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2021年9月14日 (火)

宇宙太陽光発電の仕組み

宇宙太陽光発電とは

  ソーラーパネルは太陽光を利用するため、地上では昼間しか発電することができません。また、曇りの日や雨の日は発電効率が低下します。もし、ソーラーパネルを宇宙空間に設置できたら、日照時間や天候に左右されることなく安定した発電をおこなうことが可能となります。

宇宙太陽光発電
宇宙太陽光発電

 実はこのアイデアは今から約50年前に考えられ、現在も研究開発が続けられている技術です。宇宙空間で太陽光発電をおこない、電気エネル
ギーを地上に送電して利用する発電システムを宇宙太陽光発電SSPS, Space Solar Power System)といいます。このアイデアは1968 年に米国の航空宇宙技術者のピーター・エドワード・グレーザー氏が提唱した宇宙太陽発電衛星SPS, Space Power Satellite)がもとになっています。

 1977年に米国のNASA(米国航空宇宙局)とエネルギー省はソーラーパネルを備えた人工衛星による発電システムの構想を打ち出しました。この構想は技術的に可能とされましたが、財政的な問題によって研究は打ち切りとなりました。

 この構想の実現に向けて継続的に研究に着手したのは日本でした。日本の宇宙開発事業団(現JAXA)が宇宙太陽光発電の研究を開始したのは1990年代の初めです。1990年代の終わりに、米国も宇宙太陽光発電の研究開発を再開しましたが、米国のエネルギー政策が原子力に傾倒していたこともあり、現在では継続的に研究開発を進めてきた日本の技術が世界でトップレベルとなりました。

宇宙太陽光発電の仕組み

 JAXAの宇宙太陽光発電システムは、高度約36,000 kmの静止軌道など(注)に設置した宇宙プラントと、地球上に設置した地上・海洋プラント(以降、地上プラントとする)で構成されます。

(注)他に太陽同期軌道や準天頂軌道に設置することも考えられている。静止軌道は1日24時間の常時発電が可能だが、伝送距離が長くなるため送受信の設備が大がかりになるという問題がある。

 宇宙プラントで集められた太陽エネルギーは電磁波に変換され、地上プラントに伝送されます。地上プラントでは、伝送されてきた電磁波のエネルギーを電気エネルギーに変換して使ったり、水素製造のエネルギーとして使ったりします。宇宙プラントから地上プラントにエネルギーを伝送する方法には、マイクロ波(電波)を使うマイクロ波SSPSM-SSPS)とレーザー光を使うレーザーSSPSL-SSPS)があります。

 マイクロ波SSPSは反射鏡とソーラーパネルを備えており、反射鏡で集めた光で発電を行います。発電で得られた電気エネルギーは雲や雨などの影響を受けにくい2.45 GHzまたは5.8 GHzのマイクロ波に変換され、地上プラントへ伝送されます。地上プラントでは受信したマイクロ波を再び電気エネルギーに戻して利用します。宇宙プラントの反射鏡と地上プラントの受電設備を直径2~3キロメートルとした場合、原子力発電所1基分に相当する約100万 kWの発電が可能となります。

宇宙太陽光発電マイクロ波SSPS
宇宙太陽光発電マイクロ波SSPS

 レーザーSSPSにはソーラーパネルがありません。反射鏡で集めた太陽光を直接レーザー光に変換し、地上プラントへ伝送します。伝送に用いるレーザーは波長1064ナノメートルの近赤外線を使います。これはこの波長の光が、大気による吸収が少なく、大気で散乱されずに遠くまで届くからです。地上プラントでは伝送されてきたレーザー光を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーで海水を電気分解して水素を製造します。また、レーザー光を海水と光触媒に当てて、海水を光分解することで水素を製造する方法も検討されています。

宇宙太陽光発電レーザーSSPS
宇宙太陽光発電レーザーSSPS

 宇宙プラントから地上プラントに伝送されるマイクロ波やレーザー光は航空機や鳥類への影響がない強度のものが使われます。また、どちらの伝送方式も、エネルギーは地上プラントから発せられるパイロット信号を頼りに伝送されます。何らかの原因でパイロット信号が受信できなくなると、伝送が止まるようになっています。

宇宙太陽光発電の採算性は 

 宇宙太陽光発電に必要な技術的課題は現在の科学・技術で解決できると考えられています。採算性はどうなのでしょうか。

 JAXAの試算によると、宇宙太陽光発電は地上での太陽光発電に比べて5~10倍効率が良いとされています。また、他の発電方式に比べて、二酸化炭素の排出量が少なく、原子力発電のように核廃棄物を排出しません。そして、何よりも太陽光がエネルギー源なので、安定供給ができ、化石燃料のように枯渇する心配がありません。

 さて、宇宙太陽光発電の発電コストについては、地上での発電コストに匹敵する必要があります。現在、地上での発電コストは10円〜15円/ kWhです。100万kWの発電プラントの建設費用は人工衛星と地上設備を合わせて約1兆2400億円と資産されています。プラントの寿命を30年と設定したときの発電コストは8.5円/kWhになります。

 ちなみに日本のH-IIBロケットが静止軌道まで運べる機材は8トンです。1回の打ち上げコストは約150億円ですから、いかに宇宙に運ぶ機材を軽量化するかがコスト削減の重要な鍵になります。

H-IIBロケット
H-IIBロケット

 現時点では、宇宙太陽光発電は将来的に採算性のとれるシステムを実現することは可能であると期待されています。現在、JAXAは2030年頃に商用化をめざして研究・開発を進めていますが、2022年度に縦幅2メートル×横幅4メートルの小型のパネルを打ち上げ実証実験を始める予定です。

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