(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備えた宇宙太陽光発電システムにおいて、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成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】
上記送信アンテナの開口面振幅分布をテーパ分布としたことを特徴とする請求項１記載の宇宙太陽光発電システム。
【請求項３】
上記発電衛星群の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星からの送信電力をテーパ状に変化させることを特徴とする請求項１から２記載の宇宙太陽光発電システム。
【請求項４】
上記発電衛星の有する送信アンテナをアレーアンテナとすることを特徴とする請求項１から３記載の宇宙太陽光発電システム。
【請求項５】
上記発電衛星の有する送信アンテナをアレー給電反射鏡アンテナとすることを特徴とする請求項１から３記載の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電気エネルギーに変換し、マイクロ波など無線で電力送信を行い、これを電力基地において受信し、電気エネルギーと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】
石油・石炭や天然ガスなど化石燃料に基づく電気エネルギーの有限性と環境への悪影響から、これに替わるエネルギー源として太陽光が注目されている。太陽光による電気エネルギー利用の一形態として地上での太陽光発電などが存在するが、昼夜の日照量格差、天候の影響など電力の安定供給が難しく、また効率が悪い。一方、宇宙空間では大気による減衰がほとんど無く、地球近傍の宇宙空間でも太陽光エネルギー密度が地上の５〜１０倍にもなり、宇宙空間での太陽光エネルギー利用は大きな魅力がある。そこで宇宙空間での太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換、マイクロ波などの無線によって送信して特定の場所で受電する、宇宙太陽光発電システムについての研究開発が進められている。
【０００３】
このような宇宙太陽光発電システムの従来技術の一例として、図９に「Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ  ａｎｄ  ＮＡＳＡ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｒｅｐｏｒｔ、  ”Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ：  Ｃｏｎｃｅｐｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｇｒａｍ”、ＤＯＥ／ＥＲ−００２３、１９７８」における従来の太陽光宇宙発電システムの構成図を示す。この図において、４は発電衛星、５は発電衛星４に搭載された太陽電池パネルからなる光電変換手段、９は発電衛星４に搭載された送信アンテナ、１０は送信アンテナ９により放射されるマイクロ波、１１は電力基地、１２は電力基地１１に備えられた受信アンテナである。
【０００４】
図９に示す宇宙太陽光発電システムにおいて、太陽光を発電衛星４に搭載された光電変換手段５により光電変換する。ここで発電されたエネルギーを送信アンテナ９によりマイクロ波１０として電力基地１１へ送信し、電力基地１１では受信アンテナ１２で受電する。従来の技術として引用した例では、発電衛星４に搭載される光電変換手段５は５×１０ｋｍの大きさであり、送信アンテナ９は直径１ｋｍ、電力基地１１における受信アンテナ１２は１０×１３ｋｍの大きさを有する。また、発電衛星４の重量は５万トンである。この光電変換手段５を構成する太陽電池パネルの大きさは、発電衛星４の生成する電力量に応じて決定され、送信アンテナ９および受信アンテナ１２の大きさはビーム受電効率に応じて決定される。
【０００５】
ここで、開口径Ｄｒｘの受信アンテナ１２の開口面領域に到達する電力Ｐｒｘを、開口径Ｄｔｘの送信アンテナ９から送電される電力Ｐｔｘで規格化した値をビーム受電効率ηｂとして定義すると、送信アンテナ９と受信アンテナ１２の距離ｄがフラウンホーファ領域（電気的に距離が無限と見なせる領域）となるよう充分に離れており、送信アンテナ９の開口面分布が振幅および位相とも一様の場合、送信アンテナ９の放射界分布Ｅおよびビーム受電効率ηｂは下式で表される。
【０００６】
【数１】
0003584925.tif 000002
【数２】
0003584925.tif 000003
【数３】
0003584925.tif 000004
【数４】
0003584925.tif 000005
【０００７】
ただし、λはマイクロ波１０の波長であり、Ｊｎ（ｘ）はｎ次のベッセル関数である。  式（２）より、ビーム受電効率ηｂを向上させるには送信アンテナ９、受信アンテナ１２ともに開口径を大きくする必要があることが解る。送信アンテナ９、受信アンテナ１２の開口形状や開口面分布が異なれば、ビーム受電効率ηｂの算出式もそれに応じて異なるが、送信アンテナ９あるいは受信アンテナ１２の開口径を大きくすればビーム受電効率ηｂが向上する関係は常に成立する。
【０００８】
送信アンテナ９と受信アンテナ１２の距離ｄが、受信アンテナ１２の開口径Ｄｒｘに比べて充分に大きい場合には、式（３）および式（４）より次式が成立する。
【０００９】
【数５】
0003584925.tif 000006
【００１０】
式（５）より、あるビーム受電効率を達成するために必要な送信アンテナ９と受信アンテナ１２の開口径は、どちらか一方が決定されると他方も自ずと決定されることになる。また高いビーム受電効率を実現するには、送信アンテナ９あるいは受信アンテナ１２の開口径を大きくする必要がある。図１０に送信アンテナ９から放射されるマイクロ波１０の波長λを５２ｍｍ（周波数５．８ＧＨｚ）とした場合の送信アンテナ９のフラウンホーファ領域での放射界分布とビーム受電効率の特性を示す。同図より、例えば発電衛星４を地上３６０００ｋｍの静止軌道上に配置し、送信アンテナ９の開口径を１ｋｍ、開口面分布が一様とした場合、ビーム受電効率を９０％とするには受電アンテナ１２の開口径として約７ｋｍ必要であることが解る。
【００１１】
上記の式（２）より、送信アンテナ９から放射されるマイクロ波１０の送信周波数を高く（波長を短く）すれば、送信アンテナ９あるいは受信アンテナ１２の開口径を小さくできるが、既存の衛星通信や地上のマイクロ波通信などで使用する周波数帯と干渉してしまう問題がある。また、電力基地４を地上に配置した場合には、一般に周波数が高くなると大気による損失が無視できなくなり、却ってビーム受電効率が低下してしまう。よってマイクロ波１０に用いられる周波数範囲としては制限が有る。これまでに宇宙太陽光発電システムで想定されている周波数としては２ＧＨｚ帯（２．４５ＧＨｚ）と５ＧＨｚ帯（５．８ＧＨｚ）が挙げられている。
【００１２】
また発電衛星４で生成する電力量を大きくするためには、光電変換手段５を構成する太陽電池パネルあるいは太陽光を集光する反射鏡などの面積を大きくする必要がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽電池パネルや送信アンテナを搭載する発電衛星は、ロケットやシャトルにより地上から宇宙へ打ち上げて所定の軌道に投入する必要がある。一方でロケット等に積載可能な寸法や重量には制限があるため、発電衛星が有する太陽電池パネルや送信アンテナの寸法あるいは重量が大きい場合には一度に宇宙へ投入・展開するのは物理的に困難である。
【００１４】
そこで発電衛星の構造部材を複数に分けて打ち上げを行う方法が考えられるが、この場合には宇宙あるいはそれに準ずる高度において組み立てを行い、その上で所定の軌道に発電衛星を投入する必要がある。この場合においても最終的な発電衛星が有する太陽電池パネルや送信アンテナの寸法あるいは重量が大きいと非常に多数の打ち上げが必要となり、コストの上での負担が大きく、また発電衛星の実運用までの期間も長期にわたるため実現への障壁が高い。さらに組み立てのための電気的・機械的・熱的なインターフェースが複雑になる問題や、発電衛星の組み立てをバンアレン帯より低高度で行う場合には、発電衛星がバンアレン帯を通過する際に電子機器類や太陽電池パネルなどが放射線などの影響で破損や性能劣化を生じる問題がある。
【００１５】
また発電衛星に搭載される送信アンテナは正確に目標とする電力基地へマイクロ波を送信する必要がある。発電衛星の姿勢制御の精度が非常に高ければ問題無いが、発電衛星と電力基地の距離が非常に離れている場合や、電力基地が有する受信アンテナの開口面積が小さい場合には、発電衛星の姿勢とは独立して送信アンテナからのビーム方向を制御する必要がある。このような要求を満足するために送信アンテナとしてアレーアンテナを採用し、電気的にビームを走査する方法が考えられるが、グレーティングローブと呼ばれる不要ビームを生じないために、一般にはアンテナ開口全体にわたって素子アンテナを１波長以下の間隔で並べる必要がある。ここで送信アンテナの開口面積が非常に大きい場合、それに比例して多数の素子アンテナを配列する必要がある。例えば送信アンテナ３から放射されるマイクロ波の波長を５２ｍｍ（周波数５．８ＧＨｚ）、送信アンテナ３の開口径を１ｋｍとした場合、素子アンテナを１波長間隔で配列すると、素子アンテナの数は約２億９千万素子にもなる。したがって、送信アンテナの製造・組み立て規模も非常に大きく、製造難度も高くなる問題がある。
【００１６】
一方で受信アンテナの開口面積を大きくすれば送信アンテナの開口面積を小さく出来るが、電力基地を地上に配置する場合には土地の確保の観点から、あまりに広大な面積を確保するのは物理的にもコストの上でも困難が生じる。電力基地を宇宙空間や月面などに配置する場合には、やはり上記発電衛星の打ち上げと同様の問題が生じてしまう。
【００１７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、従来において発電衛星に搭載される送信アンテナが非常に大きいことに由来する問題点を払拭するために、発電衛星に搭載される送信アンテナを小さく抑えても不要にビーム受電効率を損なわず、また電力基地の受信アンテナの大きさも最小限に抑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。
【００１８】
【課題を解決するため手段】
この発明に係る宇宙太陽光発電システムは、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成するものである。
【００１９】
この発明に係る宇宙太陽光発電システムは、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記送信アンテナの開口面振幅分布をテーパ分布とするものである。
【００２０】
この発明に係る宇宙太陽光発電システムは、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星群の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星からの送信電力をテーパ状に変化させるものである。
【００２１】
この発明に係る宇宙太陽光発電システムは、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星の有する送信アンテナをアレーアンテナとするものである。
【００２２】
この発明に係る宇宙太陽光発電システムは、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星の有する送信アンテナをアレー給電反射鏡アンテナとするものである。
【００２３】
【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について図面を参照しながら説明する。図１は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示す図である。
【００２４】
図１において、１は太陽、２は太陽１より発せられる太陽光、３は発電衛星群、４は発電衛生群３を構成する発電衛星、５は光電変換手段、６は送信周波数変換手段、７はマイクロ波制御手段、８はマイクロ波制御手段７に制御信号を入力する制御信号受信手段、９は送信アンテナであり、上記５から９は発電衛星４の構成要素である。また１０は送信アンテナ９により放射されるマイクロ波、１１は電力基地、１２はマイクロ波１０を受信する受信アンテナ、１３は受信したマイクロ波１０を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段、１４は発電衛星群３に信号を送信する発電衛星制御用アンテナ、１５は発電衛星制御用アンテナ１４より送信されるコマンド、１６はコマンド１５に基づいて発電衛星４を制御する制御衛星、１７は発電衛星４を制御する発電衛星制御信号であり、上記１２から１４は電力基地１１の構成要素である。
【００２５】
次に発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムの動作原理について図面を参照しながら説明する。図１に示された宇宙太陽光発電システムにおいて、宇宙空間に配置された各々の発電衛星４が有する光電変換手段５により、太陽１から発せられる太陽光２を電気エネルギーに変換する。光電変換手段５は太陽電池パネルと太陽光２を集光する集光光学系を組み合わせたものでも良いし、単に太陽電池パネルのみであっても良い。光電変換手段５により得られた電気エネルギーは半導体増幅器や電子管などからなる送信周波数変換手段６によりマイクロ波帯に周波数変換され、マイクロ波制御手段７により送信アンテナ９で送信する際に必要な振幅位相が与えられる。そして送信アンテナ９からマイクロ波１０が所定の位置に設置された電力基地１１に向けて放射される。
【００２６】
ここで発電衛星群３は各発電衛星４に搭載された送信アンテナ９を素子アンテナとするアレーアンテナを形成する。したがって、上記マイクロ波制御手段７は各々の発電衛星４に搭載された送信アンテナ９をアレーアンテナの素子とした場合に、電力基地１１へマイクロ波１０が伝播するようにマイクロ波１０の励振振幅位相を制御する。このマイクロ波の制御にあたっては、電力基地１１の方向に対して共相となるよう各々の発電衛星の位置や姿勢に応じて送信アンテナ９の励振位相を制御する必要が有る。そこで電力基地１１に備えられた発電衛星制御用アンテナ１４から電力基地１１の位置を示すコマンド１５を制御衛星１６に向けて送信する。制御衛星１６は各々の発電衛星４の位置や姿勢をレーザや電磁波などによりモニタしており、この位置情報と上記コマンド１５から各々の発電衛星４の送信アンテナ９に必要な励振振幅位相を算出し、発電衛星制御信号１７を送信する。各発電衛星４は制御信号受信手段８によって発電衛星制御信号１７を受信し、マイクロ波制御手段７に入力する。
【００２７】
なお、ここでは制御衛星１６により各々の発電衛星４の送信アンテナ９に必要な励振振幅位相を算出しているが、必ずしも制御衛星１６で演算を行う必要は無く、各々の発電衛星４においてこれを実施しても良い。また、地上で各々の発電衛星４の位置や姿勢をモニタする場合や、発電衛星４そのものが自分自身の位置や姿勢をモニタ出来る場合などでは必ずしも制御衛星１６は必要ない。この場合、制御信号受信手段８も不要になることもある。
【００２８】
上記の様にして発電衛星群３から送信されたマイクロ波１０は、電力基地１１に備えられた受信アンテナ１２にて受信され、受信周波数変換手段１３により直流あるいは低周波に周波数変換されて電力として利用される。なお、受信アンテナ１２と受信周波数変換手段１３は、一般のレクテナなどのように一体となったものでも良く、またそれぞれが所要の開口面積に複数配置されていても良い。
【００２９】
ここで本実施の形態１に係る宇宙太陽光発電システムのビーム受電効率について説明する。図２に発電衛星群３が形成するアレーアンテナとしての放射界分布とビーム受電効率の特性を示す。同図においてマイクロ波１０の波長λは５２ｍｍ（周波数５．８ＧＨｚ）とし、発電衛星４が正方形配列で配置され、各々の発電衛星４が搭載する送信アンテナ９の開口面分布が一様、開口径が２００ｍ、発電衛星数Ｎが２５（＝５×５）機、全ての発電衛星が同一振幅位相で送信している（すなわち発電衛星群３によるアレーアンテナの励振分布が一様）ものとし、送信アンテナ９と受信アンテナ１２の距離ｄがフラウンホーファ領域と見なせるものとする。なお比較のために開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体の場合と、発電衛星群３によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる開口径１ｋｍの送信アンテナ９が単体の場合の特性も併記している。
【００３０】
図２（ａ）より、開口径２００ｍの送信アンテナ９をアレー化した場合の放射界分布は、開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体のときの放射界分布を包絡線とし、アレーアンテナ全体をひとつの開口面アンテナに見たてたときの開口径に応じたビーム幅を有し、素子間隔（発電衛星４の配置間隔）ｌによって決まる角度周期でグレーティングローブを生じていることがわかる。図３にアレーアンテナの放射界分布の説明図を示す。図３（ｃ）に示すアレーアンテナの放射界分布は、図３（ａ）に示す素子アンテナとなる送信アンテナ９の放射界分布と、図３（ｂ）に示すアレーファクタによる放射界分布の積で与えられる。このアレーファクタによる放射界分布は波長に対する素子間隔の長さ、素子数、素子配列、素子の励振係数分布によって決まるものである。
【００３１】
図２（ｂ）より、開口径２００ｍの送信アンテナ９をアレー化した場合のビーム受電効率は、いずれの素子間隔（発電衛星４の間隔）ｌにおいてもメインローブに対応したオフセット角範囲内で、開口径１ｋｍの送信アンテナ９が単体の場合とほぼ一致していることがわかる。また素子間隔が大きくなると、ビーム幅が狭くなりメインローブ内に含まれる電力が減少するので、第１サイドローブに対応したオフセット角において頭打ちになるビーム受電効率の値が低く留められてしまう。しかし、いずれの素子間隔においても放射界分布の第１グレーティングローブに対応したオフセット角において、アレー化した場合のビーム受電効率は、開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体の場合のビーム受電効率よりも改善されている。さらに開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体の場合の第１ヌル点近傍よりオフセット角が大きくなると、ビーム受電効率の特性は開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体の場合のビーム受電効率に近づく。
【００３２】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）に発電衛星数Ｎが９（＝３×３）機とし、その他の条件は図２の場合と同一としたときの発電衛星群３が形成するアレーアンテナとしての放射界分布とビーム受電効率の特性を示す。同図においても比較のために開口径２００ｍの送信アンテナ９が単体の場合と、発電衛星群３によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる開口径６００ｍの送信アンテナ９が単体の場合の特性も併記している。
【００３３】
図４より、図２の場合と同様に、開口径６００ｍの送信アンテナ９が単体でのビーム受電効率と、開口径２００ｍの送信アンテナ９をアレー化した場合のビーム受電効率が、メインローブに対応したオフセット角範囲内でほぼ一致しており、またその他の特性も図２の場合と同様であることがわかる。
【００３４】
したがって、受信アンテナ１２の開口径を、発電衛星群３が形成するアレーアンテナによる放射界分布のメインローブに対応した大きさの範囲内で与える場合には、発電衛星群３によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる送信アンテナ９が単体で存在する場合に比べて、ビーム受電効率を大きく損なうことなく、発電衛星群３から電力基地１１へ送電を行うことが出来る。
【００３５】
また、受信アンテナ１２の開口径を、アレー化した場合の放射界分布の第１グレーティングローブに対応した大きさの範囲内で与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナ９が単独で存在するときよりも向上することが出来る。
【００３６】
さらに、発電衛星４の数が変化しても、発電衛星群３によるアレーアンテナ全体と同一の開口面積となる単一の送信アンテナ９と同等のビーム受電効率が得られるので、これにより発電衛星４を逐次追加しながら宇宙太陽光発電システムの発電電力および発電効率を向上し、宇宙太陽光発電システムを発展的に運用することが出来る。
【００３７】
上記のとおり発電衛星４が有する送信アンテナ９を発電衛星群３によるアレーアンテナ全体と同一の開口面積となる単一の送信アンテナ９に比べて小さく出来るので、ロケットなどによる打ち上げ時の負担を軽減することが出来る。
【００３８】
実施の形態２．
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ついて図面を参照しながら説明する。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は実施の形態１で示した図１と同一であるが、送信アンテナ９の開口面振幅分布をテーパ分布としている。
【００３９】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に送信アンテナ９の開口面振幅分布Ｅａとして次式で与えられるテーパ分布の形状と、そのときの放射界分布を示す。なお、次式においてｒは送信アンテナ９の開口面内の規格化半径、ｐおよびｂは定数であり、ｐはテーパ分布の相対的な形状に寄与し、ｂはエッジレベル（開口中心と開口端部との振幅比）Ｅｌに寄与する。式（７）ではエッジレベルＥｌは真値で定義している。
【００４０】
【数６】
0003584925.tif 000007
【数７】
0003584925.tif 000008
【００４１】
同図において、式（６）の定数ｐは２とし、定数ｂはエッジレベルＥｌに応じて与えている。同図（ｂ）より開口面振幅分布ＥａのエッジレベルＥｌを低くすることにより、メインビームのビーム幅が広くなり、サイドローブレベルが低くなっていることが解る。
【００４２】
ここで本実施の形態２に係る宇宙太陽光発電システムのビーム受電効率について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）に図５で示したテーパ分布を送信アンテナ９の開口面振幅分布とする場合における発電衛星群３が形成するアレーアンテナとしての放射界分布とビーム受電効率の特性を示す。同図においてマイクロ波１０の波長λは５２ｍｍ（周波数５．８ＧＨｚ）とし、発電衛星４が間隔３００ｍの正方形配列で配置され、各々の発電衛星４が搭載する送信アンテナ９の開口径が２００ｍ、発電衛星数Ｎが２５（＝５×５）機、全ての発電衛星が同一振幅位相で送信している（すなわち発電衛星群３によるアレーアンテナの励振分布が一様）ものとし、送信アンテナ９と受信アンテナ１２の距離ｄがフラウンホーファ領域と見なせるものとする。
【００４３】
同図より、送信アンテナ９の開口面振幅分布をテーパ分布とした場合のエッジレベルによりビーム受電効率が変化し、放射界分布の第１グレーティングローブから第２グレーティングローブに対応するオフセット角におけるビーム受電効率が、エッジレベルが約−１０ｄＢ程度で最も高くなり、このとき７５％から９０％のビーム受電効率を実現していることがわかる。また、第２グレーティングローブを過ぎたオフセット角ではエッジレベルが低いほどビーム受電効率が高く、エッジレベルが−１０ｄＢより低い場合にビーム受電効率が９７％以上となっている。これは図２（ｂ）に示された開口径１ｋｍの送信アンテナ９のビーム受電効率とほぼ遜色がない。
【００４４】
したがって、受信アンテナ１２の開口径を発電衛星群３が形成するアレーアンテナによる放射界分布の第１グレーティングローブ以上に対応した大きさの範囲内で与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナ９が単独で存在するときに比べてより一層向上することが出来る。
【００４５】
なお、ここでは式（６）で表されるテーパ分布を用いたが、例えばガウス分布、テイラー分布、チェビシェフ分布などの分布を用いても良い。
【００４６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る宇宙太陽光発電システムについて図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態３に係る宇宙太陽光発電システムの構成は実施の形態１で示した図１と同一であるが、発電衛星群３の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星４からの送信電力をテーパ状に変化させている。
【００４７】
ここで本実施の形態３に係る宇宙太陽光発電システムのビーム受電効率について説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）に発電衛星群３の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星４からの送信電力をガウス分布で与えた場合の発電衛星群３が形成するアレーアンテナとしての放射界分布とビーム受電効率の特性を示す。同図においてマイクロ波１０の波長λは５２ｍｍ（周波数５．８ＧＨｚ）とし、発電衛星４が間隔３００ｍの正三角配列で配置され、各々の発電衛星４が搭載する送信アンテナ９の開口面分布が一様、開口径が２００ｍ、発電衛星数Ｎが７機、送信アンテナ９と受信アンテナ１２の距離ｄがフラウンホーファ領域と見なせるものとする。
【００４８】
同図より、発電衛星群３の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星４からの送信電力をテーパ状に変化させた場合のエッジレベルによりビーム受電効率が変化し、放射界分布の第１ヌル点を過ぎたあたりのオフセット角におけるビーム受電効率が、エッジレベルが約−１０ｄＢ程度で最も高くなることがわかる。
【００４９】
したがって、受信アンテナ１２の開口径を発電衛星群３が形成するアレーアンテナによる放射界分布の第１ヌル点に対応した大きさで与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナ９が単独で存在するときに比べてより一層向上することが出来る。
【００５０】
なお、ここではテーパ分布としてガウス分布を用いたが、例えばテイラー分布、チェビシェフ分布などの分布を用いても良い。
【００５１】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る宇宙太陽光発電システムについて説明する。この発明の実施の形態４に係る宇宙太陽光発電システムの構成は実施の形態１で示した図１と同一であるが、送信アンテナ９をアレーアンテナとしており、発電衛星群３が形成するアレーアンテナのサブアレーとして機能する。
【００５２】
ここで発電衛星４の姿勢や位置のばらつきに応じて、電力基地１１の方向で共相となるように、各々の発電衛星４のマイクロ波制御手段７により送信アンテナ９で励振される位相を制御する。このとき発電衛星群３を構成する発電衛星４の送信アンテナ９のボアサイト方向（メインローブの方向）が電力基地１１の方向と異なっている場合には、各発電衛星４の励振位相を電力基地１１の方向で共相になるよう制御しても、発電衛星群３が形成するアレーアンテナの素子となる送信アンテナ９の電力基地１１の方向での利得低下分の応じて、発電衛星群３が形成するアレーアンテナの利得も低下し、ビーム受電効率を劣化させる。
【００５３】
そこで本実施の形態４では、発電衛星群３が形成するアレーアンテナだけでなく、サブアレーアンテナとして機能するアレーアンテナで構成される送信アンテナ９のボアサイト方向も電力基地の方向を指向するように発電衛星４の姿勢に応じて制御する。
【００５４】
したがって、各々の発電衛星４の姿勢が乱れた場合でも、ビーム受電効率の劣化を最小限に抑えることが出来る。
【００５５】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る宇宙太陽光発電システムについて説明する。この発明の実施の形態５に係る宇宙太陽光発電システムの構成は実施の形態１で示した図１と同一であるが、送信アンテナ９をアレー給電反射鏡アンテナとしている。
【００５６】
図８にアレー給電反射鏡アンテナの構成を示す。９は送信アンテナであり、図１のものと同一である。１８はパラボラ反射鏡、１９はパラボラ反射鏡１８の焦点、２０は一次放射器アレー、２１は一次放射器アレーを構成する一次放射器素子、２２はビーム走査時の焦点である。
【００５７】
同図において、一次放射器アレー２０は、一次放射器素子２１を素子アンテナとするアレーアンテナであるが、通常はパラボラ反射鏡１８の焦点１９を中心とする球面状の波面を励振するように位相分布が与えられる。このとき、一次放射器アレー２０から放射されたマイクロ波は、パラボラ反射鏡１８を介して平面波が形成され、鏡軸方向に伝播して行く。ここでパラボラ反射鏡１８から放射されるビーム方向を変位させたい場合には、それに対応した焦点位置からあたかも球面波が放射されているように一次放射器アレー２０の励振位相を設定する。このようにしてアレー給電反射鏡を用いてビーム走査を行うことが出来る。
【００５８】
したがって、上記発明の実施の形態４で示したように各々の発電衛星４の姿勢が乱れた場合でも送信アンテナ９のボアサイト方向を制御することにより、ビーム受電効率の劣化を最小限に抑えられる。
【００５９】
また送信アンテナ９をアレー給電反射鏡アンテナとすることにより、励振振幅位相を制御する素子数がパラボラ反射鏡１８の開口面積でなく、一次放射器アレーの面積で決まるため、これを減らすことが出来る。
【００６０】
なお、本実施の形態５ではアレー給電反射鏡アンテナの一例として、反射鏡がパラボラ反射鏡１枚のみのものを取り上げたが、複数枚の反射鏡から構成されるアレー給電反射鏡アンテナでも良い。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成するものであるので、受信アンテナの開口径を発電衛星群が形成するアレーアンテナによる放射界分布のメインローブに対応した大きさの範囲内で与える場合には、発電衛星群によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる送信アンテナが単体で存在する場合に比べて、ビーム受電効率を大きく損なうことなく、発電衛星群から電力基地へ送電を行うことが出来る効果がある。
【００６２】
受信アンテナの開口径をアレー化した場合の放射界分布の第１グレーティングローブに対応した大きさの範囲内で与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナが単独で存在するときよりも向上することが出来る。
【００６３】
発電衛星の数が変化しても、発電衛星群によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる単一の送信アンテナと同等のビーム受電効率が得られ、これにより発電衛星を逐次追加しながら宇宙太陽光発電システムの発電電力および発電効率を向上することが出来る。
【００６４】
発電衛星が有する送信アンテナを発電衛星群によるアレーアンテナ全体と同一開口面積となる単一の送信アンテナに比べて小さく出来るので、ロケットなどによる打ち上げ時の負担を軽減することが出来る。
【００６５】
この発明によれば、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記送信アンテナの開口面振幅分布をテーパ分布とするものであるので、受信アンテナの開口径を発電衛星群が形成するアレーアンテナによる放射界分布の第１グレーティングローブ以上に対応した大きさの範囲内で与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナが単独で存在するときに比べてより一層向上することが出来る効果がある。
【００６６】
この発明によれば、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星群の中心位置からの距離に応じて各々の発電衛星からの送信電力をテーパ状に変化させるものであるので、受信アンテナの開口径を発電衛星群３が形成するアレーアンテナによる放射界分布の第１ヌル点に対応した大きさで与える場合には、ビーム受電効率を送信アンテナ９が単独で存在するときに比べてより一層向上することが出来る効果がある。
【００６７】
この発明によれば、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星の有する送信アンテナをアレーアンテナとするものであるので、各々の発電衛星４の姿勢が乱れた場合でも、ビーム受電効率の劣化を最小限に抑えることが出来る効果がある。
【００６８】
この発明によれば、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換手段、上記光電変換手段により得られた電気エネルギーをマイクロ波に周波数変換する送信周波数変換手段、上記周波数変換手段から出力されるマイクロ波の振幅、位相または振幅および位相を制御するマイクロ波制御手段、マイクロ波を放射する送信アンテナを有する発電衛星と、発電衛星から放射されたマイクロ波を受信する受信アンテナ、上記受信アンテナにより受信したマイクロ波を直流あるいは低周波の商用電力に周波数変換する受信周波数変換手段を有する電力基地とを備え、宇宙空間に複数の発電衛星を配置して発電衛星群を形成し、この発電衛星群内の各々の発電衛星が有する送信アンテナを素子アンテナとするアレーアンテナを形成し、上記発電衛星の有する送信アンテナをアレー給電反射鏡アンテナとするものであるので、各々の発電衛星４の姿勢が乱れた場合でも、ビーム受電効率の劣化を最小限に抑えられ、さらに送信アンテナ９に含まれる素子数を減らすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１から５による宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による宇宙太陽光発電システムの放射界分布およびビーム受電効率の一例を示す説明図である。
【図３】アレーアンテナの放射界分布の説明を行うための説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による宇宙太陽光発電システムの放射界分布およびビーム受電効率の異なる例を示す説明図である。
【図５】アンテナの開口面振幅分布と放射界分布の説明を行うための説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２による宇宙太陽光発電システムの放射界分布およびビーム受電効率の一例を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態３による宇宙太陽光発電システムの放射界分布およびビーム受電効率の一例を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態５による宇宙太陽光発電システムの送信アンテナとなるアレー給電反射鏡アンテナの構成を示す構成図である。
【図９】従来の宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成図である。
【図１０】アンテナの開口径と放射界分布およびビーム受電効率の関係を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  太陽、２  太陽光、３  発電衛星群、４  発電衛星、５  光電変換手段、６  送信周波数変換手段、７  マイクロ波制御手段、８  制御信号受信手段、９送信アンテナ、１０  マイクロ波、１１  電力基地、１２  受信アンテナ、１３  受信周波数変換手段、１４  発電衛星制御用アンテナ、１５  コマンド、１６  制御衛星、  １７  発電衛星制御信号、１８  パラボラ反射鏡、１９  反射鏡の焦点、２０  一次放射器アレー、２１  一次放射器素子、２２  ビーム走査時の焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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