專利名稱：基于空間的電力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統，更具體地，涉及帶有可對準的自由飄浮部件的基于空間的電力系統。
背景技術：
基于空間的電力系統利用太陽的輻射功率或太陽能通量來產生能量。在地球軌道內的太陽的太陽能常數或通量近似為1.4kW/m2。例如，在對地同步軌道或GEO(距離地球22,400英里或36,000公里)內，空間太陽能電力系統幾乎持續地暴露在日光中。
在空間電力系統上的太陽能電池、太陽能轉換裝置和核能裝置產生直流(DC)電，該直流電被轉換成傳輸頻率，如射頻、微波頻率和激光頻率。例如，對于射頻(RF)和微波，所產生的電通過轉換裝置如磁控管被轉換成電力，并通過天線被聚焦。被聚焦的能量被指引到接收器，并且接收天線(“硅整流二極管天線”)將功率射束轉換成直流電。該直流電被轉換成交流(AC)電，該交流電被傳輸到用于配電到用戶的電力網。
結果，一定百分比的太陽能常數被轉換成可以使用的電。例如，轉換效率為40％的1m2的太陽能電池陣列可以產生大約560瓦的電能。一百萬平方米或一平方千米效率為40％的太陽能電池陣列可以產生大約560兆瓦(MW)的電能。
在二十世紀六十年代就開始發展利用太陽能的原理。在二十世紀七十年代和八十年代，NASA和能源部開始研究傳導衛星系統，但這些系統的低效率且高成本阻止了它們的效率。在二十世紀九十年代，NASA進行了進一步的研究并發展了新的在不同軌道的原理。這些新的系統相對于早期的研究實現了改進，但是，已存在的這些原理從經濟學角度來講始終都是不可行的。
典型的空間電力系統具有用于能量轉換的發電子系統和無線輸電子系統。使用光生伏打電池的公知的系統典型地采用大的太陽能電池陣列，以將太陽能轉換成電。典型地，是利用連接構件來維持系統部件正確的相對位置。
傳統的空間電力系統可以這樣被改進。具體地，為了減輕系統的重量，可以減少或取消電力系統部件之間的連接構件。在傳統的系統中，連接構件可以包括系統的主要重量。例如，某些公知的系統采用具有連接構件的空中的傳送天線，這些連接構件有好幾公里長，并且有上百萬千公斤重。過重的連接構件可導致增加發射成本。此外，過度的重量可使系統部件變形，可能影響系統的對準、操作和性能。因此，電和機械連接的重量可成為最大化尺寸系統的限制，而最大化尺寸系統是很有利的實現方式。此外，可改進系統部件的位置、方位和效率，特別是沒有與連接元件連接起來的系統部件。
發明內容
在一個實施例中，基于空間的電力系統包括多個在空間中的電力系統元件和一個控制系統。一個或多個電力系統元件是在空間中自由飄浮的。該控制系統維持自由飄浮元件的對準。該多個元件被設置成收集日光，從收集到的日光產生電能并將該電能轉換成可以被傳輸到預定位置的形式。
在另一個實施例中，基于空間的電力系統包括多個在空間中的電力系統元件和一個控制系統。該多個元件中的一個或多個元件是在空間中自由飄浮的。該電力系統元件包括主鏡、中間鏡子、電源模塊、發射器和反射鏡。該主鏡將日光指引到中間鏡子。中間鏡子將日光指引到電源模塊，該電源模塊產生直流電。發射器將該直流電轉換成射頻RF或光學能量，并且反射鏡將該RF或光學能量傳輸到預定位置的接收器。該控制系統包括多個傳感器和多個位移元件。在空間中的每個元件都包括傳感器和位移元件，并且控制系統通過響應于傳感器數據有選擇性地觸發位移元件來維持在空間中的自由飄浮元件的對準。
進一步的實施例涉及對準電力系統元件以在空間中產生電力并將產生的電力傳輸到預定位置的方法。該實施例包括將多個元件和一個控制系統發射到空間中，其中該多個元件中的一個或多個元件是在空間中自由飄浮的；確定元件在空間中的位置；利用控制系統維持自由飄浮的元件的對準，使得電力系統元件被構成為收集日光，從收集到的日光產生電能，并將電能轉換成適合于傳輸到預定位置的形式。
在系統和方法的實施例中，電力系統元件可以具有不同的鏡子和鏡子結構，例如，可以是可折疊的鏡子、球面鏡、由可充氣的管子或薄膜支撐的鏡子以及具有光學涂層以減小光子壓力或維持鏡子形狀的鏡子。電力系統元件可以包括主鏡、第一中間鏡子、電源模塊、發射器和反射鏡。第一中間鏡子將日光指引到電源模塊，以及該電源模塊產生電能。發射器將產生的電能轉換成可以被傳輸并提供給反射鏡的形式，該反射鏡將轉換后的能量傳輸到在預定位置的接收器。而且在系統和方法的實施例中，利用集中器將來自中間鏡子的日光聚焦到電源模塊上。
系統和方法的實施例可以采用不同的電源模塊，例如，光生伏打和熱電電源模塊。對于光生伏打模塊，太陽能電池可以與發射器協同定位。轉換后的能量或被傳輸的能量可以是射頻或光學能量。
在系統和方法實施例中的控制系統可以通過調整元件的位置、方位來調整一個或多個系統元件的對準。該系統包括多個傳感器，如對準或距離傳感器。例如利用雷達、激光雷達、干涉圖案、太陽風、靜電力來比較兩個元件的傳感器的數據，以確定該兩個元件是否被適當地對準并定位在可接受的距離上。其也調整元件的對準。該控制系統可以包括位移元件，如推動器，用以調整系統部件的對準。而且在系統和方法的實施例中，不同數量的元件，例如多個或所有元件都在空間中自由飄浮。
現在參考附圖，在整個附圖中相同的附圖標記表示對應的各部分，在附圖中圖1A說明了帶有自由飄浮部件的基于空間的電力系統的實施例，并且圖1B-D說明了控制電力系統部件的位置和對準方式的系統的實施例的附圖；以及圖1E說明了具有相控陣天線的可供選擇的實施例；圖2A-B說明了收集器或主鏡的平面圖和橫截面圖；圖3是系統的鏡子上的涂層的橫截面圖；圖4A-D說明了由可充氣結構支撐的鏡子的不同的視圖；圖5是利用了可充氣的鏡子和膜元件的實施例的說明圖；圖6是利用了可充氣的鏡子和膜元件的實施例的說明圖；圖7是利用了可充氣的鏡子和膜元件的實施例的說明圖；圖8是利用了可充氣的鏡子和膜元件的另一個實施例的說明圖；圖9是具有光生伏打電源模塊和太陽能集中器的發電子系統的圖10是具有光生伏打電源模塊和多路太陽能集中器的實施例的說明圖；圖11是具有連接太陽能電池和光生伏打模塊部件的電力電纜的發電子系統的實施例的說明圖；圖12說明了無線輸電系統的實施例；圖13說明了無線輸電系統的另一個實施例；圖14說明了具有鏡子和將輸出直接提供給反射鏡的電源模塊的基于空間的電力系統的實施例；圖15示出了具有定位在中間鏡子之間的電源模塊的基于空間的電力系統的實施例；圖16說明了在發電和輸電子系統中的每一個內都具有兩個中間鏡子的基于空間的電力系統的實施例；和圖17說明了在發電和輸電子系統中的每一個內都具有三個中間鏡子的基于空間的電力系統的實施例。
具體實施例方式
現在將描述帶有一個或多個可對準的自由飄浮或自由飛行系統部件的基于空間的電力系統的實施例。這些實施例包括可對準同時基本上減少或取消了系統部件之間的連接結構并且利用提供自由飄浮系統部件的對準和定位的控制系統的部件。
參考圖1A，基于空間的電力系統“S”的一個實施例包括發電和輸電部件。系統的一個實施例包括沿軌道繞軸3的主或收集鏡2、中間鏡子4和5、帶有集中器6的面板11、帶有太陽能電池7的光學或電源模塊8、發射機饋電或發射器9以及傳輸子系統，該傳輸子系統例如可以包括反射器或輸出鏡子10并且當需要時可包括一個或多個其它的鏡子。控制系統13調整電力系統部件的形狀、位置、方位和對準。
為了說明，本說明書主要涉及調整系統部件的對準，但對準可以包括可影響系統部件的對準的形狀、位置、方位和其它調整。該系統元件被設置成收集日光，從收集到的日光產生電能并將電能轉換成可被傳輸到在預定位置15處的接收器14的形式，該預定位置如地球或另一個定位，在該位置電能被轉換并配送到使用者。
更具體地，確定系統部件的位置，使得日光1被入射到主鏡2上。主鏡2例如可以是近似球面鏡。主鏡2可以具有各種尺寸，例如其直徑大約為1千米到大約2千米。可以由構件來支撐主鏡(以及如下面所描述的其它鏡子)。例如，參考圖2A-B，可充氣的管子或螺旋管24(通常為24)可環繞該鏡子2。可以利用化學或氣態空氣罐或其它充氣系統來對管子24進行充氣。
參考圖2和3，主鏡2的一個實施例包括底座20，如塑料底座，其被涂敷有一個或多個薄膜或光學涂層22。該光學涂層反射最適合用于太陽能電池7的日光1的選定部分(例如特定的波長)。該有選擇性的反射還減小了鏡子2上的光子力。本領域的普通技術人員應認識到，各種適合的底座和涂層組合都可被用于不同的鏡子結構和反射以及太陽能電池需要。
再次參考圖1A，通過主鏡2將日光1反射到第一中間鏡子4，如扁平可折疊的鏡子。鏡子4追蹤主鏡2的方位，使得兩個鏡子2和4保持對準。第一折疊鏡子4反射入射日光1到第二中間鏡子5如折疊鏡子上。第二折疊鏡子5可以與第一折疊鏡子4相同，或者具有另一種適合的設計。
例如，參考圖4A-D，基于空間的電力系統中的鏡子可以是扁平的鏡子，其包括塑料底座40和涂層42，例如，與主鏡2上的涂層22相同的涂層。例如，在鏡子2、4和5上具有相同的涂層減小了太陽能電池7上的熱負荷。該涂層42也減小了在折疊鏡子上的太陽能光子壓力。涂層內的機械剩余應力可以被設定到需要抵消太陽能光子壓力的值上，并維持光學平面。圖4還說明了這些鏡子還可以包括可充氣的支撐件44。
再次參考圖1A，鏡子4繞軸3旋轉，鏡子5追蹤集中器6。利用適當的調節，第一折疊鏡子4反射入射日光1到第二折疊鏡子5上。第二鏡子5反射光到一個或多個集中器6，如非成像集中器。集中器6對從第二折疊鏡子5接收到的日光1反射光束中的空間不規則性進行放大，并將其消除。集中器6的輸出被指引到射頻RF或光學電源模塊8的太陽能電池7。利用集中器可使得能利用整個太陽能電池晶片，致使更有效地產生能量。
各種集中器6的焦距可以被用來得到反射到太陽能電池7或其它轉換設備上的日光的正確放大率。例如，典型地，太陽對向的角度近似為1a.u.(從太陽到地球的距離)0.5度。這樣，例如，焦斑的大小可以是系統焦距的0.00873倍。
本領域的普通技術人員應認識到，各種電源模塊可用于不同的實施例和系統。例如，如附圖中所示，該電源模塊是采用太陽能電池的光生伏打電源模塊。可供選擇的電源模塊包括渦輪、熱力發動機和核電源。進一步可供選擇的電源模塊是熱電電源模塊。熱電電源模塊利用溫度梯度，例如，加熱器前表面和冷卻器后表面，其在兩個表面之間產生一連接點，用以發電。為了解釋和說明，而不是為了限制的目的，本說明書涉及帶有太陽能電池7的光生伏打電源模塊。
在一個實施例中，太陽能電池7安裝在模塊8輸入電極的附近。這樣，就不需要從太陽能電池7到模塊8的電纜。取消了這些連接件減小了系統的體積。此外，通過減小或消除由于連接電纜中的阻性(I2R)熱量而導致產生的功率損耗而減小了系統中的功率損耗。這種設置方式也不需要典型地與部件連接件有關的其它部件，如絕緣件。取消這些部件還減小了電源模塊的重量，提高了電池的性能，并減小了電池成本。
太陽能電池7的間距設置還使得可使熱量被傳導到熱面板11，而熱面板11將熱量輻射到空間。而且，集中器6提供了用于每個射頻RF或光學電源模塊8的專用太陽能電池7。這樣，集中器提供了入射日光1的有效的利用。這種設置也是很有利的，這是因為太陽能電池與能量轉換設備協同定位，這樣減小了這些部件之間的連接件的長度或者取消了這些部件之間的連接件。這些部件的協同定位在利用連接結構的典型公知系統中是行不通的，這是因為需要集中器來追蹤太陽而同時射頻RF或光學部分保持指向地球上用戶的變電站。
帶有折疊鏡子5的集中器6將太陽能電池7與空間的直接觀察隔開，這樣保護了太陽能電池7。更具體地，太陽能電池被安裝在電源模塊上，集中器被安裝在電池上方，這樣就將太陽能電池與空間的直接觀察隔開了，只留下中心在入射的日光上的一個很小的立體角。第二折疊鏡子起到在最后方位上的屏蔽的作用，使得太陽能電池在所有方位上都被屏蔽了，因此不需要太陽能電池蓋片(例如玻璃)和其它保護蓋。結果，通過取消這些部件而進一步減小了電力系統的重量。
由太陽能電池7產生的直流電力通過射頻RF或光學電源模塊8被轉換成可被傳輸的形式，如射頻RF或光學電力。該射頻RF或光學電力通過RF饋電或光學發射器9被輻射到RF反射器、輸出鏡子10(通常為反射器10)或直接輻射到預定位置。例如，該RF饋電或光學發射器9可以被設置在直接輻射陣或相控陣天線19內(參見圖1E)，這樣就不需要反射器10了。太陽能電池7、電源模塊8和RF饋電或光學發射器9的余熱通過熱面板11被輻射到空間。
這樣構成反射器10，使得涂層或入射表面反射電力到地球或其它預定位置或電站，并傳輸日光。通過傳輸日光1，反射器10上的光子壓力被減小或幾乎被消除。由于反射器10可以像主鏡2一樣大，所以減小光子壓力導致非常顯著地減小了反射器10的位置保持所需要的燃料。但是，由于具有主鏡2，所以，與反射電力并傳輸日光1的涂層的選定剩余機械應力有關的剩余光子壓力可以被用來維持反射表面的正確的形狀。這種設置方式可以減小反射器10的重量，例如，減小直到大約66％或更多。可供選擇地，這樣構成光學鏡子10，使得涂層反射所需的光學波長并傳輸不想要的太陽能輻射。
由反射器或鏡子10反射的RF或光學電力12可以是受衍射限制的光束，其通常被聚焦并被指引到定位在地球或另一個所希望的位置15上的地上天線或收集器14。在天線或收集器上的一組RF/光學傳感器測量光束的波形形狀和視軸。反饋電路17計算接收到的光束的各方面，并將控制信號發送回給控制系統，用以調整一個或多個部件的對準，例如，調整部件的形狀、位置或方位。
例如，如果發射器9和反射器10沒有被適當地對準，則可以調整這些部件中的一個或兩個，使得從反射器10反射的光束12被指引到接收天線14。作為又一個例子，可以調整發射器9的形狀。
鄰近控制系統13或單獨控制系統被用來調整各種電力系統部件的對準，這些電力系統部件例如，主或傳輸鏡、中間鏡子如折疊鏡子、反射器、子反射器和天線饋電線。該控制系統也可以維持傳輸的電磁波的波陣面的形狀。可以通過控制系統執行的其它功能包括有源鏡子控制、相位共軛和有源天線控制。
在一個實施例中，控制系統13包括傳感器系統和位移系統，以響應于傳感器數據調整一個或多個系統部件的對準。本領域的普通技術人員應認識到，基于空間的電力系統可以具有不同多個自由飄浮的系統元件。例如，一個或多個、大多數或所有的元件可以在空間中自由飄浮。該控制系統可以被構成為用來調整自由飄浮元件和非自由飄浮元件(例如，拴到其它元件上)的對準。但是，為了說明而不是為了限制的目的，本說明書涉及對準自由飄浮的電力系統元件的控制系統。例如，來自控制系統元件或傳感器如雷達和激光雷達傳感器的數據可以表示兩個或多個部件的對準。該位移系統可以包括一個或多個推動器元件，其可以響應于傳感器數據而被觸發或斷開觸發，以調整對準。
參考圖1A，在一個實施例中，鄰近控制系統的位置是在空間中，并通常包括在對應的電力系統部件2、4、5、8和10上的控制單元或傳感器2a、b(通常為2a)、4a、b(通常為4a)、5a、b(通常為5a)、8a、b(通常為8a)、10a、b(通常為10a)和推動器2d、e(通常為2d)、4d、e(通常為4d)、5d、e(通常為5d)、8d、e(通常為8d)、10d、e(通常為10d)。圖1A中所示的實施例只是說明了各種鄰近控制結構，這些鄰近控制結構采用了不同數量和位置的鄰近控制系統部件。
例如，參考圖1B-D，在另一個實施例中，主鏡2包括四個傳感器，中間鏡子4和5包括八個傳感器。圖1C和1D說明了示出一個可能的傳感器設置方式的橫截面圖。在所說明的實施例中，在主鏡2上設置了四個鄰近控制系統傳感器2a，并在鏡子4上設置了對應的四個傳感器4a，用以查看或彼此通信。同樣，在鏡子4上設置了四個附加的鄰近控制系統傳感器4a，并在鏡子5上設置了對應的四個傳感器5a，用以彼此聯系。在鏡子5上設置了四個附加的單元5a，并在模塊8上設置了四個單元8a，用以彼此聯系。此外，在發射器9上設置了四個單元9a，并在反射器10上設置了四個單元10，用以彼此聯系。
由于具有這種結構，可以應用三個傳感器單元，而該組中的第四個單元起到備用單元的作用。該第四個單元也可以被用來解決其它單元的異常動作。此外，如果只應用了一個傳感器單元，則其它的三個單元可以被用來交叉校驗該第一個單元。
這樣，在所說明的實施例中，控制系統根據相鄰元件的傳感器之間的聯系來進行調整，上述相鄰元件也即通過反射或接收日光或其它信號而彼此聯系的元件。例如，主鏡2、折疊鏡子4和5、光學模塊8和反射鏡10都可以包括傳感器。在鏡子2和4上的傳感器彼此聯系，在鏡子4和5上的傳感器彼此聯系，在鏡子5和光學模塊8上的傳感器彼此聯系，以及在光學模塊8和反射鏡10上的傳感器彼此聯系。控制電路被構成為用來根據前一個所描述部件對的對準來調整系統部件。可以根據系統部件的其它數量以及其它種組合的對準來進行調整。
這樣，例如，響應于鏡子2和4之間的傳感器數據，可以觸發(或斷開觸發)鏡子4上的推動器來相對于鏡子2重新對準鏡子4。同樣，可以觸發(或斷開觸發)鏡子2上的推動器。在重新對準一個系統部件之后，也可以重新定位一個或多個其它的系統部件，以維持整個系統適當的對準。在地球或另一個行星、物體或電站上的監控系統也可以監控并改變系統部件的對準。
在一個實施例中，鄰近控制系統13使用互補冗余位置測量設備，如立體攝像機、調制激光二極管和激光器。例如，激光器可以形成光學相干光束的閉環，使得系統部件的相對位置和方位的變化都形成在每個環的檢測器上的干涉圖案的變化。系統內的相對運動也可以形成確定運動方位的光束的多普勒頻移。這些變化和頻移可以被用來維持電力系統部件的相對位置，例如，可達到亞毫米的精度。
在另一個實施例中，多個反向反射器和光學目標被設置在兩個集中器周圍的上面，并被用于有源和無源控制。激光發射機/接收機和光學傳感器被定位在電源模塊上，并且第一折疊鏡子可以監控這些構件的位置和方位。該光學傳感器可以使用立體圖像來測量精確的方位和近似的范圍。
激光束如調制連續波(CW)激光束可以從反向反射器被反射。返回光束的相位可以與被傳輸光束的相位進行比較。脈沖激光束可以通過測量飛行時間從反向反射器被反射，并可以確定獨立的范圍。而且可以從反向反射器反射一組高度相干CW激光束，并與被傳輸的光束比較。
一個干涉條紋的變化可以相當于激光發射譜線的四分之一波長范圍內的變化。利用零差式檢測，光束的多普勒頻移可以形成與范圍的變化率成正比的拍頻。由于激光的頻率非常高，因此可以測量的速率達到每秒鐘一毫米。這樣，可以用鄰近控制系統同時測量位置和徑向速度。此外，可以使用電荷耦合器件(CCD)或立體攝像機利用相鄰系統部件的立體觀測來得到空間角度測量和范圍。這些器件也可以被用來使系統元件回到它們的初始(近似)位置。
在可供選擇的實施例中，鄰近控制系統13主要利用太陽風，其次利用離子推動器和靜電力，來維持電力系統元件的正確位置和方位。反射器和折疊鏡子可以具有安裝在它們周圍上的劃槳狀的結構。劃槳的手柄部分指向徑向方位(相對于鏡子)，使得劃槳可以相對于入射日光旋轉。通過劃槳適當的旋轉，轉矩和力可以被施加到反射器和折疊鏡子。離子發動機可以處理沒有被劃槳除掉的殘留物。此外，對于距離不是太遠的自由飄浮元件，寬松的偽范圍可以提供界限和/或允許僅使用排斥力以在必要的情況下保持定位。這樣，盡管本發明的實施例取消或減少了用于對準系統部件的連接構件，但本發明的這些實施例也適用于其它結構、應用和支持。在另一個實施例中，鄰近控制系統13利用軌道，例如，繞地球或其它天體的軌道，使得由最重的系統元件造成的位置保持燃料的消耗被減到最小。確定其它元件(例如光學或RF系統的折疊鏡子)的位置以保持焦距、對準、瞄準線等。由于近來元件更輕了，所以整個系統所需的位置保持燃料就減少了。這些結構還提供了相對于電源模塊確定反射器位置的更大的靈活性。某些部件可以靠得足夠近，使得電纜可以束縛住它們，并且排斥靜電力可以被用來保持電纜拉緊。
此外，必要時，這些部件可以具有距離或范圍傳感器。例如，圖1說明了距離傳感器2c、4c、5c、8c、10c，它們檢測系統部件之間的距離。根據需要可以采用各種類型以及不同數量的距離傳感器。如果部件落在可接受范圍或軌道以外，則可以觸發一個或多個推動器來對該部件進行重新定位以使其落入到接收范圍以內。
例如，可以利用調制激光二極管測距儀通過比較被傳輸的和接收到的距離信號的調制相位來提供連續的范圍給相鄰的系統部件。作為進一步的例子，脈沖激光測距儀可以通過測量被傳輸的和接收到的信號的飛行時間來提供連續的范圍給相鄰的系統部件。
圖5-17說明了具有自由飄浮元件的電力系統的可供選擇的實施例，并說明了日光是如何被俘獲并進行處理以產生電力的。圖1中所示的控制系統傳感器和推動器在圖5-17中沒有示出，但是，前面所描述的部件也可以用在這些可供選擇的實施例中。此外，圖5-17中所示的系統或部件所采用的方式與圖1中所示的系統相同或相近。這樣，關于利用可供選擇的實施例來產生RF或光學能量的所有細節都不再重復了。可供選擇的實施例中與圖1中所示的部件相同或相近的部件都用相同的附圖標記來表示。
參考圖5，在一個實施例中，基于空間的電力系統包括透鏡系統，該透鏡系統包括拋物線和雙曲線形狀的透鏡，如Cassagrain光學系統、可折疊鏡子和薄膜支撐元件。更具體地，該系統包括主鏡2、鏡子50、如透明薄膜的薄膜50a-d、第一中間鏡子4、模塊、第二中間鏡子52和反射器10，其中上述模塊包括集中器6、太陽能電池7、RF或光學模塊8、RF發射機饋電或光學發射器8和熱面板11(與圖1中相同)。
鏡子50可以是橢圓形的鏡子，并由四個薄膜50a-d支撐。鏡子2和10由兩個薄膜50a-b來支撐。使用這些薄膜是通過利用適當的氣體壓力來維持鏡子2、10和50的適當的形狀。這些鏡子也由可充氣的管子或螺旋管(通常為24)來支撐。可充氣的螺旋管可以在發射之前將其折疊起來，并由氣態或化學空氣罐在軌道上對其充氣一次。
日光射線1通過鏡子2被反射到聚焦點53，從聚焦點53處它們在鏡子50上發散并撞擊。鏡子50通過將光線都會聚到折疊鏡子4來轉播圖像。鏡子4將光線會聚成一個放大的甚至更模糊的焦點(例如，現在的直徑為0.34km)，并將其會聚到光學模塊8的太陽能電池陣列表面7上。
例如，在一個實施例中，太陽能集中器6的拋物面的直徑可以近似為2.25km，焦距為4.125km，光圈數為1.8。同樣，用于傳輸微波的拋物面可以具有2.25km的直徑，5.975km的焦距和2.6的光圈數。在這兩種選定的情況下，在主鏡太陽能收集器的第一焦點53處太陽的焦斑的大小將大約為36米。
通過太陽能電池7產生的直流電功率通過RF或光學電源模塊8被轉換成RF或光學電力。所產生的能量束要匹配陣列表面的尺寸，并提供擬相等的照度。
來自模塊8的能量輻射被指引到折疊鏡子52。折疊鏡子52與折疊鏡子4或5相似，只是鏡子5被構成為反射日光，而鏡子52被構成為反射RF或光學能量。折疊鏡子52指引該能量到反射鏡10，例如，具有拋物線形狀的反射鏡。能量經由擴展射線到達鏡子10的拋物線表面，并將輸出光束12反射到預定位置，例如地球或空間站。如圖5中所示，在這個系統中通過鏡子10反射的光束12基本上是平行光束或受衍射限制的光束。
圖6說明了又一個可供選擇的實施例，該實施例采用了與圖5中所示的系統相似的光學系統。在這個實施例中，這些鏡子由兩個薄膜支撐，而鏡子50如圖1中所示由四個薄膜支撐。
參考圖7，基于空間的電力系統的可供選擇的實施例包括光學系統如折軸光學系統、可充氣的鏡子和四個薄膜的輔助元件。這樣構成這些部件，使得日光的射線達到并準確地直接落到光學模塊8的太陽能電池陣列表面7上。此外，與圖5和6中所示的系統相比，鏡子10將射線反射到地球表面上的一個“點”或多個聚焦點。
圖8說明了又一個可供選擇的實施例。該實施例采用的結構與圖7中所示的相似，只是圖8中所示的系統采用兩個薄膜50a、b來支撐每個鏡子。
圖5-8中所示的實施例用與圖1A中所示的實施例相似的方式工作，只是其它的實施例例如使用不同的薄膜系統和光學部件。
前面所描述的空間電力收集、轉換和傳輸系統組合合作，這是因為收集和傳輸元件以及轉換模塊都具有公共的旋轉軸。這種設置方式允許在每個系統的發送和接收元件之間使各種要采用的“水平”角指向太陽上的一個元件以及在各種周期性的軌道位置過程中朝向地球的一個元件。一個元件的光軸平面繞其它元件的光軸進一步的旋轉允許精確地使發射機的“垂直”軸指向地球上的各個位置，同時支持住定位在太陽上的收集器。
圖9-10說明了發電子系統的實施例。圖9和10中沒有示出無線輸電子系統部件，但是卻可以采用各種輸電子系統，包括前面所描述的子系統以及圖12和13中所示的子系統。
圖9和10的發電子系統的實施例包括可充氣的鏡子、薄膜和多路集中器。具體地，這些實施例包括反射鏡2、一對鏡子50、中間鏡子4和一對模塊，該對模塊具有集中器6、太陽能電池7、RF或光學模塊8、RF發射機饋電或光學發射器和熱面板11(如圖1中所示)。在圖9中所示的實施例中四個支撐薄膜50a-d支撐兩個鏡子50，而在圖10中所示的實施例中由兩個支撐薄膜50a、b支撐鏡子50。在這兩個實施例中，鏡子2包括兩個支撐薄膜50a、b，其中的一個鏡子50大于另一個鏡子50，且模塊(6、7、8、9、11)中的一個大于第二個模塊。如前面所描述的處理由太陽能電池產生并通過發射器8輸出的直流電。
參考圖11，在另一個實施例中，發電子系統可以不包括集中器。這樣，模塊8、發射器9、反射器10和面板部件可以被集成到一起，并經由電力電纜110和集電環112或其它適合的耦合方式連接到太陽能電池7。當日光被入射到太陽能電池上時，由太陽能電池產生的直流電經由電纜110被提供給模塊(8、9、10、11)。模塊將該直流電轉換成RF或光學電力，并且發射器9提供RF或光學電力輸出給相控陣反射器19。
圖12和13說明了無線輸電子系統的實施例，它們傳輸由發電子系統產生的RF或光學能量。可以采用各種發電子系統，包括前面所描述的發電子系統。
參考圖12，輸電子系統的一個實施例采用鏡子4和與輸出光束12的方位正交的集中器系統。從鏡子4反射的日光被指引到由兩個薄膜50a和50b支撐的可充氣的鏡子50。鏡子50將入射的射線反射到具有集中器6、太陽能電池7、模塊8、發射器9和面板11的模塊。太陽能電池產生直流電，該直流電通過發射器9被轉換成RF或光學電力。發射器9的輸出被指引到反射器10，如可充氣的鏡子，該反射器10也是由薄膜支撐的，并反射輸出光束12。
圖13中所示的實施例被構成為用于射頻RF，并采用RF鏡子元件130。更具體地，入射到元件130的RF被反射到具有集中器6、太陽能電池7、模塊8、發射器9和面板11的模塊。由太陽能電池7產生的直流電通過模塊8被轉換成RF能量。發射器9輸出該RF能量到鏡子10，該鏡子10反射該輸出光束12。
圖14-17說明了基于空間的電力系統結構的附加的實施例。例如，圖14所說明的結構是，其中的單個鏡子4被構成為直接將來自主鏡2的日光1反射到集中器6和太陽能電池7，而不是利用第二中間鏡子將日光間接地反射到集中器。發射器9的輸出被提供給反射器10，該反射器10反射該輸出光束12。
圖15說明的結構與圖1中所示的結構相似，只是具有部件6、7、8、9和11的模塊被設在第一和第二鏡子4和52之間。這樣，由發射器9輸出的RF或光學光束通過第二鏡子52被反射，該第二鏡子52反射該光束到反射器10，而該反射器10產生輸出光束12。
圖16說明了這樣一種結構，其中，發電和無線子系統的每一個都包括兩個中間鏡子，如折疊鏡子。更具體地，發電子系統包括主鏡2和中間鏡子4和5如折疊鏡子。來自第二鏡子5的日光被反射到具有太陽能電池7的模塊，其產生直流電。該發射器將該直流電轉換成RF或光學光束，其被輸出到鏡子52，而鏡子52將該光束反射到鏡子160。鏡子160將該光束反射到鏡子10，該鏡子10反射該輸出光束12。
圖17說明了一個實施例，其中，發電和無線子系統的每一個都包括三個中間或折疊鏡子。更具體地，發電子系統包括中間鏡子4、5和170，輸電子系統包括中間鏡子52、172和174。來自鏡子2的入射日光被反射到鏡子4、鏡子5、鏡子170以及太陽能電池7。電池產生直流電，發射器9將該直流電轉換成RF或光學光束，其被輸出到鏡子52，鏡子52將該光束反射到鏡子172、鏡子174，然后反射到反射鏡10，該反射鏡10提供輸出光束12。
已經描述了基于空間的電力系統、發電子系統和輸電子系統的各個方面和實施例，本領域的普通技術人員應理解，所描述和說明的實施例相對于公知的系統是有優點的。
例如，由于取消了系統部件之間的連接構件，從而顯著地減輕了系統的重量。此外，在不使用剛性的連接結構元件的情況下對準自由飄浮的系統元件。而且，這些元件是自由飛行的，并利用鄰近控制系統來確定位置和方位。
此外，基于空間的電力系統可以被提供給各種大小、結構和位置的發電站。例如，基于空間的電力系統可以被提供給位于對地同步軌道(或所關心的任何天體所需的任何其它軌道)內的1GW的發電站。
此外，由于所說明的實施例中的各元件彼此間是相互獨立的(例如，在鄰近控制系統的控制下的自由飛行的物體)，所以主要的結構(太陽能收集器和RF或光學傳輸系統)可以被設在選定的軌道內，用以使系統的位置保持燃料需要減到最小。更小的折疊鏡子可以在其它的軌道內飛行，只要保持整個系統對準且聚焦即可。這樣，這些實施例的靈活性允許減少在軌道上的燃料消耗。
此外，由于在鄰近控制系統的控制下各元件是自由飛行的，所以出現故障的元件可以從適當的位置上被移走，并且替換的元件可以被移到適當的位置上。這種靈活性簡化了軌道上模塊置換的需要并減少了代價很高的停機時間。出現故障的系統元件也可以被放在附近的駐留軌道內，以使得如果在以后可能為了另一項任務需要修理或使用時就能很容易地實現。
基于空間的電力系統也使得大構件的結構能夠位于空中，特別是使發電站的結構能夠位于對地同步軌道內，同時克服了現有系統中典型地依賴沉重的連接構件的缺點。也可以在不利用大量的位置保持燃料或構件的情況下精確地確定系統中這些元件的位置、方位和形狀。
該系統提供的其它優點是，通過涂層2a進行有選擇性的反射，減小了主鏡2上的光子壓力。更具體地，涂層中的機械剩余應力被設定成抵消了太陽能光子壓力，并維持光學平面。有選擇性的反射可以減小主鏡上的太陽能光子壓力，例如減小大約50％。為了進一步減小太陽能電池7上的熱負荷，第一折疊鏡子4可以具有與主鏡2相同的涂層。
此外，通過使用大的光圈，就不再需要大的太陽能電池陣列或一“片”許多個更小的收集器。而且，大的反射器可以收集日光并將日光集中到更小的太陽能電池陣列上。
本領域的普通技術人員應理解，可以使用各種大小、材料、形狀和形式的光學元件來用于其它系統結構。此外，本領域的普通技術人員應理解，這些實施例可以使用各種頻率，包括射頻、紅外線頻率和光頻。
也可以用不同的方式來組裝這些系統部件。例如，這些部件可以沿它們各自的軌道單獨地運動到空中。然后可以調整這些部件的指向用于與其它系統部件對準。
此外，可以在不同的場所和環境中采用這些實施例。例如，可以將電力提供給各種空間的和陸地上的場所，包括，但并不局限于，地球、月球、其它行星、空間站、空間飛行器和衛星。同樣，鄰近控制系統可以控制不同場所的電力系統部件的位置，例如地球、月球、其它行星、空間站、空間飛行器和衛星。也可以用不同數量的鏡子、薄膜、集中器和其它部件來構成這些實施例。此外，系統中不同數量的電力元件可以是自由飄浮的。例如，根據特定的結構或應用，電力系統部件中的少數幾個、大多數或所有的部件都可以是自由飄浮的或者不需要連接器。
在不脫離如所附的權利要求中所列舉的本發明的范圍的情況下，可以對所描述的這些實施例做出一定的無實質性的修改、變化和置換。
權利要求
1.一種基于空間的電力系統，包括在空間中的多個電力系統元件；和控制系統，其中，所述多個元件中的一個或多個元件是自由飄浮的，并且所述多個元件被設置以收集日光，從收集的日光中產生電能并將電能轉換成用于傳輸到預定位置的形式，并且該控制系統維持自由飄浮元件的對準。
2.如權利要求1的系統，所述多個元件包括鏡子。
3.如權利要求2的系統，所述鏡子包括可折疊的鏡子。
4.如權利要求2的系統，所述鏡子包括球面鏡。
5.如權利要求2的系統，所述鏡子的直徑為大約1km到大約2km。
6.如權利要求2的系統，所述鏡子由可充氣管支撐。
7.如權利要求2的系統，所述鏡子包括底座和光學涂層。
8.如權利要求7的系統，其中，所述光學涂層減小鏡子上的光子壓力。
9.如權利要求7的系統，其中，所述光學涂層維持鏡子的形狀。
10.如權利要求2的系統，所述鏡子由薄膜支撐。
11.如權利要求1的系統，所述預定位置包括行星。
12.如權利要求11的系統，所述行星包括地球。
13.如權利要求1的系統，所述預定位置包括空間站或衛星。
14.如權利要求1的系統，所述多個元件包括主鏡；第一中間鏡子，其中，所述主鏡反射日光到所述中間鏡子；電源模塊，其中，所述第一中間鏡子將日光導向所述電源模塊，且所述電源模塊產生電能；發射器；和反射鏡，其中，該發射器將產生的電能轉換成可以被傳輸的形式，并且轉換的能量被提供給反射鏡，其中反射鏡被構成為將轉換的能量傳輸給在預定位置的接收器。
15.如權利要求14的系統，進一步包括第二中間鏡子，其中轉換的能量被提供給該第二中間鏡子，并且該第二中間鏡子將轉換的能量反射到反射鏡。
16.如權利要求14的系統，進一步包括第二中間鏡子，其中，所述主鏡將日光反射到第一中間鏡子，以及第一中間鏡子將日光反射到第二中間鏡子，以及第二中間鏡子將日光反射到電源模塊。
17.如權利要求14的系統，進一步包括集中器，該集中器將來自中間鏡子的日光聚焦到電源模塊上。
18.如權利要求14的系統，其中，所述中間鏡子追蹤主鏡的方位，使得中間鏡子和主鏡都保持彼此對準并與太陽對準。
19.如權利要求14的系統，其中，所述電源模塊產生直流電。
20.如權利要求14的系統，所述電源模塊包括光生伏打模塊。
21.如權利要求20的系統，其中，所述光生伏打模塊的太陽能電池與發射器協同定位。
22.如權利要求14的系統，所述電源模塊包括熱電電源模塊。
23.如權利要求14的系統，其中，所述反射鏡與所述主鏡的尺寸大致相同。
24.如權利要求14的系統，由所述反射鏡反射的轉換的能量被聚焦在所述預定位置的天線上。
25.如權利要求1的系統，其中，所述轉換的能量作為受衍射限制的光束被傳輸。
26.如權利要求1的系統，其中，所述轉換的能量包括射頻能量。
27.如權利要求1的系統，其中，所述轉換的能量包括光學能量。
28.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統調整元件的位置。
29.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統調整元件的方位。
30.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統調整元件的形狀。
31.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統維持所述多個元件中所有元件的對準。
32.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統定位在空間中。
33.如權利要求30的系統，其中，所述控制系統定位在地球上。
34.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統包括位移元件，有選擇性地啟動該位移元件，以調整空間中元件的對準。
35.如權利要求34的系統，所述位移元件包括推動器。
36.如權利要求35的系統，所述推動器包括離子推動器。
37.如權利要求34的系統，在空間中的每個元件都具有位移元件。
38.如權利要求34的系統，其中，所述位移元件改變在空間中元件的位置。
39.如權利要求34的系統，其中，所述位移元件改變在空間中元件的對準。
40.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統包括多個傳感器，其中比較兩個元件的傳感器的數據，以確定該兩個元件是否被適當地對準。
41.如權利要求40的系統，其中，相鄰元件的傳感器被設置成彼此通信。
42.如權利要求40的系統，其中，每個元件都包括位置系統傳感器。
43.如權利要求1的系統，其中，所述控制系統包括多個距離傳感器，其中，來自所述距離傳感器的數據指示兩個元件之間的距離。
44.如權利要求43的系統，其中，每個元件都包括距離傳感器。
45.如權利要求1的系統，所述控制系統利用雷達或激光雷達。
46.如權利要求1的系統，所述控制系統利用干涉圖案，以確定元件是否應被重新對準。
47.如權利要求1的系統，其中，所述元件被構成為使得太陽風調整元件的對準。
48.如權利要求1的系統，其中，所述元件被構成為使得靜電力調整元件的對準。
49.如權利要求1的系統，其中，所述元件被維持在軌道內。
50.如權利要求1的系統，所述多個元件包括直接輻射陣或相控陣天線，該天線傳輸電能到預定位置。
51.如權利要求1的系統，其中，所述多個元件中的多數元件在空間中自由飄浮。
52.如權利要求1的系統，其中，所述多個元件中的所有元件都在空間中自由飄浮。
53.一種基于空間的電力系統，包括在空間中的多個電力系統元件，該多個元件包括主鏡；中間鏡子，其中主鏡將日光導向中間鏡子；電源模塊，其中，中間鏡子將日光導向電源模塊，該電源模塊產生直流電；發射器，其中，發射器將直流電轉換成射頻RF或光學能量；和反射鏡，其中，反光器將該射頻RF或光學能量導向反射鏡，并且該反射鏡將該射頻RF或光學能量導向預定位置的接收器；和控制系統，該控制系統包括多個傳感器，和多個位移元件，其中，該多個元件中的一個或多個元件是自由飄浮的，在空間中的每個元件都包括傳感器和位移元件，并且該控制系統通過響應于傳感器的數據而有選擇性地啟動位移元件來維持空間中自由飄浮元件的對準。
54.如權利要求53的系統，該電源模塊包括光生伏打模塊。
55.如權利要求53的系統，該電源模塊包括熱電電源模塊。
56.如權利要求53的系統，該預定位置包括行星。
57.如權利要求53的系統，該預定位置包括空間站。
58.如權利要求53的系統，該預定位置包括衛星。
59.如權利要求53的系統，該電力系統元件進一步包括集中器，該集中器將來自中間鏡子的日光聚焦到光生伏打模塊上。
60.如權利要求53的系統，其中，所述射頻RF或光學能量被直接提供到反射鏡。
61.如權利要求53的系統，進一步包括第二中間鏡子，其中第一中間鏡子將日光導向該第二中間鏡子，且該第二中間鏡子將日光導向光生伏打模塊。
62.如權利要求53的系統，其中，產生的反射鏡提供受衍射限制的光束。
63.如權利要求53的系統，由所述反射鏡反射的光學能量被聚焦在所述預定位置的天線上。
64.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統調整空間中元件的位置。
65.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統調整空間中元件的方位。
66.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統調整空間中元件的形狀。
67.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統維持在空間中的該多個元件中所有元件的對準。
68.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統調整元件的形狀。
69.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統的位置是在空間中。
70.如權利要求69的系統，其中，所述控制系統的位置是在地球上。
71.如權利要求53的系統，該位移元件包括推動器。
72.如權利要求71的系統，該推動器包括離子推動器。
73.如權利要求53的系統，其中，比較空間中兩個元件的傳感器的數據，以確定該兩個元件是否被適當地對準。
74.如權利要求53的系統，其中，所述控制系統包括多個距離傳感器，其中來自所述距離傳感器的數據指示空間中兩個元件之間的距離。
75.如權利要求53的系統，所述控制系統利用雷達或激光雷達。
76.如權利要求53的系統，所述控制系統利用干涉圖案，以確定空間中的元件是否應被重新對準。
77.如權利要求53的系統，其中，空間中的元件被構成為使得太陽風調整元件的對準。
78.如權利要求53的系統，其中，空間中的元件被構成為使得靜電力調整元件的對準。
79.如權利要求53的系統，其中，空間中的元件被維持在軌道內。
80.如權利要求53的系統，其中，所述電源模塊包括光生伏打模塊。
81.如權利要求53的系統，其中，所述電源模塊包括熱電電源模塊。
82.如權利要求53的系統，所述多個元件包括直接輻射陣或相控陣天線，該天線傳輸電能到所述預定位置。
83.如權利要求53的系統，其中，所述多個元件中的多數元件在空間中自由飄浮。
84.如權利要求53的系統，其中，所述多個元件中的所有元件都在空間中自由飄浮。
85.一種對準電力系統元件以在空間中產生電力并將產生的電力傳輸到預定位置的方法，該方法包括將多個元件和一個控制系統發射到空間中，其中所述多個元件中的一個或多個元件在空間中自由飄浮；定位在空間中的所述元件；和利用所述控制系統維持所述自由飄浮的元件的對準，使得所述電力系統元件被構成用以收集日光；從收集的日光產生電能，并將電能轉換成適合于傳輸到預定位置的形式。
86.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括調整元件的方位。
87.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括調整元件的形狀。
88.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括調整元件的位置。
89.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括啟動推動器以調整電力元件的對準。
90.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括利用雷達或激光雷達維持對準。
91.如權利要求85的方法，維持對準進一步包括利用激光干涉圖案以確定元件是否應被重新對準。
92.如權利要求85的方法，其中所述多個元件中的多數元件在空間中自由飄浮。
93.如權利要求85的系統，其中，所述多個元件中的所有元件都在空間中自由飄浮。
全文摘要
一種基于空間的電力系統。該系統在不利用連接結構的情況下維持系統部件的適當的位置和對準。電力系統元件被發射到軌道內，并且利用控制系統(13)以適當的相對對準方式維持自由飄浮的電力系統元件，例如位置、方位和形狀。
文檔編號G01S19/25GK1742379SQ200380109248
公開日2006年3月1日 申請日期2003年11月26日 優先權日2002年11月26日
發明者詹姆斯·E·羅杰斯, 加里·T·斯皮納克 申請人:索拉雷恩公司