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» 2011年06月20日 18時38分 UPDATE

エレクトロニクスで創る安心・安全の社会システム:第3回 宇宙に太陽光発電所を設置する「SPS」、研究開発の今を聞く

太陽光発電を使いながらも、安定的に電力を供給できる可能性を秘めるのが、「宇宙太陽発電衛星(SPS)」である。宇宙空間に大規模な太陽光発電システムを設置し、マイクロ波帯の電磁波を使って、地上に電力を送る。

[前川慎光,EE Times Japan]

 再生可能エネルギーを使いながら、電力供給の安定性は高い――。今、最も求められている電力源の条件かもしれない。

 現在、日本の電力需要を支えているのは、火力発電と原子力発電の2つである。2010年3月時点で、火力発電が占める割合は60%、原子力発電が占める割合は23%で、両者を合わせると80%を超える(電力10社における数値、関連記事)。

 ところが、東日本大震災に伴って発生した原子力発電所の事故によって、原子力発電を推進してきた日本のエネルギー政策は転換を迫られている。火力発電は、二酸化炭素の排出や資源枯渇の問題もあり、原子力発電の発電量を火力発電ですべてまかなうのは、長期的には厳しいだろう。代替エネルギーの候補として、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーに注目が集まっているが、時間帯や気候条件によって発電量が大きく変動するという取り扱いの難しさがある。

 太陽光発電を使いながらも、安定的に電力を供給できる可能性を秘めるのが、「宇宙太陽発電衛星(SPS:Solar Power Satellite)」である。宇宙空間に大規模な太陽光発電システムを設置し、マイクロ波帯(1GHz〜30GHz)の電磁波を使って、地上に電力を送るというアイデアだ。GW(ギガワット)クラスの太陽光発電システムの利用が想定されている。

 宇宙太陽発電というアイデアそのものは、今からさかのぼることおよそ50年前の1960年代の後半に提案されていた。しかし、宇宙空間に太陽光発電システムを設置するという技術的な難易度の高さや莫大(ばくだい)な導入コストなどが原因で、長期的に見たときも、宇宙太陽発電を実用化する見通しは立っていない。

図 京都大学生存圏研究所の教授を務める篠原真毅氏

 研究開発の現状を、宇宙太陽発電衛星の研究を長年続けてきた篠原真毅氏(図1)に聞いた。同氏は、京都大学生存圏研究所の教授を務めている。2011年5月に京都で開催された、ワイヤレス給電に特化した初の国際学会では共同議長を担当した(関連記事)。

EE Times Japan(EETJ) 宇宙太陽発電の特徴や歴史を教えてほしい。

篠原氏 宇宙太陽発電の特徴は、発電時の二酸化炭素の排出が無いという太陽光発電の特徴はそのままに、安定した電力供給が見込めることである。

 確かに、太陽光や風力のエネルギーを動力源に使う再生可能エネルギーは魅力的だ。しかし、電力の生成能力が不安定であることが、一般的な課題とされている。現在、この課題を克服すべく、送配電網と情報通信技術を融合させたスマートグリッドや、電力貯蔵システムを導入する機運が高まっているという状況だろう。しかし、再生可能エネルギーを電力供給の主体にしたとき、日本の産業全体を支えられるか疑問である。

 太陽光発電システムは、地上に設置すると、夜間や雨天のときの電力生成は期待できない。しかし、3万6000km上空になると状況はがらりと変わり、時間帯や気候の影響を受けず、太陽光から安定して電力を生成できる。静止軌道に太陽光発電システムを設置することで、日本国内の常に同じ場所に電力を届けることが可能である。

図 宇宙太陽発電のイメージ図 出典:京都大学 生存圏研究所 篠原研究室

 宇宙太陽発電衛星を実現する重要な要素技術が、マイクロ波帯の電磁波を使った送電技術だ。宇宙太陽発電とマイクロ波送電は、寄り添うようにずっと研究が進められてきた。

 歴史を振り返ると、マイクロ波送電技術の研究開発は、1960年代に始まった。マイクロ波を使って、1.6km先の場所に450kWもの電力を送るという実証実験が無事に成功し、研究を進める機運が高まった。1960年代に研究が盛り上がった背景には、マイクロ波という当時にしては高周波の電磁波を扱える技術が生まれてきたことや、エネルギーを分散させずに無線伝送するビーム形成技術が生まれたことがある。

 ただ、アンテナの大きさが、先に紹介した実証実験の例だと26mと大きい。このような理由もあり、地上でマイクロ波で電力を送ろうという研究の盛り上がりは沈静化した。しかし、宇宙太陽発電に展開することを目的にしたマイクロ波送電の研究開発は続き、今に至る。

 これまで、宇宙太陽発電につながる数多くの実証実験が実施された。ほんの幾つかの例を挙げると、1983年には宇宙空間の親ロケットから子ロケットに向けて、マイクロ波を使って電力を送る実験が実施され、1992年には飛行船に対して地上から電力を送る実験が日本国内で実施された。現在でも、宇宙太陽発電の実用化を目指した基礎研究が進められているという状況だ。

 マイクロ波送電技術は、宇宙太陽発電のみならず、非常時の電力供給システムにも活用できるだろう。電力供給網が破壊された災害地域に飛行船を飛ばして、地上に電力を送るといった利用シーンである。受電システムを非常用としてあらかじめ地上に用意していれば、災害地域に地上から近づけなくとも、電力を送ることができる。

図 飛行船から地上にマイクロ波で電力を送る実証実験の様子 出典:京都大学 生存圏研究所 篠原研究室
図図 写真左は、飛行船に取り付けた送電アンテナ。写真右は、受電用レクテナを地上に置いている様子。出典:京都大学 生存圏研究所 篠原研究室

EETJ 宇宙太陽発電を実用化する上の課題は。

篠原氏 まず、コストを考える必要がある。規模の大きな太陽光発電システムを宇宙に設置するコストに加えて、地上に受電システムを設置する土地を用意する必要もある。

 技術的な観点でいうと、マイクロ波を高効率に増幅するパワーアンプや、電磁波の指向性を制御するフェーズドアレイ技術に、技術革新が必要だろう。太陽光で生成した直流電力を電磁波として地上に送るには、直流(DC)からマイクロ波(RF)に変換するデバイスが必要である。マイクロ波の電磁波の指向性を制御し、電力を地上に送った後、レクテナを使ってRFをDCに再度変換する(関連記事)。送電側のDC部分から受電側のDC部分の伝送効率は、現在の技術で50%程と見込んでいる。高い伝送効率を得るには、電力を送る各部分の高効率化を進める必要がある。

 2009年ころは活発に研究開発が進められていたものの、現在は予算の関係上で新規の研究プロジェクトが立ち上がっていない。これまでの研究プロジェクトを、継続しているという状況だ。まずは、3月11日の東日本大震災の被災地域の復興支援を日本全体で進めていく必要があるだろう。その後、安定した電力供給をいかに実現するのかという議論になったとき、宇宙太陽発電に再度注目が集まると期待している。

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