研究紹介

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マイクロ波無線エネルギー伝送技術の研究

10cm~0.1mm程度の波長(周波数0.1GHz~100GHz程度)の電磁波の一種で、通信用電波としても広く利用されているマイクロ波ですが、エネルギー(電力)を伝送する手段として利用する場合は、非常に多くのアンテナ素子で構成されるアレイアンテナを用います。アレイを構成する各アンテナ素子からマイクロ波を放射するタイミング等(位相と振幅)を制御し、空間で合成することで、任意のビーム形状を形成することができ、さらにビームを任意の方向に向けて放射(送電)することができます。その特質を活かし、宇宙空間において太陽光での発電を行い、その電力をマイクロ波に変換してエネルギーとして地球へ伝送し、地上にてマイクロ波を電力に変換して利用に供するシステムを、マイクロ波方式宇宙太陽光発電システム(M-SSPS)と呼んでいます。

エネルギー伝送手段としてのマイクロ波の特徴

  • 雲や雨を透過する。(概して10GHz以下の周波数のマイクロ波)
  • (レーザーと比較して)エネルギー密度等により安全性を確保しやすい。

高精度マイクロ波ビーム方向制御技術の研究開発

SSPS研究チームでは、地上に1GW(100万kW)の電力を供給する大規模宇宙機SSPSを想定し、静止軌道から地上受電サイト(受電アンテナ径2km程度)までの36,000kmという長距離のエネルギー伝送を安全かつ効率よく行う「マイクロ波長距離無線電力伝送技術(SSPS中核技術)」の確立に向け、マイクロ波を用いた高精度なビーム方向制御技術の研究開発に注力しています。kmに及ぶ巨大送電アンテナ(フェーズドアレイアンテナ)を用いて形成するマイクロ波ビームの方向制御精度は、少なくとも0.001度の精度(36,000km先で数百m程度)が要求されます。

km級となる巨大アンテナは、多数の剛体アンテナパネルの柔軟結合による構築されるため、重力傾斜トルクや熱歪み等の外乱により、結合されたアンテナパネル面は構造的に完全な平面を保てません。個々のアンテナパネルの方向(基準位置)が変動してしまうことは避けられず、マイクロ波のビーム方向を極めて高精度に制御するにあたっては、これを踏まえた電気的な補正制御が必要となります。

以上から、長距離の無線電力伝送を念頭においた高精度のビーム方向制御方式として、①受電設備から軌道上の送電アンテナに向けて「マイクロ波の送電方向を示すパイロット信号」を送り、②パイロット信号の到来角方向を送電アンテナの位置において高精度に検出して、③当該方向にマイクロ波を送電するようマイクロ波の位相を制御する、「ソフトウェア・レトロディレクティブ方式」を基本的に採用しています。パイロット信号の到来角方向検知に「振幅モノパルス法」の原理を利用し、送電アンテナパネル間の構造的な誤差補正には「素子電界ベクトル回転法」の原理を利用した、これらの原理等を組み合わせた独自の制御方式、制御アルゴリズムについて研究開発を進めています。

マイクロ波ビーム方向制御方式
(ソフトウェア・レトロディレクティブ方式)

マイクロ波無線電力伝送地上試験

SSPS研究チームは、一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構(J-spacesystems)との連携協力の下、マイクロ波無線電力伝送地上試験を2015年に実施しました。マイクロ波無線電力伝送地上試験システム(下図参照)を開発製造し、JAXAは、マイクロ波無線電力伝送地上試験システムにおいて、「ビーム方向制御部」の開発を担当しました。SSPSの巨大送電アンテナ面の変形(アンテナパネル間の段差や傾き)を模擬した状態で、その変形を電気的に補正し、5.8GHz帯のkW級高出力マイクロ波ビームを所望の方向に高精度で指向制御できることを伝送距離10mの屋内(電波暗室)において評価しました(下図参照)。その結果、ビーム方向制御の目標精度0.5度rmsに対して0.15度rmsを確認し、試験目標を達成しました。また、屋外においてもマイクロ波による無線電力伝送試験(伝送距離約55m)を実施し、無線送電した電力を実負荷に供給して、ユーザに実際に使用していただく実用化実証(デモンストレーション)を実施しました。

マイクロ波無線電力伝送地上試験・実用化実証(デモンストレーション)

マイクロ波無線電力伝送地上試験システムの概略図
マイクロ波ビーム方向制御精度評価試験
(電波暗室内:試験コンフィグレーション)

技術的課題への今後の取り組み

今後、マイクロ波無線エネルギー伝送技術の分野で取り組みが必要な主な技術的課題として、以下が挙げられます。

  • マイクロ波ビーム方向制御の精度向上
  • 電力からマイクロ波への変換効率(送電効率)の向上
  • マイクロ波から電力への変換効率(受電効率)の向上
  • 電気電子機器の小型化(薄型化)、軽量化

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