NTTと三菱重工、レーザーで1km先に遠隔電力供給　宇宙太陽光発電にも応用可能

NTTと三菱重工業は、レーザ光によって1km先にワイヤレスでエネルギーを供給する光無線給電実験を実施した。

光パワー1kWのレーザ光を照射し、1km先で152Wの電力を得ることに成功。大気の揺らぎが強い環境下でシリコン製の光電変換素子を使用した光無線給電として世界最高効率の実証となる。これにより、離れた場所に電力を供給することが可能で、将来的には電力ケーブルを引くことが難しい離島や被災地などへのオンデマンド給電への応用が期待される。

スマートフォンや、ドローン、電気自動車など、ケーブルを使わずに電力を供給できる無線給電技術が関心を集めているが、無線給電方式としてはマイクロ波によるものとレーザ光によるものの2種類がある。

マイクロ波無線給電は既に実用化されている一方、レーザ光を用いた光無線給電は実用化に至っていない。しかし、レーザ光には高い指向性があり、小型でkmオーダの長距離無線給電の実現が期待されている。

例えば、災害時に離島や山間部などで、非常用電源としての活用や、ドローンなどの移動体に向けピンポイントに給電するような構想もある。

一般にレーザ無線給電技術は効率が低く、実用化に向けては効率向上が課題。特に大気中などで長距離をレーザ光が伝搬すると光が拡散してしまい、光電変換素子での電力変換効率が低下することが挙げられる。

今回は、NTTの持つビーム整形技術と、三菱重工の持つ受光技術を組み合わせ、レーザ無線給電の高効率化を実現。光を送る側ではレーザ光の強度を1km先で均一化する「長距離フラットビーム整形技術」を、光を受ける側ではホモジナイザや平準化回路により大気の揺らぎの影響を抑制する「出力電流平準化技術」を使用し、屋外環境で長距離光無線給電実験を実施した。

実験は、南紀白浜空港の旧滑走路で行なわれ、あえて地面の熱や風の影響を強く受ける状況下で実施。出力1,035Wのレーザ光を発生させ、回折光学素子により1km先で強度分布(レーザ断面の光の強さの分布)がフラットになるようにビームを整形。受光パネルに正確に照射するために、方向制御ミラーでビームの方向も調整した。

整形されたビームは、送光ブースの開口から射出され、1kmの空間を伝搬して受光ブースへ到達。伝搬中の大気の揺らぎによって生じる強度スポットは受光ブースのホモジナイザで拡散、均一なビームが受光パネルに照射され、レーザ光が高効率に電力に変換されるようになる。受光パネルにはコストと入手性を考慮してシリコン製の光電変換素子を採用している。

ビーム整形イメージ

大気伝搬後のビームパターンとホモジナイザによる拡散効果のイメージ

実験では、出力1,035Wのレーザ光を発生させ、平均152Wの電力を発生。効率(送光パワーに対する受電パワーの割合)15%の光無線給電に成功した。これは、シリコン製の光電変換素子を使い、大気の揺らぎの強い環境下での世界最高効率の光無線給電実証となる。また、実験では30分間の連続給電にも成功し、長時間給電が可能であることを確認した。

今回の実験では光電変換素子にシリコンを使用したが、レーザ光の波長に合わせて設計した光電変換素子を使うことで、さらなる高効率化も見込まれる。また、より大きい出力のレーザ光源を使えば、より大電力の給電も可能になる。

将来的には飛行中のドローンへのピンポイントでの電力供給や、HAPS(High Altitude Platform Station)への給電なども視野に入れるほか、宇宙開発分野への応用も検討。宇宙データセンターや月面ローバへの電力供給や、静止衛星から地上へレーザーで電力を送る「宇宙太陽光発電」への応用も期待されるという。