）Ｉ／′ｉ上記太陽
光（１）を伝送するスリップリング、（９）は上記太陽
光（１）を集光する集光素子組！９を集光パネル（ＩＧ
Ｋ配列した集光素子アレイ、　（１１１はこの集光素子
アレイ（９）に接続され。

上記集光素子アレイ（９）で集光された上記太陽光（Ｉ
Ｉ′＠：伝送するファイバクープル、（っはこのファイ
バケーブルａυで伝送された上記太陽光（１）金光電変
換して電力を取り出す光電変換素置、Ｃ３はこの光電変
換装置ａ’ａに取付けられ、光転変換装置ＵＺから発生
する熱を云える伝熱機構（例えばヒートパイプなど）、
ＵＵこの伝熱機構０で云えられた熱を放散する放熱機構
（例えばサーマルルーバーなど）。

Ｑ９け上記太陽光（１）を集光する集光素子、Ｑｅはこ
の集光素子ＱＳを複数個配列して保持する保持機構。

（ＩＤ＃−１ｔ上記集光素子ａ喝を構成するもので、フ
ァイバグラスの薄板に金属被膜コーティングした帯状の
板を四角形の渦巻状に成形したレンズ、α樽はこのレン
ズａでの焦点付近におかれ、レンズＱηで焦光された上
記太陽光（１）を受光するファイバアレイ、Ｃ１け上記
レンズαηと上記ファイバアレイを保持するＦＲＰ製の
基板、（イ）はファイバケーブルαＢに接続されるファ
イバアレイリング、ｃｌυはこのファイバアレイリング
（至）が対向した部分に形成される空間。

（ハ）は上記集光パネル（１Ｇに取りつけられ、これと
共に回転する回転子、（２）は上記ファイバケーブル蝶
９及び上記ファイバアレイリング（イ）を収納して固定
する固定子、　ｔ２４Ｆｉ上記回転子Ｑりと固定子（ハ
）の間にはめこまれ回転を円滑にするベアリング、（ハ
）は上記ファイバケーブル蝶υと光電変換装置αりとの
接続部に取付けられ、上記ファイバケーブルｒ１Ｄから
送出される太陽光を所定のビーム幅罠設足するレンズ、
（至）はこのレンズ（ハ）で拡散された太陽光（ｌ１１
に反射するため中空容器■内面に取付けられ九反射鏡。

（至）は上記中空容器（２）内面に貼られた光電変換素
子プレイ（例えばガリウムヒ累光電変換素子アレイなど
）である。第１図においてＶは発生電圧、工は発生電流
、ＣＩは従来の太陽電池アレイ（２）の出力特性、（以
下Ｖ−Ｘ特性と呼ぶ〕、Ｃ２は上記光電変換素子アレイ
（２）のＶ−Ｘ特性、　　ｐｌは上記太陽電池アレイ（
２）の動作点、ｐ２け上記光電変換素子アレイの動作点
、Ｖｏｔ：を開放電圧、ｌ０ＩＩ′ｉ短絡電流である。

次にこの発明の詳細な説明する。太陽光（１）が集光素
子アレイ（９）に入射すると、レンズａηの内部で多重
反射しながら入射し、ファイバアレイａ８の開口面上に
焦点を結ぶ、この集光され丸太陽光ｔｌ＋は基板翰に保
持さｆｔ、；ｅファイバケーブルαυを通って伝送され
る。

第３図において集光素子αつが保持機構αｅに多数取り
つけられ平面的な配列をなして集光素子アレイ（９）を
構成しているから、この表面上に入射する太陽光（１）
をすべて集光し、ファイバケーブル儂υに集めて伝送す
ることができる。

上記集光素子Ｏ５は熱や機械的衝撃に対して強く。

また放射線劣化も本質的に無いものとなっている。

さて、ファイバケーブルαυ内を伝送する太陽光＋１１
は、スリップリング（５）に到達し１回転子（ハ）Ｋ収
納されるファイバアレイリング（イ）に導かれる。これ
はファイバケーブルの構成要素であるファイバをリング
状に配列したもので、向い合う固定子（至）に収納され
る同様のファイバアレイリング翰と空間ａｔυを隔てて
配置されている。

回転子（２）が集光パネル（ＩＧの回転と共に回転した
ときファイバアレイリング（イ）も回転子（２）と共に
回転するが、固定子（至）内の７アイバアレイリング（
イ）に、空間２１１を経由して太陽光（１１を伝送する
ことができる。

ここで、ファイバケーブル蝶υをファイバアレイリング
匈に変換している理由は伝送効率を高めるためであり、
７アイパケーブル蝶υの回転による偏波結合ロスと、散
乱ロスを防いでいる。

さてスリップリング（５）を通過した太陽光（１）は。

ファイバケーブル蝶υを通って光電変換装置ａｚに導か
れる。

上記太陽光（１１はファイバケーブル蝶υの端面から放
射され、レンズ（ハ）で所定のビーム幅で拡散される。

そして反射＠！（ハ）へ入射するが、ここで反射鏡（２
）は入射する太陽光（１）を中空容器（ハ）の内部すべ
てに拡散するように反射する。この反射された太陽光（
１）は中空容器■の内部に貼られた光ｉｆ換素子アレイ
（ハ）へ入射し、ここで光電変換して電力を得る。この
電力はワイヤ（４）によって電力制御器（６）へ入力さ
れる。以下の動作Ｉｆｉｆｊｇ１図と同じである。

次に上記光電変換装置ククで熱が発生するのであるが、
伝熱機構（１３を光１ｔｔｘ換装置に取付けることによ
って熱を収集し、この熱を放熱機構Ｉに伝え。

放熱機構Ｉから熱を放散して上記光電変換素子α２の温
度を一足に保つ。

次に光電変換装置鰺忙入力される太陽光（１）ｔｉエネ
ルギーが高く、従来の太陽電池アレイ（２）に入射する
太陽光（１１に比較して数十倍から数百倍の強度を持つ
ことになる。

このようにエネルギーを集積された太陽光を従来のケイ
累（Ｓｉ）Ｔｆ：素材にした光電変換菓子忙入射させた
とき、その温度が高まり効率が低下するので入射太陽光
の強度に比例して増加するものではない。ところが近年
浦発されたガリウムヒ素（ＧａＡａ）を素材とする光電
変換菓子を用いれば数十倍の太陽光入射に対して比例し
て出力が増大する。

第１図はこの様子を示すもので、従来Ｖ−工工性性Ｃ１
上２１点で動作させてい友が０２上の１２点で動作させ
ることができ従来の数十倍にものぼる電力を取出すこと
ができる。このことは、同じ電力を得るために太陽電池
アレイ（２）の数十分の１の面積の集光パネル顛を必要
とするＫすぎないという事になるから、結局この発明の
場合は従来のこのことを可能とするものは、光電変換装
置ｔＡｚの温度を伝熱機１１［ａｌと放熱機＄１１１（
１４）の作用によりて一足（最高効率ｔｉ２０’０付近
で得られる）Ｋ保つこと、及びファイバケーブルｔ１１
１により電力を光の形態で伝送し損失を防ぐことである
。

さらに光！変換装置α２の中空容器−は宇声線を遮蔽す
るから、光電素子アレイ偶の宇宙線劣化を防ぎ長期間に
わたって変換効率を不変圧維持するものである。

このような構成になっているから、従来のように光電変
換素子を宇宙空間に露出しないので宇宙線劣化を防止し
、光電変換菓子の長寿命化が行なえ、集光した太陽光を
ファイバケーブルで伝送するからエネルギーの損失を防
止でき、光電変換菓子の温度を最適制御できるので小形
な構成で大電力を得ることができかつ長寿命の電源装置
を提供する利点が生ずる。

次にこの発明の他ｐ実施例ｔ−ｉｓ図〜第１１−にわた
って示す。第８図はこの発明の他の実施例の構成を示す
ブロック図、第８図は光制御器の構成柄、第１０図はユ
ニットの構成伽、第１１図は光電変換菓子アレイにおけ
る太陽光の波長と出力の関係□□□である。内申、　ｃ
ｉｉ　、　（６）　、　（９）　、佃、Ｑｌｌｉｔ第２
図と同じ、　４８）ｔｉｔその内部に光電変換菓子とし
て光電変換素子アレイ匈とレンズ−と回折反射板（３５
）を備えたユニット、（２）け上記集光集子アレイ（９
）からファイバケーブル稙１軽由伝送さｎてくる上記太
陽光（１）を分配し２強度調節しさら忙余剰の上記太陽
光（１１を処理する光制御機構、（３りは上記ファイバ
ケーブル蝶りから送出される上記太陽光（１３を平行光
線に変換するレンズ、（３りは上記太陽光（１１を分配
するハーフミラ−、（３２）は上記ハーフミラ−（３１
）で分配された太陽光（１１の強度を調節するため回転
機構にハーフミラ−を取りつけたパワー調節器、　　（
３３）は上記パワー調節器（３りで反射さｔ′した上記
太陽光ｉｌｌを集光する凹面反射鏡、（３りは上記凹面
反射鏡（３３）で集光さｎた上記太陽光（１）を受光し
熱や電力に変換し、余剰の太陽光（１１を処理する光シ
ャン）　ｔ　、　（３５）、は４択的反射特性を有する
エケ）＋　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１　　　鴫啄−Ｐ彎嶋１ｉ　　竺−一レットグレ
ーティング（ｌｃｈｅｉａｔｔｓ　　Ｇｒａｔｉｎｇ）
をセラミック板の上Ｋｍし金属コーティングした回折反
射板、（３りけユニット（８）の内部電源を作るＤｏ／
Ｄｏコンバータ（３７）ｔ−保持する基板である。

第１１図においてＷ＃：を光の波長、ＰＦｉ太陽光（１
１０強さ、Ｅは光電変換菓子アレイ（至）の出力、　Ｃ
３は太陽光（ＩＩの強さ、　ｚＩＩｉ光電変換累子アレ
イ霞の出力、ｃｓ＃ｉ太陽光（１］のスペクトツム、ｃ
４＃ｉ光電変換素子アレイ（至）の出力特性である。

次にこの発明の他の実施例の動作を説明する。

光制御機構（至）へファイバケーブルＩにより太陽光（
１３が導入されるまでは前述の一実施例の説明と同様で
ある。光制御機ｉｌｌ＠で社ファイバケーブルａ日で導
かれてきた上記太陽光（ｌｌ？レンズ（至）によって平
行光線に変換する。そしてユニット（８）へ上記太陽光
（１）を分配するためにハーフミラ−（３りの作用で上
記太陽光（１１を所定の割合で分配する。この分配され
た太陽光（１１は直進してパワー調節器（３ｚ）へ達す
る。ここで各ユニット（８）へ分配する上記太陽光（１
；の強度を一足に保つ几めパワー調節器（３ｚ）を回動
して余分な太陽光１１）を反射させる。この反射された
太陽光＋ｔ＋Ｆｉ凹面反射鏡（３３）で収集されて光シ
ャント（３りへ入射する。光シャント（３すは余分な太
陽光（１１を熱や電力に変換し宇宙空間へ放散し友り、
あるいけ蓄積したりして有効に用いることができる。

一万、パワー調節器（３２）を通加した太陽光Ｕ）Ｆｉ
。

さらに直進してレンズ０１により集光されファイバａυ
へ入射し、ユーザーであるユニット（８）へ伝送される
。

そして、ユニット（８）へ入力した上記太陽光（１１け
レンズ（１ｍＫより平行光線に変換されて回折反射板（
３５）へ入射する。この回折反射板（３５〕け上記太陽
光（１ン進行万同に対し傾斜しているから、これに入射
した太陽光（１）け反射して径路が変わり光電変換素子
プレイ（２８）へ垂直に入射する。

このとき上記回折反射板は上記太陽光（ＩＩに含まれる
種々の波長の光のうち特定の波長の光を選択的に反射す
る作用があり、Ｃ４の最大値を与える波長の近傍を選択
的に反射させることができ赤外線領域の波長は反射せず
吸収する。したがって０３で示される太陽光（１１の強
さの有効成分だけを光電変換素子アレイ（２）に入射さ
せ、赤外線領域は吸収して熱として外部へとり出すこと
Ｋより光電変換素子プレイ（２）の発熱を抑えることが
できる。

さて、光電変換素子（２）で得られた電力はワイヤ（４
）を通りてＤ　Ｏ／Ｄ　Ｏコンバータ（３７）へ伝送さ
れる。ここて所定の電圧に調整し安定化して電子回路な
どへ電力を供給する。

このような構成化なっているから、電力の供給をファイ
バケーブル（１１）で行うことができ、光制御機ＩＩ！
（２）とユニット（８）が長距離はなれていても少々い
損失で、また電磁干渉なく良効な電力を供給す゛ること
がてきる。また従来ワイヤ（４）により電力を伝送して
いたものがファイバケーブルａυにすべておきかえるこ
とができるから構造が簡単で軽量な電源装置を提供でき
る利点が生ずる。

以上説明し皮様にこの発明によれば、大電力を発生する
。長寿命で、構造が簡単で小型軽量な電源装置を提供す
ることができる。

なお、一実施例では光電変換装置ａａに球体形状を用い
ているが、直方体、三角錐体９円錐形状などを用いるこ
とができ、またスリップリング（５）を省くこともでき
、さらに伝熱機Ｗ！０をユニット（８）へ分岐してユニ
ットの温度制御するなどの変形がある、 また実施例では各構成要素を別々に分離して示したが、
いくつかの構成要素を一つＫまとめて前記した各構成要
素個有の機能を持たせることができるなど装置の構成に
ついてはこの発明の要旨とする点を逸鋭しない範囲にお
いて各種の変形がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電源装置の構成を示す図、第２図はこの
発明の一実施例の構成を示すブロック図。 第３−は集光パネルの構成−９第４図は集光素子の構成
図、第５図はスリップリングの構成図、、第６図は光電
変換装置の構成図、第１図は光電変換素子アレイの光電
変換特性を示す−、第８図はこの発明の他の実施例の構
成を示すブロック図、第８図は光制御機構の構成図、第
１０図はユニットの構成図、第１１図は光電変換素子ア
レイにおける太陽光の波長と出力の関係勾である。 図中、（１νは太陽光、（２：は太陽電池アレイ、（３
）は太陽電池パネル、（４）はワイヤ、（５）はスリッ
プリン　　　′グ、（６）は電力制御器、（７）はパス
ライン、　（８１＃−ｔユニット、（９）は集光素子ア
レイｔ、　（ＩＩは集光パネル、　（１１１けファイバ
ケーブル、収ｚは光電変換装置、　（１３は伝熱機構、
ａＢｔ放熱機構、　ａ！ｊけ集光素子、ａｅＦｉ保持機
構、　ａ７）Ｆｉレンズ、０１１Ｆｉ７アイバアレイ、
ｏ嘩は基板、ｏｌはファイバアレ４　＋ｉ−ング、Ｑυ
け空間、勾は回転子、（至）は固定子、６１４はベアリ
ング、ｃ！１９はレンズ、（イ）は反射鏡、勾は中空容
器、＠け光電変換素子アレイ、（至）は光制御器機ｍ、
　Ｃ３Ｇはレンズｅ　　（３１）けハーフミラ−、（３
２）はパワー調節器、（３３Ｂ凹面反射鏡、（３りけ光
シャン）＠　　（３りは回折反射板。 （３６）＃：を基板、（ｓｒ）ＦｉＤｏ／ＤＯコンパ〜
りである。 尚図中間−あるいは相当部分には同一符号を付して示し
である。 代理人　葛　野　信　− 第３１１ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１太陽光を光電変換素子に入射させ、上記太陽光を
   電力ＫｙＫ換する電源装置において、上記太陽光を集光
   するレンズと、このレンズにより集光された上記太陽光
   を受光するファイバアレイとで構成された集光素子を配
   列した集光パネルと、この集光パネルに接続され、上記
   集光素子で集光された上記太陽光を伝送するファイバケ
   ーブルと。 このファイバケーブルに接続される中空容器と。 この中空容器と上記ファイバケーブルの接続部付近に取
   りつけらｔ、上記太陽光の拡散を行うレンズと、上記中
   空容器内部に取りつけられ上記レンズで拡散された大陽
   光を反射し、上記中空容器内部に上記太陽光を投射する
   反射鏡と、上記中空容器内面に取付けられ、上記反射鏡
   で反射された上記太陽光を受光し光電変換を行う光電変
   換素子アレイと、この光電変換素子アレイから得らｎる
   電力を上記中空容器の外部へ出力するワイヤと、上記中
   空容器に取りつけられ、上記光！変換素子アレイで発生
   する熱を収集し、伝熱する成熱機構と。 この伝熱機１［Ｋ接続され上記熱の放散を行う放熱機構
   とを備えたことを特徴とする電源装置。 （２）太陽光を光電変換素子に入射させ、上記太陽光を
   電力に変換する電源装置において、上記太陽光を集光す
   るレンズと、このレンズにより集光された上記太陽光を
   受光するファイバアレイとで構成された集光素子を配列
   した集光パネルと、この集光パネルに接続され、上記集
   光素子で集光された上記太陽光を伝送するファイバケー
   ブルと。 このファイバケーブルに接続され、上記太陽光の分配と
   強度調節を行う光制御機構と、この光制御機構とユニッ
   トの間を接続するファイバケーブルと、このファイバケ
   ーブルと上記ユニットの接続部に取りつけられ、上記太
   陽光を平行光線に調節するレンズと、このレンズから放
   射された上記太陽光の進行方向に対して傾斜して取りつ
   けらｎ。 上記太陽光を選択的に反射する回折反射板と、この回折
   反射板により反射された上記太陽光の進行方向垂直に取
   りつけらｎ、上記太陽光を受光して光電変換する光電変
   換素子アレイとを備え、この光電変換素子アレイから電
   力を得ることを特徴とする電源装置。