專利名稱：基于空間的電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，更具體地，涉及帶有可對(duì)準(zhǔn)的自由飄浮部件的基于空間的電力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于空間的電力系統(tǒng)利用太陽(yáng)的輻射功率或太陽(yáng)能通量來(lái)產(chǎn)生能量。在地球軌道內(nèi)的太陽(yáng)的太陽(yáng)能常數(shù)或通量近似為1.4kW/m2。例如，在對(duì)地同步軌道或GEO(距離地球22,400英里或36,000公里)內(nèi)，空間太陽(yáng)能電力系統(tǒng)幾乎持續(xù)地暴露在日光中。
在空間電力系統(tǒng)上的太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置和核能裝置產(chǎn)生直流(DC)電，該直流電被轉(zhuǎn)換成傳輸頻率，如射頻、微波頻率和激光頻率。例如，對(duì)于射頻(RF)和微波，所產(chǎn)生的電通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置如磁控管被轉(zhuǎn)換成電力，并通過(guò)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(zhuǎn)換成直流電。該直流電被轉(zhuǎn)換成交流(AC)電，該交流電被傳輸?shù)接糜谂潆姷接脩舻碾娏W(wǎng)。
結(jié)果，一定百分比的太陽(yáng)能常數(shù)被轉(zhuǎn)換成可以使用的電。例如，轉(zhuǎn)換效率為40％的1m2的太陽(yáng)能電池陣列可以產(chǎn)生大約560瓦的電能。一百萬(wàn)平方米或一平方千米效率為40％的太陽(yáng)能電池陣列可以產(chǎn)生大約560兆瓦(MW)的電能。
在二十世紀(jì)六十年代就開(kāi)始發(fā)展利用太陽(yáng)能的原理。在二十世紀(jì)七十年代和八十年代，NASA和能源部開(kāi)始研究傳導(dǎo)衛(wèi)星系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)的低效率且高成本阻止了它們的效率。在二十世紀(jì)九十年代，NASA進(jìn)行了進(jìn)一步的研究并發(fā)展了新的在不同軌道的原理。這些新的系統(tǒng)相對(duì)于早期的研究實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)，但是，已存在的這些原理從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來(lái)講始終都是不可行的。
典型的空間電力系統(tǒng)具有用于能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電子系統(tǒng)和無(wú)線輸電子系統(tǒng)。使用光生伏打電池的公知的系統(tǒng)典型地采用大的太陽(yáng)能電池陣列，以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電。典型地，是利用連接構(gòu)件來(lái)維持系統(tǒng)部件正確的相對(duì)位置。
傳統(tǒng)的空間電力系統(tǒng)可以這樣被改進(jìn)。具體地，為了減輕系統(tǒng)的重量，可以減少或取消電力系統(tǒng)部件之間的連接構(gòu)件。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，連接構(gòu)件可以包括系統(tǒng)的主要重量。例如，某些公知的系統(tǒng)采用具有連接構(gòu)件的空中的傳送天線，這些連接構(gòu)件有好幾公里長(zhǎng)，并且有上百萬(wàn)千公斤重。過(guò)重的連接構(gòu)件可導(dǎo)致增加發(fā)射成本。此外，過(guò)度的重量可使系統(tǒng)部件變形，可能影響系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)、操作和性能。因此，電和機(jī)械連接的重量可成為最大化尺寸系統(tǒng)的限制，而最大化尺寸系統(tǒng)是很有利的實(shí)現(xiàn)方式。此外，可改進(jìn)系統(tǒng)部件的位置、方位和效率，特別是沒(méi)有與連接元件連接起來(lái)的系統(tǒng)部件。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，基于空間的電力系統(tǒng)包括多個(gè)在空間中的電力系統(tǒng)元件和一個(gè)控制系統(tǒng)。一個(gè)或多個(gè)電力系統(tǒng)元件是在空間中自由飄浮的。該控制系統(tǒng)維持自由飄浮元件的對(duì)準(zhǔn)。該多個(gè)元件被設(shè)置成收集日光，從收集到的日光產(chǎn)生電能并將該電能轉(zhuǎn)換成可以被傳輸?shù)筋A(yù)定位置的形式。
在另一個(gè)實(shí)施例中，基于空間的電力系統(tǒng)包括多個(gè)在空間中的電力系統(tǒng)元件和一個(gè)控制系統(tǒng)。該多個(gè)元件中的一個(gè)或多個(gè)元件是在空間中自由飄浮的。該電力系統(tǒng)元件包括主鏡、中間鏡子、電源模塊、發(fā)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(chǎn)生直流電。發(fā)射器將該直流電轉(zhuǎn)換成射頻RF或光學(xué)能量，并且反射鏡將該RF或光學(xué)能量傳輸?shù)筋A(yù)定位置的接收器。該控制系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器和多個(gè)位移元件。在空間中的每個(gè)元件都包括傳感器和位移元件，并且控制系統(tǒng)通過(guò)響應(yīng)于傳感器數(shù)據(jù)有選擇性地觸發(fā)位移元件來(lái)維持在空間中的自由飄浮元件的對(duì)準(zhǔn)。
進(jìn)一步的實(shí)施例涉及對(duì)準(zhǔn)電力系統(tǒng)元件以在空間中產(chǎn)生電力并將產(chǎn)生的電力傳輸?shù)筋A(yù)定位置的方法。該實(shí)施例包括將多個(gè)元件和一個(gè)控制系統(tǒng)發(fā)射到空間中，其中該多個(gè)元件中的一個(gè)或多個(gè)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(tǒng)維持自由飄浮的元件的對(duì)準(zhǔn)，使得電力系統(tǒng)元件被構(gòu)成為收集日光，從收集到的日光產(chǎn)生電能，并將電能轉(zhuǎn)換成適合于傳輸?shù)筋A(yù)定位置的形式。
在系統(tǒng)和方法的實(shí)施例中，電力系統(tǒng)元件可以具有不同的鏡子和鏡子結(jié)構(gòu)，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(xué)涂層以減小光子壓力或維持鏡子形狀的鏡子。電力系統(tǒng)元件可以包括主鏡、第一中間鏡子、電源模塊、發(fā)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(chǎn)生電能。發(fā)射器將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成可以被傳輸并提供給反射鏡的形式，該反射鏡將轉(zhuǎn)換后的能量傳輸?shù)皆陬A(yù)定位置的接收器。而且在系統(tǒng)和方法的實(shí)施例中，利用集中器將來(lái)自中間鏡子的日光聚焦到電源模塊上。
系統(tǒng)和方法的實(shí)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(duì)于光生伏打模塊，太陽(yáng)能電池可以與發(fā)射器協(xié)同定位。轉(zhuǎn)換后的能量或被傳輸?shù)哪芰靠梢允巧漕l或光學(xué)能量。
在系統(tǒng)和方法實(shí)施例中的控制系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整元件的位置、方位來(lái)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)元件的對(duì)準(zhǔn)。該系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，如對(duì)準(zhǔn)或距離傳感器。例如利用雷達(dá)、激光雷達(dá)、干涉圖案、太陽(yáng)風(fēng)、靜電力來(lái)比較兩個(gè)元件的傳感器的數(shù)據(jù)，以確定該兩個(gè)元件是否被適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)并定位在可接受的距離上。其也調(diào)整元件的對(duì)準(zhǔn)。該控制系統(tǒng)可以包括位移元件，如推動(dòng)器，用以調(diào)整系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)。而且在系統(tǒng)和方法的實(shí)施例中，不同數(shù)量的元件，例如多個(gè)或所有元件都在空間中自由飄浮。


現(xiàn)在參考附圖，在整個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記表示對(duì)應(yīng)的各部分，在附圖中圖1A說(shuō)明了帶有自由飄浮部件的基于空間的電力系統(tǒng)的實(shí)施例，并且圖1B-D說(shuō)明了控制電力系統(tǒng)部件的位置和對(duì)準(zhǔn)方式的系統(tǒng)的實(shí)施例的附圖；以及圖1E說(shuō)明了具有相控陣天線的可供選擇的實(shí)施例；圖2A-B說(shuō)明了收集器或主鏡的平面圖和橫截面圖；圖3是系統(tǒng)的鏡子上的涂層的橫截面圖；圖4A-D說(shuō)明了由可充氣結(jié)構(gòu)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(shí)施例的說(shuō)明圖；圖6是利用了可充氣的鏡子和膜元件的實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖7是利用了可充氣的鏡子和膜元件的實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖8是利用了可充氣的鏡子和膜元件的另一個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖9是具有光生伏打電源模塊和太陽(yáng)能集中器的發(fā)電子系統(tǒng)的圖10是具有光生伏打電源模塊和多路太陽(yáng)能集中器的實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖11是具有連接太陽(yáng)能電池和光生伏打模塊部件的電力電纜的發(fā)電子系統(tǒng)的實(shí)施例的說(shuō)明圖；圖12說(shuō)明了無(wú)線輸電系統(tǒng)的實(shí)施例；圖13說(shuō)明了無(wú)線輸電系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例；圖14說(shuō)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(tǒng)的實(shí)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(tǒng)的實(shí)施例；圖16說(shuō)明了在發(fā)電和輸電子系統(tǒng)中的每一個(gè)內(nèi)都具有兩個(gè)中間鏡子的基于空間的電力系統(tǒng)的實(shí)施例；和圖17說(shuō)明了在發(fā)電和輸電子系統(tǒng)中的每一個(gè)內(nèi)都具有三個(gè)中間鏡子的基于空間的電力系統(tǒng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將描述帶有一個(gè)或多個(gè)可對(duì)準(zhǔn)的自由飄浮或自由飛行系統(tǒng)部件的基于空間的電力系統(tǒng)的實(shí)施例。這些實(shí)施例包括可對(duì)準(zhǔn)同時(shí)基本上減少或取消了系統(tǒng)部件之間的連接結(jié)構(gòu)并且利用提供自由飄浮系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)和定位的控制系統(tǒng)的部件。
參考圖1A，基于空間的電力系統(tǒng)“S”的一個(gè)實(shí)施例包括發(fā)電和輸電部件。系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)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(yáng)能電池7的光學(xué)或電源模塊8、發(fā)射機(jī)饋電或發(fā)射器9以及傳輸子系統(tǒng)，該傳輸子系統(tǒng)例如可以包括反射器或輸出鏡子10并且當(dāng)需要時(shí)可包括一個(gè)或多個(gè)其它的鏡子?？刂葡到y(tǒng)13調(diào)整電力系統(tǒng)部件的形狀、位置、方位和對(duì)準(zhǔn)。
為了說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)主要涉及調(diào)整系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)，但對(duì)準(zhǔn)可以包括可影響系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)的形狀、位置、方位和其它調(diào)整。該系統(tǒng)元件被設(shè)置成收集日光，從收集到的日光產(chǎn)生電能并將電能轉(zhuǎn)換成可被傳輸?shù)皆陬A(yù)定位置15處的接收器14的形式，該預(yù)定位置如地球或另一個(gè)定位，在該位置電能被轉(zhuǎn)換并配送到使用者。
更具體地，確定系統(tǒng)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?？梢杂蓸?gòu)件來(lái)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(huán)繞該鏡子2。可以利用化學(xué)或氣態(tài)空氣罐或其它充氣系統(tǒng)來(lái)對(duì)管子24進(jìn)行充氣。
參考圖2和3，主鏡2的一個(gè)實(shí)施例包括底座20，如塑料底座，其被涂敷有一個(gè)或多個(gè)薄膜或光學(xué)涂層22。該光學(xué)涂層反射最適合用于太陽(yáng)能電池7的日光1的選定部分(例如特定的波長(zhǎng))。該有選擇性的反射還減小了鏡子2上的光子力。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，各種適合的底座和涂層組合都可被用于不同的鏡子結(jié)構(gòu)和反射以及太陽(yáng)能電池需要。
再次參考圖1A，通過(guò)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(gè)鏡子2和4保持對(duì)準(zhǔn)。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(shè)計(jì)。
例如，參考圖4A-D，基于空間的電力系統(tǒng)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(yáng)能電池7上的熱負(fù)荷。該涂層42也減小了在折疊鏡子上的太陽(yáng)能光子壓力。涂層內(nèi)的機(jī)械剩余應(yīng)力可以被設(shè)定到需要抵消太陽(yáng)能光子壓力的值上，并維持光學(xué)平面。圖4還說(shuō)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(zhuǎn)，鏡子5追蹤集中器6。利用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，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(gè)或多個(gè)集中器6，如非成像集中器。集中器6對(duì)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(guī)則性進(jìn)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(xué)電源模塊8的太陽(yáng)能電池7。利用集中器可使得能利用整個(gè)太陽(yáng)能電池晶片，致使更有效地產(chǎn)生能量。
各種集中器6的焦距可以被用來(lái)得到反射到太陽(yáng)能電池7或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備上的日光的正確放大率。例如，典型地，太陽(yáng)對(duì)向的角度近似為1a.u.(從太陽(yáng)到地球的距離)0.5度。這樣，例如，焦斑的大小可以是系統(tǒng)焦距的0.00873倍。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，各種電源模塊可用于不同的實(shí)施例和系統(tǒng)。例如，如附圖中所示，該電源模塊是采用太陽(yáng)能電池的光生伏打電源模塊?？晒┻x擇的電源模塊包括渦輪、熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和核電源。進(jìn)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(gè)表面之間產(chǎn)生一連接點(diǎn)，用以發(fā)電。為了解釋和說(shuō)明，而不是為了限制的目的，本說(shuō)明書(shū)涉及帶有太陽(yáng)能電池7的光生伏打電源模塊。
在一個(gè)實(shí)施例中，太陽(yáng)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(yáng)能電池7到模塊8的電纜。取消了這些連接件減小了系統(tǒng)的體積。此外，通過(guò)減小或消除由于連接電纜中的阻性(I2R)熱量而導(dǎo)致產(chǎn)生的功率損耗而減小了系統(tǒng)中的功率損耗。這種設(shè)置方式也不需要典型地與部件連接件有關(guān)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(yáng)能電池7的間距設(shè)置還使得可使熱量被傳導(dǎo)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(gè)射頻RF或光學(xué)電源模塊8的專用太陽(yáng)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(shè)置也是很有利的，這是因?yàn)樘?yáng)能電池與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備協(xié)同定位，這樣減小了這些部件之間的連接件的長(zhǎng)度或者取消了這些部件之間的連接件。這些部件的協(xié)同定位在利用連接結(jié)構(gòu)的典型公知系統(tǒng)中是行不通的，這是因?yàn)樾枰衅鱽?lái)追蹤太陽(yáng)而同時(shí)射頻RF或光學(xué)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(yáng)能電池7與空間的直接觀察隔開(kāi)，這樣保護(hù)了太陽(yáng)能電池7。更具體地，太陽(yáng)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(yáng)能電池與空間的直接觀察隔開(kāi)了，只留下中心在入射的日光上的一個(gè)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(yáng)能電池在所有方位上都被屏蔽了，因此不需要太陽(yáng)能電池蓋片(例如玻璃)和其它保護(hù)蓋。結(jié)果，通過(guò)取消這些部件而進(jìn)一步減小了電力系統(tǒng)的重量。
由太陽(yáng)能電池7產(chǎn)生的直流電力通過(guò)射頻RF或光學(xué)電源模塊8被轉(zhuǎn)換成可被傳輸?shù)男问?，如射頻RF或光學(xué)電力。該射頻RF或光學(xué)電力通過(guò)RF饋電或光學(xué)發(fā)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(yù)定位置。例如，該RF饋電或光學(xué)發(fā)射器9可以被設(shè)置在直接輻射陣或相控陣天線19內(nèi)(參見(jiàn)圖1E)，這樣就不需要反射器10了。太陽(yáng)能電池7、電源模塊8和RF饋電或光學(xué)發(fā)射器9的余熱通過(guò)熱面板11被輻射到空間。
這樣構(gòu)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(yù)定位置或電站，并傳輸日光。通過(guò)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(dǎo)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(jī)械應(yīng)力有關(guān)的剩余光子壓力可以被用來(lái)維持反射表面的正確的形狀。這種設(shè)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?？晒┻x擇地，這樣構(gòu)成光學(xué)鏡子10，使得涂層反射所需的光學(xué)波長(zhǎng)并傳輸不想要的太陽(yáng)能輻射。
由反射器或鏡子10反射的RF或光學(xué)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(gè)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(xué)傳感器測(cè)量光束的波形形狀和視軸。反饋電路17計(jì)算接收到的光束的各方面，并將控制信號(hào)發(fā)送回給控制系統(tǒng)，用以調(diào)整一個(gè)或多個(gè)部件的對(duì)準(zhǔn)，例如，調(diào)整部件的形狀、位置或方位。
例如，如果發(fā)射器9和反射器10沒(méi)有被適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)，則可以調(diào)整這些部件中的一個(gè)或兩個(gè)，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(gè)例子，可以調(diào)整發(fā)射器9的形狀。
鄰近控制系統(tǒng)13或單獨(dú)控制系統(tǒng)被用來(lái)調(diào)整各種電力系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)，這些電力系統(tǒng)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(tǒng)也可以維持傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟嚸娴男螤?。可以通過(guò)控制系統(tǒng)執(zhí)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(gè)實(shí)施例中，控制系統(tǒng)13包括傳感器系統(tǒng)和位移系統(tǒng)，以響應(yīng)于傳感器數(shù)據(jù)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，基于空間的電力系統(tǒng)可以具有不同多個(gè)自由飄浮的系統(tǒng)元件。例如，一個(gè)或多個(gè)、大多數(shù)或所有的元件可以在空間中自由飄浮。該控制系統(tǒng)可以被構(gòu)成為用來(lái)調(diào)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(duì)準(zhǔn)。但是，為了說(shuō)明而不是為了限制的目的，本說(shuō)明書(shū)涉及對(duì)準(zhǔn)自由飄浮的電力系統(tǒng)元件的控制系統(tǒng)。例如，來(lái)自控制系統(tǒng)元件或傳感器如雷達(dá)和激光雷達(dá)傳感器的數(shù)據(jù)可以表示兩個(gè)或多個(gè)部件的對(duì)準(zhǔn)。該位移系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)推動(dòng)器元件，其可以響應(yīng)于傳感器數(shù)據(jù)而被觸發(fā)或斷開(kāi)觸發(fā)，以調(diào)整對(duì)準(zhǔn)。
參考圖1A，在一個(gè)實(shí)施例中，鄰近控制系統(tǒng)的位置是在空間中，并通常包括在對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)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(dòng)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(shí)施例只是說(shuō)明了各種鄰近控制結(jié)構(gòu)，這些鄰近控制結(jié)構(gòu)采用了不同數(shù)量和位置的鄰近控制系統(tǒng)部件。
例如，參考圖1B-D，在另一個(gè)實(shí)施例中，主鏡2包括四個(gè)傳感器，中間鏡子4和5包括八個(gè)傳感器。圖1C和1D說(shuō)明了示出一個(gè)可能的傳感器設(shè)置方式的橫截面圖。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，在主鏡2上設(shè)置了四個(gè)鄰近控制系統(tǒng)傳感器2a，并在鏡子4上設(shè)置了對(duì)應(yīng)的四個(gè)傳感器4a，用以查看或彼此通信。同樣，在鏡子4上設(shè)置了四個(gè)附加的鄰近控制系統(tǒng)傳感器4a，并在鏡子5上設(shè)置了對(duì)應(yīng)的四個(gè)傳感器5a，用以彼此聯(lián)系。在鏡子5上設(shè)置了四個(gè)附加的單元5a，并在模塊8上設(shè)置了四個(gè)單元8a，用以彼此聯(lián)系。此外，在發(fā)射器9上設(shè)置了四個(gè)單元9a，并在反射器10上設(shè)置了四個(gè)單元10，用以彼此聯(lián)系。
由于具有這種結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用三個(gè)傳感器單元，而該組中的第四個(gè)單元起到備用單元的作用。該第四個(gè)單元也可以被用來(lái)解決其它單元的異常動(dòng)作。此外，如果只應(yīng)用了一個(gè)傳感器單元，則其它的三個(gè)單元可以被用來(lái)交叉校驗(yàn)該第一個(gè)單元。
這樣，在所說(shuō)明的實(shí)施例中，控制系統(tǒng)根據(jù)相鄰元件的傳感器之間的聯(lián)系來(lái)進(jìn)行調(diào)整，上述相鄰元件也即通過(guò)反射或接收日光或其它信號(hào)而彼此聯(lián)系的元件。例如，主鏡2、折疊鏡子4和5、光學(xué)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(lián)系，在鏡子4和5上的傳感器彼此聯(lián)系，在鏡子5和光學(xué)模塊8上的傳感器彼此聯(lián)系，以及在光學(xué)模塊8和反射鏡10上的傳感器彼此聯(lián)系?？刂齐娐繁粯?gòu)成為用來(lái)根據(jù)前一個(gè)所描述部件對(duì)的對(duì)準(zhǔn)來(lái)調(diào)整系統(tǒng)部件?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)部件的其它數(shù)量以及其它種組合的對(duì)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
這樣，例如，響應(yīng)于鏡子2和4之間的傳感器數(shù)據(jù)，可以觸發(fā)(或斷開(kāi)觸發(fā))鏡子4上的推動(dòng)器來(lái)相對(duì)于鏡子2重新對(duì)準(zhǔn)鏡子4。同樣，可以觸發(fā)(或斷開(kāi)觸發(fā))鏡子2上的推動(dòng)器。在重新對(duì)準(zhǔn)一個(gè)系統(tǒng)部件之后，也可以重新定位一個(gè)或多個(gè)其它的系統(tǒng)部件，以維持整個(gè)系統(tǒng)適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)。在地球或另一個(gè)行星、物體或電站上的監(jiān)控系統(tǒng)也可以監(jiān)控并改變系統(tǒng)部件的對(duì)準(zhǔn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，鄰近控制系統(tǒng)13使用互補(bǔ)冗余位置測(cè)量設(shè)備，如立體攝像機(jī)、調(diào)制激光二極管和激光器。例如，激光器可以形成光學(xué)相干光束的閉環(huán)，使得系統(tǒng)部件的相對(duì)位置和方位的變化都形成在每個(gè)環(huán)的檢測(cè)器上的干涉圖案的變化。系統(tǒng)內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以形成確定運(yùn)動(dòng)方位的光束的多普勒頻移。這些變化和頻移可以被用來(lái)維持電力系統(tǒng)部件的相對(duì)位置，例如，可達(dá)到亞毫米的精度。
在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)反向反射器和光學(xué)目標(biāo)被設(shè)置在兩個(gè)集中器周圍的上面，并被用于有源和無(wú)源控制。激光發(fā)射機(jī)/接收機(jī)和光學(xué)傳感器被定位在電源模塊上，并且第一折疊鏡子可以監(jiān)控這些構(gòu)件的位置和方位。該光學(xué)傳感器可以使用立體圖像來(lái)測(cè)量精確的方位和近似的范圍。
激光束如調(diào)制連續(xù)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(jìn)行比較。脈沖激光束可以通過(guò)測(cè)量飛行時(shí)間從反向反射器被反射，并可以確定獨(dú)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?shù)墓馐容^。
一個(gè)干涉條紋的變化可以相當(dāng)于激光發(fā)射譜線的四分之一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的變化。利用零差式檢測(cè)，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(cè)量的速率達(dá)到每秒鐘一毫米。這樣，可以用鄰近控制系統(tǒng)同時(shí)測(cè)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(jī)利用相鄰系統(tǒng)部件的立體觀測(cè)來(lái)得到空間角度測(cè)量和范圍。這些器件也可以被用來(lái)使系統(tǒng)元件回到它們的初始(近似)位置。
在可供選擇的實(shí)施例中，鄰近控制系統(tǒng)13主要利用太陽(yáng)風(fēng)，其次利用離子推動(dòng)器和靜電力，來(lái)維持電力系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。劃槳的手柄部分指向徑向方位(相對(duì)于鏡子)，使得劃槳可以相對(duì)于入射日光旋轉(zhuǎn)。通過(guò)劃槳適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩和力可以被施加到反射器和折疊鏡子。離子發(fā)動(dòng)機(jī)可以處理沒(méi)有被劃槳除掉的殘留物。此外，對(duì)于距離不是太遠(yuǎn)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(fā)明的實(shí)施例取消或減少了用于對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)部件的連接構(gòu)件，但本發(fā)明的這些實(shí)施例也適用于其它結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和支持。在另一個(gè)實(shí)施例中，鄰近控制系統(tǒng)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(tǒng)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(xué)或RF系統(tǒng)的折疊鏡子)的位置以保持焦距、對(duì)準(zhǔn)、瞄準(zhǔn)線等。由于近來(lái)元件更輕了，所以整個(gè)系統(tǒng)所需的位置保持燃料就減少了。這些結(jié)構(gòu)還提供了相對(duì)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(lái)保持電纜拉緊。
此外，必要時(shí)，這些部件可以具有距離或范圍傳感器。例如，圖1說(shuō)明了距離傳感器2c、4c、5c、8c、10c，它們檢測(cè)系統(tǒng)部件之間的距離。根據(jù)需要可以采用各種類型以及不同數(shù)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(fā)一個(gè)或多個(gè)推動(dòng)器來(lái)對(duì)該部件進(jìn)行重新定位以使其落入到接收范圍以內(nèi)。
例如，可以利用調(diào)制激光二極管測(cè)距儀通過(guò)比較被傳輸?shù)暮徒邮盏降木嚯x信號(hào)的調(diào)制相位來(lái)提供連續(xù)的范圍給相鄰的系統(tǒng)部件。作為進(jìn)一步的例子，脈沖激光測(cè)距儀可以通過(guò)測(cè)量被傳輸?shù)暮徒邮盏降男盘?hào)的飛行時(shí)間來(lái)提供連續(xù)的范圍給相鄰的系統(tǒng)部件。
圖5-17說(shuō)明了具有自由飄浮元件的電力系統(tǒng)的可供選擇的實(shí)施例，并說(shuō)明了日光是如何被俘獲并進(jìn)行處理以產(chǎn)生電力的。圖1中所示的控制系統(tǒng)傳感器和推動(dòng)器在圖5-17中沒(méi)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(shí)施例中。此外，圖5-17中所示的系統(tǒng)或部件所采用的方式與圖1中所示的系統(tǒng)相同或相近。這樣，關(guān)于利用可供選擇的實(shí)施例來(lái)產(chǎn)生RF或光學(xué)能量的所有細(xì)節(jié)都不再重復(fù)了?？晒┻x擇的實(shí)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(biāo)記來(lái)表示。
參考圖5，在一個(gè)實(shí)施例中，基于空間的電力系統(tǒng)包括透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)包括拋物線和雙曲線形狀的透鏡，如Cassagrain光學(xué)系統(tǒng)、可折疊鏡子和薄膜支撐元件。更具體地，該系統(tǒng)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(yáng)能電池7、RF或光學(xué)模塊8、RF發(fā)射機(jī)饋電或光學(xué)發(fā)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(gè)薄膜50a-d支撐。鏡子2和10由兩個(gè)薄膜50a-b來(lái)支撐。使用這些薄膜是通過(guò)利用適當(dāng)?shù)臍怏w壓力來(lái)維持鏡子2、10和50的適當(dāng)?shù)男螤?。這些鏡子也由可充氣的管子或螺旋管(通常為24)來(lái)支撐?？沙錃獾穆菪芸梢栽诎l(fā)射之前將其折疊起來(lái)，并由氣態(tài)或化學(xué)空氣罐在軌道上對(duì)其充氣一次。
日光射線1通過(guò)鏡子2被反射到聚焦點(diǎn)53，從聚焦點(diǎn)53處它們?cè)阽R子50上發(fā)散并撞擊。鏡子50通過(guò)將光線都會(huì)聚到折疊鏡子4來(lái)轉(zhuǎn)播圖像。鏡子4將光線會(huì)聚成一個(gè)放大的甚至更模糊的焦點(diǎn)(例如，現(xiàn)在的直徑為0.34km)，并將其會(huì)聚到光學(xué)模塊8的太陽(yáng)能電池陣列表面7上。
例如，在一個(gè)實(shí)施例中，太陽(yáng)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(shù)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(shù)。在這兩種選定的情況下，在主鏡太陽(yáng)能收集器的第一焦點(diǎn)53處太陽(yáng)的焦斑的大小將大約為36米。
通過(guò)太陽(yáng)能電池7產(chǎn)生的直流電功率通過(guò)RF或光學(xué)電源模塊8被轉(zhuǎn)換成RF或光學(xué)電力。所產(chǎn)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(lái)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(gòu)成為反射日光，而鏡子52被構(gòu)成為反射RF或光學(xué)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(jīng)由擴(kuò)展射線到達(dá)鏡子10的拋物線表面，并將輸出光束12反射到預(yù)定位置，例如地球或空間站。如圖5中所示，在這個(gè)系統(tǒng)中通過(guò)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(shuō)明了又一個(gè)可供選擇的實(shí)施例，該實(shí)施例采用了與圖5中所示的系統(tǒng)相似的光學(xué)系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施例中，這些鏡子由兩個(gè)薄膜支撐，而鏡子50如圖1中所示由四個(gè)薄膜支撐。
參考圖7，基于空間的電力系統(tǒng)的可供選擇的實(shí)施例包括光學(xué)系統(tǒng)如折軸光學(xué)系統(tǒng)、可充氣的鏡子和四個(gè)薄膜的輔助元件。這樣構(gòu)成這些部件，使得日光的射線達(dá)到并準(zhǔn)確地直接落到光學(xué)模塊8的太陽(yáng)能電池陣列表面7上。此外，與圖5和6中所示的系統(tǒng)相比，鏡子10將射線反射到地球表面上的一個(gè)“點(diǎn)”或多個(gè)聚焦點(diǎn)。
圖8說(shuō)明了又一個(gè)可供選擇的實(shí)施例。該實(shí)施例采用的結(jié)構(gòu)與圖7中所示的相似，只是圖8中所示的系統(tǒng)采用兩個(gè)薄膜50a、b來(lái)支撐每個(gè)鏡子。
圖5-8中所示的實(shí)施例用與圖1A中所示的實(shí)施例相似的方式工作，只是其它的實(shí)施例例如使用不同的薄膜系統(tǒng)和光學(xué)部件。
前面所描述的空間電力收集、轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)組合合作，這是因?yàn)槭占蛡鬏斣约稗D(zhuǎn)換模塊都具有公共的旋轉(zhuǎn)軸。這種設(shè)置方式允許在每個(gè)系統(tǒng)的發(fā)送和接收元件之間使各種要采用的“水平”角指向太陽(yáng)上的一個(gè)元件以及在各種周期性的軌道位置過(guò)程中朝向地球的一個(gè)元件。一個(gè)元件的光軸平面繞其它元件的光軸進(jìn)一步的旋轉(zhuǎn)允許精確地使發(fā)射機(jī)的“垂直”軸指向地球上的各個(gè)位置，同時(shí)支持住定位在太陽(yáng)上的收集器。
圖9-10說(shuō)明了發(fā)電子系統(tǒng)的實(shí)施例。圖9和10中沒(méi)有示出無(wú)線輸電子系統(tǒng)部件，但是卻可以采用各種輸電子系統(tǒng)，包括前面所描述的子系統(tǒng)以及圖12和13中所示的子系統(tǒng)。
圖9和10的發(fā)電子系統(tǒng)的實(shí)施例包括可充氣的鏡子、薄膜和多路集中器。具體地，這些實(shí)施例包括反射鏡2、一對(duì)鏡子50、中間鏡子4和一對(duì)模塊，該對(duì)模塊具有集中器6、太陽(yáng)能電池7、RF或光學(xué)模塊8、RF發(fā)射機(jī)饋電或光學(xué)發(fā)射器和熱面板11(如圖1中所示)。在圖9中所示的實(shí)施例中四個(gè)支撐薄膜50a-d支撐兩個(gè)鏡子50，而在圖10中所示的實(shí)施例中由兩個(gè)支撐薄膜50a、b支撐鏡子50。在這兩個(gè)實(shí)施例中，鏡子2包括兩個(gè)支撐薄膜50a、b，其中的一個(gè)鏡子50大于另一個(gè)鏡子50，且模塊(6、7、8、9、11)中的一個(gè)大于第二個(gè)模塊。如前面所描述的處理由太陽(yáng)能電池產(chǎn)生并通過(guò)發(fā)射器8輸出的直流電。
參考圖11，在另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電子系統(tǒng)可以不包括集中器。這樣，模塊8、發(fā)射器9、反射器10和面板部件可以被集成到一起，并經(jīng)由電力電纜110和集電環(huán)112或其它適合的耦合方式連接到太陽(yáng)能電池7。當(dāng)日光被入射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，由太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)由電纜110被提供給模塊(8、9、10、11)。模塊將該直流電轉(zhuǎn)換成RF或光學(xué)電力，并且發(fā)射器9提供RF或光學(xué)電力輸出給相控陣反射器19。
圖12和13說(shuō)明了無(wú)線輸電子系統(tǒng)的實(shí)施例，它們傳輸由發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的RF或光學(xué)能量。可以采用各種發(fā)電子系統(tǒng)，包括前面所描述的發(fā)電子系統(tǒng)。
參考圖12，輸電子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)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(tǒng)。從鏡子4反射的日光被指引到由兩個(gè)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(yáng)能電池7、模塊8、發(fā)射器9和面板11的模塊。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生直流電，該直流電通過(guò)發(fā)射器9被轉(zhuǎn)換成RF或光學(xué)電力。發(fā)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(shí)施例被構(gòu)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(yáng)能電池7、模塊8、發(fā)射器9和面板11的模塊。由太陽(yáng)能電池7產(chǎn)生的直流電通過(guò)模塊8被轉(zhuǎn)換成RF能量。發(fā)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(shuō)明了基于空間的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的附加的實(shí)施例。例如，圖14所說(shuō)明的結(jié)構(gòu)是，其中的單個(gè)鏡子4被構(gòu)成為直接將來(lái)自主鏡2的日光1反射到集中器6和太陽(yáng)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(fā)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(shuō)明的結(jié)構(gòu)與圖1中所示的結(jié)構(gòu)相似，只是具有部件6、7、8、9和11的模塊被設(shè)在第一和第二鏡子4和52之間。這樣，由發(fā)射器9輸出的RF或光學(xué)光束通過(guò)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(chǎn)生輸出光束12。
圖16說(shuō)明了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，發(fā)電和無(wú)線子系統(tǒng)的每一個(gè)都包括兩個(gè)中間鏡子，如折疊鏡子。更具體地，發(fā)電子系統(tǒng)包括主鏡2和中間鏡子4和5如折疊鏡子。來(lái)自第二鏡子5的日光被反射到具有太陽(yáng)能電池7的模塊，其產(chǎn)生直流電。該發(fā)射器將該直流電轉(zhuǎn)換成RF或光學(xué)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(shuō)明了一個(gè)實(shí)施例，其中，發(fā)電和無(wú)線子系統(tǒng)的每一個(gè)都包括三個(gè)中間或折疊鏡子。更具體地，發(fā)電子系統(tǒng)包括中間鏡子4、5和170，輸電子系統(tǒng)包括中間鏡子52、172和174。來(lái)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(yáng)能電池7。電池產(chǎn)生直流電，發(fā)射器9將該直流電轉(zhuǎn)換成RF或光學(xué)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(jīng)描述了基于空間的電力系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)和輸電子系統(tǒng)的各個(gè)方面和實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，所描述和說(shuō)明的實(shí)施例相對(duì)于公知的系統(tǒng)是有優(yōu)點(diǎn)的。
例如，由于取消了系統(tǒng)部件之間的連接構(gòu)件，從而顯著地減輕了系統(tǒng)的重量。此外，在不使用剛性的連接結(jié)構(gòu)元件的情況下對(duì)準(zhǔn)自由飄浮的系統(tǒng)元件。而且，這些元件是自由飛行的，并利用鄰近控制系統(tǒng)來(lái)確定位置和方位。
此外，基于空間的電力系統(tǒng)可以被提供給各種大小、結(jié)構(gòu)和位置的發(fā)電站。例如，基于空間的電力系統(tǒng)可以被提供給位于對(duì)地同步軌道(或所關(guān)心的任何天體所需的任何其它軌道)內(nèi)的1GW的發(fā)電站。
此外，由于所說(shuō)明的實(shí)施例中的各元件彼此間是相互獨(dú)立的(例如，在鄰近控制系統(tǒng)的控制下的自由飛行的物體)，所以主要的結(jié)構(gòu)(太陽(yáng)能收集器和RF或光學(xué)傳輸系統(tǒng))可以被設(shè)在選定的軌道內(nèi)，用以使系統(tǒng)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(nèi)飛行，只要保持整個(gè)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)且聚焦即可。這樣，這些實(shí)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(tǒng)的控制下各元件是自由飛行的，所以出現(xiàn)故障的元件可以從適當(dāng)?shù)奈恢蒙媳灰谱?，并且替換的元件可以被移到適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。這種靈活性簡(jiǎn)化了軌道上模塊置換的需要并減少了代價(jià)很高的停機(jī)時(shí)間。出現(xiàn)故障的系統(tǒng)元件也可以被放在附近的駐留軌道內(nèi)，以使得如果在以后可能為了另一項(xiàng)任務(wù)需要修理或使用時(shí)就能很容易地實(shí)現(xiàn)。
基于空間的電力系統(tǒng)也使得大構(gòu)件的結(jié)構(gòu)能夠位于空中，特別是使發(fā)電站的結(jié)構(gòu)能夠位于對(duì)地同步軌道內(nèi)，同時(shí)克服了現(xiàn)有系統(tǒng)中典型地依賴沉重的連接構(gòu)件的缺點(diǎn)。也可以在不利用大量的位置保持燃料或構(gòu)件的情況下精確地確定系統(tǒng)中這些元件的位置、方位和形狀。
該系統(tǒng)提供的其它優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)涂層2a進(jìn)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(jī)械剩余應(yīng)力被設(shè)定成抵消了太陽(yáng)能光子壓力，并維持光學(xué)平面。有選擇性的反射可以減小主鏡上的太陽(yáng)能光子壓力，例如減小大約50％。為了進(jìn)一步減小太陽(yáng)能電池7上的熱負(fù)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(guò)使用大的光圈，就不再需要大的太陽(yáng)能電池陣列或一“片”許多個(gè)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(yáng)能電池陣列上。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以使用各種大小、材料、形狀和形式的光學(xué)元件來(lái)用于其它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，這些實(shí)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(lái)組裝這些系統(tǒng)部件。例如，這些部件可以沿它們各自的軌道單獨(dú)地運(yùn)動(dòng)到空中。然后可以調(diào)整這些部件的指向用于與其它系統(tǒng)部件對(duì)準(zhǔn)。
此外，可以在不同的場(chǎng)所和環(huán)境中采用這些實(shí)施例。例如，可以將電力提供給各種空間的和陸地上的場(chǎng)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(wèi)星。同樣，鄰近控制系統(tǒng)可以控制不同場(chǎng)所的電力系統(tǒng)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(wèi)星。也可以用不同數(shù)量的鏡子、薄膜、集中器和其它部件來(lái)構(gòu)成這些實(shí)施例。此外，系統(tǒng)中不同數(shù)量的電力元件可以是自由飄浮的。例如，根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)或應(yīng)用，電力系統(tǒng)部件中的少數(shù)幾個(gè)、大多數(shù)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(quán)利要求中所列舉的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)所描述的這些實(shí)施例做出一定的無(wú)實(shí)質(zhì)性的修改、變化和置換。
權(quán)利要求
1.一種基于空間的電力系統(tǒng)，包括在空間中的多個(gè)電力系統(tǒng)元件；和控制系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)元件中的一個(gè)或多個(gè)元件是自由飄浮的，并且所述多個(gè)元件被設(shè)置以收集日光，從收集的日光中產(chǎn)生電能并將電能轉(zhuǎn)換成用于傳輸?shù)筋A(yù)定位置的形式，并且該控制系統(tǒng)維持自由飄浮元件的對(duì)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述多個(gè)元件包括鏡子。
3.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子包括可折疊的鏡子。
4.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子包括球面鏡。
5.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子的直徑為大約1km到大約2km。
6.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子由可充氣管支撐。
7.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子包括底座和光學(xué)涂層。
8.如權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)涂層減小鏡子上的光子壓力。
9.如權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)涂層維持鏡子的形狀。
10.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，所述鏡子由薄膜支撐。
11.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述預(yù)定位置包括行星。
12.如權(quán)利要求11的系統(tǒng)，所述行星包括地球。
13.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述預(yù)定位置包括空間站或衛(wèi)星。
14.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述多個(gè)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(dǎo)向所述電源模塊，且所述電源模塊產(chǎn)生電能；發(fā)射器；和反射鏡，其中，該發(fā)射器將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成可以被傳輸?shù)男问?，并且轉(zhuǎn)換的能量被提供給反射鏡，其中反射鏡被構(gòu)成為將轉(zhuǎn)換的能量傳輸給在預(yù)定位置的接收器。
15.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二中間鏡子，其中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的能量反射到反射鏡。
16.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進(jìn)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(quán)利要求14的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括集中器，該集中器將來(lái)自中間鏡子的日光聚焦到電源模塊上。
18.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，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(duì)準(zhǔn)并與太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)。
19.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述電源模塊產(chǎn)生直流電。
20.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，所述電源模塊包括光生伏打模塊。
21.如權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中，所述光生伏打模塊的太陽(yáng)能電池與發(fā)射器協(xié)同定位。
22.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，所述電源模塊包括熱電電源模塊。
23.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述反射鏡與所述主鏡的尺寸大致相同。
24.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，由所述反射鏡反射的轉(zhuǎn)換的能量被聚焦在所述預(yù)定位置的天線上。
25.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換的能量作為受衍射限制的光束被傳輸。
26.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換的能量包括射頻能量。
27.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換的能量包括光學(xué)能量。
28.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整元件的位置。
29.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整元件的方位。
30.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整元件的形狀。
31.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)維持所述多個(gè)元件中所有元件的對(duì)準(zhǔn)。
32.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)定位在空間中。
33.如權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)定位在地球上。
34.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括位移元件，有選擇性地啟動(dòng)該位移元件，以調(diào)整空間中元件的對(duì)準(zhǔn)。
35.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，所述位移元件包括推動(dòng)器。
36.如權(quán)利要求35的系統(tǒng)，所述推動(dòng)器包括離子推動(dòng)器。
37.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，在空間中的每個(gè)元件都具有位移元件。
38.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中，所述位移元件改變?cè)诳臻g中元件的位置。
39.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中，所述位移元件改變?cè)诳臻g中元件的對(duì)準(zhǔn)。
40.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，其中比較兩個(gè)元件的傳感器的數(shù)據(jù)，以確定該兩個(gè)元件是否被適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)。
41.如權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中，相鄰元件的傳感器被設(shè)置成彼此通信。
42.如權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中，每個(gè)元件都包括位置系統(tǒng)傳感器。
43.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括多個(gè)距離傳感器，其中，來(lái)自所述距離傳感器的數(shù)據(jù)指示兩個(gè)元件之間的距離。
44.如權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其中，每個(gè)元件都包括距離傳感器。
45.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)利用雷達(dá)或激光雷達(dá)。
46.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)利用干涉圖案，以確定元件是否應(yīng)被重新對(duì)準(zhǔn)。
47.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述元件被構(gòu)成為使得太陽(yáng)風(fēng)調(diào)整元件的對(duì)準(zhǔn)。
48.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述元件被構(gòu)成為使得靜電力調(diào)整元件的對(duì)準(zhǔn)。
49.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述元件被維持在軌道內(nèi)。
50.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所述多個(gè)元件包括直接輻射陣或相控陣天線，該天線傳輸電能到預(yù)定位置。
51.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)元件中的多數(shù)元件在空間中自由飄浮。
52.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)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(tǒng)，包括在空間中的多個(gè)電力系統(tǒng)元件，該多個(gè)元件包括主鏡；中間鏡子，其中主鏡將日光導(dǎo)向中間鏡子；電源模塊，其中，中間鏡子將日光導(dǎo)向電源模塊，該電源模塊產(chǎn)生直流電；發(fā)射器，其中，發(fā)射器將直流電轉(zhuǎn)換成射頻RF或光學(xué)能量；和反射鏡，其中，反光器將該射頻RF或光學(xué)能量導(dǎo)向反射鏡，并且該反射鏡將該射頻RF或光學(xué)能量導(dǎo)向預(yù)定位置的接收器；和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，和多個(gè)位移元件，其中，該多個(gè)元件中的一個(gè)或多個(gè)元件是自由飄浮的，在空間中的每個(gè)元件都包括傳感器和位移元件，并且該控制系統(tǒng)通過(guò)響應(yīng)于傳感器的數(shù)據(jù)而有選擇性地啟動(dòng)位移元件來(lái)維持空間中自由飄浮元件的對(duì)準(zhǔn)。
54.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該電源模塊包括光生伏打模塊。
55.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該電源模塊包括熱電電源模塊。
56.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該預(yù)定位置包括行星。
57.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該預(yù)定位置包括空間站。
58.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該預(yù)定位置包括衛(wèi)星。
59.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)元件進(jìn)一步包括集中器，該集中器將來(lái)自中間鏡子的日光聚焦到光生伏打模塊上。
60.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述射頻RF或光學(xué)能量被直接提供到反射鏡。
61.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二中間鏡子，其中第一中間鏡子將日光導(dǎo)向該第二中間鏡子，且該第二中間鏡子將日光導(dǎo)向光生伏打模塊。
62.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，產(chǎn)生的反射鏡提供受衍射限制的光束。
63.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，由所述反射鏡反射的光學(xué)能量被聚焦在所述預(yù)定位置的天線上。
64.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整空間中元件的位置。
65.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整空間中元件的方位。
66.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整空間中元件的形狀。
67.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)維持在空間中的該多個(gè)元件中所有元件的對(duì)準(zhǔn)。
68.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)調(diào)整元件的形狀。
69.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)的位置是在空間中。
70.如權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)的位置是在地球上。
71.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，該位移元件包括推動(dòng)器。
72.如權(quán)利要求71的系統(tǒng)，該推動(dòng)器包括離子推動(dòng)器。
73.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，比較空間中兩個(gè)元件的傳感器的數(shù)據(jù)，以確定該兩個(gè)元件是否被適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)。
74.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括多個(gè)距離傳感器，其中來(lái)自所述距離傳感器的數(shù)據(jù)指示空間中兩個(gè)元件之間的距離。
75.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)利用雷達(dá)或激光雷達(dá)。
76.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)利用干涉圖案，以確定空間中的元件是否應(yīng)被重新對(duì)準(zhǔn)。
77.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，空間中的元件被構(gòu)成為使得太陽(yáng)風(fēng)調(diào)整元件的對(duì)準(zhǔn)。
78.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，空間中的元件被構(gòu)成為使得靜電力調(diào)整元件的對(duì)準(zhǔn)。
79.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，空間中的元件被維持在軌道內(nèi)。
80.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述電源模塊包括光生伏打模塊。
81.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述電源模塊包括熱電電源模塊。
82.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，所述多個(gè)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(yù)定位置。
83.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)元件中的多數(shù)元件在空間中自由飄浮。
84.如權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)元件中的所有元件都在空間中自由飄浮。
85.一種對(duì)準(zhǔn)電力系統(tǒng)元件以在空間中產(chǎn)生電力并將產(chǎn)生的電力傳輸?shù)筋A(yù)定位置的方法，該方法包括將多個(gè)元件和一個(gè)控制系統(tǒng)發(fā)射到空間中，其中所述多個(gè)元件中的一個(gè)或多個(gè)元件在空間中自由飄?。欢ㄎ辉诳臻g中的所述元件；和利用所述控制系統(tǒng)維持所述自由飄浮的元件的對(duì)準(zhǔn)，使得所述電力系統(tǒng)元件被構(gòu)成用以收集日光；從收集的日光產(chǎn)生電能，并將電能轉(zhuǎn)換成適合于傳輸?shù)筋A(yù)定位置的形式。
86.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括調(diào)整元件的方位。
87.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括調(diào)整元件的形狀。
88.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括調(diào)整元件的位置。
89.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括啟動(dòng)推動(dòng)器以調(diào)整電力元件的對(duì)準(zhǔn)。
90.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括利用雷達(dá)或激光雷達(dá)維持對(duì)準(zhǔn)。
91.如權(quán)利要求85的方法，維持對(duì)準(zhǔn)進(jìn)一步包括利用激光干涉圖案以確定元件是否應(yīng)被重新對(duì)準(zhǔn)。
92.如權(quán)利要求85的方法，其中所述多個(gè)元件中的多數(shù)元件在空間中自由飄浮。
93.如權(quán)利要求85的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)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(tǒng)。該系統(tǒng)在不利用連接結(jié)構(gòu)的情況下維持系統(tǒng)部件的適當(dāng)?shù)奈恢煤蛯?duì)準(zhǔn)。電力系統(tǒng)元件被發(fā)射到軌道內(nèi)，并且利用控制系統(tǒng)(13)以適當(dāng)?shù)南鄬?duì)對(duì)準(zhǔn)方式維持自由飄浮的電力系統(tǒng)元件，例如位置、方位和形狀。
文檔編號(hào)G01S19/25GK1742379SQ200380109248
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2003年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月26日
發(fā)明者詹姆斯·E·羅杰斯, 加里·T·斯皮納克 申請(qǐng)人:索拉雷恩公司