(57)【要約】宇宙太陽光発電所、発電衛星モジュール、及び／又は、太陽光放射を収集し、それらから生成された電流を用いて発生された電力を送電する方法が提供される。電力送信機は位相アレイとして調整することができ、位相アレイにより発生された電力は、遠隔の無線発電及び送電を達成するために、１つ以上の電力受信機へ送電される。多くの実施態様において、位相アレイを調整するために、基準信号が宇宙太陽光発電所内で配布される。いくつかの実施態様において、各電力発振器において基準信号に加える位相シフト及び／又は振幅変調を評価するために、アレイ内のアンテナの相対的位置を太陽センサのアレイにより決定してモジュールの形状を推定する。
2018531828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙太陽光発電所であって、 前記宇宙太陽光発電所は、
宇宙空間内に軌道のアレイ構成で配置された非接続の複数の衛星モジュールと、
前記複数の衛星モジュールの各々に配置された複数の発電タイルと、
前記複数の発電タイルの各々に配置された少なくとも１つの光電池と、
前記少なくとも１つの光電池と一緒に前記複数の発電タイルの各々に配置され且つ前記発電タイルと信号通信可能であって、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される電流によって給電される、少なくとも１つの電力送信機とを備え、 前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、
前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する、
宇宙太陽光発電所。
【請求項２】
前記制御電子機器は、更に、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、前記アンテナに供給する前記無線周波数電力信号の振幅を制御する、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、前記無線周波数電力信号の前記位相を、前記受信した基準信号に対して位相シフトを与えることで制御する、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項４】
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】
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更に備え、
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、請求項４記載の宇宙太陽光発電所。
【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】
前記少なくとも１つの衛星モジュールの各々は、所定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を送る伝送線路も含む、請求項４記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項９】
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て与え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１０】
前記少なくとも１つの太陽センサからの前記少なくとも１つの信号は該センサの太陽に対する相対角度に対応する信号を含む、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１１】
前記マイクロコントローラと信号通信可能である前記衛星モジュールに配置された少なくとも１つの加速度計を更に備える、請求項１０記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１２】
前記マイクロコントローラと信号通信可能である前記衛星モジュールに配置された少なくとも１つのジャイロスコープを更に備える、請求項１０記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１３】
前記マイクロコントローラは、前記発電タイルの有限モデルを生成するために前記少なくとも１つの太陽センサ信号を積分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】
前記少なくとも１つの太陽センサ信号の前記積分は、前記少なくとも１つの太陽センサ信号にカルマンフィルタを適用することを含む、請求項１３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの太陽センサ信号の前記積分は、前記少なくとも１つの太陽センサ信号に拡張カルマンフィルタを適用することを含む、請求項１３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１６】
前記マイクロコントローラは更に、前記発電タイルの形状を太陽に対して推定するように構成される、請求項１３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１７】
前記マイクロコントローラは更に、前記電力送信機の前記アンテナの互いに対する相対位置を推定するように構成される、請求項１３記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１８】
前記マイクロコントローラは更に、前記電力送信機の前記アンテナの互いに対する推定された相対位置に基づいて前記基準信号を調整するために、前記制御電子機器に信号を通信するように構成される、請求項１７記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項１９】
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たＲＦシンセサイザと、
前記ＲＦシンセサイザから受信されたＲＦ信号を制御信号により決定される量だけ位相シフトするように構成された位相調整器と、
前記位相調整器から受信された位相シフトされたＲＦ信号を増幅するように構成された電力増幅器と、
メモリに格納されたソフトウェアにより、前記位相調整器ための前記制御信号を発生するように構成されたディジタル信号プロセッサと、
を備える、請求項１記載の宇宙太陽光発電所。
【請求項２０】
衛星モジュールであって、前記衛星モジュールは、
複数の発電タイルと、
前記発電タイルの各々に配置された少なくとも１つの光電池と、
前記少なくとも１つの光電池と一緒に前記複数の発電タイルの各々に配置され且つ前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生される電流によって給電されるように前記発電タイルと信号通信可能である少なくとも１つの電力送信機とを備え、 前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、
前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する、
衛星モジュール。
【請求項２１】
発電タイルであって、前記発電タイルは、
少なくとも１つの光電池と、
前記少なくとも１つの光電池と一緒に配置され且つ前記少なくとも１つの光電池による太陽光放射の収集により発生される電流によって給電されるように前記発電タイルと信号通信可能である少なくとも１つの電力送信機とを備え、 前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、
アンテナと、
前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、
前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する、
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、衛星モジュール及び／又は宇宙太陽光発電システム内の位相アレイシステムに組み込まれたアンテナの相対移動を決定する際に太陽センサを用いて形状推定を実行することに関する。
【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受信機へ送電し、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受信機への無線電力送信手段に電力を供給する。無線電力送信アプリケーションはマイクロ波送信機又はレーザーエミッタを含み、それらは、そのビームを地球表面などの遠隔地の電力受信レクテナなどのコレクタへ向ける。
【０００３】
ＳＢＳＰは、エネルギーを収集するために用いる手段が地球表面上の代わりに周回軌道衛星上にあるという点で、地上の太陽エネルギー収集と異なる。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い収集効率をもたらす。宇宙太陽光発電システムは、大気圏外で太陽エネルギーをマイクロ波などの遠視野放射に変換して、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（及び固定式平板コレクタに対するサイン損失）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大きな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（限定されないが）アレイの電力送信機の関与の調整などの様々な制御機能を実施するように構成された回路を組合せた複数のモジュール式発電タイルを含む。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、調整された無線電力送信を発生させる目的のために、基準信号を無線受信するように構成され、及び／又は、基準信号を宇宙太陽光発電所内の発電タイルへ配布するように構成される。更なる実施形態において、太陽センサを発電タイルに配置してセンサ上の照度を検出し、それにより太陽に対するセンサの角度を決定する。いくつかの実施形態において、これらの太陽センサはマイクロプロセッサに接続され、マイクロプロセッサはこれらのセンサ信号を処理して位相アレイの形状を決定する。更なる追加の実施形態において、位相アレイの形状及び変位の決定は位相アレイの効率を高めるために必要な位相オフセットを計算するために使用することができる。多くの更なる実施形態において、これらの太陽センサは、加速度計、ジャイロスコープ、及び／又は、限定されないが、全地球測位システム衛星から受信される信号などの受信信号に基づく三角測量法と関連して使用することができる。他の実施形態において、特定のアプリケーションの要件に応じて、宇宙太陽光発電所の異なる要素の形状を決定する様々な技術のいずれかを利用することができる。
【０００６】
本発明の一実施態様は、 宇宙空間内に軌道のアレイ構成に配置された非接続の複数の衛星モジュールと、 前記複数の衛星モジュールの各々に配置された複数の発電タイルと、 前記複数の発電タイルの各々に配置された少なくとも１つの光電池と、 前記少なくとも１つの光電池と一緒に前記複数の発電タイルの各々に配置され且つ前記発電タイルと信号通信可能であって、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される電流によって給電される、少なくとも１つの電力送信機とを備える。加えて、 前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、アンテナと、 前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する。
【０００７】
他の実施形態において、前記制御電子機器は、更に、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、前記アンテナに供給する前記無線周波数電力信号の振幅を制御する。
【０００８】
別の実施形態において、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、前記無線周波数電力信号の前記位相を、前記受信した基準信号に対して位相シフトを与えることで制御する。
【０００９】
更に他の実施形態において、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】
更に別の実施形態において、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】
更に他の実施形態において、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更に備える。更に、 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】
更に別の実施形態において、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】
再び他の実施形態において、前記少なくとも１つの衛星モジュールの各々は、所定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を送る伝送線路も含む。
【００１４】
再び別の実施形態において、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て与える位相シフトを決定する。
【００１５】
更に追加の実施形態において、前記少なくとも１つの太陽センサからの前記少なくとも１つの信号は該センサの太陽に対する相対角度に対応する信号を含む。
【００１６】
別の追加の実施形態において、前記マイクロコントローラと信号通信可能である前記衛星モジュールに配置された少なくとも１つの加速度計を更に備える。
【００１７】
更に他の実施形態において、前記マイクロコントローラと信号通信可能である前記衛星モジュールに配置された少なくとも１つのジャイロスコープを更に備える。
【００１８】
更に別の実施形態において、前記マイクロコントローラは、前記発電タイルの有限モデルを生成するために前記少なくとも１つの太陽センサ信号を積分するように構成される。
【００１９】
再び更に他の実施形態において、前記少なくとも１つの太陽センサ信号の前記積分は、前記少なくとも１つの太陽センサ信号にカルマンフィルタを適用することを含む。
【００２０】
再び更に別の実施形態において、前記少なくとも１つの太陽センサ信号の前記積分は、前記少なくとも１つの太陽センサ信号に拡張カルマンフィルタを適用することを含む。
【００２１】
更に他の実施形態において、前記マイクロコントローラは更に、前記発電タイルの形状を太陽に対して推定するように構成される。
【００２２】
更に別の実施形態において、前記マイクロコントローラは更に、前記電力送信機の前記アンテナの互いに対する相対位置を推定するように構成される。
【００２３】
再び更に他の実施形態において、前記マイクロコントローラは更に、前記電力送信機の前記アンテナの互いに対する推定された相対位置に基づいて前記基準信号を調整するために、前記制御電子機器に信号を通信するように構成される。
【００２４】
再び更に別の実施形態において、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たＲＦシンセサイザと、前記ＲＦシンセサイザから受信されたＲＦ信号を制御信号により決定される量だけ位相シフトするように構成された位相調整器と、  前記位相調整器から受信された位相シフトされたＲＦ信号を増幅するように構成された電力増幅器と、メモリに格納されたソフトウェアにより、前記位相調整器ための前記制御信号を発生するように構成されたディジタル信号プロセッサと、を備える。
【００２５】
更に他の実施形態は、複数の発電タイルと、 前記発電タイルの各々に配置された少なくとも１つの光電池と、 前記少なくとも１つの光電池と一緒に前記複数の発電タイルの各々に配置され且つ前記発電タイルと信号通信可能であって、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される電流によって給電される、少なくとも１つの電力送信機とを含む。更に、前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、 アンテナと、 前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する。
【００２６】
更に別の実施形態は、少なくとも１つの光電池と、 前記少なくとも１つの光電池と一緒に配置され且つ前記発電タイルと信号通信可能であって、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される電流によって給電される、少なくとも１つの電力送信機とを含む。更に、 前記少なくとも１つの電力送信機の各々は、アンテナと、 前記電力送信機が他の発電タイルの電力送信機と位相アレイを形成するよう調整されるように、前記アンテナに供給する無線周波数電力信号の位相を少なくとも制御する制御電子機器と、前記衛星モジュールに配置され、マイクロコントローラと信号通信可能である少なくとも１つの太陽センサとを備え、前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器と信号通信可能であって、前記少なくとも１つの太陽センサから受信される少なくとも１つの信号に基づいて、前記少なくとも１つの電力送信機の各々の前記制御電子機器に位相オフセット信号を供給する。
【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内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行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一部分を形成する電力送信機で利用するの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】一実施形態による、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での送電効率へのジッターの影響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、発電タイル間の基準信号の経路を例示する図を示す。
【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て位置を決定するプロセス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、階層方式で位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位相誤差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、位置情報、及びコマンド及び制御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、位置情報及び／又はコマンド及び制御情報の配布を調整するための異なるクラスの発電タイル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電力送信による地上受信機における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信システムの効率は、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、送信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】送電電力の信号の周波数が地球静止低軌道（ＬＥＯ）に配置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影響を及ぼす様態を概念的に例示する図を示す。
【図６ｅ】送電電力の信号の周波数が地球静止低軌道（ＬＥＯ）に配置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における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の展開した構成の圧縮可能な衛星モジュールを概念的に例示する図を示す。
【図９ｂ】格納された構成の図９ａの圧縮可能な衛星モジュールを概念的に例示する図を示す。
【図１０】本発明の一実施形態による、宇宙空間内の構造物の形状の推定を決定するプロセスを例示するフローチャートである。
【図１１】図１１ａは、本発明の一実施形態による、太陽センサを備えた発電タイルを概念的に例示する。図１１ｂは、本発明の一実施形態による、発電タイルの有限要素モデルを概念的に例示する。図１１ｃは、本発明の一実施形態による、変形した太陽センサを備えた発電タイルを概念的に例示する。図１１ｄは、本発明の一実施形態による、発電タイルの推定形状のモデルを概念的に例示する。図１１ｅは、本発明の一実施形態による、太陽センサを概念的に例示する。
【図１２ａ】本発明の一実施形態による、太陽センサとマイクロコントローラを備えた発電タイルを概念的に例示する。
【図１２ｂ】本発明の一実施形態による、マイクロコントローラに接続された太陽センサを備えた発電タイルのアレイを概念的に例示する。
【図１３】本発明の一実施形態によるマイクロコントローラを概念的に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に図面を参照すると、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。他の実施形態において、形状推定を実行し、位相アレイシステムで用いる位相オフセットを発生させるために、太陽センサを利用することができる。衛星モジュールは、いくつかの実施形態によれば、圧縮可能な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投入さ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によって１つ以上の遠隔受信機へ送電する、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つ以上の遠隔受信機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し得る位相及び／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】
発電タイル及び／又は衛星モジュールの構築にいくつかの軽量宇宙構造物が用いられ、該構造物は可動要素を組込むことができ、該可動要素は、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圧縮することができる。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任意の適切な圧縮機構又は構成によって圧縮するように構成することができる。可動要素は、数ある中でも、無摩擦ヒンジ、ラッチヒンジ、靱帯ヒンジ、スリップヒンジなどのヒンジにより、相互に関係づけられる。多くの宇宙構造物は、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、プレストレス構造及び／又は支持枠組みを備える。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み込むことができ、又は、関連付けることができる。展開機構は、数ある中でも、（に限定されないが、）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、太陽光放射を捕集し、捕集したエネルギーを用いて電力送信機を動作させて、電力を１つ以上の遠隔受信機へ（例えば、レーザー又はマイクロ波放射を用いて）送信する。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、適切な地球周回軌道におけるこのような衛星モジュールのアレイ内の特定の飛行構成内に置かれる。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、誘導制御だけでなく、ステーションキープスラスタ及び／又は電磁放射の吸収、反射、放出からの制御力の組合せにより制御可能である。このようなコントローラを用いることにより、独立衛星モジュールの各々は、軌道のアレイ構成内において他の衛星モジュールの各々に対して位置決めされ、維持され得るため、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に利用され、その電力は発電タイルの各々の上の１つ以上の電力送信機を給電する。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タイミング及び制御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、個々のタイル及び／又は送信機要素の位置に基づいて基準信号に与えるための位相オフセットを独立に決定する能力を有する集積回路の一部を形成する。このように、アンテナの位相アレイの調整を分散方式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、異なる送信特性（例えば、位相）で、１つ以上の異なる遠隔電力受信コレクタ（例えば、地上レクテナ）へ電力を送信するように向けることができる。従って、独立の制御回路及び関連する電力送信機を用いて、各衛星モジュールの発電タイル、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を、異なる電力受信コレクタへエネルギーを送るように制御することができる。
【００３６】
太陽センサは、その上に入射する直射日光照度に基づく信号を発生する任意のセンサを指す。太陽センサは、パッケージ内に配置された信号を発生する個別のセンサ又はセンサグループとしてよい。これらの信号に基づいて、太陽に対する太陽センサの相対角度の決定を行うことができる。空中構造物の形状推定は複数の方法で計算することができる。一つの方法は、事前に既知の信号又は事前に予測された信号に対する空中構造物に装着した太陽センサの相対角度を評価する。ＲＦ信号の位相アレイを含む空中構造物の形状の予測不能及び／又は監視不能な変化は位相アレイシステムに悪影響を与え得る。太陽センサから受信された信号から計算した空中構造物の形状に基づいて、いかなる悪影響も最小になるように所定のアンテナの位相をオフセットさせるために更なる計算を生成することができる。これらの計算に基づいて、衛星モジュールの形状の任意の変化を解決するために信号を発生させ、位相アレイの個々のアンテナに送信することができる。
【００３７】
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収集要素を指す。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、該電気デバイスは、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。
【００３８】
電力送信機又は放射器は、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を指す。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、無線信号は例えばマイクロ波又は光であり、（限定されないが）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型アンテナも含むことができる。
【００３９】
アンテナアレイは、電力送信機のアレイを指し、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、アレイの電力放射の有効放射パターンが所望の放射方向に強化され、不所望の放射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。
【００４０】
軌道のアレイ構成は、宇宙空間の所望の軌道を編隊飛行する独立衛星モジュールのサイズ、数、又は配置を指し、互いに対する衛星モジュールの位置が既知であるため、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機能する。
【００４１】
発電タイルは、大規模宇宙太陽光発電所の位相アレイ内の個々の太陽光発電電力の収集及び送信要素を指す。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、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、その電流を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用い、電力送信機は変換した電力を１つ以上の遠隔受信コレクタへ送信する。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、これらの電子機器は、その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、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独立に制御する。このように、これらの別個の電子機器は、位相アレイを形成するように発電タイルの各々の送信特性を（分散式に）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、太陽光放射を光電池に集めるための放射コレクタ、発電タイルの温度を調節するための熱放射器、及び放射線遮蔽などの他の構造も含むことができる。
【００４２】
衛星モジュールは、単一の一体宇宙構造物上に配列された発電タイルのアレイを指す。衛星モジュールの宇宙構造物は、想定される構成に応じてその占有領域を拡張又は収縮することができるように、圧縮可能な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電力を送信することができ、かつ、個々の衛星モジュールで又はいくつかの衛星モジュールの集合で形成される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、集中制御することができる。
【００４３】
軽量宇宙構造物は、少なくともパッケージ化した位置と展開した位置との間で構造化可能で、発電タイル及び／又は衛星モジュールの構築に使用される可動相互関連要素の一体構造物を指し、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つの方向に縮小又は拡大することができる。軽量宇宙構造物は、展開した構成と縮小した構成との間で可動要素を駆動する展開力を提供する展開機構を内蔵すること又は該展開機構と共に使用することができる。
【００４４】
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アレイ構成で飛行する衛星モジュールの集合を指す。いくつかの実施形態において、１つ以上の位相アレイは、収集した太陽光放射を１つ以上の電力受信コレクタへ向けるように動作することができる。
【００４５】
発電タイルの送信特性は、収集した太陽光放射の受電コレクタへの遠視野放射による送信と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を指す。送信特性は、数ある中でも、電力送信機の位相と動作タイミング及送信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
【００４６】
本発明の実施形態による地球周回軌道内に軌道アレイ構成で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、一実施形態によれば、複数の独立衛星モジュール１０２を適切な軌道軌跡に軌道アレイ構成１０４で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〜ＮＭ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〜ＮＭは、図１に例示されるように、グリッドフォーマットに配置される。他の実施形態において、衛星モジュールは、非グリッドフォーマットに配置される。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応じて、軌道は、典型的には地上３５，７８６ｋｍの高度にある静止軌道１０６か、又は、典型的には地上８００から２，０００ｋｍの高度にある低軌道１０８のいずれかである。容易に理解されるように、特定のアプリケーションの要件に適切な任意の軌道が本発明の様々な実施形態による宇宙太陽光発電所により利用され得る。
【００４７】
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、所定の距離で互いに空間的に離間される。空間離間隔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。さらに以下で論じるように、衛星モジュールの離間隔及び相対方向は、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得る。一実施形態において、各衛星モジュール１Ａ〜ＮＭは、自己位置保持及び／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〜ＮＭ）に対する特定の衛星モジュール（１Ａ〜ＮＭ）の相対位置を決定する位置センサ、及び、衛星モジュールの任意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、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。また、太陽センサを用いて、受信した太陽光に基づいて信号を生成することによって太陽に対するセンサの相対的位置を決定することもできる。これらの太陽センサは、衛星の形状を推定することによって衛星モジュール内のアンテナの相対位置を推定するために使用することもできる。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、相対位置を決定することができる情報を送信するビーコンを利用することができる。誘導制御及び推進システムは同様に、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、電気熱スラスタ、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。
【００４８】
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〜ＮＭは、１つ以上の発電タイル１１２がその上に配列された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〜ＮＭ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、電流を遠隔受信所により受信することができる無線電力送信波へ変換する。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、太陽光発電所全体の発電タイル及び衛星モジュールの集合により形成される１つ以上の位相アレイの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、互いに所定の距離だけ空間的に離間される。他の実施形態において、衛星モジュールの構造は発電タイルが可変距離で離間され、位相アレイを形成するための発電タイルの分散式調整は、衛星モジュール及び／又は個々の発電タイルの相対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必要とする。更なる実施形態において、太陽センサは発電タイルの上に配置され、その発電タイルの形状及び太陽に対する位置に関連する信号を発生し、このセンサは他の発電タイルのセンサと組み合わせて、空間内の衛星モジュールの形状の変形により発生される位相誤差を最小化するために必要な衛星モジュールの形状及びアレイのアンテナの位相オフセット信号を決定するために使用することができる。
発電タイル
【００４９】
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及び電力送信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は発電タイル全域で所望の電流出力を生成する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などの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、通常のパッチアンテナ１１４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へ導電的に相互接続するために導電フィード１１７を内蔵する。容易に理解されるように、使用す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要件に依存する。いくつかの電力送信機１１４は、光電池１１３及び／又は制御電子機器１１５の一方又は両方から、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などにより物理的に離間される。いくつかの制御電子機器１１５は、電力変換の態様（例えば、平行光のような電力放射又はマイクロ波放射のような無線周波数（ＲＦ）放射）、衛星モジュールの運動及び／又は方向、衛星モジュール間及び衛星モジュール内の通信、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、熱放射体も含むことができる。
【００５０】
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、吸収材料の背面側の背面コンタクト１２１と入射太陽光放射側の吸収材料の表面に配置された上面放射線遮蔽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、例えば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、太陽スペクトルに適合するGalnP/GaAsの薄膜から作られる。放射線遮蔽は、数ある中でも、SiO2などの太陽光放射透過材料を含むことができる。背面コンタクトは、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。背面コンタクト及び上面放射線遮蔽の厚さは、ＰＶへの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の周りに追加の構造物、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設けることができる。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。
【００５１】
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、制御回路と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。容易に理解されるように、位相アレイ内の各要素の相対的位相は、要素の位置、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、基準信号に与える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、位置に基づいて与え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。
【００５２】
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／出力インターフェース１２４を含むことができ、入力／出力インターフェース１２４により、ディ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、典型的に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／又はメモリを含む。特定の実施形態において、ディ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位置情報（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、位置情報は、基準点に対する固定位置及び／又は１つ以上の相対位置を含むことができる。ディジタル信号処理ブロックは、受信した位置情報、及び／又は、様々なセンサ、例えば（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などから得られる追加の情報を用いて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、ディジタル信号処理ブロック１２５は、特定のアンテナに供給するＲＦ信号を発生するために使用される基準信号１２６に与える位相オフセットを決定することができる。例示の実施形態において、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及び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「無線電力送信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、その開示内容は、参照することにより、そっくりそのまま本明細書に含まれる。
【００５３】
ディ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、その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された位置に基づいて、適切な位相シフトが導入される。幾つかの実施形態において、このような位相オフセット信号は、衛星モジュールの形状及び発電タイルの各々のアンテナの相対位置を発電タイルの少なくとも１つの上に配置された太陽センサに基づいて推定することによって発生される。多くの実施形態において、発生された信号の振幅は、単独で又は決定された位置に適切に基づく位相と共に、変調及び／又は変化させて、電力ビーム及び／又は集束送信を形成することができる。振幅は様々な方法で変調することができ、例えば電力増幅器チェインの入力でミキサーにより、又は増幅器内でその供給電圧、内部ゲート又はカスケードバイアス電圧により変調することができる。容易に理解されるように、本発明の様々な実施形態によれば、ＲＦ信号を振幅変調するために、特定のアプリケーション要件に適切な様々な技術のいずれかを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。回路全体は、発電タイルのＰＶコンポーネントにより発生された電流により給電されるが、電力増幅器は、主として、ＤＣ電流をＲＦ信号により送信されるＲＦ電力へ変換する責任を負う。従って、電力増幅器は、受信した位相シフトＲＦ信号の振幅を増大し、増幅され位相シフトされた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シンセサイザにより発生された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。
【００５４】
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。例示の実施形態において、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、高周波信号用、及び／又は、宇宙用に適切な、例えば（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。第１の層すなわち「底」層（図４ｄ）の下はＰＶである（給電接続部をＰＶ接地とＰＶサプライに局所的に接続する）。第２の層すなわち「最上」層（図４ｅ）の上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）から発生し得る基準／クロック信号である。REFout/CLKout１５２は、入力クロックから発生される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。同じ接続ロジックが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に適用される。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、通常アドレス及びデータバスのライン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。容易に認識きるように、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装着ＩＣのはんだパッド、に接続するために、ビア接続部１５４を利用することができる。
【００５５】
第１の層すなわち「底」層上のラインは（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）が遮断部をともなって製造される場合、（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電流を流すことができ、ＰＶサプライとＰＶ接地の金属化層が関心の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。ここでは４つの接続部１５８が２つの偏光のための差分ＲＦ信号のために示される。容易に理解されるように、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が全体の「インピーダンス整合」を提供するために考慮される。
【００５６】
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、本発明の実施形態によれば、特定のアプリケーションの要件に応じて任意の様々な配線実装を利用することができ、例えば（限定されないが）２以上のＰＣＢ材料層及び金属化を利用して経路形成の促進又はフレキシビリティの増加を提供することができる。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信号の経路の形成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。高速ディジタル信号に対しては、隣接する接地基準の経路の形成を採用する相互接続が相互接続のスループットを向上するために頻繁に採用される。
【００５７】
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、衛星モジュールは、発電タイルのアンテナに供給するＲＦ信号を発生するために、各発電タイルに計算能力を提供しないで、及び／又は、発電タイルの計算能力を利用しないで、位置及び／又は位相シフトを決定することができるように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、送信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になり得る。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〜ＮＭ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信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。容易に理解されるように、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電力送信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
【００５８】
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、電力送信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。
【００５９】
数多くの実施形態において、無線電力送信にアレイ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及び／又はモジュール間の通信リンクにより衛星モジュール及び発電タイルの各々へ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、宇宙太陽光発電所システム以外から、例えばごく接近して飛行する又は異なる軌道を飛行する１つ以上の衛星などから、並びに１つ以上の地上局から発生することができる。
【００６０】
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与えら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電力送信の効率は、アレイ１６２内の発電タイル１１２の位置を精密に決定し、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、各タイルの位置情報は、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験的な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受信される。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、この目的（及び、場合により他の目的、例えば、ＧＰＳ衛星を用いる場合）のために配備された宇宙内の衛星上に設置される。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、発電タイルの位置の決定は、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
【００６１】
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で基準信号を配布するプロセスは、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不可能である。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も、衛星モジュール１０２の相対的方向の連続的変化の可能性のために問題があり得る。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。
【００６２】
本発明の様々な実施形態によれば、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、宇宙内に及び／又は地上に配置することができる。その送信は、例えば（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などの通信技術を用いて実施することができる。
【００６３】
多くの実施形態において、送信された基準信号の受信電力は宇宙太陽光発電所の衛星モジュール及び／又はパネル内で配布される基準信号の信号強度に比較して相当弱い。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、入来基準信号のノイズ成分を低下させるために、低帯域幅の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ＰＬＬ１９４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。
【００６４】
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誤差に比例する幅を有するディジタルパルスを出力する位相周波数検出器（ＰＦＤ）２０２を含む。ディジタルパルスは、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により発生され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、クリーンアップＰＬＬは、図５ｉに概念的に例示されるように、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説明したけれども、本発明の実施形態によれば、任意の様々な受信機を、特定のアプリケーション要件に応じて、発電タイルの動作を調整する目的のために宇宙太陽光発電所で基準信号を受信するアンテナアレイとして利用することができる。
【００６５】
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する。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し得る。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する送信機）を利用する実施形態において、主要なノイズ源は地球放射（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は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し、受信基準信号の信号対ノイズ比を良くすることができる。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になる。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】
2018531828.tif 000003
【００６６】
本発明の様々な実施形態によれば、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形で受信アンテナの絶対サイズを縮小することも示唆する。宇宙基準信号送信機を利用する場合、送信機を宇宙太陽光発電所の衛星モジュールに対して中心に位置させることによって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生成することができる点に注意することに価値がある。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する十分に大きい距離に送信機を位置させることが望ましいと言える。
【００６７】
地上からの基準信号の送信は、宇宙太陽光発電所の衛星モジュールの相対運動に対して比較的よりロバストにし得る。しかしながら、送信された信号は、ジャミングや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。
【００６８】
宇宙太陽光発電所で基準信号を受信するとすぐに、発電タイルの制御回路間の基準信号の配布は基準信号にジッターの増加を生じ、基準信号の再配布の増加が生じる。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必要とし、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により送信されるＲＦ信号の合成過程でジッター２１２を導入し得る。制御回路により導入されたジッターは、共通基準信号の各カスケード再配布において混合される。効率はジッター寄与の二乗の和の平方根に比例して劣化することを示し得る。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での電力送信効率へのジッターの影響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経路指定することができる。いくつかの実施形態において、受信した基準信号は図５ｎに概念的に例示される方法で経路指定され、基準信号はその発電タイルによって、別の発電タイルから基準信号をまだ受信していない、直接隣接した発電タイル（すなわち、直接隣接した発電タイルであるが、対角に隣接しない）へ供給される。
【００６９】
図５ｌ〜５ｎを参照して、宇宙太陽光発電所のパネル内及び／又は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、本発明の実施形態によれば、共通基準信号を発電タイルの制御回路へ配布するために、特定のアプリケーション要件に応じて、任意の様々な技術、例えば（限定されないが、）共通基準信号を各発電タイルへ別々に送信すること、共通基準信号を衛星モジュール内の発電タイルへ無線送信すること、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指定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与えら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その発電タイルの位置に依存する。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／又は振幅を修正するために、宇宙太陽光発電所内の発電タイルの位置を決定するプロセスは、さらに、以下で論述する。
宇宙太陽光発電所内の要素の位置の決定プロセス
【００７０】
特定の発電タイルの制御回路により基準信号に与えられる位相シフト及び／又は振幅変調は、基準信号が制御回路に到達するまで走行した経路長と、その発電タイルのアンテナアレイ内のそのアンテナと他のアンテナの相対位置との両方に依存し得る。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互いに固定され、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、送信電力の誘導可能なビームを生成するようにアンテナのアレイの活動を調整するために供給する位相シフトの決定を複雑にする。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、基準信号が特定の発電タイルに到達するまでの距離を変化し得る。また、このシフトは、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化し得る。数多くの実施形態において、発電タイルのアンテナの位置が決定され、その位置は発電タイルにより受信される基準信号に与える位相シフト及び／又は振幅変調を決定するために利用される。
【００７１】
位置の決定に関して様々なアプローチ、例えば位置を決定するための集中型計算、計算階層及び／又は分散型計算を用いるアプローチを取ることができる。上述の通り、位置情報は、基準点に対する固定位置及び／又は１つ以上の相対位置を含むことができる。位置は、変位及び回転の両方に関して指定することができる。多くの実施形態において、位置の決定は、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、この目的（及び、場合により他の目的に、例えば、ＧＰＳ衛星を用いる場合）のために配備された宇宙内の衛星上に設置される。
【００７２】
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位置の決定は、図５ｏに概念的に例示される。例示の実施形態において、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のアンテナの位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、プロセス２３０は宇宙太陽光発電所内の衛星モジュール、パネル及び／又は発電タイルに階層的に位置情報を配布するものであり、中央処理装置は受信した信号に基づいて位置を決定し（２３２）、決定した位置情報をシステム内の衛星モジュールへ中継し、決定した位置情報は、（限定されないが）地上局及び／又は他の適切な既知の位置に対する宇宙太陽光発電所全体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要件に応じて、絶対及び／又は差分位置及び／又は方向として表現することができる。類似の方法では、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、各衛星モジュールにおいて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（２３４）。この情報の全体又は任意の有用な部分を、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／又は振幅を制御してビーム又は焦点を地上に形成するために、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る。各タイル（及び／又はパネル又は衛星モジュール）は、ＤＳＰ、マイクロコントローラ又は他の適切な計算リソースから利用可能なローカル計算能力を、システムが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利用できるため、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計算能力を利用することができる。
【００７３】
図５ｏ及び５ｐに関して、位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れば、特定のアプリケーション要件に応じて、位置決定のために任意の様々なアプローチを利用することができ、例えば（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ベースの送信を利用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など、利用することができる。
【００７４】
上述の通り、宇宙太陽光発電所内の様々な要素の位置を決定する精度は、位相誤差の一因となり得る。大きく軽量な構造物は容易に変形し、振動し得る。宇宙構造物の形状のこのような変形及び振動はアンテナの位置に追加の変化を導入し、位相誤差を直接増大する。アンテナアレイのＲＭＳ位相誤差の効率への影響は、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が宇宙空間内で変形を受ける際にその形状を決定するために特定の技術を利用することができる。本発明の様々な実施形態による、位相誤差を低減するために太陽センサを用いて構造物の形状を決定する方法を以下で論述する。
【００７５】
太陽センサを用いる形状推定
前述したように、アレイ内のアンテナの相対位置の知識は、アンテナを位相アレイとして調整するために基準信号に位相シフト及び／又は振幅変調を与えるために重要である。多くの実施形態において、衛星モジュールの形状は衛星モジュール自体に設置された太陽センサにより発生される信号を用いて決定することができる。複数の実施形態において、複数の太陽センサが発電タイルの上に配置され、それらは各タイルの形状、各タイルの互いに関連する相対位置、及び位相アレイ全体の各アンテナの相対位置を決定するように構成されたマイクロプロセッサに接続される。他の実施形態において、太陽センサは数個の発電タイルのみの上に、それらのタイルが連続構造物の一部分であれば、配置することができる。更に他の実施形態において、太陽センサは連続する衛星構造物の任意の部分の上に配置することができる。幾つかの実施形態において、形状推定は、これらのセンサのみを用い、地上及び／又は宇宙空間に配置された外部電子システムを必要としないで決定することができる。しかしながら、多くの実施形態において、このような外部電子システム、及び／又は、追加のセンサシステム、例えば、限定されないが、加速度計及び／又はジャイロスコープなどは、複数のソースからのデータを統合する技術、例えば限定されないが、カルマンフィルタの使用によって、太陽センサの精度を増加することができる。
【００７６】
本発明の一実施形態による、太陽センサを用いて形状推定を実行するプロセスは図１０に概念的に例示される。多くの実施形態において、プロセス１０００は、発電タイルの装着された太陽センサからのセンサ信号を受信する（１０１０）ことによって開始することができる。幾つかの実施形態において、受信されたデータはその後所要のアプリケーションの必要に応じてフォーマットすることができる（１０２０）。幾つかの実施形態において、使用可能なタイルから受信されたセンサデータは統合することができる（１０３０）。多くの他の実施形態において、その後データを用いて太陽センサが装着された構造物の形状を決定することができる（１０４０）。更に他の実施形態において、アンテナアレイ内のアンテナにより送信される特定のＲＦ信号に与える位相オフセット及び／又は振幅を構造物の推定形状に基づいて決定することができる（１０５０）。多くの実施形態において、形状決定は、限定されないが、構造物の有限要素モデルの生成、カルマンフィルタの利用などの多くの方法によって、又は（限定されないが）粒子フィルタ及び／又はマルコフランダムフィルタなどの他の状態推定技術によって達成することができる。
【００７７】
形状の決定に関して様々な方法を利用することができ、例えば形状を決定するために集中型計算、計算階層及び／又は分散型計算を用いるアプローチを利用することができる。幾つかの実施形態において、構造物の形状を決定するために有限要素モデルを利用する。本発明の一実施形態による、タイルの本体上に配置された複数の太陽センサを含む発電タイルが図１１ａに概念的に例示される。有限要素モデルはより複雑なピースの形状をより単純な構成要素部分又はサブドメインへと処理する。これらの小さなサブドメインはその後グローバルシステムに体系的に再結合されてフルシステムに最終計算を提示することができる。本発明の一実施形態によれば、図１１ａの最終要素モデルが図１１ｂに概念的に示される。小さな四角は、全体として図１１ａの発電タイルの形状を表すために利用することができるサブドメインを表す。形状変形を受けている発電タイルが図１１ｃに概念的に示される。このような変形はそのタイル及び場合により周囲の他のタイル又は構造物の形状を自然に変化させる。本発明の多くの実施形態において、開口プレートによりフォトダイオードアレイ上に生成されるスポットが太陽センサに対する太陽の相対角度に起因して変位するために、センサ出力は変形に応答して変化する。複数の実施形態において、センサが回転すると、開口プレートにより生成されるスポットが移動し、太陽センサの各々の相対照度が変化し、光源から開口孔の中心への角度を決定するための積分を可能にする。本発明の一実施形態による、有限要素モデルを生成するために使用されるこれらの変形の一例が図１１ｄに概念的に示される。センサはシステムにデータを供給し、システムは構造物の推定形状の決定を可能にすることができる。多くの実施形態において、このような推定形状を模擬又は改善するために代替センサ又はアルゴリズムを利用することができ、例えば限定されないが、加速度計、ジャイロスコープ、及び／又は、限定されないが、全地球測位システム衛星から受信される信号などの受信信号に基づく三角測量法を利用することができる。
【００７８】
太陽センサは太陽に対するセンサの相対角度を決定するために複数の手段で構成することができる。本発明の一実施形態による太陽センサは図１１ｅに概念的に示される。複数の実施形態において、太陽センサ１１００はその底面上にフォトダイオードのアレイ１１２０を含む。多くの実施形態において、これらのフォトダイオード１１２０は太陽センサ１１００の構造内に封入される。他の実施形態において、太陽センサ１１００の上面は開口プレート１１１０を含む。更に他の実施形態において、開口プレート１１１０は光を太陽センサ１１００内に入射させ、太陽センサ１１００の底面のフォトダイオード１１２０に衝突させることができる。更に他の実施形態において、アレイ内の各フォトダイオードに入射する太陽光の強度の変化を積分して光源から開口孔の中心への角度を決定することができる。幾つかの実施形態において、フォトダイオードにより出力された信号は、例えば（限定されないが）太陽センサとともに配置されたマイクロコントローラ、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣなどの回路によりディジタル化される。多くの実施形態において、複数の太陽センサからのセンサ出力は共通の回路によりディジタル化される。他の実施形態において、太陽センサは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）センサまたは相補金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサを内蔵するカメラを用いて実装することができる。容易に理解されるように、本発明の様々な実施形態によれば、太陽センサを実装する特定の方法は特定アプリケーションの要件に大きく依存する。
【００７９】
多くの実施形態において、形状推定プロセスを支援するためにカルマンフィルタを利用することができる。カルマンフィルタは多くの統計システムにおいて状態推定の信頼性を向上させるために使用されている。カルマンフィルタは向上した結果を達成するために再起処理を利用する。カルマンフィルタの再起性は限定されたデータセットのみの使用を可能にする。概して、カルマンフィルタは、システムの現在の状態を入力方法に関する不確定性とともに分析し、次いで現在の観測に基づいてこれらの入力に対する加重平均を発生させる。これらの結果は次いで次の事象に使用され、これらの結果は再び更新される。この方法は、システムに状態又は入力に関して不確定性が存在する場合及び／又は信号ノイズが存在する場合に最適とし得る。カルマンフィルタの構造はまた、処理に使用されるデータが多いほど、より正確な結果を保証する。更に、実際上、任意のタイプのセンサを入力として利用することができる。上述したように、形状情報は固定位置及び／又は基準点に対する１以上の相対位置を含むことができる。複数の実施形態において、形状測定のために太陽センサが利用される。多くの他の実施形態において、形状決定は、システム操縦及び飛行制御コマンドからの先験的な知識を用いるだけでなく、例えば、限定されないが、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支援することができる。アレイ内のセンサに基づいて形状を測定する特定の方法を図１０−１０ｅを参照して上記で説明したが、アレイ内の構造物の形状を推定するために任意の様々なプロセスを利用することができる。例えば、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、この目的（及び、場合により他の目的、例えば、ＧＰＳ衛星を用いる場合）のために配備された宇宙内の衛星上に設置される。
【００８０】
多くの実施形態において、形状推定プロセスの性能は追加の機器を発電タイル又は衛星構造物に装着することを必要とする。本発明の一実施形態による、形状を決定するために必要な機器を備えた発電タイルが図１２ａに概念的に示される。例示の実施形態において、発電タイル１２００はタイル１２００の周囲に配置された複数の太陽センサ１２２０を有する。複数の実施形態において、太陽センサは発電タイル１２００の上に、必ずしも必要ないが、各アンテナの位置に、配置することができる。多くの実施形態において、太陽センサ１２２０の位置及び数は、構造物の形状に関して形状推定を実行する際、例えば、限定されないが、太陽センサを衛星構造物自体の上に配置する際又は連続体内にあるタイルに沿って配置する際に、総合誤差を低下させるために最適化される。他の実施形態において、太陽センサ１２２０は、センサ１２２０により送信された出力信号を受信するように構成されたマイクロプロセッサ１２４０と結合される。複数の実施形態において、マイクロプロセッサは構造物形状のモデルを生成し、その結果を利用して個々のアンテナにより基準信号に与える位相オフセット及び／又は振幅変調を生成する。特定の実施形態において、結果は電力送信機１２６０に送信され、電力送信機１２６０は基準信号への位相シフト及び／又は振幅変調を調整することができる。他の特定の実施形態において、結果はマイクロプロセッサ１２４０において位相シフト及び／又は振幅変調にフォーマット化され、その後規準信号に与えるために電力送信機１２６０へ送信される。しかしながら、多くの実施形態において、形状決定はアレイのタイルに分散した形で生起し得る。複数の実施形態において、センサ、マイクロプロセッサ及び送信機は複数のタイルと通信可能である。多くのアプリケーションにおいて、形状推定はタイル自体に対してのみならず、互いに相対的なタイルの形状に対しても実行される。タイルの形状及び位相アレイとして構成されたアンテナの相対位置の変化は、個々の電力送信機回路により基準信号に与えられる位相シフト及び振幅変調を調整することによって補償することができる。タイルの形状及び位相アレイとして構成されたアンテナの相対位置の変化は、個々の電力送信機回路により基準信号に与えられる位相シフト及び／又は振幅変調を調整することによって補償することができる。本発明の一実施形態による、マイクロコントローラに接続された位相アレイ内の発電タイルが図１２ｂに概念的に示される。複数の実施形態において、位相アレイシステム１２８０はパターンに配置された複数の発電タイル１２００を含む。多くの実施形態において、発電タイル１２００はタイル１２００上の様々な点に設置されたセンサ１２２０を備えることができる。幾つかの実施形態において、これらのセンサ１２２０の各々は衛星構造物を横切ってマイクロコントローラ１２４０に接続される。幾つかの実施形態において、マイクロコントローラ１２４０は、太陽光感知センサ信号に基づいて位相シフト及び／又は振幅変調を発生して発電タイル１２００の各々の上に設置された電力送信機１２６０に送信するために、形状決定アプリケーションを利用することができる。複数の実施形態において、形状推定アプリケーションの結果は電力送信機に送信され、次いで基準信号への位相シフト及び／又は振幅変調に変換される。アレイ内のセンサにより発生された信号に基づいて形状を推定する特定の方法を図１２ａ及び１２ｂを参照して記載したが、本発明の様々な実施形態によれば、衛星モジュール内のタイルの形状を推定し、アレイ内の相対距離及び／又は方向を決定するために、特定アプリケーションの要件に応じて、様々な構成のいずれかを利用することができる。
【００８１】
上述したように、多くの実施形態において、マイクロコントローラは必要な入力信号のすべてを収集し、構造物の形状を決定し、位相シフト及び／又は振幅変調の調整を促進にする信号を提供する責任を負うことができる。本発明の様々な実施形態によるマイクロコントローラは図１３に概念的に示される。多くの実施形態において、マイクロコントローラシステム１３００は少なくとも１つのセンサ１３２０に接続されたマイクロコントローラ１３１０を備えるが、多数のセンサ１３３０に接続されてもよい。追加の実施形態において、少なくとも１つのセンサ１３２０は入／出力インターフェースモジュール１３４０を介してマイクロコントローラ１３１０とインターフェースすることができ、インターフェースモジュール１３４０はシステムバス１３９０を介してデータをメモリシステム１３５０に送る。幾つかの実施形態において、メモリシステム１３５０は、形状推定アプリケーション１３５１及びオプションであるカルマンフィルタパラメータ１３５２を含み、パラメータ１３５２はカルマンフィルタの利用時に形状推定アプリケーション１３５１が利用することができる。他の実施形態において、形状推定アプリケーション１３５１はプロセッサ１３６０を、センサ１３２０から受信されたデータ及びメモリ１３５０に格納された関連データに基づいて構造物の形状を決定するように設定する。前記関連データは、上述した入力源、例えば、限定されないが、加速度計、ジャイロスコープ、及び／又は三角測量方、全地球測位システム衛星から受信される信号のいずれかを含んでよい。更に他の実施形態において、形状結果は入／出力インターフェース１３４０を介してマイクロコントローラ１３１０に接続された少なくとも１つの電力送信機に送られるが、多数の送信機１３８０に供給してもよい。形状を決定するように設定されたマイクロコントローラの特定のアプローチ及び設計を図１３を参照して以上で説明したが、本発明の様々な実施形態によれば、形状の決定するために、特定アプリケーションの要件に応じて、様々なアプローチ及びデバイスのいずれかを利用することができ、例えば、限定されないが、静的ルックアップテーブル及びカソード層化環境などを利用することができる。
【００８２】
前述したように、宇宙太陽光発電所内の様々な要素の位置を決定する精度は位相誤差の一因になり得る。従って、宇宙太陽光発電アレイシステムの位置決定に利用される特定の技術は概して特定のアプリケーションの効率要件に依存する。本発明の様々な実施形態による基準信号、位置情報及びコマンド及び制御情報の階層配布について以下で更に論述する。
【００８３】
宇宙太陽光発電所の要素間の通信の調整
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、パネル及びタイル間の基準信号及び階層計算の配布及び位置及び形状情報の配布のための様々なプロセスを上記で説明した。数多くの実施形態において、宇宙太陽光発電所は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専用機能を有する、衛星モジュール、パネル及び／又はタイルを含む。
【００８４】
本発明の一実施形態による、基準信号、位置情報、及びコマンド及び制御情報の受理及び配布を調整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が、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応じて、宇宙送信機及び／又は地上送信機と宇宙送信機の組合せを利用することができる。
【００８５】
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置かれた少なくとも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、第１の送受信機２５２は他の衛星モジュールに対する宇宙太陽光発電所の位置を記述する位置情報を無線送信するために利用される。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し得る。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、コマンド及び制御情報を通信することができる別個の伝送路として使用される第２の送受信機２５４も含む。容易に理解されるように、位置情報とコマンド及び制御情報は共に、同じ通信リンク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し得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、その宇宙衛星アレイの位置及び／又はその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述する位置情報を通信することができる。
【００８６】
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、位置情報及び／又はコマンド及び制御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述する位置情報及びコマンド及び制御データなどのデータをマスター衛星モジュールに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位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及び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、位置情報とコマンド及び制御情報の両方を他の衛星モジュールと交換するために単一の送受信機を使用することもできる。
【００８７】
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、位置情報及び／又はコマンド及び制御情報の配布を調整するために使用する異なるクラスの発電タイルが図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位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及び制御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。マスター発電タイル２７０は、送受信機を用いて、別の衛星モジュールから無線送信された基準信号を受信し、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、ノイズ除去される。また、マスタータイル２７０は、衛星モジュール内における位置情報及びコマンド及び制御情報の交換のためのハブとして作動することができる。容易に理解されるように、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分布することができる。さらに、本発明の様々な実施形態による衛星モジュール内に、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、追加の専用タイルを組み込むことができ、例えば、（限定されないが）位置情報及び／又は少なくとも１つの測距信号を受信可能な受信機又は送受信機２６２を含み、追加の位置情報を決定することができる測距タイル２７６を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位置を決定する能力を分布することによって、衛星モジュールの位置、及び／又は、衛星モジュール内の個々の発電タイルの位置のより精密な決定が可能になる。衛星モジュール内の専用タイルが遂行できる他の機能は、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、すべての衛星モジュールの動作を調整する専用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。専用タイルは、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機能を提供することもできる。さらに、衛星モジュールは、衛星モジュールの方向及び位置の測定を、モジュール全体として、及びモジュール内の全てのタイルとして、容易にするために、１つ以上のこれらの専用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容易にするために使用し得るので、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、１つ又は複数の専用タイルはいくらか異なる寸法にし得る。専用タイルがモジュール内で十分にまばらに置かれる場合、これらの専用タイルは、マイクロ波ビームの忠実性のごく僅かな損失及び最小のオーバーヘッドをもたらす。専用タイルは、この特定の目的のために動作されるＰＶセルにより、それら自身で電力供給され得る。
【００８８】
基準信号及び情報の宇宙太陽光発電所全域への配布を調整する様々なタイプの専用な衛星モジュール、パネル及びタイルを、図５ｒ及び５ｓを参照して上記で説明したけれども、本発明の実施形態によれば、特定のアプリケーション要件に応じて、任意の様々な専用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る受信電力の効率に影響を与え得る様々な追加の要因について、以下で更に論述する。
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
【００８９】
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た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。容易に理解されるように、（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、１衛星モジュール当たりのパネルの数、１パネル当たりの発電タイルの数、アンテナの間隔、無線電力送信の送信周波数、及び、送信電力を受信するために利用されるレクテナアレイのサイズなどの多くの要因が、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得る。様々な設計決定が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態様を、さらに、以下で論述する。
【００９０】
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、数ある要因の中で特に、電力要件及び／又はペイロード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得る要因は、電力受信レクテナで発生されるべき電力である。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、及び位相アレイで許容される位相オフセット誤差などの要因に依存する最大電力ローブ（ｕmax）を有し得る。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とともに、地上に発生されると推定される。１GHz放射での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が、２．４GHz放射での入射面積は２．８kmの直径を有すると推定される。電力送信の観点からは、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信の波長は、受信レクテナ及び／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信システムの効率は、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最大電力ローブを地上に有することが望ましい。他の実施形態において、特定のアプリケーション要件に応じて、最大電力ローブより大きい又は小さいレクテナの面積を利用することができる。本発明の様々な実施形態における、地上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、送信された電力を受信するために利用されるレクテナアレイのサイズの両方により、電力送信の効率が影響を受ける様態は、図６ｃに例示される。また、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こともわかる。
【００９１】
送信電力の信号の周波数が静止地球低軌道（ＬＥＯ）上の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影響を及ぼす様態は、図６ｄ及び６ｅに例示される。容易に理解されるように、地上のスポットサイズは送信電力の周波数が増大するにつれて減少する。
【００９２】
送信電力の周波数は、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し得る。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ずっと大きい。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、これは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効率が良くないことを示している。
比較性能
【００９３】
多くの代替宇宙太陽光発電衛星が提案されている。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】
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【００９４】
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、容易に理解されるように、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、大幅に向上したW/Kg性能を提供する。
多重送電ビームの発生
【００９５】
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、異なるレクテナ受信機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の一部を形成する要素（例えば、衛星モジュール及び／又は発電タイル）の異なる集合体は、異なるレクテナ受信機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の、又は、各発電タイルからの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ため、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。太陽光発電所でのこのような動的に誘導可能な位相アレイからの送電は、１つ以上のレクテナ電力受信機での要求に依存して、位相アレイ全体又は位相アレイの複数部分が異なる方向に動的に方向を変えることができる。太陽光発電所でこのように動的に方向を変えることが可能な位相アレイの実施形態は、送電の方向を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、送信電力を同時に又は連続的に、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、レクテナ受信機間で電力の高速タイムドメインスイッチングを用いることもできる。
【００９６】
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、ペイロードのサイズ及び重量の問題である。静止地球軌道への現在のペイロード配送技術は、２，０００ｋｇから２０，０００ｋｇに及んでいる。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、利用できるペイロード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、十分に現在の配送技術の限度内である。より大きい衛星モジュールは、それらが利用可能な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。
【００９７】
いくつかの実施形態において、衛星モジュールは圧縮可能にして、１つ以上の寸法の衛星モジュールのサイズを、ペイロード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、その後最終作動形態に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は、展開構成（図９ａ）と圧縮構成（図９ｂ）の少なくとも２つの構成の間で動かせるように移動可能に相互接続され、実質的な体積に対するパックした体積の比率が、圧縮構成すなわちパック構成のときより展開構成において大きくなるようにする。複数の実施形態において、構造要素２９０は、圧縮構成と展開構成との間で互いに動かせるように、ヒンジ式、モザイク式、折り畳み式、又は、他の方法で相互接続２９２することができる。太陽光発電所の各衛星モジュールは、同一又は異なるサイズに圧縮できるように構成することができる。また、太陽光発電所の１つ以上の衛星モジュールを圧縮するために、数ある中でも、一次元及び二次元圧縮構造などの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、ラッピング、ローリング、扇形折畳み、二重ｚ折畳み、三浦折り、スリップ折畳み、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。
【００９８】
多くの実施形態において、発電タイルは、さらに、その上に配置された圧縮及び拡張可能な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、圧縮可能な構造物により、移動可能に相互に関連させて、圧縮構成すなわちパック構成の場合に、発電セルの要素が一緒に圧縮され、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生成するための）間隙により分離される。圧縮可能な構造物の実施形態は、電動相互接続、及び、スプリング又は曲げられた又は圧縮下のテンションアームなどの弾性部材を含む。そのようなコンパクト可能な構造物は、例えば、ｚ折畳み、ラッピング、ローリング、扇形折畳み、二重ｚ折畳み、三浦折り、スリップ折畳み、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。
【００９９】
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電力の送信を高め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、発電タイルの温度プロファイルを制御するための熱放射体、光電池への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、放射器、反射器及び収光器）、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保護するための放射線遮蔽を含むことができる。そのような構造物も、発電タイルの他の要素に関連して上述したように、パック構成と展開構成との間で独立に圧縮可能にすることができる。
【０１００】
衛星モジュール又は発電タイルの設計は、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を、異なる電力収集及び送信特性を有する位相アレイを生成するために変更することができる。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。
【０１０１】
圧縮可能な衛星モジュールの様々な設計を上記で説明したけれども、本発明の実施形態によれば、特定のアプリケーション要件に応じて、任意の圧縮可能な宇宙構造物、例えば（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圧縮可能な宇宙構造物など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の開示は参照することによりそのすべてが本明細書に含まれ、特に、圧縮可能な宇宙構造物に関連する開示は参照することによりそのすべてが本明細書に含まれる。
【０１０２】
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おいて特定されるように、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構成、動作及び詳細に様々な修正、変更及び変形を加えることができると、理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図５ｇ】
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【図５ｈ】
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【図５ｉ】
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【図５ｊ】
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【図５ｋ】
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【図５ｌ】
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【図５ｍ】
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【図５ｎ】
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【図５ｏ】
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【図５ｐ】
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【図５ｑ】
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【図５ｒ】
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【図５ｓ】
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【図６ａ】
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【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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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１１−３】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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