世界最高効率のレーザー光無線送電に成功、離島や宇宙へ　NTT・三菱重工

NTTと三菱重工は、レーザー光を用いて1km先の機器に電力をワイヤレス供給する「光無線給電実験」を行い、1kWレーザー光照射で152Wの電力を得ることに成功。大気の影響下で、シリコン製光電変換素子を活用した光無線給電として、世界最高効率を実証した。将来的には、電力ケーブルの敷設が難しい場所への応用が期待されるという。

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  光無線給電の社会実装イメージ

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  光無線給電システムの構成イメージ

スマートフォンやウェアラブルデバイス、ドローン、電気自動車など、ケーブルを使わず電力供給できる無線給電技術に関心が集まっている。マイクロ波とレーザー光のふたつの方式があり、マイクロ波は既に実用化され利用が広がっている。レーザー光はまだ実用化に至っていないが、この方式ではレーザーの高い指向性を活かした長距離給電が期待される。

既存のレーザー無線給電技術は効率が低く、特に大気中では長距離レーザー光の伝搬における強度分布が不均一となり、光電変換素子でレーザー光を電力に変換するときの効率の低さが課題だった。そこで今回の実験では、NTTのビーム整形技術と、三菱重工の受光技術を組み合わせ、効率向上を図った。

実験では、NTTが担当する送光側ではレーザー光の強度を1km先で均一化する「長距離フラットビーム整形技術」を、三菱重工が担当する受光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」をそれぞれ採用。2025年1月から2月にかけて、和歌山・西牟婁郡白浜町にある南紀白浜空港の旧滑走路で、長距離光無線給電実験を実施した。

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  今回の実験の様子。安全上の観点から、高出力レーザー光の誤照射や反射光の拡散を防ぐため、送光光学系および受光パネルはそれぞれブース内に設置している

長距離フラットビーム整形技術は、長距離伝搬後にビームの強度を均一化する手法。ビームの外周部分は、円錐型のアキシコンレンズの効果によりリング状のビームとなり、中心部分は凹レンズの効果によりビームが広がるように位相を変調し、伝搬後にリングビームと拡散ビームが重なりあうようにすることで、強度を均一にする。今回は1km先で所望の強度分布となるように設計を最適化し、回折光学素子を用いてビーム整形を実装。1km先でのビームの強度分布の均一性を高めた。

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  ビーム整形イメージ

出力電流平準化技術とは、大気の揺らぎによるビーム強度の変動を抑え、電流の安定化を図るもの。大気中では揺らぎの影響を受け、上記のフラットビーム整形技術を用いてもビームの強度分布が乱れてしまう場合があるため、受光パネル手前にビームホモジナイザを設置することで、強度の高いスポットを拡散させ、受光パネルに均一にビームが照射されるようにする。さらに、受光パネルの各光電変換素子に平準化回路を接続することで、大気の揺らぎによる電流の変動を抑制し、出力の安定化も追求している。

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  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

このふたつの技術により、従来のビーム整形技術では難しかった数kmオーダの伝送におけるビーム均一化や、屋外環境における出力安定化が可能となり、離島や被災地といった遠隔拠点に対する安定した電力供給の実現が期待されるとのこと。

和歌山での実験においては、レーザー光を送る光学部品を格納した送光ブースを滑走路の端に設置し、1km先に受光パネルを格納した受光ブースを設置。送光時の光軸の高さは地面から約1mと低く、かつ光軸が地面水平方向であるため地面の熱や風の影響を強く受ける、特に大気の揺らぎが強い環境下だったという。

送光ブースでは出力1,035Wのレーザー光を発生させ、回折光学素子(面上に光の波長程度の微細な加工を施すことで、光の回折現象を利用し、ビームの形状や位相を制御できる光学素子)を用いて、1km先で強度分布がフラットになるようにビームを整形。さらに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を調整した。

送光ブースの開口から射出されたビームは、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され、均一なビームを受光パネルに当てることで、レーザー光を高効率で電力に変換した。受光パネルにはコストと入手性を考慮し、シリコン製の光電変換素子を採用したという。

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  実験で使われた機材の構成

この実験で、受光パネルから取り出せた電力は平均152Wとなり、15％という効率(送光パワーに対する受電パワーの割合)の光無線給電に成功した。この結果は、シリコン製の光電変換素子を用い、かつ、大気の揺らぎの強い環境下において、世界最高効率の光無線給電実証としている。この実験では30分間の連続給電にも成功しており、本技術を用いて長時間給電できることを確認したという。

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  受光パネルから取り出せた電力。平均152Wの安定給電を実現

今回の実験では、光電変換素子にシリコンを用いたが、レーザー光の波長に合わせて設計した光電変換素子を用いることで、より高効率な給電が見込まれるとのこと。レーザー光源もよりパワーの大きいものを使うことで、さらに大きな電力を供給可能としている。

レーザー光は指向性が高く、広がりが小さいことから、受光装置を小型・軽量に設計することもでき、重量や搭載スペースに厳しい制約がある移動体にとって大きなメリットとなりうる。

両社では将来的に、今回実証した技術にレーザーの方向制御技術を組み合わせ、飛行中のドローンに対して給電することで、バッテリー交換なしの長時間・長距離連続運用を可能にできると説明。さらに、HAPS(High Altitude Platform Station)や宇宙データセンター、月面ローバーへの電力供給、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」への応用など、市場の拡大が見込まれる分野での活用も期待されるとアピールしている。