(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙太陽光発電所であって、
該宇宙太陽光発電所は、
宇宙空間の軌道のアレイ構成内に配置される接続されていない複数の衛星モジュールと、
該複数の衛星モジュールの各々に配置され、独立アレイを形成する複数の発電タイルとを備え、
前記複数の衛星モジュールの各々に配置され、前記独立アレイを形成する複数の発電タイルは、
該複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの光電池と、
該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられ、前記複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの電力送信機とを備え、
該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記複数の発電タイルの各々に配置される前記少なくとも１つの光電池と電気的に接続されており、
前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
位相アレイを形成するために、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、前記独立アレイ内の他の発電タイルからの情報に基づいて、無線周波数電力信号の少なくとも位相を独立に制御し前記アンテナに供給する別個の制御電子機器とを備え、
トータルで、前記独立アレイを形成する前記複数の発電タイルの前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、衛星モジュールのアンテナアレイにおける独立した要素として構成される、宇宙太陽光発電所。
【請求項２】
前記制御電子機器は、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、更に、前記無線周波数電力信号の振幅を制御し前記アンテナに供給する、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項３】
前記電力送信機は、基準信号を受信するように構成され、
前記制御電子機器は、前記受信した基準信号に対し位相シフトを適用することにより、前記無線周波数電力信号の前記位相を制御する、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項４】
前記複数の衛星モジュールの内の少なくとも１つの前記衛星モジュールは、前記基準信号を無線受信する受信機を備える、請求項３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項５】
前記複数の衛星モジュールの内の前記少なくとも１つの前記衛星モジュールの前記受信機は、地上送信機から前記基準信号を無線受信するように構成される、請求項４記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項６】
請求項４記載の宇宙太陽光発電所であって、
該宇宙太陽光発電所は、更に、
前記基準信号を送信する送信機を備える基準信号送信機衛星を備え、
前記複数の衛星モジュールの内の前記少なくとも１つの前記衛星モジュールの前記受信機は、前記基準信号送信機衛星の送信機から前記基準信号を無線受信するように構成される、宇宙太陽光発電所。
【請求項７】
前記基準信号を無線受信する前記受信機は、増幅器とクリーンアップ位相ロックループとを備える、請求項４記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項８】
前記複数の衛星モジュールの内の前記少なくとも１つの衛星モジュールの各々は、前記複数の衛星モジュールの内の前記少なくとも１つの衛星モジュールの中の所与の衛星モジュールの少なくとも１つの電力送信機へ前記基準信号の経路を決定する送信ラインも含む、請求項４記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項９】
前記送信ラインは、別の電力送信機から前記基準信号を受信していない直接隣接した電力送信機間の前記基準信号の経路を決定する送信ラインを備える、請求項８記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１０】
前記制御電子機器は、位置情報に基づいて、受信基準信号に対し適用するための位相シフトを決定する、請求項３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１１】
前記位置情報は、絶対的位置情報及び相対的位置情報からなるグループから選択される、請求項１０記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１２】
前記位置情報は、宇宙空間の位置及び方向を規定する、請求項１０記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１３】
前記制御電子機器は、前記位置情報を受信するように構成される、請求項１０記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１４】
前記複数の衛星モジュールの内の第１の前記衛星モジュールは、少なくとも１つの地上送信機又は少なくとも１つの宇宙送信機から送信される、少なくとも１つの測距信号を受信して、前記宇宙太陽光発電所の位置を示す前記位置情報を決定する、受信機を備える、請求項１３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１５】
前記複数の衛星モジュールの内の第２の前記衛星モジュールは、受信機を備え、
該受信機は、
前記宇宙太陽光発電所の前記位置を示す前記位置情報を受信し、
前記少なくとも１つの測距信号を受信し、
前記第２の衛星モジュールの前記位置を示す位置情報を決定するように構成される、請求項１４記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１６】
前記複数の衛星モジュールの内の少なくとも１つの衛星モジュールは、パネルを形成する複数の発電タイルを備え、
該パネルは、受信機を備え、
該受信機は、
前記パネルが属する前記複数の衛星モジュールの内の前記少なくとも１つの衛星モジュールの中の所与の衛星モジュールの前記位置を示す情報を含む前記位置情報を受信し、
前記少なくとも１つの測距信号を受信し、
前記パネルの前記位置を示す位置情報を決定し、
前記パネルの前記位置を示す前記位置情報を、前記パネルを形成する前記複数の発電タイルの前記電力送信機へ供給するように構成される、請求項１５記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１７】
前記制御電子機器は、集積回路内に含まれ、
前記集積回路は、
受信基準信号に基づいて、ＲＦ信号を発生するように構成されるＲＦシンセサイザと、
制御信号により決定される量により、前記ＲＦシンセサイザから受信するＲＦ信号を位相シフトするように構成される位相調整器と、
該位相調整器から受信する位相シフトＲＦ信号を増幅するように構成される電力増幅器と、
メモリに格納のソフトウェアにより、前記位相調整器用の前記制御信号を発生するように構成されるデジタル信号処理器と、を備える、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１８】
衛星モジュールであって、
該衛星モジュールは、
該衛星モジュールに配置され、独立アレイを形成する複数の発電タイルを備え、
前記衛星モジュールに配置され、前記独立アレイを形成する複数の発電タイルは、
該複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの光電池と、
該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられ、前記複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの電力送信機とを備え、
該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記複数の発電タイルの各々に配置される前記少なくとも１つの光電池と電気的に接続されており、
前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
位相アレイを形成するために、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、前記独立アレイ内の他の発電タイルからの情報に基づいて、無線周波数電力信号の少なくとも位相を独立に制御し前記アンテナに供給する別個の制御電子機器とを備え、
トータルで、前記独立アレイを形成する前記複数の発電タイルの前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、衛星モジュールのアンテナアレイにおける独立した要素として構成される、衛星モジュール。
【請求項１９】
発電タイルであって、
該発電タイルは、
該発電タイルに配置される少なくとも１つの光電池と、
該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられ、前記発電タイルに配置される、少なくとも１つの電力送信機とを備え、
該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記発電タイルに配置される前記少なくとも１つの光電池と電気的に接続されており、
前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
独立アレイ内に配置される他の発電タイルからの情報に基づいて、無線周波数電力信号の少なくとも位相を独立に制御し前記アンテナに供給する別個の制御電子機器と、を備える、発電タイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の太陽光発電衛星モジュールを含む宇宙太陽光発電所に関し、より詳しくは、軌道上を飛翔する複数のコンパクトにできる独立太陽光発電衛星モジュールを有するモジュール式宇宙太陽光発電所に関し、モジュールは、それらだけで、又は、合同で、宇宙から地球への送電のためのアンテナアレイを形成し、各モジュールは、集積光電池、アンテナ、熱放射器及び制御回路を様々な構成で有する複数の発電タイルを有する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙太陽光発電（ＳＢＳＰ）は、太陽光発電衛星又は衛星発電システム（ＳＰＳ）により宇宙空間で太陽光発電電力を収集し、次いで、その電力を変換し遠隔のレシーバーへ送電し、電力へ再変換する。ＳＢＳＰシステムにおいて、太陽エネルギーは、衛星内で電気エネルギーとして収集され、ＳＢＳＰから遠隔に位置するレシーバーへの無線送電方法に電力を供給する。無線送電のアプリケーションはマイクロ波電力送信機又はレーザーエミッタを含み、それらは、そのビームを地球の表面などの遠隔地における受電レクテナなどのコレクターへ向ける。
【０００３】
ＳＢＳＰは、エネルギーを収集するために用いる手段が地球の表面の替わりに軌道の衛星内にあるという点で、地上の太陽光収集方法と異なる。宇宙におけるそのようなシステムは、大気の拡散がないため、太陽エネルギーの高収集効率をもたらす。宇宙太陽光発電システムは、太陽エネルギーを大気の外側のマイクロ波などの遠距離場の放射に変換して、それらの損失を避ける。さらに、ＳＢＳＰシステムは、太陽から離れる地球の自転によるダウンタイム（及び固定式平板収集器のためのコサイン損失）がないため、より長い収集期間及び太陽エネルギーを連続的に収集する能力を有する。
【０００４】
ＳＢＳＰシステムの一般的制限は、太陽エネルギーから十分な電力を発生するために必要なＳＰＳのサイズである。例えば、５００ＭＷのシステムには５ｋｍ２のプラットフォームが必要である。そのようなプラットフォームは、１つの衛星当たり何十トンから何百トンものオーダーでの大規模な複数の衛星から形成される。そのような大規模構造物を軌道に投入することに関連する打ち上げコストは、そのようなＳＢＳＰシステムの経済的な実行可能性を低減させる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の様々な実施態様によるシステム及び方法は、複数の太陽光発電衛星モジュールを含む宇宙太陽光発電（ＳＢＳＰ）システムを提供する。数多くの実施態様において、衛星モジュールは、少なくとも１つの光電池、電力送信機及び回路を組合せる複数のモジュール式発電タイルを含み、回路は、（限定されないが）アレイの電力送信機の関与を調整することを含む様々な制御機能を実施するように構成される。いくつかの実施態様において、宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、パネル及び／又は個々の発電タイルは、基準信号を無線受信するように構成され、及び／又は、調整無線送電を発生する目的のために、宇宙太陽光発電所内の発電タイルへ基準信号を配布するように構成される。数多くの実施態様において、宇宙太陽光発電所は、アンテナアレイを形成する個々のアンテナの配置を決定することができ、基準信号の特定の発電タイルへの信号経路及び発電タイルのアンテナの配置を説明する方法で、位相シフト及び／又は振幅変調を発電タイルにより受信した基準信号に適用することができる。特定の実施態様において、発電タイルの配置の決定プロセスは、階層的であり、宇宙太陽光発電所がその位置を決定し衛星モジュールへ供給することを伴い、次に、衛星モジュールが衛星モジュール自体の配置を決定し所与のモジュール内に含まれるパネルへ供給する。パネルは、自体で、順次、それらの配置を決定し特定のパネル内に含まれる発電タイルへ供給する。他の実施態様において、宇宙太陽光発電所の異なる要素の配置を決定するための任意の様々な技術は、特定のアプリケーションの要件に適切なように、利用することができる。
【０００６】
本発明の一実施態様は、宇宙空間の軌道のアレイ構成内に配置される接続されていない複数の衛星モジュールと、該複数の衛星モジュールの各々に配置される複数の発電タイルと、該複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの光電池と、該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられ、前記複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの電力送信機とを含み、該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記発電タイルと信号を通信する。また、前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、アンテナと、位相アレイを形成するために、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、無線周波数電力信号の少なくとも位相を制御し前記アンテナに供給する制御電子機器とを含む。
【０００７】
更なる実施態様において、前記制御電子機器は、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、更に、無線周波数電力信号の振幅を制御し前記アンテナに供給する。
【０００８】
別の実施態様において、前記電力送信機は、基準信号を受信するように構成され、前記制御電子機器は、前記受信した基準信号に対し位相シフトを適用することにより、前記無線周波数電力信号の前記位相を制御する。
【０００９】
更なる実施態様において、少なくとも１つの前記衛星モジュールは、前記基準信号を無線受信する受信機を備える。
【００１０】
更に別の実施態様において、前記少なくとも１つの前記衛星モジュールの前記受信機は、地上送信機から前記基準信号を無線受信するように構成される。
【００１１】
更なる実施態様は、前記基準信号を送信する送信機を備える基準信号送信機衛星も含む。また、前記少なくとも１つの前記衛星モジュールの前記受信機は、前記基準信号送信機衛星の送信機から前記基準信号を無線受信するように構成される。
【００１２】
更に別の実施態様において、前記基準信号を無線受信する前記受信機は、増幅器とクリーンアップ位相ロックループとを備える。
【００１３】
再び、更なる実施態様において、前記少なくとも１つの衛星モジュールの各々は、所与の衛星モジュールの少なくとも１つの電力送信機へ前記基準信号の経路を決定する送信ラインも含む。
【００１４】
再び、別の実施態様において、前記送信ラインは、別の電力送信機から前記基準信号を受信していない直接隣接した電力送信機間の前記基準信号の経路を決定する送信ラインを備える。       
【００１５】
更なる追加の実施態様において、前記制御電子機器は、位置情報に基づいて、受信基準信号に対し適用するための位相シフトを決定する。
【００１６】
別の追加の実施態様において、前記位置情報は、絶対的位置情報及び相対的位置情報からなるグループから選択される。
【００１７】
更なる実施態様において、前記位置情報は、宇宙空間の位置及び配向を規定する。
【００１８】
更に別の実施態様において、前記制御電子機器は、前記位置情報を受信するように構成される。
【００１９】
再び、更なる実施態様において、少なくとも１つの前記衛星モジュールは、少なくとも１つの測距信号を受信して、前記宇宙太陽光発電所の位置を示す位置情報を決定する、受信機を備える。
【００２０】
再び、更に別の実施態様において、少なくとも１つの前記衛星モジュールは、受信機を備え、該受信機は、前記宇宙太陽光発電所の前記位置を示す前記位置情報を受信し、少なくとも１つの測距信号を受信し、前記衛星モジュールの前記位置を示す位置情報を決定するように構成される。
【００２１】
更に追加の実施態様において、少なくとも１つの衛星モジュールは、パネルを形成する複数の発電タイルを備え、該パネルは、受信機を含み、該受信機は、前記パネルが属する前記少なくとも１つの衛星モジュールの所与のモジュールの前記位置を示す情報を含む前記位置情報を受信し、少なくとも１つの測距信号を受信し、前記パネルの前記位置を示す位置情報を決定し、前記パネルの前記位置を示す前記位置情報を、前記パネルを形成する前記複数の発電タイルの前記電力送信機へ供給するように構成される。
【００２２】
更に別の追加の実施態様において、前記少なくとも１つの測距信号は少なくとも１つの地上送信機から送信される。
【００２３】
再び、更なる実施態様において、前記少なくとも１つの測距信号は少なくとも１つの宇宙送信機から送信される。
【００２４】
再び、更に別の実施態様において、前記制御電子機器は、集積回路内に含まれ、前記集積回路は、受信基準信号に基づいて、ＲＦ信号を発生するように構成されるＲＦ合成器と、制御信号により決定される量により、前記ＲＦ合成器から受信するＲＦ信号を位相シフトするように構成される位相調整器と、該位相調整器から受信する位相シフトＲＦ信号を増幅するように構成される電力増幅器と、メモリに格納のソフトウェアにより、前記位相調整器用の前記制御信号を発生するように構成されるデジタル信号処理器と、を含む。
【００２５】
更に追加の実施態様は、複数の発電タイルと、該複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの光電池と、該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられ、前記複数の発電タイルの各々に配置される少なくとも１つの電力送信機とを含み、該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記発電タイルと信号を通信する。また、前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、アンテナと、位相アレイを形成するために、前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と調整されるように、無線周波数電力信号の少なくとも１つの位相を制御し前記アンテナに供給する制御電子機器とを含む。
【００２６】
更に別の追加の実施態様は、少なくとも１つの光電池と、該少なくとも１つの光電池と一緒に用いられる、少なくとも１つの電力送信機とを含み、該少なくとも１つの電力送信機は、前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生する電流が、前記少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するように、前記発電タイルと信号を通信する。また、前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、アンテナと、無線周波数電力信号の少なくとも１つの位相を制御し、前記アンテナに供給する制御電子機器と、を含む。
【００２７】
本明細書で説明された特徴及び長所は、必ずしも包括的なものではなく、特に、図面、明細書及び特許請求の範囲を考慮して、多くの追加の特徴及び長所が当業者に明らかであろう。さらに、本明細書で用いた言語は読みやすさ及び教示目的のために主として選ばれており、本発明の主題を描出し制限するために選ばれたものではない。
【００２８】
以下の説明は以下の図面及びデータグラフを参照することにより、より完全に理解される。それらの図面及びデータグラフは、本発明の種々の実施形態として提示されるが、本発明の範囲の完全な記述として解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態による地球をめぐる軌道の複数の発電衛星モジュールを有する大規模宇宙太陽光発電所を概念的に例示する図を示す。
【図２】一実施形態による長方形の軌道の構成において飛翔する複数の発電衛星モジュールを有する大規模宇宙太陽光発電所を概念的に例示する図を示す。
【図３】一実施形態による大規模宇宙太陽光発電所、衛星モジュール及びモジュール式発電タイルの断面図を概念的に例示する図を示す。
【図４ａ】一実施形態によるモジュール式発電タイルの断面図を概念的に例示する図を示す。
【図４ｂ】一実施形態による光電池の断面図を概念的に例示する図を示す。
【図４ｃ】一実施形態による発電タイルの部分を形成する電力送信機において利用するために適切な集積回路のブロック図を概念的に例示する図を示す。
【図４ｄ】一実施形態による発電タイルの配線図を概念的に例示する図を示す。
【図４ｅ】一実施形態による発電タイルの配線図を概念的に例示する図を示す。
【図５ａ】一実施形態による発電タイルのアンテナ要素が位相アレイとして構成される発電タイルのアレイを概念的に例示する図を示す。
【図５ｂ】一実施形態による発電タイルのアンテナ要素が位相アレイとして構成される発電タイルのアレイを概念的に例示する図を示す。
【図５ｃ】一実施形態による発電タイルのアンテナ要素が位相アレイとして構成される発電タイルのアレイを概念的に例示する図を示す。
【図５ｄ】一実施形態による宇宙太陽光発電所の衛星モジュールの各々により形成されるサブアレイ間の基準信号の配布のプロセスを概念的に例示する図を示す。
【図５ｅ】宇宙太陽光発電所の個々の衛星モジュールの運動及び／又は回転を概念的に例示する図を示す。
【図５ｆ】一実施形態による宇宙太陽光発電所内の衛星モジュールへの送信機による基準信号の送信を概念的に例示する図を示す。
【図５ｇ】一実施形態による、送信された基準信号を受信するアンテナ、受信した基準信号の振幅を増大する低ノイズ増幅器、及び、衛星モジュール内の発電タイルへ出力される低ノイズ基準信号を発生するクリーンアップＰＬＬを含む衛星モジュールを概念的に例示する図を示す。
【図５ｈ】一実施形態による、低ノイズ電圧制御発振器を組込むクリーンアップＰＬＬの実装を概念的に例示する図を示す。
【図５ｉ】クリーンアップＰＬＬが、受信した基準信号からのノイズを帯域制限し、それにより、基準信号の信号対ノイズ比を改善する方法を概念的に例示する図を示す。
【図５ｊ】一実施形態による、基準信号を送信する宇宙基準信号送信機を用いる場合に必要な最小の送信機の電力を概念的に例示する図を示す。
【図５ｋ】一実施形態による、地上送信機により送信された基準信号を受信する受信機に必要なゲイン及びアパーチャサイズを概念的に例示する図を示す。
【図５ｌ】基準信号の再配布とジッターのカスケーディングを概念的に例示する図を示す。
【図５ｍ】レクテナアレイ受電機のサイズに基づいて、７５ｍ×６０ｍの宇宙太陽光アレイの１GHzでの送電効率上のジッターの効果のシミュレーションの結果を例示する図を示す。
【図５ｎ】一実施形態による、発電タイルの間で基準信号を送る経路を決定することを概念的に例示する図を示す。
【図５ｏ】一実施形態による、地上の単数又は複数の送信機により送信される単数又は複数の信号を用いる配置の決定を概念的に例示する図を示す。
【図５ｐ】一実施形態による、宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、パネル及び／又は発電タイル間に、階層方法で配置情報を配布するプロセスを概念的に例示する図を示す。
【図５ｑ】一実施形態による、アンテナアレイのＲＭＳ位相エラーの効率への影響を概念的に例示する図を示す。
【図５ｒ】一実施形態による、基準信号、配置情報、及びコマンドと制御の情報の受理及び配布の調整をするように構成された少なくとも１つのマスター衛星モジュールを含む宇宙太陽光発電所を概念的に例示する図を示す。
【図５ｓ】一実施形態による、衛星モジュール内の基準信号、配置情報及び／又はコマンドと制御の情報の配布を調整するための発電タイルの異なるクラスの使用を概念的に例示する図を示す。
【図６ａ】実施形態による、太陽光発電所のアンテナの位相アレイからの送電からの地上受電局での電力密度分布を概念的に例示する図を示す。
【図６ｂ】異なる間隔の送信アンテナを用いる送電システムの効率は、受信機のアレイのサイズの増大と共に増大することを概念的に例示する図を示す。
【図６ｃ】地上のスポットを形成するために利用されるアンテナ要素のアレイのサイズと、送電電力を受電するために利用されるレクテナアレイのサイズとの両方により、送電の効率が影響を受ける様態を概念的に例示する図を示す。
【図６ｄ】地球同期かつ地球低軌道（ＬＥＯ）に位置付けられた宇宙太陽光発電所により発生する最大電力ローブのスポットサイズに、送電電力の信号の周波数が影響を及ぼす様態を概念的に例示する図を示す。
【図６ｅ】地球同期かつ地球低軌道（ＬＥＯ）に位置付けられた宇宙太陽光発電所により発生する最大電力ローブのスポットサイズに、送電電力の信号の周波数が影響を及ぼす様態を概念的に例示する図を示す。
【図６ｆ】近接場のアンテナの放射パターンのパターン角は、遠距離場のアンテナアレイの放射パターンのパターン角よりもっと大きいことを概念的に例示する図を示す。
【図６ｇ】１GHzでのフレネル領域の境界と送信機アレイとの間の関係を概念的に例示する図を示す。
【図７】一実施形態による、大規模宇宙太陽光発電システムからの動的電力配分を概念的に例示する図を示す。
【図８ａ】一実施形態による、位相アレイの要素間の相対位相オフセットを用いる電子ビーム誘導を概念的に例示する図を示す。
【図８ｂ】一実施形態による、位相アレイの要素間の相対位相オフセットを用いる電子ビーム誘導を概念的に例示する図を示す。
【図９ａ】実施形態による、大規模太陽光発電所及び展開構成におけるコンパクトにできる衛星モジュールを概念的に例示する図を示す。
【図９ｂ】図９ａによる、格納構成における格納されコンパクトにできる衛星モジュールを概念的に例示する図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に図面を見るに、本発明の種々の実施形態による大規模宇宙太陽光発電（ＳＢＳＰ）所が例示されている。多くの実施形態において、ＳＢＳＰシステムは、独立衛星モジュールのアレイを含み、各衛星モジュールは独立太陽光発電タイルのアレイを組み込む。いくつかの実施形態において、発電タイルは、各々、独立光電池、電力送信機及び制御回路を組み込んで形成される。衛星モジュール及び発電タイルは、いくつかの実施形態により、コンパクトにできる構造物から形成することができる。本発明の多くの実施形態によるこのような大規模宇宙太陽光発電システムを展開し、安定化し、動作し、構築する方法も説明する。
【００３１】
大規模宇宙太陽光発電所は、各衛星モジュールのお互いに対する位置が既知となるような軌道構成内の軌道に置かれた複数の独立衛星モジュールから形成することができるモジュール式宇宙構築物である。衛星モジュールの各々は、太陽光放射を電流として捕獲し、その電流を用い、そのエネルギーを電力送信機を用いて１つ以上の遠隔レシーバーへ送電する、複数の発電タイルを含むことができる。多くの場合、送電はマイクロ波電力送信機を用いて行われ、マイクロ波電力送信機は、１つ以上の遠隔レシーバーへ向けることができる誘導可能ビーム及び／又は集束ビームを発生することができる位相及び／又は振幅変調アレイとして作動するように調整されている。他の実施形態では、（限定されないが）レーザーなどの光送信機を含む様々な適切な送電技術のいずれかを利用することができる。
【００３２】
実施形態は、太陽光発電所のモジュール要素を構築するために用いる軽量宇宙構造物に関連する。軽量宇宙構造物は、発電タイル及び／又は衛星モジュールの構築において用いられ、可動要素を組込むことができ、可動要素は、展開する前の発電タイル及び／又は衛星モジュールの面積又は寸法の長さ、高さ及び／又は幅を低減するために、展開する前に、軽量宇宙構造物をコンパクトにすることができる。宇宙構造物は任意の数、サイズ及び構成の可動要素から作ることができ、可動要素は、数ある中でも、ｚ折畳み（z-folding）、ラッピング、ローリング、扇形折畳み（fan-folding）、二重ｚ折畳み（double z-folding）、三浦折り、スリップ折畳み（slip-folding）、及び、それらの組合せを用いる一次元又は二次元の圧縮を含む任意の適切な圧縮機構又は構成により、コンパクトになるように構成することができる。可動要素の実施形態は、数ある中でも、摩擦のない、ラッチの、靱帯の、スリップのヒンジなどのヒンジにより、相互に関係づけられる。宇宙構造物の実施形態は、軽量構造物の面外のマクロ及びミクロの変形を低減するために、事前に圧力を加え及び／又は支持枠組みを設ける。構造物及びモジュールは、展開中及び／又は動作中に動的安定化運動（例えば回転）を含むことができる。圧縮可能な軽量構造物を展開された動作状態に展開する展開機構は、軽量構造物の実施形態に組込むことができ、又は、関連付けることができる。展開機構は、数ある中でも、先端質量又はモジュール自己質量などの膨張ブーム式アーム、遠心力機構（に限定されないが、）を含むことができる。
【００３３】
多くの実施形態による大規模太陽光発電所は、太陽光放射を獲得し、獲得したエネルギーを用いて電力送信機を動作する分散型のアプローチを利用し、電力送信機は、１つ以上の遠隔のレシーバーへ（例えば、レーザー又はマイクロ波放射を用いて）送電する。太陽光発電所の衛星モジュールは、物理的に独立の構造物にすることができ、各衛星モジュールは発電タイルの独立アレイを含む。衛星モジュールは、各々が、地球をめぐる適切な軌道における衛星モジュールのアレイ内の特定の飛翔構成内に置かれる。宇宙空間の軌道のアレイ構成内の独立衛星モジュールの各々の位置は、発電所保持スラスター及び誘導制御だけでなく吸収、反射、電磁放射の放出からの制御力の組合せにより制御可能である。このような制御機を用いることにより、独立衛星モジュールの各々は、他の衛星モジュールの各々に対し、制御された軌道のアレイ構成内で位置付けられ、維持されることができ、それ故に、各衛星モジュールは大規模宇宙太陽光発電所の独立モジュール要素を形成する。独立衛星モジュールの各々の発電タイルの各々が受ける太陽光放射は、発電するために利用され、それにより、発電タイルの各々の上の１つ以上の電力送信機に電力を供給する。トータルで、発電タイルの各々の上の電力送信機は、アンテナアレイの独立要素として構成することができる。
【００３４】
発電タイル及び／又は衛星モジュールは、大規模宇宙太陽光発電所内の他の発電タイル及び／又は衛星モジュールとのタイミング及び制御の情報を処理し交換するための別個の電子機器も含むことができる。多くの実施において、別個の電子機器は集積回路の部分を形成し、集積回路は、個々のタイル及び／又はトランスミッタ要素の位置に基づいて、基準信号に適用する位相オフセットを独立に決定する能力を有する。このようにして、アンテナの位相アレイの調整を分散型方法で達成することができる。
【００３５】
分散型アプローチの実施形態において、位相アレイの異なるアレイ要素を、異なる送電特性（例えば、位相）で、１つ以上の異なる遠隔受電コレクター（例えば、地上レクテナ）へ送電するように向けることができる。発電タイルの各衛星モジュール、又は、１つ以上の衛星モジュールにわたる発電タイルの組合せは、独立の制御回路及び関連する電力送信機を用いて、このように制御されて、エネルギーを異なる受電コレクターへ送るように制御することができる。
【００３６】
光電池（ＰＶ）は、衛星モジュール内の発電タイル上の個々の太陽光電力コレクター要素に言及する。ＰＶは、光起電力効果により光エネルギーを直接電気に変換する任意の電気デバイスを含み、電気デバイスは、ポリシリコン及び単結晶シリコンから作られる要素、アモルファスシリコンを含む薄膜太陽光電池、CdTe及びCIGS電池、多接合電池、ペロブスカイト電池、有機／ポリマー電池、及び様々なそれらの代替物を含む。
【００３７】
電力送信機又は放射物は、衛星モジュール内の発電タイル上の個々の放射要素及びそれに関連する制御回路に言及する。電力送信機は、ＰＶにより発生した電流の電力を無線信号に変換することができる任意のデバイスを含むことができ、無線信号は、レーザー、クライストロン、進行波管、ジャイロトロン、又は適切なトランジスタ及び／又はダイオード（に限定されないが、）を含むマイクロ波放射又は光などである。電力送信機は、数ある中でも、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、らせんアンテナ又は球面アンテナなどの適切な伝達可能なアンテナも含むことができる。
【００３８】
アンテナアレイは、電力送信機のアレイに言及し、電力送信機のアレイにおいて、電力送信機に供給するそれぞれの信号の相対位相及び／又は振幅は、アレイの電力放出の有効放射パターンが所望の放出方向に強化され、不所望の放出方向に抑制されるように、構成される。実施形態によるアンテナのアレイは、動的又は固定的、能動的又は受動的にすることができる。
【００３９】
軌道のアレイ構成は、宇宙空間の所望の軌道でその構成で飛翔する独立衛星モジュールの任意のサイズ、数、又は構成に言及し、それ故に、互いに対する衛星モジュールの位置が既知であり、それ故に、軌道のアレイ構成内の衛星モジュールの各々の発電タイルは、太陽光発電所のアンテナアレイのアレイ要素として役立つ。
【００４０】
発電タイルは、大規模宇宙太陽光発電所の位相アレイの個々の太陽光発電電力の収集及び送電要素に言及する。多くの実施形態において、発電タイルは、モジュール式太陽光放射コレクター、コンバータ及び電力送信機であり、発電タイル上に配置された少なくとも１つの光電池により太陽光放射を収集し、同じ発電タイル上に配置された少なくとも１つの電力送信機へ電力を供給するために電流を用い、電力送信機は１つ以上の遠隔受電コレクターへ変換した電力を送電する。宇宙太陽光発電所内に組込まれる多くの発電タイルは、別個の電子機器を含み、電子機器は、他の発電タイル及び／又は大規模宇宙太陽光発電所内の他の衛星モジュールから受信することができるタイミング、位置及び／又は制御情報に基づいて、発電タイル上に位置する少なくとも１つの電力送信機の動作を独立に制御する。このようにして、別個の電子機器は、位相アレイを形成するために、発電タイルの各々の送電特性を（分散型方法で）調整することができる。各発電タイルは、数ある構造の中でも、発電タイルの温度を調節し、放射線を遮蔽するための光起電力の熱放射物に太陽光放射を集めるための放射コレクターなどの他の構造も含むことができる。
【００４１】
衛星モジュールは、単一の一体宇宙構造物上に配置された発電タイルのアレイに言及する。衛星モジュールの宇宙構造物は、想定される構成に基づいて構造物の占有領域が、拡張又は収縮することができるような、コンパクトにできる構造にすることができる。衛星モジュールは、２つ以上の発電タイルを含むことができる。各発電タイルは、少なくとも１つの太陽光放射コレクター及び電力送信機を含むことができる。上記で論じたように、発電タイルの各々は、送電することができ、かつ、個々の衛星モジュールにわたって、又は、いくつかの衛星モジュールトータルで、形成される１つ以上の位相アレイのアレイ要素を形成するように独立に制御されることができる。代替的に、衛星モジュール上に配置された発電タイルの各々は、中央に制御されることができる。
【００４２】
軽量宇宙構造物は、少なくともパッケージにした位置と展開した位置との間で構成することができる発電タイル及び／又は衛星モジュールの構築に用いられる可動相互関連要素の統合構造物に言及し、発電タイル及び／又は衛星モジュールの面積及び／又は寸法は、少なくとも１つの方向に低減し、又は、拡張することができる。軽量宇宙構造物は、展開した構成と収縮した構成との間で可動要素を促すための展開力を提供する展開機構を組込み又は展開機構と共に使用することができる。
【００４３】
大規模宇宙太陽光発電所又は単なる太陽光発電所は、１つ以上の位相アレイとして機能するように設計された軌道のアレイ構成で飛翔する衛星モジュールの集積物に言及する。いくつかの実施形態において、１つ以上の位相アレイは、集積した太陽光放射を１つ以上の受電コレクターへ向けるように、動作することができる。
【００４４】
発電タイルの送電特性は、集積した太陽光放射を受電コレクターへ遠距離場の放射により送電することに関連する発電タイルの電力送信機の任意の特性又はパラメータに言及する。送電特性は、数ある中でも、電力送信機の位相と動作タイミング及び送電される電力量を含むことができる。
大規模宇宙太陽光発電所の構造
【００４５】
本発明の実施形態による地球をめぐる軌道のアレイ構成内に位置する複数の衛星モジュールを含む大規模宇宙太陽光発電所を図１に例示する。大規模宇宙太陽光発電所１００は、独立衛星モジュール１０２のアレイを含む。太陽光発電所１００は、一実施形態により、複数の独立衛星モジュール１０２を軌道のアレイ構成１０４内の適切な軌道軌跡に配置することにより、構成される。太陽光発電所１００は、複数のそのような衛星モジュール１ＡからＮＭまでを含むことができる。一実施形態において、衛星モジュール１ＡからＮＭまでは、図１に例示されるように、グリッド形式で配置される。他の実施形態において、衛星モジュールは、非グリッド形式で配置される。例えば、衛星モジュールは、円形パターン、ジグザグパターン、又は散在パターンに配置することができる。同様に、太陽光発電所のアプリケーションに依り、軌道は、地球同期であり１０６、典型的に地上３５，７８６ｋｍの高度であるか、又は、地球低軌道であり１０８、典型的に地上８００から２，０００ｋｍの高度であるか、のいずれかである。直ちに分かることができるように、特定のアプリケーションの要件に適切な任意の軌道は、本発明の様々な実施形態により、宇宙太陽光発電所により利用することができる。
【００４６】
多くの実施形態において、太陽光発電所の衛星モジュールは、所定の距離の差で互いに空間的に分離される。空間分離を増大することにより、互いに対する衛星モジュールの操縦性は、単純化される。さらに以下に論じるように、衛星モジュールの分離及び方向付けは、衛星モジュールの各々の上の発電タイルがアンテナアレイ内の要素として動作する能力に影響を与えることができる。一実施形態において、各衛星モジュール１ＡからＮＭまでは、自体の位置保持及び／又は操縦推進システム、誘導制御及び関連回路を含むことができる。特に、図２に例示されるように、太陽光発電所１００の衛星モジュール１０２の各々は、太陽光発電所の動作中に、他の衛星モジュール（１ＡからＮＭまで）に対する特定の衛星モジュール（１ＡからＮＭまで）の相対的位置１１０を決定する位置センサ、及び、衛星モジュールの軌道のアレイ構成１０４内の所望の位置に衛星モジュールを保持するための誘導制御回路及び推進システムを含むことができる。多くの実施形態による位置センサは、位置データ慣性計測装置（例えば、ジャイロスコープ及び加速度計）などのオンボードデバイスだけでなく、全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星又は国際地上局（ＩＧＳ）ネットワーク及びそれらの組合せからの外部位置データの使用を含むことができる。いくつかの実施形態において、位置センサは、衛星モジュール及び／又は追加のサポート衛星上に配置され、相対的位置を決定することができる情報を送信する発信機を利用することができる。誘導制御及び推進システムは、衛星モジュールの各々を太陽光発電所の軌道のアレイ構成１０４内に保持することができる回路及び推進システムの任意の適切な組合せを同様に含むことができる。多くの実施形態において、推進システムは、数ある中でも、二元推進剤ロケット、固形燃料ロケット、レジストジェットロケットなどのような１つ以上の化学燃料ロケット、電磁スラスタ、イオンスラスタ、電熱スラスタ、ソーラーセイルなどを利用することができる。同様に、衛星モジュールの各々は、例えば、数ある中でも、リアクションホイール又は制御モーメントジャイロスコープなどの姿勢制御又は方向制御も含むことができる。
【００４７】
図３に例示されるように、多くの実施形態において、太陽光発電所１００の各衛星モジュール１ＡからＮＭまでは、相互接続した構造物要素１１１の上に配置された１つ以上の発電タイル１１２を有する１つ以上の相互接続した構造物要素１１１から成る宇宙構造物を含む。特に、衛星モジュール１ＡからＮＭまでの各々は、発電タイル１１２のアレイに関連し、アレイの発電タイル１１２の各々は、独立に太陽光放射を収集し、それを電流に変換する。電力送信機は、電流を遠隔受電所により受電することができる無線送電へ変換する。上記で論じたように、一組の発電タイルの各々の上の１つ以上の電力送信機は、発電タイル及び太陽光発電所全体の衛星モジュールの集積物により形成される１つ以上の位相アレイにおける要素として構成することができる。１つの実施形態において、衛星モジュールの発電タイルは、所定の距離の差で互いに空間的に分離される。他の実施形態において、衛星モジュールの構築により、発電タイルは変化し得る距離の差で分離され、位相アレイを形成するための発電タイルの分散的配置は、衛星モジュール及び／又は個々の発電タイルの相対的位置に基づいて、位相オフセットを決定する個々の電力送信機の制御回路を含むようになる。
発電タイル
【００４８】
多くの実施形態による発電タイル１１２は、光電池１１３、電力送信機１１４及び送電アプリケーションのニーズに適合する要求に応じて電気的に相互接続された付随の電子機器１１５を含むマルチコンポーネント構造物を含む。図４ａに例示されるように、いくつかの実施形態において、光電池１１３は、発電タイルにわたって所望の電流出力を作り出すように、相互接続することのできる所望の太陽光収集領域の複数の個々の光電池要素１１６を備えることができる。いくつかの電力送信機１１４は、数ある中でも、ダイポール、ヘリカル及びパッチを含む任意の適切なデザインのものとすることができる１つ以上の送信アンテナを含む。例示の実施形態においては、制御電子機器１１５からのＲＦ（無線周波数）電力をアンテナ１１４へコンダクティブ方式に相互接続するための導電フィード１１７を組込む従来のパッチアンテナ１１４である。直ちに認めることができるように、利用される特定のアンテナ設計は、主として、特定のアプリケーションの要件に依存する。いくつかの電力送信機１１４は、それらの間に配置された固定の又は展開可能なスペーサー構造物１１８などにより、光電池１１３及び／又は制御電子機器１１５の内の１つ又は両方から、物理的に分離される。いくつかの制御電子機器１１５は、（例えば、平行光又はマイクロ波放射のような無線周波数（ＲＦ）放射などの電力放出への）電力変換の態様、衛星モジュールの運動及び／又は方向、衛星モジュール間の及び衛星モジュール内部の通信、並びに、発電タイル及び／又は衛星モジュールの送電特性を制御することができる１つ以上の集積回路１１９を含むことができる。さらなる導電性相互接続１２０は、制御電子機器１１５を光電池１１３の電源に接続することができる。発電タイルの各々は、発電タイルの各々の動作温度を制御するために、熱放射物も含むことができる。
【００４９】
いくつかの実施形態において、図４ｂに例示されるように、ＰＶ（光電池）１１３は１つ以上のジャンクション１１３″を有する少なくとも１つの吸収材料１１３′を含む多層セルであり、吸収材料１１３′は、吸収材料の裏側の裏面コンタクト１２１と入射太陽光放射の方向の吸収材料の表面に配置されたトップ放射線遮蔽１２２との間に配置される。ＰＶは、光起電力効果により光エネルギーを電気に直接変換する任意の電気デバイスを含むことができ、電気デバイスは、ポリシリコン及び単結晶シリコンから作られる要素、アモルファスシリコンを含む薄膜太陽光電池、CdTe及びCIGS電池、多接合電池、ペロブスカイト電池、有機／ポリマー電池、及び様々なそれらの代替物を含む。いくつかの実施形態において、ＰＶは、太陽スペクトルに合うGalnP/GaAsの薄膜から作られる。放射線遮蔽は、数ある中でも、SiO2などの太陽光放射の透過材料を含むことができる。裏面コンタクトは、数ある中でも、アルミニウムのような導電性材料などの任意の適切な導電性材料から作られることができる。裏面コンタクト及びトップ放射線遮蔽の厚さは、ＰＶに対し放射線遮蔽を提供するのに適切な任意の厚さとすることができる。デバイスの吸収及び動作の効率を増大するために、ＰＶの回りに追加の構造物を設けることができ、例えば、カセグレン、パラボラ、非パラボラ、双曲線又はそれらの組合せの形状などの入射太陽光放射を集光し焦点に集める１つ以上の集光装置を含む。ＰＶは、放射熱シンクなどの温度管理デバイスも含むことができる。いくつかの実施形態において、温度管理デバイスは制御電子機器に統合される。
【００５０】
数多くの実施形態において、発電タイルのコンポーネントである電力送信機は、制御回路及び１つ以上のアンテナの組合せを用いて実装される。制御回路は、衛星モジュール及び／又は太陽光発電所内の他のアンテナに対する発電タイルアンテナの位置を決定する計算能力を発電タイルに提供することができる。直ちに認めることができるように、位相アレイ内の各要素の相対的位相は、要素の配置、並びに、所望のビーム方向及び／又は焦点の位置に基づいて、決定される。各発電タイルの制御回路は、決定した発電タイルアンテナの位置及びビーム誘導情報を用いて、基準信号に適用するための適切な位相オフセットを決定することができる。本発明の様々な実施形態による、個々の発電タイルアンテナの位置を決定し、配置に基づいて適用する位相オフセットを決定するためのプロセスは、以下において、さらに、論じる。
【００５１】
様々な実施形態において、図４ｃに概念的に例示されるように、発電タイルの制御回路は、１つ以上の集積回路を用いて実装することができる。集積回路１２３は、入力／出力インターフェイス１２４を含むことができ、入力／出力インターフェイス１２４により、デジタル信号処理ブロック１２５は、衛星モジュールの他の要素と通信するために情報を送受信することができ、衛星モジュールは、制御アプリケーションにより構成されるプロセッサ及び／又はメモリを典型的に含む。特定の実施形態において、デジタル信号処理ブロック１２５は、１つ以上のアンテナの位置を決定するために利用することができる配置情報（上記論述を参照）を受信することができる。多くの実施形態において、配置情報は、基準点に対する固定配置及び／又は１つ以上の相対的配置を含むことができる。デジタル信号処理ブロックは、受信した配置情報、及び／又は、１つ以上のアンテナの位置を決定し、温度依存遅延を決定するための、（限定されないが）温度センサ、加速度計、測距レーダー及び／又はジャイロスコープを含む任意の様々なセンサから得られる追加の情報を利用することができる。１つ以上のアンテナの決定した位置に基づいて、デジタル信号処理ブロック１２５は、基準信号１２６に適用するための位相オフセットを決定することができ、基準信号１２６は特定のアンテナに供給されるＲＦ信号を発生するために用いられる。例示実施形態において、集積回路１２３は基準信号１２６を受信し、基準信号１２６は、所望の周波数を有するＲＦ信号を発生するためにＲＦシンセサイザ１２７へ提供される。ＲＦシンセサイザ１２７により発生されたＲＦ信号は、１つ以上の位相オフセットデバイス１２８へ提供され、位相オフセットデバイス１２８は、ＲＦシンセサイザ１２７から受信したＲＦ信号を制御可能に位相シフト及び／又は位相変調するように構成される。ＲＦシンセサイザを実装するために、かつ、ＲＦシンセサイザ１２７から受信したＲＦ信号を制御可能に位相シフト及び／又は位相変調するために、利用することができる回路は、２０１４年１１月２４日に出願の発明の名称が「無線送電のためのジェネレーター装置」の米国特許出願番号１４／５５２，４１４に開示された様々な回路を含み、それからの関連する開示は、その全体において、参照することにより、本明細書に含まれる。
【００５２】
デジタル信号処理ブロック１２５は、制御信号を発生することができ、制御信号は位相オフセットデバイス１２８へ提供されて、１つ以上のアンテナの決定した位置に基づいて、適切な位相シフトが導入される。多くの実施形態において、発生した信号の振幅は、単独で又は決定した位置に適切に基づく位相と共に、変調させることができ、及び／又は、変化させることができ、電力ビーム及び／又は集束送電を形成する。ミキサーによる電力増幅器チェインの入力での、又は、その供給電圧による増幅器内での、内部ゲート又はカスケードバイアス電圧などの、様々な方法で、振幅を変調させることができる。直ちに認めることができるように、本発明の様々な実施形態により、特定のアプリケーションの要件に適切な任意の様々な技術は、ＲＦ信号を振幅変調するために利用することができる。位相シフトしたＲＦ信号は、次に、電力増幅器１２９を含む一連の増幅器に提供することができる。全体の回路は、発電タイルのＰＶコンポーネントにより発生した電流により電力供給されるのに、電力増幅器は、ＤＣ電流をＲＦ信号により送信されるＲＦ電力へ変換することに、主として、関与している。従って、電力増幅器は、受信した位相シフトのＲＦ信号の振幅を増大し、増幅し位相シフトしたＲＦ信号は、アンテナに接続された出力ＲＦフィード１３０へ提供される。多くの実施形態において、ＲＦ合成器により発生したＲＦ信号は、増幅器１３１へ提供され、他の発電タイルの制御回路へ配布される。本発明の様々な実施形態による衛星モジュール内の発電タイル間の基準信号の配布は、さらに、以下に論述する。
【００５３】
発電タイル内のコンポーネントの相互接続、及び、発電タイルが本発明の様々な実施形態により構築される宇宙発電所の他の要素と情報を交換する経路は、図４ｄ及び図４ｅに示す発電タイルの配線図に概念的に例示される。例示実施形態において、発電タイルの配線１５０は少なくとも２つの配線層を含む。配線層は、高周波信号、及び／又は、（限定されないが）ポリアミド、及び／又は、E. I. DuPont de Nemours and Company of Wilmington, Delawareの登録商標であるＫＡＰＴＯＮなどの宇宙アプリケーションと共に用いるのに適切な任意の様々なプリント回路基板技術を用いて実装することができる。下の第１の層すなわち「底」層（図４ｄ）は（サプライ接続部をＰＶ接地とＰＶサプライにローカルに接続する）ＰＶである。上の第２の層すなわち「最上」層（図４ｅ）はパッチアンテナ層である。REFin/CLKin１５１はマスタータイル（以下の論述を参照）から発生することができる基準／クロック信号である。REFout/CLKout１５２は、入力クロックから発生したバッファリングされた基準／クロック信号であり、別の発電タイルのREFin/CLKin信号に接続される。同じ接続ロジックはマスターからスレーブへのデータ接続のためのDin/Dout（データ入力、データ出力）対１５３に適用する。接続の方向はDin/Dout（スレーブからマスターへ）に対して反転される。なお、さらに、Din/Doutライン１５３は、ラインの通常アドレス及びデータバスを示すことができる。単一のラインとして記述されているが、通信チャネルによるデータスループットを向上するために、多数のラインを並列に走らせることができる。直ちに認めることができるように、トレース及びサプライをＩＣ、例えば、いわゆるフリップチップ実装ＩＣのはんだパッド、に接続するために、接続部１５４により利用することができる。
【００５４】
第１の層すなわち「底」層は（サプライ接続部ではないが）、（タイルは物理的に接続されているので）タイル間で連続であると仮定する。タイル（又はパネル）が中断されながら作られる場合、（限定されないが）短いリボンケーブル型接続部を含むコネクタを接続のために用いることができる。第２の層すなわち「最上」層（図４ｅ）は、上記の集積回路に類似の集積回路１５６からのＲＦ出力とＲＦアンテナとを接続するコプレーナＲＦライン１５５を表示する。ＲＦライン１５５はバイパスコンデンサ１５７を（選択的に）含むことができる。動作において、ＲＦバイパスコンデンサ１５７はＲＦ電流が流れることができるようにし、ＰＶサプライとＰＶ接地との金属化が関心のＲＦ周波数でパッチアンテナ用の連続接地遮蔽として作動することができるようにする。４つの接続部１５８が、２つの分極のための差分ＲＦ信号用に、本図に示される。直ちに認めることができるように、発電タイルにより利用される特定のアンテナに適切な任意の様々なフィードを利用することができる。接続はリボン接続部を用いてすることができ、接続部のインピーダンスは、全体の「インピーダンス整合」を提供するために、考慮される。
【００５５】
図４ｄ及び図４ｅを参照して、発電タイル用の特定の配線実装を上記のように説明したが、任意の様々な配線実装は、（限定されないが）２層を超えるＰＣＢ材料を利用することを含む本発明の実施形態による特定のアプリケーションの要件に適切なように、利用することができ、金属化は、経路の決定を促進し、又は、増大したフレキシビリティを提供するために用いることができる。さらに、ＲＦ信号すなわち高速信号用の接続ラインは、限定されないが、マイクロストリップ伝送線路、コプレーナ伝送線路、ストリップ線路などのＲＦ信号すなわち高速ＡＣ信号の経路の決定のための多くの周知技術の内のいずれか１つを利用することができる。高速デジタル信号用に、隣接する基底基準の経路の決定を採用する頻繁な相互接続が、相互接続のスループットを向上するために、採用される。
【００５６】
さらに、特定の集積回路及び発電タイルの実装を、図４ａ〜図４ｅを参照して上記のように説明したが、発電タイル及び発電タイルの制御回路は、（限定されないが）様々な実施形態による異なるタイプの集積回路及び計算プラットフォームを含む任意の様々な技術を用いて実装することができる。さらに、発電タイルのアンテナに供給するＲＦ信号を発生する目的のために、配置及び／又は位相シフトを決定するために、各発電タイル上の計算能力を提供することなく、及び／又は、発電タイルの計算能力を利用することなく、衛星モジュールを実装することができる。実際に、いくつかの実施形態において、衛星モジュール内の（又は衛星モジュール間の）発電タイルは異なるものとすることができる。光電池、送電モジュール及び制御電子機器の別個の組合せの数は、衛星モジュール内の発電タイルの数と同じである。さらに、衛星モジュール上の発電タイルの各々が同じの場合でも、衛星モジュールの各々１ＡからＮＭまでが、又は、衛星モジュールの１グループが、異なる太陽光放射収集又は送電特性を有することができ、及び／又は、異なるサイズ、形状及び構成の発電タイルのアレイを有することができる。直ちに認めることができるように、宇宙太陽光発電所内で利用される個々のタイルの設計及び機能は、特定のアプリケーションの要件により限定されるだけである。本発明の様々な実施形態による宇宙太陽光発電所から無線で送電するための発電タイルの使用は、さらに、以下で論述する。
誘導可能なビームを用いる送電
【００５７】
多くの実施形態において、図５ａ〜図５ｃに概念的に例示されるように、各衛星モジュール上の複数の発電タイル１１２は、各々、パネル１６０を形成し、パネルにおいて、発電タイルのアンテナ要素は、無線送電のために利用することができるアレイ１６２の一部を形成する。いくつかの実施形態において、アレイ１６２内のアンテナにより送信されるＲＦ信号の振幅及び／又は位相は、電力の誘導可能なビームを提供するように制御可能である。
【００５８】
数多くの実施形態において、無線送電用にアレイ１６２を形成するための発電タイル１１２の調整は、発電タイルへの基準信号の配布を含む。上述の通り、発電タイル１１２上の制御回路は、基準信号の位相をシフトし、及び／又は、振幅を変調することができる。従って、基準信号は、各発電タイル又は各衛星モジュール上でローカルに発生することができ、有線又は無線のモジュール内の及びモジュール間の通信リンクにより伝搬することができ、又は、基準信号は、単一の衛星モジュール上の単一の源から中心的に発生することができ、有線又は無線のモジュール内の及び／又は衛星モジュールの各々及び発電タイルの各々にわたるモジュール間の通信リンクにより伝搬することができる。さらに、１つ又は多数の基準信号は、１つ以上の地上局からだけでなく、ごく接近して又は異なる軌道でさえ飛翔する１つ以上の衛星などの宇宙太陽光発電所システム以外から発生することができる。
【００５９】
誘導可能なビームを達成するために、個々の発電タイルの制御回路により基準信号に適用される位相オフセット及び／又は振幅変調は、アレイ１６２内の他の発電タイルに対する発電タイル１１２の位置に依存する。従って、アレイ１６２により発生する無線送電の効率は、アレイ１６２内の発電タイル１１２の配置を精密に決定し、それに応じて、位相オフセット及び／又は振幅変調を修正することにより、著しく増大することができる。多くの実施形態において、限定されないが、システム操縦及び飛行制御コマンドからの先行知識を採用するだけでなく、ジャイロスコープ、加速度計、電子測距レーダー、電子測位システム、ビーコンからの位相及び／又はタイミング情報などの部分的に冗長なシステムから各タイルの位置情報を受信する。いくつかの実施形態において、電子システムは、地上に、及び／又は、本目的（及び、可能性として他の目的、例えば、ＧＰＳ衛星を用いる場合）のために配備される衛星上の宇宙に、位置付ける。本発明の様々な実施形態による宇宙太陽光発電所内の、基準信号の発生及び配布、及び、発電タイルの配置の決定は、さらに、以下で論述する。
宇宙太陽光発電所内の基準信号の配布
【００６０】
本発明の一実施形態による宇宙太陽光発電所の衛星モジュールの各々により形成されるサブアレイ間の基準信号の配布のプロセスは、図５ｄに概念的に例示される。基準信号１７０は宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール１０２の各々に配布１７２される。宇宙太陽光発電所が図１に例示する方法で、複数の独立に軌道を回る衛星モジュールを用いて実装される場合、宇宙太陽光発電所の衛星モジュール間の有線接続は実現可能ではない。図５ｅに概念的に例示されるように、個々の衛星モジュール１０２の運動及び／又は回転は、衛星モジュール間の有線接続の実装を困難にする。さらに、衛星モジュール間のローカル無線接続は、また、衛星モジュール１０２の相対的配向の連続的変化のための電位により、問題があり得る。従って、基準信号は、送信機により、宇宙太陽光発電所の衛星モジュールへ配布することができる。本発明の一実施形態による宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール１０２への送信機１８０による基準信号の送信は、図５ｆに概念的に例示される。無線信号は、次に、有線及び／又は無線接続を用いて、衛星モジュールのパネル上のタイルへ伝搬することができる。他の実施形態において、衛星モジュール内の各パネルは基準信号を無線により受信することができ、及び／又は、パネル内の個々の発電タイルは基準信号を無線により受信することができる。
【００６１】
本発明の様々な実施形態により、宇宙太陽光発電所へ基準信号を提供するために用いる送信機は、宇宙に及び／又は地上に位置付けることができる。（限定されないが）ＲＦ及び／又は光通信チャネルを確立する送信機及び受信機を含む通信技術を用いて送信を実施することができる。
【００６２】
多くの実施形態において、衛星モジュール内で及び／又は宇宙太陽光発電所のパネル内で配布される基準信号の信号強度に比較して、送信される基準信号の受信電力は相対的に弱い。数多くの実施形態において、送信された基準信号を受信する衛星モジュールは、入ってくる基準信号のノイズ成分を低下させるために、低バンド幅クリーンアップ位相ロックループ（ＰＬＬ）を利用する。送信された基準信号を受信するアンテナ１９０、受信した基準信号の振幅を増大する低ノイズ増幅器１９２、及び、衛星モジュール内の発電タイルへ出力される低ノイズ基準信号を発生するクリーンアップＰＬＬ１９２を含む本発明の一実施形態による衛星モジュール１０２が図５ｇに概念的に例示される。
【００６３】
本発明の一実施形態による低ノイズ電圧制御発振器を組込むクリーンアップＰＬＬの実装が図５ｈに概念的に例示される。クリーンアップＰＬＬ２００は、サンプルされた位相エラーに比例する幅を有するデジタルパルスを出力する位相周波数検出器（ＰＦＤ）２０２を含む。デジタルパルスは、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２０６に供給される制御電圧を発生する制御回路２０４へ供給される。フィードバックループ２０８は、ＰＦＤが、ＶＣＯにより発生した出力と受信した基準信号との位相比較を実施することを可能にする。上述の通り、図５ｉに概念的に例示されるように、クリーンアップＰＬＬは、受信した基準信号からのノイズを帯域制限し、残余のＶＣＯノイズを基準信号のノイズより低くする必要がある。図５ｇ〜５ｉを参照して、送信された基準信号を受信するための特定の回路を上記に説明したけれども、本発明の実施形態による特定のアプリケーションの要件に適切なように、発電タイルのアンテナアレイとしての動作を調整する目的のため、任意の様々な受信機を、宇宙太陽光発電所で基準信号を受信するように利用することができる。
【００６４】
理想的には、受信した基準信号のノイズは、本発明の実施形態による宇宙太陽光発電所内の全受信機の間で相関がある。しかしながら、実際には、異なる受信機の受信電子機器の差異（例えば、クリーンアップＰＬＬのわずかに異なるループ帯域幅）は、ノイズを非相関にする。また、異なる受信機は異なる背景ノイズを受信する。受信アンテナは、地球、太陽及び宇宙背景からのノイズを受信することができる。宇宙基準信号送信機（例えば、宇宙太陽光発電所の衛星の軌道上に位置付けられた送信機）を利用する実施形態において、主要なノイズ源は地球（角度に依存する）及び宇宙背景放射を含む。従って、衛星モジュール上、又は発電タイル上の、基準信号送信機及び受信機の相対的位置が感知できるほどに変化しないと仮定すれば、受信アンテナは高ゲインを有することができ、受信基準信号の信号対ノイズ比をより良くすることになる。地上の基準信号送信機を利用する場合、ノイズの主要な源は、地球、太陽及び宇宙背景放射からのノイズを含む。従って、受信アンテナは低ゲインを有することができる。宇宙太陽光発電所で所望の基準信号強度を得るために必要な送信機の電力は、以下のフリー（Frii）の式を用いて決定することができる。
【数１】
0006693889.tif 000002
【００６５】
本発明の様々な実施形態による、宇宙基準信号送信機を用いる場合に必要な最小の送信機の電力は、図５ｊに例示される。１GHzより低い場合、背景ノイズの電力は、送信機の基準信号の波長の二乗より、いくらかより速く成長する。フリー（Frii）の式は、送信信号の波長の二乗に反比例する方法で、受信アンテナの絶対サイズを収縮することも又、示唆する。宇宙基準信号送信機を利用する場合、価値があるのは、宇宙太陽光発電所の衛星モジュールに対して、送信機を中心に位置することにより、送信機に対する衛星モジュールの運動に高感度なシステムを創生することができることである。従って、宇宙太陽光発電所の送信機と衛星モジュールとの相対的運動が、宇宙太陽光発電所上の受信機の各々に、ほぼ等しく影響を与えるような、十分に大きい距離に送信機を位置付けることが望ましいことであり得る。
【００６６】
地上から基準信号を送信することは、宇宙太陽光発電所の衛星モジュールの相対的運動に対して比較的もっと安定し得る。しかしながら、送信された信号は、ジャミングと干渉をもっと受けやすくなり得る。本発明の様々な実施形態による、地上送信機により送信された基準信号を受信する受信機に必要なゲイン及びアパーチャサイズは、図５ｋに例示される。
【００６７】
一旦、宇宙太陽光発電所で基準信号を受信すると、発電タイルの制御回路間での基準信号の配布により、基準信号内の増大するジッターとなり得て、基準信号の再配布が増大する。基準信号の再配布は、典型的に、基準信号のバッファリング及び再送信を伴い、ジッターを増大する。このようなジッターのカスケーディングは、図５ｌに概念的に例示される。共通基準信号２１０は制御回路に供給され、制御回路は送信機２１４により送信されたＲＦ信号の合成においてジッター２１２を発生する。制御回路により発生したジッターは、共通基準信号の各カスケード再配布において、複合される。ジッター寄与の二乗の和の平方根に比例して劣化する効率を示すことができる。レクテナアレイ受電機のサイズに基づいて、７５ｍ×６０ｍの宇宙太陽光アレイの１GHzでの送電効率上のジッターの効果のシミュレーションが、図５ｍに例示される。多くの実施形態において、基準信号が発電タイルの制御回路により受信される前に、基準信号配布の段階の平均回数を低減及び／又は最小化するように、受信した基準信号を衛星モジュール内の発電タイルへ送る経路を決定することができる。いくつかの実施形態において、受信した基準信号を図５ｎに概念的に例示される方法で送る経路を決定し、その経路で、別の発電タイルから基準信号を既に受信していない、直接隣接した発電タイル（すなわち、隣接した発電タイルであるが、対角線上に隣接していない）へ、発電タイルにより基準信号を供給する。
【００６８】
図５ｌ〜５ｎを参照して、パネル内の、及び／又は、宇宙太陽光発電所の衛星モジュール内の、発電タイルの制御回路間に、基準信号を配布するための特定の技術を説明したけれども、（限定されないが、）本発明の実施形態による特定のアプリケーションの要件に適切なように、共通基準信号を各発電タイルへ別々に送信すること、衛星モジュール内の発電タイルへ共通基準信号を無線送信すること、及び／又は、共通基準信号配布の平均回数を低減するように、異なる経路を決定することを利用することを含む、共通基準信号を発電タイルの制御回路へ配布するための、任意の様々な技術を利用することができる。上記で論じたように、特定の発電タイルの制御回路により基準信号に適用される位相シフト及び／又は振幅変調は、典型的に、アレイ内の他の発電タイルに対する発電タイルの位置づけに依存する。本発明の様々な実施形態による、発電タイルにより受信される基準信号の位相及び／又は振幅の修正の目的のための、宇宙太陽光発電所内の発電タイルの配置の決定のためのプロセスは、さらに、以下で論述する。
宇宙太陽光発電所内の要素の配置の決定のためのプロセス
【００６９】
特定の発電タイルの制御回路により基準信号に適用される位相シフト及び／又は振幅変調は、理想的には、基準信号が進んで制御回路に到達するまでの経路長と、アンテナアレイ内の他のアンテナに対する発電タイルのアンテナの相対位置との両方に依存する必要がある。従来の位相アレイにおいては、アレイ内のアンテナは、互いに対して静的に固定され、それに応じて較正することができる。本発明の様々な実施形態による、宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、パネル及び／又は発電タイルの運動の自由度は、送電された電力の誘導可能なビームを創生するため、アンテナのアレイの活動を調整するために、適用される位相シフトを決定する複雑性を増大する。衛星モジュール、パネル及び／又は発電タイルの相対位置のシフトは、基準信号が進んで特定の発電タイルに到達するまでの距離を変更することができる。また、シフトは、アレイ内の他の発電タイルのアンテナに対する特定の発電タイルのアンテナの基線及び方向を変更することができる。数多くの実施形態において、発電タイルのアンテナの配置が決定され、発電タイルにより受信される基準信号に適用するための、位相シフト及び／又は振幅変調を決定するために、その配置が利用される。
【００７０】
配置の決定に関して、配置を決定するための集中型の計算、計算階層及び／又は分散型の計算を伴うアプローチを含む様々なアプローチをすることができる。上述の通り、配置情報は、基準点に対して、固定配置及び／又は１つ以上の相対的配置を含むことができる。配置は、変位及び回転の両方に関して特定することができる。多くの実施形態において、限定されないが、システム操縦及び飛行制御コマンドからの先行知識を採用するだけでなく、ジャイロスコープ、加速度計、電子測距レーダー、電子測位システム、ビーコンからの位相及び／又はタイミング情報などの部分的に冗長なシステムを用いて配置を決定することができる。いくつかの実施形態において、電子システムは、地上に、及び／又は、本目的（及び、可能性として他の目的、例えば、ＧＰＳ衛星を用いる場合）のために配備される衛星上の宇宙に、位置付ける。
【００７１】
本発明の一実施形態による、地上の単数又は複数の送信機により送信される単数又は複数の信号を用いる配置の決定は、図５ｏに概念的に例示される。例示の一実施形態において、地上送信機２２０は測距信号を宇宙太陽光発電所１００へ送信し、宇宙太陽光発電所１００は衛星モジュール１０２の各々内の発電タイル１１２のアンテナの配置を決定するために、階層アプローチを利用する。図５ｐに例示されるように、宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、パネル及び／又は発電タイル間に、階層方法で配置情報を配布するプロセス２３０であり、そのプロセスは、中央処理装置が受信した信号に基づいて、配置を決定し（２３２）、決定した配置を中継して配布するようにし、決定した配置は、（限定されないが）地上局、及び／又は、システム内の衛星モジュールに対する他の適切な既知の位置、に対する全体の宇宙太陽光発電所の位置及び方向を含むことができる。中継される情報は、特定のアプリケーションの要件に適切なように、絶対的な及び／又は差分的な配置及び／又は方向として、表現することができる。類似の方法で、宇宙太陽光発電所の中心又は他の適切な基準点に対する、各衛星モジュールの位置及び／又は方向を、各衛星モジュールで、上記で概要を述べたものと類似のプロセスを用いて決定することができる（２３４）。さらに、階層レベルを下げると、個々のパネル及びタイルの位置及び方向情報を、個々の発電タイルの制御回路により類似の方法で決定することができる（２３６）。この情報の全体又は任意の有用な部分を、タイルレベル、パネルレベル、モジュールレベル、システムレベル及び／又はそれらの任意の組合せで用いることができ、各発電タイルのアンテナに供給されるＲＦ信号の位相及び／又は振幅を制御し、地上にビーム又は焦点を形成することができる。システムは全体として、所望の又は所望に近いビーム及び／又は集束送信を発生するように、その動作を制御するために、ＤＳＰ、マイクロコントローラ又は他の適切な計算リソースが使用可能な、そのローカルな計算能力を、各タイル（及び／又はパネル又は衛星モジュール）は利用することができるため、各タイル、パネル及び／又は衛星モジュールの計算リソースの全体の計算能力を利用することができる。
【００７２】
図５ｏ及び５ｐに関して、配置情報を決定するための特定の階層アプローチ及び階層プロセスを上記に説明したけれども、本発明の実施形態による特定のアプリケーションの要件に適切なように、（限定されないが、）位置及び／又は方向を決定するために宇宙送信に依存するアプローチ、及び／又は、位置及び／又は方向を決定するために様々な情報源を利用するアプローチを含む、任意の様々なアプローチを配置を決定するために利用することができる。
【００７３】
上述の通り、宇宙太陽光発電所内の様々な要素の配置を決定する精度は、位相エラーに寄与する要因になり得る。アンテナアレイのＲＭＳ位相エラーの効率への影響は、図５ｑに例示される。従って、宇宙太陽光発電アレイシステム内の配置を決定するために利用される特定の技術は、特定のアプリケーションの効率要件に、典型的に、依存する。本発明の様々な実施形態による、基準信号、配置情報、及びコマンドと制御の情報の階層的配布は、さらに、以下で論述する。
宇宙太陽光発電所の要素間の通信の調整
【００７４】
本発明の様々な実施形態により実装された宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、タイル及びパネル間の基準信号の配布、階層計算及び配置情報の配布のための様々なプロセスを上記に説明した。数多くの実施形態において、異なるタイプの情報の宇宙太陽光発電所の他の要素への配布の受理及び調整を支援する特殊機能を有する、衛星モジュール、パネル及び／又はタイルを宇宙太陽光発電所は含む。
【００７５】
本発明の一実施形態による、基準信号、配置情報、及びコマンドと制御の情報の受理及び配布の調整をするように構成された少なくとも１つのマスター衛星モジュールを含む宇宙太陽光発電所は、図５ｒに例示される。宇宙太陽光発電所１００は、地上送信機２４４からの基準信号を受信するように構成された第１の送受信機２４２を含むマスター衛星モジュール２４０を含む。マスター衛星モジュール２４０は、少なくとも１つの地上送信機２４８からの、宇宙太陽光発電所の位置を決定するのに利用することができる、少なくとも１つの測距信号を受信するように構成された第２の送受信機２４６も含む。地上送信機が示されているけれども、本発明の実施形態による特定のアプリケーションの要件に適切なように、宇宙送信機並びに／又は地上送信機及び宇宙送信機の組合せを利用することができる。
【００７６】
例示の実施形態において、マスター衛星モジュール２４０は、宇宙太陽光発電所内の他の衛星モジュール１０２へ基準信号を無線送信するように構成された追加の送信機２５０を含む。各衛星モジュール上に位置付けられた少なくとも１つの送受信機を用いて、衛星モジュール間で、データを無線送信することもできる。例示の実施形態において、宇宙太陽光発電所の他の衛星モジュールに対する位置を記載する位置情報を無線送信するのに第１の送受信機２５２を利用する。上述の通り、位置情報は絶対位置情報及び／又は相対位置情報となり得る。多くの実施形態において、宇宙太陽光発電所の位置は、位置及び方向として表される。マスター衛星モジュール２４０は、コマンドと制御の情報を通信することができる別個の伝送路として用いられる第２の送受信機２５４も含む。直ちに認められるように、位置情報及びコマンドと制御の情報は共に、同じ通信リンク上で選択的に送信することができる。選択的に、第１の送受信機は、マスター衛星モジュールに対する位置を決定するために、他の衛星モジュール上の受信機により利用することができるビーコンとして、実装することができる。第１の送受信機がビーコンである場合、第２の送受信機は、宇宙衛星アレイの位置、及び／又は、マスター衛星モジュールの他の衛星モジュールに対する位置を記載する位置情報を通信することができる。
【００７７】
衛星モジュール１０２が適切な受信機技術を備えている場合、衛星モジュールは、マスター衛星モジュールにより送信される基準信号、配置情報及び／又はコマンドと制御の情報を受信することができる。また、様々な衛星モジュール１０２は、（限定されないが）特定の衛星モジュールの位置を記載する配置情報及びコマンドと制御のデータを含むデータをマスター衛星モジュールへ供給することができる。例示の実施形態において、衛星モジュール１０２は基準信号を受信するための受信機２６０を含む。上述の通り、衛星モジュール１０２は有線接続により受信した無線基準信号を衛星モジュール内の異なる発電タイルへ配布することができる。衛星モジュール１０２は、（限定されないが）マスター衛星モジュールを含む他の衛星モジュールと配置情報を交換するための第１の送受信機２６２、及び、他の衛星モジュールとコマンドと制御の情報を交換するための第２の送受信機２６４も含むことができる。上述の通り、宇宙太陽光発電所は、配置情報及びコマンドと制御の情報の両方を他の衛星モジュールと交換するための単一の送受信機を使用することができる。
【００７８】
本発明の一実施形態による、衛星モジュール内の基準信号、配置情報及び／又はコマンドと制御の情報の配布を調整するための発電タイルの異なるクラスの使用が図５ｓに例示される。衛星モジュール１０２は、基準信号を受信するための受信機２６０、他の衛星モジュールと配置情報を交換するための第１の送受信機２６２、及び、他の衛星モジュールとコマンドと制御の情報を交換するための第２の送受信機２６４を含むマスタータイル２７０を含むことができる。送受信機を用いて、マスター発電タイル２７０は、別の衛星モジュールから無線送信された基準信号を得ることができ、衛星モジュール内の他の発電タイル２７２へ基準信号を配布することができる。多くの実施形態において、受信された基準信号は、（限定されないが）上述のクリーンアップＰＬＬなどの回路を用いて、増幅されノイズが除去される。また、マスタータイル２７０は、衛星モジュール内で配置情報及びコマンドと制御の情報の交換のためのハブとして、作動することができる。直ちに認めることができるように、マスター発電タイル２７０内に組込まれる様々な受信機及び送受信機は、衛星モジュール内の多数のタイルにわたり配布することができる。さらに、配置情報、及び／又は、追加の配置情報を決定することができる少なくとも１つの測距信号を受信可能な受信機又は送受信機２６２を含む、（限定されないが）測距タイル２７６を含む、本発明の様々な実施形態による、発電機能を果たすことができる、又は、果たすことができない、追加の特殊タイルを衛星モジュール内に組み込むことができる。衛星モジュール内の多数のタイルにわたって配置を決定する能力を広げることにより、衛星モジュールの配置、及び／又は、衛星モジュール内の個々の発電タイルの配置の、もっと精密な決定を可能にする。衛星モジュール内の特殊タイルが遂行することができる他の機能は、特定のモジュール内のパネル及びタイルと通信することだけでなく、衛星モジュール全体にわたっての動作を調整する特殊システムモジュール（又は別個の制御衛星）との通信である。特殊タイルは、共通の軌道上の衛星などの１つ以上の基準位置に対して、衛星モジュールの位置及び方向をトラッキングすることを可能にする測距又はビーコンの機能も提供することができる。さらに、衛星モジュールは、衛星モジュールの方向及び配置の測定を、全体として、及びモジュール内のタイルの全てとして、促進するための１つ以上のこれらの特殊タイルを含むことができる。異なる電波到達範囲を必要とする異なる周波数が通信を促進するために採用されるため、送受信アンテナに必要な電波到達範囲を提供するために、単数又は複数の特殊タイルは、多数の発電タイルといくらか異なる寸法であり得る。特殊タイルがモジュール内で十分にまばらに置かれる場合、これらの特殊タイルは、マイクロ波ビームの忠実性の無視できる損失及び最小のオーバーヘッドをもたらす。特殊タイルは、この特定の目的のために動作されるＰＶのセルにより、それら自体が、電力供給され得る。
【００７９】
基準信号及び情報を宇宙太陽光発電所全体にわたって配布することの調整をするための様々なタイプの特殊な衛星モジュール、パネル及びタイルを図５ｒ及び５ｓを参照して、上記に説明したけれども、本発明の実施形態による特定のアプリケーション要件に適切な、任意の様々な特殊要素を宇宙太陽光発電所の構築に利用することができる。本発明の様々な実施形態により構築される宇宙太陽光発電所により送電されて受電する電力の効率に影響を与えることができる、様々な追加の要因は、さらに、以下で論述する。
宇宙太陽光発電所からの送電の効率に影響を与える要因
【００８０】
多くの実施形態において、宇宙太陽光発電所は、複数の衛星モジュール及びそれらの上に置かれる発電タイルがアンテナアレイの要素を形成するモジュール式アレイとして設計される。直ちに認めることができるように、（限定されないが）宇宙太陽光発電所のサイズ、衛星モジュールの数、衛星モジュール毎のパネルの数、パネル毎の発電タイルの数、アンテナの間隔、無線送電の送信周波数、及び、送電電力を受電するために利用されるレクテナアレイのサイズを含む、多くの要因が、本発明の様々な実施形態により構築される所与の宇宙太陽光発電所の効率に、影響を与えることができる。本発明の様々な実施形態による、宇宙太陽光発電所の性能に影響を与えることができる様々な設計の決定の方法は、さらに、以下で論述する。
【００８１】
宇宙太陽光発電所はＮ×Ｎ個の衛星モジュールを含むことができ、各衛星モジュールはＭ／Ｎ２個の発電タイルを含む。各衛星モジュール内の発電タイルの数及び宇宙太陽光発電所内の衛星モジュールの数は、他の要因がある中でも、電力要件及び／又は最大積載量制限に基づいて、決定することができる。太陽光発電所の全体のサイズに影響を与えることができる要因は、受電レクテナで発生される電力である。図６ａに例示されるように、遠距離場のＲＦ放射を用いて地上に入射される電力は、（限定されないが）アレイのサイズ、ＲＦ送信の波長、及び位相アレイ内の許容された位相オフセットエラーを含む要因に依存する、最大電力ローブ（ｕmax）を有することができる。例えば、６０ｍ×６０ｍの衛星モジュールにより形成される太陽光発電所内の衛星モジュールの５０×５０のアレイの実施形態において、９２６Ｗ/ｍ2の最大電力ローブが、４４Ｗ/ｍ2のサイドローブレベルを有して、地上に発生すると推定される。入射面積は２．４GHz放射で２．８kmの直径を有すると推定されるのに、１GHz放射で最大電力ローブの入射面積は６．６kmの直径を有すると推定される。送電の観点からは、宇宙太陽光発電所により形成されるアンテナアレイ内の要素の望ましい数、及び、送電の波長は、受電レクテナ及び／又は受電レクテナのアレイのサイズに依存する。図６ｂに示すように、異なる間隔の送信アンテナを用いる送電システムの効率は、受信機のアレイのサイズの増大と共に増大する。多くの実施形態において、レクテナの面積と同一の広がりを持つ地上に最大電力ローブを有することが望ましい。他の実施形態において、最大電力ローブより大きい又は小さいレクテナの面積は、特定のアプリケーションの要件に適切なように、利用することができる。地上のスポットを形成するために利用されるアンテナ要素のアレイのサイズと、本発明の様々な実施形態による送電電力を受電するために利用されるレクテナアレイのサイズとの両方により、送電の効率が影響を受ける様態は、図６ｃに例示される。また分かるように、送電システムの効率は、レクテナアレイの要素の間隔の減少につれて増大する。
【００８２】
地球同期かつ地球低軌道（ＬＥＯ）に位置付けられ、本発明の実施形態により構築された宇宙太陽光発電所により発生する最大電力ローブのスポットサイズに、送電電力の信号の周波数が影響を及ぼす様態は、図６ｄ及び６ｅに例示される。直ちに、認めることができるように、地上のスポットサイズは送電電力の周波数が増大するにつれて減少する。
【００８３】
送電電力の周波数は、アンテナアレイのフレネル領域の境界の距離に影響を及ぼすこともできる。アンテナ上又はアンテナアレイ上のフレネル領域は、送信されるＲＦ信号の放射近接場領域である。フレネル領域の境界は、アンテナ又はアンテナアレイの近接場と遠距離場との間の境界を規定する。図６ｆに例示されるように、近接場のアンテナの放射パターンのパターン角は、遠距離場のアンテナアレイの放射パターンのパターン角よりもっと大きい。それ故に、宇宙太陽光発電所と受信機アレイとの間の距離より小さいフレネル領域の境界を有するアンテナアレイを設計することにより、より小さいレクテナアレイを用いて、より大きい送電効率を達成することができる。１GHzでのフレネル領域の境界と送信機アレイのサイズとの間の関係が図６ｇに例示される。静止軌道の高度が図６ｇに示すグラフ上に示され、これにより、２ｋｍを超える辺の長さを有するアレイは、１．５ｋｍ以下の辺の長さを有するアレイよりも、より効率が良くないことが示唆される。
比較性能
【００８４】
多くの代替的な宇宙太陽光発電衛星が提案されてきている。表１は、様々な提案された太陽光発電衛星の公開性能を、本発明の様々な実施形態により構築された６０ｍ×６０ｍの宇宙太陽光発電所の推定性能と比較している。
【表１】
0006693889.tif 000003
【００８５】
表１の例示の位相アレイシステムの性能は推定であり、実施される実際の設計パラメータに基づくものと異なり得る。しかしながら、直ちに認めることができるように、本発明の実施形態により構築された６０ｍ×６０ｍの宇宙太陽光発電所の性能は、他の提案されたシステムに対して、大いに向上したW/Kg性能を提供する。
多重送電ビームの発生
【００８６】
図７に概念的に例示されるように、宇宙太陽光発電所１００の送電出力２８０は、異なるレクテナ受電機２８２間に分割することができる。多くの実施形態において、宇宙太陽光発電所１００の部分を形成する要素（例えば、衛星モジュール及び／又は発電タイル）の異なる収集物は、異なるレクテナ受電機２８２に同時に向けることができる異なる位相アレイに構成することができ、従って、太陽光発電所により放射される個々の入射面積を低減する可能性がある。いくつかの実施形態において、衛星モジュールの集合発電タイルから、又は、各発電タイル独立にから、のいずれかから、送電ビームの動的電子誘導を可能にするために、衛星モジュール内、又は、発電タイルの各々内のいずれかに、追加の制御回路を設ける。いくつかの実施形態において、図８ａ及び８ｂに概念的に例示されるように、電力誘導回路は発電タイルアレイ要素上の様々な電力送信機の相対タイミング（位相）の制御を可能にすることができ、各送電ビームをマイクロ秒及び／又はナノ秒のタイムスケールで電子的に方向を変えることができるようにする。太陽光発電所上のそのような動的に誘導可能な位相アレイからの送電は、１つ以上のレクテナ受電機での要求に依存して、全位相アレイが、又は、位相アレイの部分が、異なる方向に動的に方向を変えることができる。太陽光発電所上のそのような動的に向かわせることが可能な位相アレイの実施形態は、電子誘導によりマイクロ秒及びナノ秒のタイムスケールで異なる方向に送電の方向を変えるために用いることができる。実施形態は、即時のローカルな要求に基づいて、送電を同時又は連続的のいずれかに、様々な地上局へ動的に配布することも可能にする。そのようなレクテナ受電機の各々での電力レベルは、動的に調整することもできる。デューティサイクルを制御するために、かつ、全体の電力グリッドに対する大規模ＡＣ同期問題を軽減するために、レクテナ受電機間の電力の急速なタイムドメインスイッチングを用いることもできる。
【００８７】
任意の衛星モジュール内のアレイ要素の数を制約し得る第２の要因は、最大積載量のサイズと重量の問題である。地球同期軌道への現在の最大積載量配送技術は、２，０００ｋｇから２０，０００ｋｇに及ぶ。従って、任意の単一の衛星モジュールのサイズに対する限度は、利用できる最大積載量配送輸送船の実際のリフト能力である。実施形態による位相アレイ衛星モジュール用の１００g/m2の仮定に基づくと、６０ｍ×６０ｍの衛星モジュールは３６０ｋｇの重量を有することになり、現在の配送技術の十分に限度内である。より大きい衛星モジュールは、それらが利用できるリフト輸送船のリフト能力内であれば、製造することができる。
【００８８】
いくつかの実施形態において、衛星モジュールはコンパクトにできるようにし、１つ以上の寸法の衛星モジュールのサイズを、最大積載量の空間の制約を克服するために、配送中に低減することができ、次いで、最終の作動構成へ拡張することができるようにする。図９ａ及び９ｂに例示されるように、多くの実施形態において、太陽光発電所１００は衛星モジュール１０２のアレイを含み、各衛星モジュールは複数の構造要素２９０を備え、複数の構造要素２９０が展開構成（図９ａ）とコンパクト構成（図９ｂ）との少なくとも２つの構成間で移ることができるように、移動可能に相互接続され、コンパクト構成すなわちパック構成に比較して、展開構成において、パッケージ化された体積の材料体積に対する比率がより大きくなるようにする。数多くの実施形態において、構造要素２９０は、ヒンジで動き、モザイクにし、折り畳み、又は、他の方法で相互接続する２９２ことができるようにし、構造要素は、コンパクト構成と展開構成との間で互いに移ることができるようにする。太陽光発電所の各衛星モジュールは、同一の又は異なるサイズにコンパクトに構成することができるようにする。また、太陽光発電所の１つ以上の衛星モジュールをコンパクトにするために、数ある中でも、一次元及び二次元圧縮構造を含む異なる圧縮方法を用いることができる。いくつかの実施形態において、数ある中でも、ｚ折畳み（z-folding）、ラッピング、ローリング、扇形折畳み（fan-folding）、二重ｚ折畳み（double z-folding）、三浦折り、スリップ折畳み（slip-folding）、及び、対称ラッピング、の内の１つ又は、それらの組合せを用いることができる。
【００８９】
多くの実施形態において、発電タイルは、さらに、その上に配置されるコンパクトにでき拡張できる特徴物及び構造物を有することができる。発電タイルのいくつかの実施形態において、光電池及び電力送信機は、コンパクトにできる構造物により、移動可能に相互関連することができ、コンパクト構成すなわちパック構成の場合に、発電セルの要素を共に圧縮して、展開構成の場合よりも小さい全体積を占めるようにする。いくつかの展開構成において、光電池及び電力送信機は、（例えば、それらの間に垂直オフセットを創生するための）間隙により、分離される。コンパクトにできる構造物の実施形態は、数ある中でも、電動相互接続、及び、スプリング又は曲げられ又は圧縮中の引っ張りアームなどの弾性部材を含む。そのようなコンパクトにできる構造物は、数ある中でも、ｚ折畳み（z-folding）、ラッピング、ローリング、扇形折畳み（fan-folding）、二重ｚ折畳み（double z-folding）、三浦折り、スリップ折畳み（slip-folding）、及び、対称ラッピング、の内の１つ又は、それらの組合せなどのパッケージング技術を組み込むこともできる。
【００９０】
発電タイル及び／又は衛星モジュールは、太陽光放射の収集又は発電タイル及び／又は衛星モジュールからの送電を増進するための他の構造物を含むことができる。発電タイル及び／又は衛星モジュールに組み込むことができる構造物の実施形態は、数ある中でも、発電タイルの熱プロファイルを制御するための熱放射体、光電池に対する太陽光放射収集効率を高めるための光収集構造物（例えば、放射物、反射物及び収集物）、並びに、光電池、電力送信機及び／又は制御電子機器を宇宙放射線から守るための放射線遮蔽を含むことができる。そのような構造物は、発電タイルの他の要素に関連して、上述のように、パック構成と展開構成との間で独立にコンパクトにすることもできる。
【００９１】
衛星モジュール又は発電タイル用の設計は、異なる衛星モジュール又は発電タイルに適用することができる。空間距離、光起電力、電力送信機、制御電子機器及びそれらの組合せなどの太陽光発電所の他の変数は、修正することができ、異なる電力収集及び送電の特性を有する位相アレイを作り出すことができる。このように、上述のモジュール式太陽光発電所の利益を維持しながら、太陽光発電所の多様な融合体を作り出すことができる。
【００９２】
コンパクトにすることができる衛星モジュールの様々な設計を上記に説明したけれども、（限定されないが）米国特許出願番号１４／７１２８１２に開示された様々なコンパクトにすることができる宇宙構造物を含み、本発明の実施形態による特定のアプリケーション要件に適切なように、任意のコンパクトにすることができる宇宙構造物を宇宙太陽光発電所の構築に利用することができる。米国特許出願番号１４／７１２８１２の開示は、その全体において、参照することにより、本明細書に含まれ、特に、コンパクトにすることができる宇宙構造物に関連する開示は、その全体において、参照することにより、本明細書に含まれる。
【００９３】
本発明の特定の実施形態及びアプリケーションを本明細書に例示し説明したが、本発明は本明細書に開示した正確な構成及びコンポーネントに限定されず、添付の特許請求の範囲に定義されるように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の方法及び装置の配置、動作及び詳細において、様々な修正、変更及び変動をすることができると、理解すべきである。
【図１】
0006693889.tif 000004
【図２】
0006693889.tif 000005
【図３】
0006693889.tif 000006
【図４ａ】
0006693889.tif 000007
【図４ｂ】
0006693889.tif 000008
【図４ｃ】
0006693889.tif 000009
【図４ｄ】
0006693889.tif 000010
【図４ｅ】
0006693889.tif 000011
【図５ａ】
0006693889.tif 000012
【図５ｂ】
0006693889.tif 000013
【図５ｃ】
0006693889.tif 000014
【図５ｄ】
0006693889.tif 000015
【図５ｅ】
0006693889.tif 000016
【図５ｆ】
0006693889.tif 000017
【図５ｇ】
0006693889.tif 000018
【図５ｈ】
0006693889.tif 000019
【図５ｉ】
0006693889.tif 000020
【図５ｊ】
0006693889.tif 000021
【図５ｋ】
0006693889.tif 000022
【図５ｌ】
0006693889.tif 000023
【図５ｍ】
0006693889.tif 000024
【図５ｎ】
0006693889.tif 000025
【図５ｏ】
0006693889.tif 000026
【図５ｐ】
0006693889.tif 000027
【図５ｑ】
0006693889.tif 000028
【図５ｒ】
0006693889.tif 000029
【図５ｓ】
0006693889.tif 000030
【図６ａ】
0006693889.tif 000031
【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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