革新的マイクロ波電力伝送技術で、大深度海域の豊富な洋上再エネを開発

 

 

 

ページをご覧いただき、ありがとうございます。一般社団法人海洋インバースダム（KID）協会会長を務めております石川容平です。京都大学生存圏研究所で、マイクロ波電力伝送技術を用いて再生可能エネルギーの無線送電システムの研究をしております。

 

 

産学提携で構成している（一社）海洋インバースダム協会では、持続可能な社会の発展とわが国のエネルギー自給率向上を目指して、大規模な洋上の再生可能エネルギー（風力・太陽光等）を電力系統に導入するシステムの研究を行い、2050年にはわが国総電力の50％を洋上の再生可能エネルギーで賄う計画を立てています。

 

その計画の実現には、洋上の“再エネ電源”と、その変動を吸収する巨大な箱型のダム空間(函体)を海中に構築し、その中に海水を出し入れすることで蓄電と発電を繰り返すものである“海洋インバースダム”、そしてその電力を陸地まで運ぶ輸送システムが必要です。今回のプロジェクトは遠方洋上（10㎞ー20㎞）から大量の再エネを運ぶ輸送システムに着目し、その革新的な方式の理論実証試験を最小システムで行おうとしています。

 

実験実施にあたり、資金が不足しております。皆様のお力をお借りしたく、今回クラウドファンディングにお願いすることになりました。

 

この原理実証実験により産業界や関係省庁の理解が得られ、2025年の万博での実証展示を目指しての開発体制づくりが一挙に進むと考えております。またその大規模なインフラ作りも国のプロジェクトとして進めることが期待できると考えています。

 

環境に優しい再生エネルギーの発展に向けて、皆様のご支援、応援をどうぞよろしくお願いいたします。

 

 

私が生まれたのは1946年で、自分の幼少期はちょうど戦後復興期の頃でした。

当時の日本では、エネルギーそのものに大きな価値があり、自転車、人力車、大八車、牛車、水車、田植え、道路工事等、人力こそがお金になった時期だったため、エネルギーというものの重要性を肌身に感じ、知らず知らずのうちに興味を持っていました。

 

湯川博士のノーベル賞受賞について、母から科学の世界で一番立派な仕事をした人だと教えられたことがずっと記憶に残っており、小学生の時にUFOや乗り物科学に関心を持ち、小学校を卒業する頃には、将来は物理学をきちんと勉強したいという目標を持ちました。エネルギー損失・変換・保存に関する興味は、その後もずっと私の技術者としての人生を支配することになります。

 

大学に進学し、物理修士課程を終えて就職しましたが、時は情報化時代の幕開けで、通信工学が重要視される時代に入っていました。そこで博士課程に進み、通信工学を学び、その後、大学や企業などで研究に明け暮れました。

 

 

 

2015年10月1日には、一般社団法人海洋インバースダム協会を京都大学3研究所を核にして国立研究所や企業の方々と立ち上げることになりました。そこで現在宇宙太陽発電システムの研究、および洋上再生可能エネルギーシステムについての研究に取り組んでいます。

 

 

 

今回のプロジェクト｜シミュレーション結果の実証につながる実験を

 

自然環境を活かした再生可能エネルギーは、社会を維持し発展させていくために重要な電源ですが、実情としてまだ数々の課題がある状況です。

 

現在、日本で主力となっている風力発電や太陽光発電については、発電量が季節や天候に左右されます。そこで電力システム全体の改革によって、広域的な調達などが必要になりますが、風力発電所や太陽光発電の設置に当たって騒音や適切な土地であるかどうかなどの問題があり、国では特区を設ける形で対応をしている状況です。この特区を広げることは、観光産業や海洋産業などとの摩擦が起きる可能性があるため、なかなか再生可能エネルギーの拡大に繋がらなくなっています。

 

宇宙太陽発電システムは、米国で1968年に考案されたシステムで、マイクロ波で純粋な電力を36000㎞送るというものです。このエネルギーシステムは原子力ではなく、地球生命が何億年も利用してきた太陽エネルギーから熱を除いて利用しやすいマイクロ波電力に変換して大量に地上に届ける、安全でクリーンでかつ持続可能なシステムです。ここでのキーテクノロジーは長距離のマイクロ波電力伝送技術であり、これは洋上の再エネ伝送にも適用が可能です。

 

今回のプロジェクトで実現していくところとしては、このシステム全体のまさに起点となる第1フェイズのものです。

 

宇宙太陽発電所や洋上風力発電所のような大電力のマイクロ波を伝送する際には、システム外部への漏れエネルギーを最低限に抑えることが重要です。これまでの私たちのシミュレーション研究によって、マイクロ波を特殊な方法で繰り返し伝搬させると、漏れエネルギーが最小の状態に自動的に収束すること（ビーム自己収束効果）が明らかになりました。

 

今回のクラウドファンディングでご支援いただいた資金を用いて、このビーム自己収束効果の原理実証を行う試験装置を開発したいと考えています。

 

今回の実験では約半波長の素子間ピッチを持つ一列のアレー状アンテナを構成して送電アンテナとします。数m離れた場所に同様に一列のアレーアンテナ（受電用）を構成します。さらに二つのアレーアンテナを金属製の平行平板の導波路に挟み込みます。

次にマイクロ波周波数（5.8GHz）を送電側から導波路へ放射します。受電側で受け止め一部の電力を整流すると同時に一部の電力に位相共役という特殊な信号処理を施します。この信号処理された電力を第2の導波路で送電側に送り返します。さらに送電側でも同じ信号処理を施します。これを繰り返すことにより二つの導波路に伝搬するビームは徐々に中央部に集中するという現象が起きます。

 

送電側の初期条件に拘らずこの現象は必ず生じ、並行平板の導波路から金属板から抜けでる漏洩電磁界は自然現象の様に外部からコントロールしなくても理想的な最小幅を持つビームに成長します。この時のビーム断面の電磁界強度の分布と漏洩を導波路表面から測定してシミュレーション結果と比較することにより新原理が実証されることになります。

この実験は実証試験装置の研究開発体制を構築する要となります。

 

 

■資金使途と目標金額

今回のクラウドファンディングの最終的な目標金額としては650万円とし、皆様から頂くご支援金は原理実証試験装置の①高周波部品購入費用、②外注試作アセンブル費用、③測定用治工具の外注試作費用、④電磁界設計ツール購入費用、⑤回路解析ツール購入費用を賄うために充てていきます。

 

第1目標である200万円を超えた後には、第2目標として、外注の回路アセンブル費用を賄うために400万円を目指し、最終目標として導波路構成と測定系の費用全体を賄うことができる650万円を目指していきます。第1目標に達しない場合は規約により全額返金となります。

 

 

■スケジュール

2021年5月〜2021年7月  ：回路設計＋構造設計

2021年8月〜2021年10月：部品発注＋実験システム詳細設計

2021年11月〜2022年1月：回路アセンブル＋導波路組立て

2022年2月〜2022年3月  ：シミュレーションとの比較測定

2022年4月〜2022年6月  ：回路解析＋調整＋再測定+報告書

 

 

 

 

今回のプロジェクトで実現させたい実験システムは、PR用としても非常に重要です。その後に続く第2フェイズは実証システムの体制作りです。産業界や電力業界に働き掛けるために、開発フェイズの体制を作るのに実験装置を役立てていく予定です。

 

具体的には、再エネを進める経済産業省や環境省等に年内に実績をPRし、予算化と2025年の万博展示を目指すプロジェクトを立ち上げていきたいと思っています。

 

展示を通じて、世界に我が国の再エネの技術を発信する機会をステップにし、同じ体制で第3フェイズである実用化モデルの検討に入り、2030年には実用化モデルが完成してテストプラントが定常的に動作している計画を立てたいと思います。

 

 

2035年には10万KWの商用システム、即ち洋上風力発電所が安定動作している計画を立てたいと思います。2040年の政府目標洋上風力4500万KW には大いに貢献する展望を持っています。

 

このエネルギーは純粋の国産エネルギーです。来るべき水素社会や電気自動車普及の原動力となり、我が国エネルギー安全保障の重要な一角を担うことを期待しています。

 

環境にとって優しい、次世代を担うエネルギーの発展に向けて、この実験は大いに貢献できると信じています。どうか、その実現に向けて、皆様のご支援、ご協力を何卒よろしくお願いいたします。

 

 

 

 

■石川容平（京都大学 生存圏研究所 開発創生研究系 電波応用分野　特任教授）

地政学と文化に整合する日本の再エネは海洋に大量あると思います。

国産の一次エネルギーを確保してエネルギー安全保障体制とカーボンニュートラルな社会の実現に貢献したいと考えています。皆様のお力をお借りして夢を実現したいと思っています。

 

■浅居正充（近畿大学 生物理工学部 生命情報工学科・生体システム工学専攻　教授）

「海を耕せ」とは近畿大学創立者の言葉であり、この洋上の新技術に深い御縁を感じます。

 

■茂呂征一郎（福井大学大学院 工学研究科電気・電子工学専攻　准教授） 
システムのシミュレーションを担当します。

新しい技術の開発の一翼を担えること、たいへんに光栄です。

 

■松室尭之（龍谷大学 先端理工学部 電子情報通信課程　助教）
マイクロ波送電技術が持続可能社会への活路を開くと信じています。

気合を入れて、試験装置を開発します。

 

 

ご支援募集と研究内容のご紹介について

 

オンラインで以下の日程で、研究内容の紹介として補足説明とQ&Aを行いますので、よければ皆様奮ってご参加いただけると幸いです。　　　　　　

 

■1回目：3月31日（水）午後6時~7時　

■2回目：4月10日（土）午前11時~12時

 

■申込方法：

海洋インバースダム協会のホームページお問い合わせ｜KID-S 一般社団法人海洋インバースダム協会 (kid-s.jpn.com)　のお問い合わせのフォームよりお申込みください。

追って確認のメールを致します。