JPS6240874B2 - - Google Patents

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
つ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に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１は太陽光、２は太陽光１を電気に変
換する光電変換素子を配列した太陽電池アレイ、
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は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ツプリング、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ツ
ト８へ供給するバスラインである。

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。一方太陽電池パネル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とスリツプリング５
を通つて電力制御器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、所要の電力がユニツト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を
宇宙空間に直接さらして太陽光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になつており安定し
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電源装置におい
ては、太陽電池アレイ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電変換能力が劣化し
寿命が制限されてしまう。

また上記太陽電池アレイ２が発生した電力をワ
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、大電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アイバケーブルにおきかえ
ようとするとき、電力伝送にもフアイバケーブル
を用いなければならないのに、上記ワイヤ４によ
る電力伝送を行つ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
（−100℃〜＋100℃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つ
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
フアイバケーブルで行ない電磁干渉を無くし、光
電変換素子の温度制御を行つて高効率化し、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
ブロツク図、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図はスリツプリング
の構成図、第７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、１，４，６，７，
８は第１図と同じである。５は上記太陽光１を伝
送するスリツプリング、９は上記太陽光１を集光
する集光素子１５を集光パネル１０に配列した集
光素子アレイ、１１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１を伝送するフアイバケーブル、１２はこ
のフアイバケーブル１１で伝送された上記太陽光
１を光電変換して電力を取り出す光電変換素置、
１３はこの光電変換装置１２に取付けられ、光転
変換装置１２から発生する熱を伝える伝熱機構
（例えばヒートパイプなど）、１４はこの伝熱機構
１３で伝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）、１５は上記太陽光１を
集光する集光素子、１６はこの集光素子１５を複
数個配列して保持する保持機構、１７は上記集光
素子１５を構成するもので、フアイバグラスの薄
板に金属被膜コーテイングした帯状の板を四角形
の渦巻状に成形したレンズ、１８はこのレンズ１
７の焦点付近におかれ、レンズ１７で焦光された
上記太陽光１を受光するフアイバアレイ、１９は
上記レンズ１７と上記フアイバアレイを保持する
FRP製の基板、２０はフアイバケーブル１１に
接続されるフアイバアレイリング、２１はこのフ
アイバアレイリング２０が対向した部分に形成さ
れる空間、２２は上記集光パネル１０に取りつけ
られ、これと共に回転する回転子、２３は上記フ
アイバケーブル１１及び上記フアイバアレイリン
グ２０を収納して固定する固定子、２４は上記回
転子２２と固定子２３の間にはめこまれ回転を円
滑にするベアリング、２５は上記フアイバケーブ
ル１１と光電変換装置１２との接続部に取付けら
れ、上記フアイバケーブル１１から送出される太
陽光を所定のビーム幅に設定するレンズ、２６は
このレンズ２５で拡散された太陽光１を反射する
ため中空容器２７内面に取付けられた反射鏡、２
８は上記中空容器２７内面に貼られた光電変換素
子アレイ（例えばガリウムヒ素光電変換素子アレ
イなど）である。第７図においてＶは発生電圧、
Ｉ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−Ｉ特性と呼ぶ）、Ｃ２は上記
光電変換素子アレイ２９のＶ−Ｉ特性、Ｐ１は上
記太陽電池アレイ２の動作点、Ｐ２は上記光電変
換素子アレイの動作点、V₀は開放電圧、I₀は短絡
電流である。

次にこの発明の動作を説明する。太陽光１が集
光素子アレイ９に入射すると、レンズ１７の内部
で多重反射しながら入射し、フアイバアレイ１８
の開口面上に焦点を結ぶ、この集光された太陽光
１は基板１９に保持されたフアイバケーブル１１
を通つて伝送される。

第３図において集光素子１５が保持機構１６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、フアイバケーブル
１１に集めて伝送することができる。

上記集光素子１５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つて
いる。

さて、フアイバケーブル１１内を伝送する太陽
光１は、スリツプリング５に到達し、回転子２２
に収納されるフアイバアレイリング２０に導かれ
る。これはフアイバケーブルの構成要素であるフ
アイバをリング状に配列したもので、向い合う固
定子２３に収納される同様のフアイバアレイリン
グ２０と空間２１を隔てて配置されている。

回転子２２が集光パネル１０の回転と共に回転
したときフアイバアレイリング２０も回転子２２
と共に回転するが、固定子２３内のフアイバアレ
イリング２０に、空間２１を経由して太陽光１を
伝送することができる。

ここで、フアイバケーブル１１をフアイバアレ
イリング２０に変換している理由は伝送効率を高
めるためであり、フアイバケーブル１１の回転に
よる偏波結合ロスと、散乱ロスを防いでいる。

さてスリツプリング５を通過した太陽光１は、
フアイバケーブル１１を通つて光電変換装置１２
に導かれる。

上記太陽光１はフアイバケーブル１１の端面か
ら放射され、レンズ２５で所定のビーム幅で拡散
される。そして反射鏡２６へ入射するが、ここで
反射鏡２６は入射する太陽光１を中空容器２７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２７の内部に貼られた
光電変換素子アレイ２８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によつて
電力制御器６へ入力される。以下の動作は第１図
と同じである。

次に上記光電変換装置１２で熱が発生するので
あるが、伝熱機構１３を光電変換装置に取付ける
ことによつて熱を収集し、この熱を放熱機構１４
に伝え、放熱機構１４から熱を放散して上記光電
変換装置１２の温度を一定に保つ。

次に光電変換装置１２に入力される太陽光１は
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１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
来のケイ素（Si）を素材にした光電変換素子に入
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。ところが近年開発されたガリウムヒ素
（GaAs）を素材とする光電変換素子を用いれば数
十倍の太陽光入射に対して比例して出力が増大す
る。

第７図はこの様子を示すもので、従来Ｖ−Ｉ特
性Ｃ１上のP₁点で動作させていたがC₂上のP₂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１０を必要とするにすぎないと
いう事になるから、結局この発明の場合は従来の
数十倍もの電力を得ることができる。

このことを可能とするものは、光電変換装置１
２の温度を伝熱機構１３と放熱機構１４の作用に
よつて一定（最高効率は20℃付近で得られる）に
保つこと、及びフアイバケーブル１１により電力
を光の形態で伝送し損失を防ぐことである。

さらに光電変換装置１２の中空容器２７は宇宙
線を遮蔽するから、光電変換素子アレイ２８の宇
宙線劣化を防ぎ長期間にわたつて変換換効率を不
変に維持するものである。

このような構成になつているから、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、光電変換素子の長寿命化が行な
え、集光した太陽光をフア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、光電変換素
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。

次にこの発明の他の実施例を第８図〜第１１図
にわたつて示す。第８図はこの発明の他の実施例
の構成を示すブロツク図、第９図は光制御器の構
成図、第１０図はユニツトの構成図、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
の関係図である。図中、１，５，９，１０，１１
は第２図と同じ、８はその内部に光電変換機構と
して光電変換素子アレイ２８とレンズ３０と回折
反射板３５を備えたユニツト、２９は上記集光素
子アレイ９からフアイバケーブル１１経由伝送さ
れてくる上記太陽光１を分配し、強度調節しさら
に余剰の上記太陽光１を処理する光制御機構、３
０は上記フアイバケーブル１１から送出される上
記太陽光１を平行光線に変換するレンズ、３１は
上記太陽光１を分配するハーフミラー、３２は上
記ハーフミラー３１で分配された太陽光１の強度
を調節するため回転機構にハーフミラーを取りつ
けたパワー調節器、３３は上記パワー調節器３１
で反射された上記太陽光１を集光する凹面反射
鏡、３４は上記凹面反射鏡３３で集光された上記
太陽光１を受光し熱や電力に変換し、余剰の太陽
光１を処理する光シヤント、３５は選択的反射特
性を有するエケレツトグレーテイング
（Echeiette Grating）をセラミツク板の上に施し
金属コーテイングした回折反射板、３６はユニツ
ト８の内部電源作を作るDC／DCコンバータ３７
を保持する基板である。

第１１図においてＷは光の波長、Ｐは太陽光１
の強さ、Ｅは光電変換素子アレイ２８の出力、Ｃ
３は太陽光１の強さ、Ｅは光電変換素子アレイ２
８の出力、Ｃ３は太陽光１のスペクトラム、Ｃ４
は光電変換素子アレイ２８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２９へフアイバケーブル１１により太
陽光１が導入されるまでは前述の一実施の説明と
同様である。光制御機構２９ではフアイバケーブ
ル１１で導かれてきた上記太陽光１をレンズ３０
によつて平行光線に変換する。そしてユニツト８
へ上記太陽光１を分配するためにハーフミラー３
１の作用で、上記太陽光１を所定の割合で分配す
る。この分配された太陽光１は直進してパワー調
節器３２へ達する。ここで各ユニツト８へ分配す
る上記太陽光１の強度を一定に保つためパワー調
節器３２を回動して余分な太陽光１を反射させ
る。この反射された太陽光１は凹面反射鏡３３で
収集されて光シヤント３４へ入射する。光シヤン
ト３４は余分な太陽光１を熱や電力に変換し宇宙
空間へ放散したり、あるいは蓄積したりして有効
に用いることができる。

一方、パワー調節器３２を通加した太陽光１
は、さらに直進してレンズ３０により集光されフ
アイバ１１へ入射し、ユーザーであるユニツト８
へ伝送される。

そして、ユニツト８へ入力した上記太陽光１は
レンズ３０に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は上記太
陽光１進行方向に対し傾斜しているから、これに
入射した太陽光１は反射して径路が変わり光電変
換素子アレイ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１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。したがつてＣ
３で示される太陽光１の強さの有効成分だけを光
電変換素子アレイ２８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により光電
変換素子アレイ２８の発熱を抑えることができ
る。

さて、光電変換素子２８で得られた電力はワイ
ヤ４を通つてDC／DCコンバータ３７へ伝送され
る。ここで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。

このような構成になつているから、電力の供給
をフアイバケーブル１１で行うことができ、光制
御機構２９とユニツト８が長距離はなれていても
少ない損失で、また電磁干渉なく良好な電力を供
給することができる。また従来ワイヤ４により電
力を伝送していたものがフアイバケーブル１１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。

以上説明した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１２に球体形
状を用いているが、直方体、三角錐体、円錐形状
などを用いることができ、またスリツプリング５
を省くこともでき、さらに伝熱機構１３をユニツ
ト８へ分岐してユニツ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にまとめて前
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
する点を逸脱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ツク
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図はスリツプリングの構成
図、第６図は光電変換装置の構成図、第７図は光
電変換素子アレイの光電変換特性を示す図、第８
図はこの発明の他の実施例の構成を示すブロツク
図、第９図は光制御機構の構成図、第１０図はユ
ニツトの構成図、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図である。 図中、１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はスリツプリン
グ、６は電力制御器、７はバスライン、８はユニ
ツト、９は集光素子アレイ、１０は集光パネル、
１１はフアイバケーブル、１２は光電変換装置、
１３は伝熱機構、１４は放熱機構、１５は集光素
子、１６は保持機構、１７はレンズ、１８はフア
イバアレイ、１９は基板、２０はフアイバアレイ
リング、２１は空間、２２は回転子、２３は固定
子、２４はベアリング、２５はレンズ、２６は反
射鏡、２７は中空容器、２８は光電変換素子アレ
イ、２９は光制御器機構、３０はレンズ、３１は
ハーフミラー、３２はパワー調節器、３３は凹面
反射鏡、３４は光シヤント、３５は回折反射板、
３６は基板、３７はDC／DCコンバータである。
尚図中同一あるいは相当部分には同一符号を付し
て示してある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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アイバアレイとで構
   成された集光素子を配例した集光パネルと、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アイバケーブルと、こ
   のフア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アイバケーブルの接続部付近
   に取りつけられ、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
   で拡散された太陽光を反射し、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れる電力
   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、上記光電変換素子アレ
   イで発生する熱を収集し、伝熱する伝熱機構と、
   この伝熱機構に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アイバアレイとで構
   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アイバケーブルと、こ
   のフア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
   構とユニツトの間を接続するフアイバケーブル
   と、このフアイバケーブルと上記ユニツトの接続
   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れ、
   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れ、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。