专利名称：基于空间的电力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统，更具体地，涉及带有可对准的自由飘浮部件的基于空间的电力系统。
背景技术：
基于空间的电力系统利用太阳的辐射功率或太阳能通量来产生能量。在地球轨道内的太阳的太阳能常数或通量近似为1.4kW/m2。例如，在对地同步轨道或GEO(距离地球22,400英里或36,000公里)内，空间太阳能电力系统几乎持续地暴露在日光中。
在空间电力系统上的太阳能电池、太阳能转换装置和核能装置产生直流(DC)电，该直流电被转换成传输频率，如射频、微波频率和激光频率。例如，对于射频(RF)和微波，所产生的电通过转换装置如磁控管被转换成电力，并通过天线被聚焦。被聚焦的能量被指引到接收器，并且接收天线(“硅整流二极管天线”)将功率射束转换成直流电。该直流电被转换成交流(AC)电，该交流电被传输到用于配电到用户的电力网。
结果，一定百分比的太阳能常数被转换成可以使用的电。例如，转换效率为40％的1m2的太阳能电池阵列可以产生大约560瓦的电能。一百万平方米或一平方千米效率为40％的太阳能电池阵列可以产生大约560兆瓦(MW)的电能。
在二十世纪六十年代就开始发展利用太阳能的原理。在二十世纪七十年代和八十年代，NASA和能源部开始研究传导卫星系统，但这些系统的低效率且高成本阻止了它们的效率。在二十世纪九十年代，NASA进行了进一步的研究并发展了新的在不同轨道的原理。这些新的系统相对于早期的研究实现了改进，但是，已存在的这些原理从经济学角度来讲始终都是不可行的。
典型的空间电力系统具有用于能量转换的发电子系统和无线输电子系统。使用光生伏打电池的公知的系统典型地采用大的太阳能电池阵列，以将太阳能转换成电。典型地，是利用连接构件来维持系统部件正确的相对位置。
传统的空间电力系统可以这样被改进。具体地，为了减轻系统的重量，可以减少或取消电力系统部件之间的连接构件。在传统的系统中，连接构件可以包括系统的主要重量。例如，某些公知的系统采用具有连接构件的空中的传送天线，这些连接构件有好几公里长，并且有上百万千公斤重。过重的连接构件可导致增加发射成本。此外，过度的重量可使系统部件变形，可能影响系统的对准、操作和性能。因此，电和机械连接的重量可成为最大化尺寸系统的限制，而最大化尺寸系统是很有利的实现方式。此外，可改进系统部件的位置、方位和效率，特别是没有与连接元件连接起来的系统部件。
发明内容
在一个实施例中，基于空间的电力系统包括多个在空间中的电力系统元件和一个控制系统。一个或多个电力系统元件是在空间中自由飘浮的。该控制系统维持自由飘浮元件的对准。该多个元件被设置成收集日光，从收集到的日光产生电能并将该电能转换成可以被传输到预定位置的形式。
在另一个实施例中，基于空间的电力系统包括多个在空间中的电力系统元件和一个控制系统。该多个元件中的一个或多个元件是在空间中自由飘浮的。该电力系统元件包括主镜、中间镜子、电源模块、发射器和反射镜。该主镜将日光指引到中间镜子。中间镜子将日光指引到电源模块，该电源模块产生直流电。发射器将该直流电转换成射频RF或光学能量，并且反射镜将该RF或光学能量传输到预定位置的接收器。该控制系统包括多个传感器和多个位移元件。在空间中的每个元件都包括传感器和位移元件，并且控制系统通过响应于传感器数据有选择性地触发位移元件来维持在空间中的自由飘浮元件的对准。
进一步的实施例涉及对准电力系统元件以在空间中产生电力并将产生的电力传输到预定位置的方法。该实施例包括将多个元件和一个控制系统发射到空间中，其中该多个元件中的一个或多个元件是在空间中自由飘浮的；确定元件在空间中的位置；利用控制系统维持自由飘浮的元件的对准，使得电力系统元件被构成为收集日光，从收集到的日光产生电能，并将电能转换成适合于传输到预定位置的形式。
在系统和方法的实施例中，电力系统元件可以具有不同的镜子和镜子结构，例如，可以是可折叠的镜子、球面镜、由可充气的管子或薄膜支撑的镜子以及具有光学涂层以减小光子压力或维持镜子形状的镜子。电力系统元件可以包括主镜、第一中间镜子、电源模块、发射器和反射镜。第一中间镜子将日光指引到电源模块，以及该电源模块产生电能。发射器将产生的电能转换成可以被传输并提供给反射镜的形式，该反射镜将转换后的能量传输到在预定位置的接收器。而且在系统和方法的实施例中，利用集中器将来自中间镜子的日光聚焦到电源模块上。
系统和方法的实施例可以采用不同的电源模块，例如，光生伏打和热电电源模块。对于光生伏打模块，太阳能电池可以与发射器协同定位。转换后的能量或被传输的能量可以是射频或光学能量。
在系统和方法实施例中的控制系统可以通过调整元件的位置、方位来调整一个或多个系统元件的对准。该系统包括多个传感器，如对准或距离传感器。例如利用雷达、激光雷达、干涉图案、太阳风、静电力来比较两个元件的传感器的数据，以确定该两个元件是否被适当地对准并定位在可接受的距离上。其也调整元件的对准。该控制系统可以包括位移元件，如推动器，用以调整系统部件的对准。而且在系统和方法的实施例中，不同数量的元件，例如多个或所有元件都在空间中自由飘浮。
现在参考附图，在整个附图中相同的附图标记表示对应的各部分，在附图中图1A说明了带有自由飘浮部件的基于空间的电力系统的实施例，并且图1B-D说明了控制电力系统部件的位置和对准方式的系统的实施例的附图；以及图1E说明了具有相控阵天线的可供选择的实施例；图2A-B说明了收集器或主镜的平面图和横截面图；图3是系统的镜子上的涂层的横截面图；图4A-D说明了由可充气结构支撑的镜子的不同的视图；图5是利用了可充气的镜子和膜元件的实施例的说明图；图6是利用了可充气的镜子和膜元件的实施例的说明图；图7是利用了可充气的镜子和膜元件的实施例的说明图；图8是利用了可充气的镜子和膜元件的另一个实施例的说明图；图9是具有光生伏打电源模块和太阳能集中器的发电子系统的图10是具有光生伏打电源模块和多路太阳能集中器的实施例的说明图；图11是具有连接太阳能电池和光生伏打模块部件的电力电缆的发电子系统的实施例的说明图；图12说明了无线输电系统的实施例；图13说明了无线输电系统的另一个实施例；图14说明了具有镜子和将输出直接提供给反射镜的电源模块的基于空间的电力系统的实施例；图15示出了具有定位在中间镜子之间的电源模块的基于空间的电力系统的实施例；图16说明了在发电和输电子系统中的每一个内都具有两个中间镜子的基于空间的电力系统的实施例；和图17说明了在发电和输电子系统中的每一个内都具有三个中间镜子的基于空间的电力系统的实施例。
具体实施例方式
现在将描述带有一个或多个可对准的自由飘浮或自由飞行系统部件的基于空间的电力系统的实施例。这些实施例包括可对准同时基本上减少或取消了系统部件之间的连接结构并且利用提供自由飘浮系统部件的对准和定位的控制系统的部件。
参考图1A，基于空间的电力系统“S”的一个实施例包括发电和输电部件。系统的一个实施例包括沿轨道绕轴3的主或收集镜2、中间镜子4和5、带有集中器6的面板11、带有太阳能电池7的光学或电源模块8、发射机馈电或发射器9以及传输子系统，该传输子系统例如可以包括反射器或输出镜子10并且当需要时可包括一个或多个其它的镜子。控制系统13调整电力系统部件的形状、位置、方位和对准。
为了说明，本说明书主要涉及调整系统部件的对准，但对准可以包括可影响系统部件的对准的形状、位置、方位和其它调整。该系统元件被设置成收集日光，从收集到的日光产生电能并将电能转换成可被传输到在预定位置15处的接收器14的形式，该预定位置如地球或另一个定位，在该位置电能被转换并配送到使用者。
更具体地，确定系统部件的位置，使得日光1被入射到主镜2上。主镜2例如可以是近似球面镜。主镜2可以具有各种尺寸，例如其直径大约为1千米到大约2千米。可以由构件来支撑主镜(以及如下面所描述的其它镜子)。例如，参考图2A-B，可充气的管子或螺旋管24(通常为24)可环绕该镜子2。可以利用化学或气态空气罐或其它充气系统来对管子24进行充气。
参考图2和3，主镜2的一个实施例包括底座20，如塑料底座，其被涂敷有一个或多个薄膜或光学涂层22。该光学涂层反射最适合用于太阳能电池7的日光1的选定部分(例如特定的波长)。该有选择性的反射还减小了镜子2上的光子力。本领域的普通技术人员应认识到，各种适合的底座和涂层组合都可被用于不同的镜子结构和反射以及太阳能电池需要。
再次参考图1A，通过主镜2将日光1反射到第一中间镜子4，如扁平可折叠的镜子。镜子4追踪主镜2的方位，使得两个镜子2和4保持对准。第一折叠镜子4反射入射日光1到第二中间镜子5如折叠镜子上。第二折叠镜子5可以与第一折叠镜子4相同，或者具有另一种适合的设计。
例如，参考图4A-D，基于空间的电力系统中的镜子可以是扁平的镜子，其包括塑料底座40和涂层42，例如，与主镜2上的涂层22相同的涂层。例如，在镜子2、4和5上具有相同的涂层减小了太阳能电池7上的热负荷。该涂层42也减小了在折叠镜子上的太阳能光子压力。涂层内的机械剩余应力可以被设定到需要抵消太阳能光子压力的值上，并维持光学平面。图4还说明了这些镜子还可以包括可充气的支撑件44。
再次参考图1A，镜子4绕轴3旋转，镜子5追踪集中器6。利用适当的调节，第一折叠镜子4反射入射日光1到第二折叠镜子5上。第二镜子5反射光到一个或多个集中器6，如非成像集中器。集中器6对从第二折叠镜子5接收到的日光1反射光束中的空间不规则性进行放大，并将其消除。集中器6的输出被指引到射频RF或光学电源模块8的太阳能电池7。利用集中器可使得能利用整个太阳能电池晶片，致使更有效地产生能量。
各种集中器6的焦距可以被用来得到反射到太阳能电池7或其它转换设备上的日光的正确放大率。例如，典型地，太阳对向的角度近似为1a.u.(从太阳到地球的距离)0.5度。这样，例如，焦斑的大小可以是系统焦距的0.00873倍。
本领域的普通技术人员应认识到，各种电源模块可用于不同的实施例和系统。例如，如附图中所示，该电源模块是采用太阳能电池的光生伏打电源模块。可供选择的电源模块包括涡轮、热力发动机和核电源。进一步可供选择的电源模块是热电电源模块。热电电源模块利用温度梯度，例如，加热器前表面和冷却器后表面，其在两个表面之间产生一连接点，用以发电。为了解释和说明，而不是为了限制的目的，本说明书涉及带有太阳能电池7的光生伏打电源模块。
在一个实施例中，太阳能电池7安装在模块8输入电极的附近。这样，就不需要从太阳能电池7到模块8的电缆。取消了这些连接件减小了系统的体积。此外，通过减小或消除由于连接电缆中的阻性(I2R)热量而导致产生的功率损耗而减小了系统中的功率损耗。这种设置方式也不需要典型地与部件连接件有关的其它部件，如绝缘件。取消这些部件还减小了电源模块的重量，提高了电池的性能，并减小了电池成本。
太阳能电池7的间距设置还使得可使热量被传导到热面板11，而热面板11将热量辐射到空间。而且，集中器6提供了用于每个射频RF或光学电源模块8的专用太阳能电池7。这样，集中器提供了入射日光1的有效的利用。这种设置也是很有利的，这是因为太阳能电池与能量转换设备协同定位，这样减小了这些部件之间的连接件的长度或者取消了这些部件之间的连接件。这些部件的协同定位在利用连接结构的典型公知系统中是行不通的，这是因为需要集中器来追踪太阳而同时射频RF或光学部分保持指向地球上用户的变电站。
带有折叠镜子5的集中器6将太阳能电池7与空间的直接观察隔开，这样保护了太阳能电池7。更具体地，太阳能电池被安装在电源模块上，集中器被安装在电池上方，这样就将太阳能电池与空间的直接观察隔开了，只留下中心在入射的日光上的一个很小的立体角。第二折叠镜子起到在最后方位上的屏蔽的作用，使得太阳能电池在所有方位上都被屏蔽了，因此不需要太阳能电池盖片(例如玻璃)和其它保护盖。结果，通过取消这些部件而进一步减小了电力系统的重量。
由太阳能电池7产生的直流电力通过射频RF或光学电源模块8被转换成可被传输的形式，如射频RF或光学电力。该射频RF或光学电力通过RF馈电或光学发射器9被辐射到RF反射器、输出镜子10(通常为反射器10)或直接辐射到预定位置。例如，该RF馈电或光学发射器9可以被设置在直接辐射阵或相控阵天线19内(参见图1E)，这样就不需要反射器10了。太阳能电池7、电源模块8和RF馈电或光学发射器9的余热通过热面板11被辐射到空间。
这样构成反射器10，使得涂层或入射表面反射电力到地球或其它预定位置或电站，并传输日光。通过传输日光1，反射器10上的光子压力被减小或几乎被消除。由于反射器10可以像主镜2一样大，所以减小光子压力导致非常显著地减小了反射器10的位置保持所需要的燃料。但是，由于具有主镜2，所以，与反射电力并传输日光1的涂层的选定剩余机械应力有关的剩余光子压力可以被用来维持反射表面的正确的形状。这种设置方式可以减小反射器10的重量，例如，减小直到大约66％或更多。可供选择地，这样构成光学镜子10，使得涂层反射所需的光学波长并传输不想要的太阳能辐射。
由反射器或镜子10反射的RF或光学电力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个所希望的位置15上的地上天线或收集器14。在天线或收集器上的一组RF/光学传感器测量光束的波形形状和视轴。反馈电路17计算接收到的光束的各方面，并将控制信号发送回给控制系统，用以调整一个或多个部件的对准，例如，调整部件的形状、位置或方位。
例如，如果发射器9和反射器10没有被适当地对准，则可以调整这些部件中的一个或两个，使得从反射器10反射的光束12被指引到接收天线14。作为又一个例子，可以调整发射器9的形状。
邻近控制系统13或单独控制系统被用来调整各种电力系统部件的对准，这些电力系统部件例如，主或传输镜、中间镜子如折叠镜子、反射器、子反射器和天线馈电线。该控制系统也可以维持传输的电磁波的波阵面的形状。可以通过控制系统执行的其它功能包括有源镜子控制、相位共轭和有源天线控制。
在一个实施例中，控制系统13包括传感器系统和位移系统，以响应于传感器数据调整一个或多个系统部件的对准。本领域的普通技术人员应认识到，基于空间的电力系统可以具有不同多个自由飘浮的系统元件。例如，一个或多个、大多数或所有的元件可以在空间中自由飘浮。该控制系统可以被构成为用来调整自由飘浮元件和非自由飘浮元件(例如，拴到其它元件上)的对准。但是，为了说明而不是为了限制的目的，本说明书涉及对准自由飘浮的电力系统元件的控制系统。例如，来自控制系统元件或传感器如雷达和激光雷达传感器的数据可以表示两个或多个部件的对准。该位移系统可以包括一个或多个推动器元件，其可以响应于传感器数据而被触发或断开触发，以调整对准。
参考图1A，在一个实施例中，邻近控制系统的位置是在空间中，并通常包括在对应的电力系统部件2、4、5、8和10上的控制单元或传感器2a、b(通常为2a)、4a、b(通常为4a)、5a、b(通常为5a)、8a、b(通常为8a)、10a、b(通常为10a)和推动器2d、e(通常为2d)、4d、e(通常为4d)、5d、e(通常为5d)、8d、e(通常为8d)、10d、e(通常为10d)。图1A中所示的实施例只是说明了各种邻近控制结构，这些邻近控制结构采用了不同数量和位置的邻近控制系统部件。
例如，参考图1B-D，在另一个实施例中，主镜2包括四个传感器，中间镜子4和5包括八个传感器。图1C和1D说明了示出一个可能的传感器设置方式的横截面图。在所说明的实施例中，在主镜2上设置了四个邻近控制系统传感器2a，并在镜子4上设置了对应的四个传感器4a，用以查看或彼此通信。同样，在镜子4上设置了四个附加的邻近控制系统传感器4a，并在镜子5上设置了对应的四个传感器5a，用以彼此联系。在镜子5上设置了四个附加的单元5a，并在模块8上设置了四个单元8a，用以彼此联系。此外，在发射器9上设置了四个单元9a，并在反射器10上设置了四个单元10，用以彼此联系。
由于具有这种结构，可以应用三个传感器单元，而该组中的第四个单元起到备用单元的作用。该第四个单元也可以被用来解决其它单元的异常动作。此外，如果只应用了一个传感器单元，则其它的三个单元可以被用来交叉校验该第一个单元。
这样，在所说明的实施例中，控制系统根据相邻元件的传感器之间的联系来进行调整，上述相邻元件也即通过反射或接收日光或其它信号而彼此联系的元件。例如，主镜2、折叠镜子4和5、光学模块8和反射镜10都可以包括传感器。在镜子2和4上的传感器彼此联系，在镜子4和5上的传感器彼此联系，在镜子5和光学模块8上的传感器彼此联系，以及在光学模块8和反射镜10上的传感器彼此联系。控制电路被构成为用来根据前一个所描述部件对的对准来调整系统部件。可以根据系统部件的其它数量以及其它种组合的对准来进行调整。
这样，例如，响应于镜子2和4之间的传感器数据，可以触发(或断开触发)镜子4上的推动器来相对于镜子2重新对准镜子4。同样，可以触发(或断开触发)镜子2上的推动器。在重新对准一个系统部件之后，也可以重新定位一个或多个其它的系统部件，以维持整个系统适当的对准。在地球或另一个行星、物体或电站上的监控系统也可以监控并改变系统部件的对准。
在一个实施例中，邻近控制系统13使用互补冗余位置测量设备，如立体摄像机、调制激光二极管和激光器。例如，激光器可以形成光学相干光束的闭环，使得系统部件的相对位置和方位的变化都形成在每个环的检测器上的干涉图案的变化。系统内的相对运动也可以形成确定运动方位的光束的多普勒频移。这些变化和频移可以被用来维持电力系统部件的相对位置，例如，可达到亚毫米的精度。
在另一个实施例中，多个反向反射器和光学目标被设置在两个集中器周围的上面，并被用于有源和无源控制。激光发射机/接收机和光学传感器被定位在电源模块上，并且第一折叠镜子可以监控这些构件的位置和方位。该光学传感器可以使用立体图像来测量精确的方位和近似的范围。
激光束如调制连续波(CW)激光束可以从反向反射器被反射。返回光束的相位可以与被传输光束的相位进行比较。脉冲激光束可以通过测量飞行时间从反向反射器被反射，并可以确定独立的范围。而且可以从反向反射器反射一组高度相干CW激光束，并与被传输的光束比较。
一个干涉条纹的变化可以相当于激光发射谱线的四分之一波长范围内的变化。利用零差式检测，光束的多普勒频移可以形成与范围的变化率成正比的拍频。由于激光的频率非常高，因此可以测量的速率达到每秒钟一毫米。这样，可以用邻近控制系统同时测量位置和径向速度。此外，可以使用电荷耦合器件(CCD)或立体摄像机利用相邻系统部件的立体观测来得到空间角度测量和范围。这些器件也可以被用来使系统元件回到它们的初始(近似)位置。
在可供选择的实施例中，邻近控制系统13主要利用太阳风，其次利用离子推动器和静电力，来维持电力系统元件的正确位置和方位。反射器和折叠镜子可以具有安装在它们周围上的划桨状的结构。划桨的手柄部分指向径向方位(相对于镜子)，使得划桨可以相对于入射日光旋转。通过划桨适当的旋转，转矩和力可以被施加到反射器和折叠镜子。离子发动机可以处理没有被划桨除掉的残留物。此外，对于距离不是太远的自由飘浮元件，宽松的伪范围可以提供界限和/或允许仅使用排斥力以在必要的情况下保持定位。这样，尽管本发明的实施例取消或减少了用于对准系统部件的连接构件，但本发明的这些实施例也适用于其它结构、应用和支持。在另一个实施例中，邻近控制系统13利用轨道，例如，绕地球或其它天体的轨道，使得由最重的系统元件造成的位置保持燃料的消耗被减到最小。确定其它元件(例如光学或RF系统的折叠镜子)的位置以保持焦距、对准、瞄准线等。由于近来元件更轻了，所以整个系统所需的位置保持燃料就减少了。这些结构还提供了相对于电源模块确定反射器位置的更大的灵活性。某些部件可以靠得足够近，使得电缆可以束缚住它们，并且排斥静电力可以被用来保持电缆拉紧。
此外，必要时，这些部件可以具有距离或范围传感器。例如，图1说明了距离传感器2c、4c、5c、8c、10c，它们检测系统部件之间的距离。根据需要可以采用各种类型以及不同数量的距离传感器。如果部件落在可接受范围或轨道以外，则可以触发一个或多个推动器来对该部件进行重新定位以使其落入到接收范围以内。
例如，可以利用调制激光二极管测距仪通过比较被传输的和接收到的距离信号的调制相位来提供连续的范围给相邻的系统部件。作为进一步的例子，脉冲激光测距仪可以通过测量被传输的和接收到的信号的飞行时间来提供连续的范围给相邻的系统部件。
图5-17说明了具有自由飘浮元件的电力系统的可供选择的实施例，并说明了日光是如何被俘获并进行处理以产生电力的。图1中所示的控制系统传感器和推动器在图5-17中没有示出，但是，前面所描述的部件也可以用在这些可供选择的实施例中。此外，图5-17中所示的系统或部件所采用的方式与图1中所示的系统相同或相近。这样，关于利用可供选择的实施例来产生RF或光学能量的所有细节都不再重复了。可供选择的实施例中与图1中所示的部件相同或相近的部件都用相同的附图标记来表示。
参考图5，在一个实施例中，基于空间的电力系统包括透镜系统，该透镜系统包括抛物线和双曲线形状的透镜，如Cassagrain光学系统、可折叠镜子和薄膜支撑元件。更具体地，该系统包括主镜2、镜子50、如透明薄膜的薄膜50a-d、第一中间镜子4、模块、第二中间镜子52和反射器10，其中上述模块包括集中器6、太阳能电池7、RF或光学模块8、RF发射机馈电或光学发射器8和热面板11(与图1中相同)。
镜子50可以是椭圆形的镜子，并由四个薄膜50a-d支撑。镜子2和10由两个薄膜50a-b来支撑。使用这些薄膜是通过利用适当的气体压力来维持镜子2、10和50的适当的形状。这些镜子也由可充气的管子或螺旋管(通常为24)来支撑。可充气的螺旋管可以在发射之前将其折叠起来，并由气态或化学空气罐在轨道上对其充气一次。
日光射线1通过镜子2被反射到聚焦点53，从聚焦点53处它们在镜子50上发散并撞击。镜子50通过将光线都会聚到折叠镜子4来转播图像。镜子4将光线会聚成一个放大的甚至更模糊的焦点(例如，现在的直径为0.34km)，并将其会聚到光学模块8的太阳能电池阵列表面7上。
例如，在一个实施例中，太阳能集中器6的抛物面的直径可以近似为2.25km，焦距为4.125km，光圈数为1.8。同样，用于传输微波的抛物面可以具有2.25km的直径，5.975km的焦距和2.6的光圈数。在这两种选定的情况下，在主镜太阳能收集器的第一焦点53处太阳的焦斑的大小将大约为36米。
通过太阳能电池7产生的直流电功率通过RF或光学电源模块8被转换成RF或光学电力。所产生的能量束要匹配阵列表面的尺寸，并提供拟相等的照度。
来自模块8的能量辐射被指引到折叠镜子52。折叠镜子52与折叠镜子4或5相似，只是镜子5被构成为反射日光，而镜子52被构成为反射RF或光学能量。折叠镜子52指引该能量到反射镜10，例如，具有抛物线形状的反射镜。能量经由扩展射线到达镜子10的抛物线表面，并将输出光束12反射到预定位置，例如地球或空间站。如图5中所示，在这个系统中通过镜子10反射的光束12基本上是平行光束或受衍射限制的光束。
图6说明了又一个可供选择的实施例，该实施例采用了与图5中所示的系统相似的光学系统。在这个实施例中，这些镜子由两个薄膜支撑，而镜子50如图1中所示由四个薄膜支撑。
参考图7，基于空间的电力系统的可供选择的实施例包括光学系统如折轴光学系统、可充气的镜子和四个薄膜的辅助元件。这样构成这些部件，使得日光的射线达到并准确地直接落到光学模块8的太阳能电池阵列表面7上。此外，与图5和6中所示的系统相比，镜子10将射线反射到地球表面上的一个“点”或多个聚焦点。
图8说明了又一个可供选择的实施例。该实施例采用的结构与图7中所示的相似，只是图8中所示的系统采用两个薄膜50a、b来支撑每个镜子。
图5-8中所示的实施例用与图1A中所示的实施例相似的方式工作，只是其它的实施例例如使用不同的薄膜系统和光学部件。
前面所描述的空间电力收集、转换和传输系统组合合作，这是因为收集和传输元件以及转换模块都具有公共的旋转轴。这种设置方式允许在每个系统的发送和接收元件之间使各种要采用的“水平”角指向太阳上的一个元件以及在各种周期性的轨道位置过程中朝向地球的一个元件。一个元件的光轴平面绕其它元件的光轴进一步的旋转允许精确地使发射机的“垂直”轴指向地球上的各个位置，同时支持住定位在太阳上的收集器。
图9-10说明了发电子系统的实施例。图9和10中没有示出无线输电子系统部件，但是却可以采用各种输电子系统，包括前面所描述的子系统以及图12和13中所示的子系统。
图9和10的发电子系统的实施例包括可充气的镜子、薄膜和多路集中器。具体地，这些实施例包括反射镜2、一对镜子50、中间镜子4和一对模块，该对模块具有集中器6、太阳能电池7、RF或光学模块8、RF发射机馈电或光学发射器和热面板11(如图1中所示)。在图9中所示的实施例中四个支撑薄膜50a-d支撑两个镜子50，而在图10中所示的实施例中由两个支撑薄膜50a、b支撑镜子50。在这两个实施例中，镜子2包括两个支撑薄膜50a、b，其中的一个镜子50大于另一个镜子50，且模块(6、7、8、9、11)中的一个大于第二个模块。如前面所描述的处理由太阳能电池产生并通过发射器8输出的直流电。
参考图11，在另一个实施例中，发电子系统可以不包括集中器。这样，模块8、发射器9、反射器10和面板部件可以被集成到一起，并经由电力电缆110和集电环112或其它适合的耦合方式连接到太阳能电池7。当日光被入射到太阳能电池上时，由太阳能电池产生的直流电经由电缆110被提供给模块(8、9、10、11)。模块将该直流电转换成RF或光学电力，并且发射器9提供RF或光学电力输出给相控阵反射器19。
图12和13说明了无线输电子系统的实施例，它们传输由发电子系统产生的RF或光学能量。可以采用各种发电子系统，包括前面所描述的发电子系统。
参考图12，输电子系统的一个实施例采用镜子4和与输出光束12的方位正交的集中器系统。从镜子4反射的日光被指引到由两个薄膜50a和50b支撑的可充气的镜子50。镜子50将入射的射线反射到具有集中器6、太阳能电池7、模块8、发射器9和面板11的模块。太阳能电池产生直流电，该直流电通过发射器9被转换成RF或光学电力。发射器9的输出被指引到反射器10，如可充气的镜子，该反射器10也是由薄膜支撑的，并反射输出光束12。
图13中所示的实施例被构成为用于射频RF，并采用RF镜子元件130。更具体地，入射到元件130的RF被反射到具有集中器6、太阳能电池7、模块8、发射器9和面板11的模块。由太阳能电池7产生的直流电通过模块8被转换成RF能量。发射器9输出该RF能量到镜子10，该镜子10反射该输出光束12。
图14-17说明了基于空间的电力系统结构的附加的实施例。例如，图14所说明的结构是，其中的单个镜子4被构成为直接将来自主镜2的日光1反射到集中器6和太阳能电池7，而不是利用第二中间镜子将日光间接地反射到集中器。发射器9的输出被提供给反射器10，该反射器10反射该输出光束12。
图15说明的结构与图1中所示的结构相似，只是具有部件6、7、8、9和11的模块被设在第一和第二镜子4和52之间。这样，由发射器9输出的RF或光学光束通过第二镜子52被反射，该第二镜子52反射该光束到反射器10，而该反射器10产生输出光束12。
图16说明了这样一种结构，其中，发电和无线子系统的每一个都包括两个中间镜子，如折叠镜子。更具体地，发电子系统包括主镜2和中间镜子4和5如折叠镜子。来自第二镜子5的日光被反射到具有太阳能电池7的模块，其产生直流电。该发射器将该直流电转换成RF或光学光束，其被输出到镜子52，而镜子52将该光束反射到镜子160。镜子160将该光束反射到镜子10，该镜子10反射该输出光束12。
图17说明了一个实施例，其中，发电和无线子系统的每一个都包括三个中间或折叠镜子。更具体地，发电子系统包括中间镜子4、5和170，输电子系统包括中间镜子52、172和174。来自镜子2的入射日光被反射到镜子4、镜子5、镜子170以及太阳能电池7。电池产生直流电，发射器9将该直流电转换成RF或光学光束，其被输出到镜子52，镜子52将该光束反射到镜子172、镜子174，然后反射到反射镜10，该反射镜10提供输出光束12。
已经描述了基于空间的电力系统、发电子系统和输电子系统的各个方面和实施例，本领域的普通技术人员应理解，所描述和说明的实施例相对于公知的系统是有优点的。
例如，由于取消了系统部件之间的连接构件，从而显著地减轻了系统的重量。此外，在不使用刚性的连接结构元件的情况下对准自由飘浮的系统元件。而且，这些元件是自由飞行的，并利用邻近控制系统来确定位置和方位。
此外，基于空间的电力系统可以被提供给各种大小、结构和位置的发电站。例如，基于空间的电力系统可以被提供给位于对地同步轨道(或所关心的任何天体所需的任何其它轨道)内的1GW的发电站。
此外，由于所说明的实施例中的各元件彼此间是相互独立的(例如，在邻近控制系统的控制下的自由飞行的物体)，所以主要的结构(太阳能收集器和RF或光学传输系统)可以被设在选定的轨道内，用以使系统的位置保持燃料需要减到最小。更小的折叠镜子可以在其它的轨道内飞行，只要保持整个系统对准且聚焦即可。这样，这些实施例的灵活性允许减少在轨道上的燃料消耗。
此外，由于在邻近控制系统的控制下各元件是自由飞行的，所以出现故障的元件可以从适当的位置上被移走，并且替换的元件可以被移到适当的位置上。这种灵活性简化了轨道上模块置换的需要并减少了代价很高的停机时间。出现故障的系统元件也可以被放在附近的驻留轨道内，以使得如果在以后可能为了另一项任务需要修理或使用时就能很容易地实现。
基于空间的电力系统也使得大构件的结构能够位于空中，特别是使发电站的结构能够位于对地同步轨道内，同时克服了现有系统中典型地依赖沉重的连接构件的缺点。也可以在不利用大量的位置保持燃料或构件的情况下精确地确定系统中这些元件的位置、方位和形状。
该系统提供的其它优点是，通过涂层2a进行有选择性的反射，减小了主镜2上的光子压力。更具体地，涂层中的机械剩余应力被设定成抵消了太阳能光子压力，并维持光学平面。有选择性的反射可以减小主镜上的太阳能光子压力，例如减小大约50％。为了进一步减小太阳能电池7上的热负荷，第一折叠镜子4可以具有与主镜2相同的涂层。
此外，通过使用大的光圈，就不再需要大的太阳能电池阵列或一“片”许多个更小的收集器。而且，大的反射器可以收集日光并将日光集中到更小的太阳能电池阵列上。
本领域的普通技术人员应理解，可以使用各种大小、材料、形状和形式的光学元件来用于其它系统结构。此外，本领域的普通技术人员应理解，这些实施例可以使用各种频率，包括射频、红外线频率和光频。
也可以用不同的方式来组装这些系统部件。例如，这些部件可以沿它们各自的轨道单独地运动到空中。然后可以调整这些部件的指向用于与其它系统部件对准。
此外，可以在不同的场所和环境中采用这些实施例。例如，可以将电力提供给各种空间的和陆地上的场所，包括，但并不局限于，地球、月球、其它行星、空间站、空间飞行器和卫星。同样，邻近控制系统可以控制不同场所的电力系统部件的位置，例如地球、月球、其它行星、空间站、空间飞行器和卫星。也可以用不同数量的镜子、薄膜、集中器和其它部件来构成这些实施例。此外，系统中不同数量的电力元件可以是自由飘浮的。例如，根据特定的结构或应用，电力系统部件中的少数几个、大多数或所有的部件都可以是自由飘浮的或者不需要连接器。
在不脱离如所附的权利要求中所列举的本发明的范围的情况下，可以对所描述的这些实施例做出一定的无实质性的修改、变化和置换。
权利要求
1.一种基于空间的电力系统，包括在空间中的多个电力系统元件；和控制系统，其中，所述多个元件中的一个或多个元件是自由飘浮的，并且所述多个元件被设置以收集日光，从收集的日光中产生电能并将电能转换成用于传输到预定位置的形式，并且该控制系统维持自由飘浮元件的对准。
2.如权利要求1的系统，所述多个元件包括镜子。
3.如权利要求2的系统，所述镜子包括可折叠的镜子。
4.如权利要求2的系统，所述镜子包括球面镜。
5.如权利要求2的系统，所述镜子的直径为大约1km到大约2km。
6.如权利要求2的系统，所述镜子由可充气管支撑。
7.如权利要求2的系统，所述镜子包括底座和光学涂层。
8.如权利要求7的系统，其中，所述光学涂层减小镜子上的光子压力。
9.如权利要求7的系统，其中，所述光学涂层维持镜子的形状。
10.如权利要求2的系统，所述镜子由薄膜支撑。
11.如权利要求1的系统，所述预定位置包括行星。
12.如权利要求11的系统，所述行星包括地球。
13.如权利要求1的系统，所述预定位置包括空间站或卫星。
14.如权利要求1的系统，所述多个元件包括主镜；第一中间镜子，其中，所述主镜反射日光到所述中间镜子；电源模块，其中，所述第一中间镜子将日光导向所述电源模块，且所述电源模块产生电能；发射器；和反射镜，其中，该发射器将产生的电能转换成可以被传输的形式，并且转换的能量被提供给反射镜，其中反射镜被构成为将转换的能量传输给在预定位置的接收器。
15.如权利要求14的系统，进一步包括第二中间镜子，其中转换的能量被提供给该第二中间镜子，并且该第二中间镜子将转换的能量反射到反射镜。
16.如权利要求14的系统，进一步包括第二中间镜子，其中，所述主镜将日光反射到第一中间镜子，以及第一中间镜子将日光反射到第二中间镜子，以及第二中间镜子将日光反射到电源模块。
17.如权利要求14的系统，进一步包括集中器，该集中器将来自中间镜子的日光聚焦到电源模块上。
18.如权利要求14的系统，其中，所述中间镜子追踪主镜的方位，使得中间镜子和主镜都保持彼此对准并与太阳对准。
19.如权利要求14的系统，其中，所述电源模块产生直流电。
20.如权利要求14的系统，所述电源模块包括光生伏打模块。
21.如权利要求20的系统，其中，所述光生伏打模块的太阳能电池与发射器协同定位。
22.如权利要求14的系统，所述电源模块包括热电电源模块。
23.如权利要求14的系统，其中，所述反射镜与所述主镜的尺寸大致相同。
24.如权利要求14的系统，由所述反射镜反射的转换的能量被聚焦在所述预定位置的天线上。
25.如权利要求1的系统，其中，所述转换的能量作为受衍射限制的光束被传输。
26.如权利要求1的系统，其中，所述转换的能量包括射频能量。
27.如权利要求1的系统，其中，所述转换的能量包括光学能量。
28.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统调整元件的位置。
29.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统调整元件的方位。
30.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统调整元件的形状。
31.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统维持所述多个元件中所有元件的对准。
32.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统定位在空间中。
33.如权利要求30的系统，其中，所述控制系统定位在地球上。
34.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统包括位移元件，有选择性地启动该位移元件，以调整空间中元件的对准。
35.如权利要求34的系统，所述位移元件包括推动器。
36.如权利要求35的系统，所述推动器包括离子推动器。
37.如权利要求34的系统，在空间中的每个元件都具有位移元件。
38.如权利要求34的系统，其中，所述位移元件改变在空间中元件的位置。
39.如权利要求34的系统，其中，所述位移元件改变在空间中元件的对准。
40.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统包括多个传感器，其中比较两个元件的传感器的数据，以确定该两个元件是否被适当地对准。
41.如权利要求40的系统，其中，相邻元件的传感器被设置成彼此通信。
42.如权利要求40的系统，其中，每个元件都包括位置系统传感器。
43.如权利要求1的系统，其中，所述控制系统包括多个距离传感器，其中，来自所述距离传感器的数据指示两个元件之间的距离。
44.如权利要求43的系统，其中，每个元件都包括距离传感器。
45.如权利要求1的系统，所述控制系统利用雷达或激光雷达。
46.如权利要求1的系统，所述控制系统利用干涉图案，以确定元件是否应被重新对准。
47.如权利要求1的系统，其中，所述元件被构成为使得太阳风调整元件的对准。
48.如权利要求1的系统，其中，所述元件被构成为使得静电力调整元件的对准。
49.如权利要求1的系统，其中，所述元件被维持在轨道内。
50.如权利要求1的系统，所述多个元件包括直接辐射阵或相控阵天线，该天线传输电能到预定位置。
51.如权利要求1的系统，其中，所述多个元件中的多数元件在空间中自由飘浮。
52.如权利要求1的系统，其中，所述多个元件中的所有元件都在空间中自由飘浮。
53.一种基于空间的电力系统，包括在空间中的多个电力系统元件，该多个元件包括主镜；中间镜子，其中主镜将日光导向中间镜子；电源模块，其中，中间镜子将日光导向电源模块，该电源模块产生直流电；发射器，其中，发射器将直流电转换成射频RF或光学能量；和反射镜，其中，反光器将该射频RF或光学能量导向反射镜，并且该反射镜将该射频RF或光学能量导向预定位置的接收器；和控制系统，该控制系统包括多个传感器，和多个位移元件，其中，该多个元件中的一个或多个元件是自由飘浮的，在空间中的每个元件都包括传感器和位移元件，并且该控制系统通过响应于传感器的数据而有选择性地启动位移元件来维持空间中自由飘浮元件的对准。
54.如权利要求53的系统，该电源模块包括光生伏打模块。
55.如权利要求53的系统，该电源模块包括热电电源模块。
56.如权利要求53的系统，该预定位置包括行星。
57.如权利要求53的系统，该预定位置包括空间站。
58.如权利要求53的系统，该预定位置包括卫星。
59.如权利要求53的系统，该电力系统元件进一步包括集中器，该集中器将来自中间镜子的日光聚焦到光生伏打模块上。
60.如权利要求53的系统，其中，所述射频RF或光学能量被直接提供到反射镜。
61.如权利要求53的系统，进一步包括第二中间镜子，其中第一中间镜子将日光导向该第二中间镜子，且该第二中间镜子将日光导向光生伏打模块。
62.如权利要求53的系统，其中，产生的反射镜提供受衍射限制的光束。
63.如权利要求53的系统，由所述反射镜反射的光学能量被聚焦在所述预定位置的天线上。
64.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统调整空间中元件的位置。
65.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统调整空间中元件的方位。
66.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统调整空间中元件的形状。
67.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统维持在空间中的该多个元件中所有元件的对准。
68.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统调整元件的形状。
69.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统的位置是在空间中。
70.如权利要求69的系统，其中，所述控制系统的位置是在地球上。
71.如权利要求53的系统，该位移元件包括推动器。
72.如权利要求71的系统，该推动器包括离子推动器。
73.如权利要求53的系统，其中，比较空间中两个元件的传感器的数据，以确定该两个元件是否被适当地对准。
74.如权利要求53的系统，其中，所述控制系统包括多个距离传感器，其中来自所述距离传感器的数据指示空间中两个元件之间的距离。
75.如权利要求53的系统，所述控制系统利用雷达或激光雷达。
76.如权利要求53的系统，所述控制系统利用干涉图案，以确定空间中的元件是否应被重新对准。
77.如权利要求53的系统，其中，空间中的元件被构成为使得太阳风调整元件的对准。
78.如权利要求53的系统，其中，空间中的元件被构成为使得静电力调整元件的对准。
79.如权利要求53的系统，其中，空间中的元件被维持在轨道内。
80.如权利要求53的系统，其中，所述电源模块包括光生伏打模块。
81.如权利要求53的系统，其中，所述电源模块包括热电电源模块。
82.如权利要求53的系统，所述多个元件包括直接辐射阵或相控阵天线，该天线传输电能到所述预定位置。
83.如权利要求53的系统，其中，所述多个元件中的多数元件在空间中自由飘浮。
84.如权利要求53的系统，其中，所述多个元件中的所有元件都在空间中自由飘浮。
85.一种对准电力系统元件以在空间中产生电力并将产生的电力传输到预定位置的方法，该方法包括将多个元件和一个控制系统发射到空间中，其中所述多个元件中的一个或多个元件在空间中自由飘浮；定位在空间中的所述元件；和利用所述控制系统维持所述自由飘浮的元件的对准，使得所述电力系统元件被构成用以收集日光；从收集的日光产生电能，并将电能转换成适合于传输到预定位置的形式。
86.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括调整元件的方位。
87.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括调整元件的形状。
88.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括调整元件的位置。
89.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括启动推动器以调整电力元件的对准。
90.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括利用雷达或激光雷达维持对准。
91.如权利要求85的方法，维持对准进一步包括利用激光干涉图案以确定元件是否应被重新对准。
92.如权利要求85的方法，其中所述多个元件中的多数元件在空间中自由飘浮。
93.如权利要求85的系统，其中，所述多个元件中的所有元件都在空间中自由飘浮。
全文摘要
一种基于空间的电力系统。该系统在不利用连接结构的情况下维持系统部件的适当的位置和对准。电力系统元件被发射到轨道内，并且利用控制系统(13)以适当的相对对准方式维持自由飘浮的电力系统元件，例如位置、方位和形状。
文档编号G01S19/25GK1742379SQ200380109248
公开日2006年3月1日 申请日期2003年11月26日 优先权日2002年11月26日
发明者詹姆斯·E·罗杰斯, 加里·T·斯皮纳克 申请人:索拉雷恩公司