東京 - 9 月 17 日 2025 -NTT株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田 明、以下「NTT」）と三菱重工業株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：伊藤栄作、以下「三菱重工」）は、レーザー光を用いてエネルギーを1km先まで無線伝送する光無線電力伝送実験を実施しました。光出力1kWのレーザー光を照射すると、1km先で152Wの電力を受け取ることに成功した。これは、大気の乱れが強い環境下におけるシリコン光電変換素子(注2)を用いた光ワイヤレス電力伝送としては世界最高効率を達成するものです。
この結果は、遠隔地に電力を供給する実現可能性を示しています。将来的には、電力ケーブルを敷設できない離島や被災地などへのオンデマンド送電への応用も期待されています。{1}{2}
この成果は、2025 年 8 月 5 日に英国の雑誌 Electronics Letters に掲載されました。
背景
近年、スマートフォンやウェアラブル端末、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ワイヤレス電力伝送技術が注目を集めています。ワイヤレス電力伝送システムには、マイクロ波を利用した方式とレーザー光を利用した方式の2種類があります。マイクロ波によるワイヤレス電力伝送はすでに実用化されており、用途が拡大しています。一方、レーザー光を用いた光無線電力伝送はまだ実用化されていないが、レーザー光の高い指向性を活かして、キロメートルオーダーの小型長距離無線電力伝送の実現が期待されている（図1）。
将来的には、災害時や離島、山間部、海上など、電気や通信網が利用できない状況や地域において、電力供給や通信範囲の拡大が可能な次世代インフラの開発が想定されています。{0}これには、特定のエリアやドローンなどの移動プラットフォームに電力を正確に供給することが含まれます。このような高精度かつ長距離の電力供給を実現するには、強い指向性を利用したレーザーベースのワイヤレス電力伝送が必要です。{{3}
既存技術の課題と今回の実験の成果
光ワイヤレス電力伝送技術は一般に効率が低く、実用化には効率の向上が課題となっている。その理由の一つとして、特に大気中で長距離のレーザー光が伝播すると強度分布が不均一になり、光電変換素子でレーザー光を電力に変換する効率が低下することが考えられます。
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て、レーザー無線電力伝送の高効率化を実現しました。送信側でビームを整形して1km伝播後のビーム強度を均一にする長距離フラットビーム整形技術と、受信側のホモジナイザーとレベリング回路で大気変動の影響を抑える出力電流平準化技術を用いて、屋外環境での長距離光無線電力伝送実験を実施しました。{{2}
2025年1月から2月にかけて、和歌山県西牟婁郡白浜町の南紀白浜空港の滑走路において光無線電力伝送実験を実施しました（図2）。滑走路の一端にはレーザー光線を照射する光学系を備えた送信ブースが設置され、1キロメートル離れたところに受光パネルを備えた受信ブースが設置された。{4}}
送信時、レーザーの光軸は地上約1メートルの低い高さに水平に設置されました。その結果、ビームは地熱や風の影響を強く受け、大気の乱れが強い条件下で実験が行われた。
送信ブース内では光出力1035Wのレーザー光を発生させた。回折光学素子（DOE）（注3）を用いてビームを整形し、距離1キロメートルで均一な強度分布を作り出した。さらに、ビームステアリングミラーを使用して、整形されたビームを受信パネルに正確に向けました。ビームは送信ブースの開口部を通って出て、1キロメートルの広場を伝播し、最終的に受信ブースに到達しました。
伝播中、大気の乱流によりビームの強度が変動し、ホットスポットが発生しました。これらを受付ブース内のホモジナイザーで拡散し、均一なビームを受信パネルに照射しました。レーザービームは効率的に電力に変換されました (図 3)。受光パネルにはコストと入手性の両方を考慮してシリコン-系の光電変換素子を採用しました。
この実験では、受信パネルから抽出された平均電力は 152 W (図 4) で、これは受信電力と送信光パワーの比として定義されるワイヤレス電力伝送効率 15% に相当します。この結果は、大気の強い乱流条件下でシリコン-ベースの光電変換素子を使用して実証された、これまでに世界最高の光ワイヤレス電力伝送効率を記録したものです。さらに、連続電力供給を 30 分間維持することに成功し、この技術を使用した長時間電力伝送の実現可能性が確認されました。-
注: 安全上の観点から、光送信システムと受信パネルはそれぞれブース内に設置され、高出力レーザー光線への偶発的な曝露や反射光の散乱を防ぎます。{0}
技術的なハイライト
長距離フラットビーム整形技術-
光電変換効率を向上させるためには、光電変換素子に入射する光の強度分布を均一にする必要がある。
この研究では、長距離伝播後の強度均一性を可能にするビーム整形方法を提案しました。-この手法では、アキシコンレンズ(注4)の効果を利用してビームの外側部分をリング状のパターンに変換します。ビームの中心部分は位相変調され、凹レンズの効果によって拡大されます。-ビームが伝播するにつれて、リング-形状のビームと拡張された中央ビームが徐々に重なり、図5に示すように、ターゲット位置で均一な強度分布が得られます。
この実験では、1 キロメートルの距離で所望の強度プロファイルが得られるようにビーム設計を最適化しました。回折光学素子を用いてビーム整形を実現し、1km離れたターゲット位置でのビーム強度の均一性を向上させた。
出力電流平準化技術
レーザービームが大気中を伝播する際、大気の乱流の影響を受け、強度分布が乱されます。上で説明したフラット ビーム整形技術では強度分布を均一にすることができますが、図 6 に示すように、強い乱流によって高強度スポットが形成される可能性があります。-
この問題に対処するために、受光パネルの前にビームホモジナイザーを配置しました。{0}}ホモジナイザーは、ビームがパネルに均一に照射されるように、高強度スポットを拡散します。-また、受光パネル上の各光電変換素子にはレベリング回路を接続した。これらの回路により、大気の乱れによる出力電流の変動を抑え、全体の出力の安定化に貢献します。
これら 2 つの技術により、従来のビーム整形手法では困難であったキロメートルオーダーの伝送におけるビーム均一性の実現と、屋外環境での出力の安定化が可能になります。{0}これにより、離島や被災地などの遠隔地への安定した電力供給が可能になることが期待されます。{2}
各社の役割
NTT：ビーム整形技術などの伝送光学系の設計・実装
三菱重工：受光パネル、ホモジナイザー、レベリング回路などの受光光学系の設計・実装
今後の展開
この技術により、大気の乱流下でも長距離にわたって効率よく安定してエネルギーを伝送することが可能になります。この実験では、光電変換素子としてシリコンを使用した。ただし、レーザー光の波長に合わせて特別に設計された光起電力デバイスを使用することで、さらに高い電力伝送効率が期待できます。さらに、高出力のレーザー光源を使用することで、より多くの電力を供給することが可能になります。
これにより、これまで電力ケーブルの敷設が困難であった被災地や離島などの遠隔地でも、柔軟かつ迅速な電力供給が実現できます。{0}地上アプリケーションを超えて、このテクノロジーに基づいて幅広い新しいユースケースも想定できます (図 7)。特に、レーザービームの高い指向性と低い発散により、コンパクトで軽量な受信デバイスの設計が可能になります。これは、重量と積載量に厳しい制限があるモバイル プラットフォームにとって大きな利点です。
たとえば、この技術をビームステアリング技術と組み合わせることで、飛行中のドローンにワイヤレスで電力を供給することが可能になります。これにより、バッテリー交換のための着陸や、つながれた電源ケーブルの使用などの運用上の制約が回避され、長時間および長距離の連続運用が可能になります。-このような機能により、以前は実現が困難だった災害地域の監視や、山岳地帯や海上地域での広域通信中継を強化できます。{{5}
さらに、NTTの宇宙ブランドであるNTT C89(注6)の範囲内であるHAPS(High Altitude Platform Station)(注5)などのモバイルプラットフォームへの電力供給など、宇宙での応用も期待されています。さらに将来を見据えると、この技術は、宇宙データセンターや月面探査車の電力供給のほか、静止衛星からレーザーを介して地上に電力を伝送する宇宙太陽光発電システムにも応用できる可能性がある。これらのアプリケーションは、市場拡大の可能性が高い分野を代表しています。
NTTと三菱重工の協業により、大気変動の影響を強く受ける条件下において、世界最高効率のレーザー無線電力伝送技術を実現しました。今回の成果は、災害対応から宇宙開発まで幅広い社会ニーズに応える革新的な技術基盤の構築に向けた大きな一歩となります。
