(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、１周回中に静止軌道上の点を中心に概ね円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星から送信する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システム。
【請求項２】
宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、上記電力基地から見て静止軌道上の点を中心に１周回中に楕円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星の位置変動によって生じる送信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システム。
【請求項３】
上記発電衛星は、上記静止軌道上の点からの距離及び周回位置に基づいて算出する位相調整量によって送信するマイクロ波を位相調整することを特徴とする請求項２に記載の宇宙太陽光発電システム。
【請求項４】
宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、上記電力基地から見たときに１周回中に静止軌道上の点を中心に概ね円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星から送信する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システム。
【発明の詳細な説明】
【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】
宇宙空間に複数の発電衛星を打ち上げて、それらの発電衛星からマイクロ波送信する場合に、地上の電力基地との間の位置関係が変化しない静止軌道上に発電衛星を配置する方法がある。図７は静止軌道上に発電衛星を配置した例を示す。図７において、１は地球、２は地球の自転周期と同じ周期で衛星が周回する静止軌道である。３は発電衛星であり、この図の場合には３台が配置されている。また図示のとおり、発電衛星の座標軸は、その進行方向をＸ軸、地心方向（地球中心方向）をＺ軸、これらのＸ軸及びＺ軸と直交する方向をＹ軸として定義される。
【０００３】
図７のように発電衛星３を配置することにより、これらの発電衛星は理想的には相対的な位置関係が変化しない。したがって、各発電衛星から電力として同時送信されるマイクロ波の位相は初期位置関係に基づいて地上の電力基地に送信される。ここで、理想的に位置関係が変化しないというのは、発電衛星３が何らの擾乱運動を行うことなく、遠心力と重力との釣り合いによってのみ静止軌道上を周回する場合に、位置関係が変化しないということを意味している。実際には静止軌道への投入時に生じる静止軌道からのずれによって摂動運動が生じたり、また発電衛星３の内部で発生する振動による衛星位置の擾乱運動などによって、発電衛星３は互いに相対的な位置関係が変化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静止軌道上には、この発電衛星３の他、通信衛星や気象衛星などが配置されている。大電力発電を行うためには、数十台から数百台の発電衛星を軌道上に配置する必要があるが、これらの発電衛星３を図７に示すような静止軌道に占有的に配置することは、他の通信衛星や気象衛星との関係において、空間的に困難であり、空間の使用の効率が良くないという問題点があった。また、発電衛星３は、図８に示すような点Ｃの位置に配置することも可能である。図８において、点Ａは静止軌道上の１点であり、この点Ａから一定の距離だけ離れた点Ｂから、静止軌道に直交し地球中心を中心とする円周ｍ上に点Ｃをとる。この点Ｃは地球中心からの距離が静止軌道上の点Ａと同じであり、静止軌道と同じ周期、即ち自転周期で地球のまわりを周回する点である。しかし、この点Ｃは静止軌道との関係では半周期後に点Ｄの位置（実際には地球中心に対して点Ｃと対称な位置）に移動する。したがって、点Ｃは点Ｂを中心として円周ｍ上を移動するので、点Ｂに他の衛星を配置することができず、結果的に、空間的な配置が発電衛星によって占有されてしまうという問題点があることは図７の場合と同じである。また、図８のように点Ｃの位置に配置する場合、点Ａとの位置関係（例えば点Ａに配置した衛星と点Ｃに配置した衛星との距離は、四半周期後には点Ａと点Ｂとの距離となる。）が１周回中に変化してしまうという問題点もあった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、複数の発電衛星を地球自転周期と同じ周期の軌道上に効率良く配置することのできる宇宙太陽光発電システム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システムは、宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、１周回中に静止軌道上の点を中心に概ね円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星から送信する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、宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、上記電力基地から見て静止軌道上の点を中心に１周回中に楕円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星の位置変動によって生じる送信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。
【０００８】
請求項３の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、請求項２の発明に係る宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、上記静止軌道上の点からの距離及び周回位置に基づいて算出する位相調整量によって送信するマイクロ波を位相調整するものである。
【０００９】
請求項４の発明に係る宇宙太陽光発電システムは、宇宙空間に配置した発電衛星によって太陽光から電力を生成し、生成した電力をマイクロ波によって電力基地へ伝送する宇宙太陽光発電システムにおいて、上記発電衛星は、静止軌道と同じ周期を有する楕円軌道であって、上記電力基地から見たときに１周回中に静止軌道上の点を中心に概ね円運動する軌道に複数配置され、それぞれの発電衛星から送信する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。
【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の構成を図１から図３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の発電衛星の配置を示す模式図であり、図２は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の１周回での動きを示す模式図であり、図３は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星を複数配置した状態を示す模式図である。図１において、１は発電衛星であり、２は地球上に配置された電力基地である。発電衛星１からは電力基地２に向けてマイクロ波を送信しており、電力基地２では発電衛星１からのマイクロ波を受信し、合成して電力を生成する。
【００１１】
この実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の配置について説明する。図１におけるＸＹＺは、地球の自転周期と同じ周期で周回する静止軌道上の点Ａを原点とする直交３軸座標系であり、周回方向をＸ軸、地心方向をＺ軸、これらのＸ軸及びＺ軸と直交する方向をＹ軸として定義する。発電衛星１は点Ｅ即ち、Ｘ座標は０、Ｙ座標とＺ座標の比は√３：１の点に配置する。この明細書において、平方根は√記号の直後に数字を付して記載しており、上記の√３は３の平方根を意味する。Ｅ点に配置した発電衛星１の周回速度は、点Ａが１周回して再び同じ点に戻って来たときに発電衛星１もこのＥ点に戻ってくるように設定する（この設定速度をＶｅとする）ものとし、このとき、発電衛星１は楕円軌道上を周回する。発電衛星１が楕円軌道上を周回する間の動きを図２によって説明する。図２に示す平面Ｓは、周回方向のＸ軸と、点Ａ及び点Ｅを含む直線によるＡＥ軸とを含む平面として定義する。最初にＥ点に配置された発電衛星１は、この平面Ｓ内において、４分の１周期後にはＥ１点へ、２分の１周期後にはＥ２点へ、４分の３周期後にはＥ３点に移動し、静止軌道上を１周回する点Ａのまわりを、１周回中に１回転し、かつＥ、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の各点とＡ点との距離は等距離となる。例えばＥ点はＡ点よりも地心に近いため、Ｅ点での発電衛星１の周回速度はＡ点の周回速度よりも速いので、４分の１周期までは次第にＡ点より周回方向前方に進み、逆にＥ２点はＡ点よりも地心から遠いので、Ｅ２点までに発電衛星１の周回速度が減速し、Ｅ２点での発電衛星１の周回方向の位置はＡ点と同じとなる。
【００１２】
次に発電衛星１を複数台配置する場合について図３により説明する。図３の平面Ｓ上において、静止軌道上の点Ａのまわりの円周Ｌ上に発電衛星１ａから１ｈまで配置したものである。もちろん、このような８台の配置に限らず円周Ｌ上に所望の台数の発電衛星１を配置することができる。また、円周Ｌ上だけでなく、平面Ｓ上の円周Ｍ（点Ａを中心とする同心円）上にも発電衛星を配置する構成としても良く、このようにすることで発電衛星の空間使用の効率が良くなり、また各発電衛星からなる全体系を１つのアレイアンテナと見た場合にアンテナ素子の空間密度を高めることにもなる。各発電衛星１ａから１ｈは、図２に示した発電衛星１と同様に軌道上を１周回する間に点Ａの周りを１回転するものである。即ち、発電衛星１ａから１ｈがＥ点の位置に到来したときの周回速度をＶｅとすれば、各発電衛星１ａから１ｈは１周回中にＡ点のまわりを１回転する。図３のように、各発電衛星１ａから１ｈの相対的な位置関係が変化しないように静止軌道付近に配置することができる。
【００１３】
電力基地２と平面Ｓ上の点Ａとを結ぶ直線が平面Ｓに直交する場合（地球上とは限らず、宇宙空間に電力基地２を配置することもある。）、電力基地２から見た各発電衛星１の動きは平面Ｓ上の円周を周回する。このとき、電力基地２から見た各発電衛星１の相対位置関係は変化せず、また各発電衛星１と電力基地２との距離も変化しない。したがって、各発電衛星１からのマイクロ波を位相調整してコヒーレントな送信をする場合、それらの位相を所定値に設定すれば、基本的には周回中に位相を変化させる必要がない。但し、各発電衛星１ａから１ｈがそれぞれ軌道投入ずれにより摂動運動したり、擾乱運動したりすることによって位置ずれが生じる場合には、その分の位相調整が行う。
【００１４】
電力基地２と平面Ｓ上の点Ａとを結ぶ直線が平面Ｓに直交していない場合（電力基地２を地球上に限らず宇宙空間に配置することもある。）、電力基地２から見た各発電衛星１の動きは、平面Ｓに対して傾斜した面に投影される円周Ｌ（楕円となる）上を周回する。即ち電力基地２からは、電力基地２と平面Ｓ上の点Ａとを結ぶ直線に直交する平面Ｔに投影された円周Ｌ（楕円となる）上を各発電衛星１が周回するように見える。電力基地２と平面Ｓ上の点Ａとを結ぶ直線と平面Ｔとの交点を点Ａ’とすれば、電力基地２から見た各発電衛星１は、１周回中に点Ａ’との距離を変化させながらが動き、また電力基地２と各発電衛星１との距離が変化する。したがって、各発電衛星１からのマイクロ波を位相調整してコヒーレントな送信をする場合、それらの位相は点Ａと各発電衛星１との距離と、周回中の円周Ｌ上の位置（又は地球周りを周回する周回位置）とに基づいて算出する位相調整量により送信するマイクロ波を調整すれば良い。
【００１５】
実施の形態２．
実施の形態１において、電力基地２と平面Ｓ上の点Ａとを結ぶ直線が平面Ｓに直交していない場合には、電力基地２から見た各発電衛星１が楕円上に並ぶため、発電衛星１の間隔が方向により疎密を生じ、送信されたマイクロ波の電力基地２での合成フットプリントに方向性が生じてしまうが、このような方向性が生じないように発電衛星１を配置することも可能である。この発明の実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの構成を図４から図６によって説明する。図４は実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の配置を示す模式図であり、図５は実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星を複数配置した状態を示す模式図であり、図６は実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムにおける電力基地から見た発電衛星の位置関係を示す模式図である。図４において、図１と同一符号を付した構成要素は図１のそれらと同一又は相当部分を示す。
【００１６】
この実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の配置について説明する。図４はＹＺ面を示しており、図中の点Ａは静止軌道上の点、Ｅ点は実施の形態１において説明したようにＸ座標が０、Ｙ座標とＺ座標の比が√３：１となる点である。実施の形態２では、ＡＥ軸と円周ｍとの間に点Ｅ’をとり、この点Ｅ’に発電衛星１を配置する。発電衛星１は地球を１周回する間にＸ軸及びＡＥ’軸を含む平面Ｓ’内（図５参照）で点Ａのまわりに回転するので、発電衛星１を点Ｅ’を通過するように配置するといってもよい。点Ｅ’に配置した発電衛星１の周回速度は、点Ａが１周回して再び同じ点に戻って来たときに発電衛星１もこの点Ｅ’に戻ってくるように設定する（この設定速度をＶｆとする）ものとし、このとき、発電衛星１は楕円軌道上を周回する。発電衛星１が楕円軌道上を周回する間の動きは、図５に示すように楕円Ｋの周上を地球１周回で１回転する。この楕円Ｋ上に複数の発電衛星１ａ〜１ｈを配置し、それぞれの発電衛星１ａ〜１ｈが点Ｅ’を通過するときの速度をＶｆにする。
【００１７】
次に図６により電力基地２から見た発電衛星１の動きを説明する。図６において平面Ｔ’は、電力基地２と平面Ｓ’上の点Ａとを結ぶ直線に直交する平面であり、円周Ｋ’は楕円Ｋをこの平面Ｔ’上に投影したものである。ここで、この円周Ｋ’が真円となるように、発電衛星１の配置位置である点Ｅ’と周回速度Ｖｆを設定している。各発電衛星１からのマイクロ波を位相調整してコヒーレントな送信をする場合、電力基地２と各発電衛星との距離は１周回中で変化するので、この距離の変化分に対する位相調整を行う。但し、各発電衛星１ａから１ｈがそれぞれ軌道投入ずれにより摂動運動したり、擾乱運動したりすることによって位置ずれが生じる場合には、その分の位相調整が必要である。
【００１８】
このように電力基地２と平面Ｓ’上の点Ａとを結ぶ直線が平面Ｓ’に直交していない場合でも、平面Ｔ’上に投影された各発電衛星１が真円上に並ぶように配置することができるので、このとき、各発電衛星１から送信されるマイクロ波が電力基地２で形成する合成フットプリントを等方性にすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明の請求項１乃至請求項４に係る発明によれば、１周回中に静止軌道上の点を中心に回転する楕円軌道に発電衛星を配置するので、静止軌道付近に複数台の発電衛星を効率良く配置して電力基地へマイクロ送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システムの発電衛星の配置を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の１周回での動きを示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星を複数台配置した状態を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星の配置を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムの発電衛星を複数台配置した状態を示す模式図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムにおける電力基地から見た発電衛星の位置関係を示す模式図である。
【図７】従来における静止軌道上に発電衛星を配置した例を示す模式図である。
【図８】従来における静止軌道上に発電衛星を配置した別の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
【図１】
0003584909.tif 000002
【図２】
0003584909.tif 000003
【図３】
0003584909.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003584909.tif 000007
【図７】
0003584909.tif 000008
【図８】
0003584909.tif 000009