JP2017523766A - 宇宙ベースの太陽エネルギを収集及び分配するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[関連出願の相互参照]
[0001] 本出願は、2014年7月23日に提出された仮出願第62/028,000号及び2015年4月16日に出願された仮出願第62/148,570号の優先権を主張し、それらは参照によって本明細書に組み込まれる。
[0017] 太陽マイクロ波織物200
[0023] 手順
[0028] VLOcos(ωLOt) を局所的発振器の信号とすると、
[0029] VM =混合した積は、
[0030] VM = VBcos(ωBt+θB) VLOcos(ωLOt)
[0031] = 1/2 VBVLO [cos((ωLO - ωB)t - θB) + cos((ωLO + ωB)t + θB)]となる。
[0033] VM = 1/2 VBVLO [cos(ωBt - θB) + cos(3ωBt + θB)]である。
[0036] Lk = 同期するマイクロ波送信部からの基準信号は
[0037] = Vref(2ωBt+ψref)となる。
[0040] τ を時定数とし、
[0041] gv を電圧が制御された発振器の感度とすると、
[0042] ψ”k + (1/τ)ψ’k + γ sin(ψk - ψref) = 0 = 減衰振り子の動き同じ
[0043] k = 1, …, N
[0044] γmk = (gvC/2τ)VrefVLOk > 0
[0048] Lk = ΣβmkVLOm cos(2ωBt + ψm) であり、極限は m = 1,…, N で始まり、 m ≠ k であり、
[0049] βmk = βmk 、実数かつ正数 ∀ k, m = 1,…, N である。
[0051] ψ”k + (1/τ)ψ’k + Σγmk sin(ψk - ψm) = 0
[0052] γmk = γkm > 0 によって表される。
[0055] 配置
[0059] エネルギ通信/伝達
本発明の実施可能性を検証するために、A)ソーラーパワー収集バルーンのような大型構造体上のソーラー圧力の影響の解析、B)軌道環境のソーラーパワー収集バルーンの熱解析を含む種々の解析を行った。
ソーラーパワー収集バルーン上のソーラー圧力の影響を理解するために、古典ニュートン力学及び不変角運動量を使用して解析を行い、経時的な軌道の低下を求めた。ソーラー圧力に起因する
で示される球形ソーラーパワー収集バルーンの加速度は、以下の通りである。
を用いて、
を得た。
は、地球の中心から太陽への線分にほぼ沿っている。X軸がこのベクトルに整列すると仮定すると、X軸は、Y軸と共に軌道面を定める。極座標(r、θ)を導入する。θは、以下の図面に示すように地球−太陽線分からの角度である。また、この基準座標系の回転は無視する。
これらの仮定に基づいて、動的方程式は2つに限定される。すなわちソーラー圧力に起因する角運動量の変化率に関するエネルギ積分及び表現である。
である、r0で示される軌道半径での円軌道である。次に、フーリエ級数展開の主要項は、
である。
以下は、実施される熱解析のための支配方程式の改善をもたらす。
最初に、パワー分配領域による熱入力を列挙する(単位面積当たり)。
セクション4):0
セクション2):まず、ソーラーセルの効率は、定義上、ηs=(パワー出力)/(全ソーラーパワー入力)である。ここで全ソーラーパワー入力=1/αs(吸収された全ソーラーパワー)であることに留意されたい。従って、
ηs=αs(パワー出力)/(吸収ソーラーパワー)
である。
(消散パワー)/(吸収ソーラーパワー)=1−ηs/αs
単位面積当たりのソーラーセルによる消散パワー=(1−ηs/αs)αsQscosθsであり、θsは、太陽の方向と表面に垂直な局所との間の角度である。
近接内部トランシーバによる消散パワー=(1−ηTi)ηsαsQscosθsである。
単位面積当たりのソーラーセルによる消散パワー=(1−ηs/αs)αsQscosθsである。
近接外部トランシーバによる消散パワー=(1−ηTe)ηsαsQscosθsである。
近接内部トランシーバによる消散パワー=(1−ηTi)ηTiηsαsQscosθsである。
近接外部トランシーバによる消散パワー=(1−ηTe)ηTiηTiηsαsQscosθsである。
全計算領域を見出すために、セクション2)に関して、
である。
である。
となる。
である。これを前記の式と同等と見なし、平衡温度について解くと、
となる。
アンテナ及びソーラーセルの両方の効率が低い場合であっても、平均温度は生存及び動作のための許容範囲内にとどまる。
地球上でのソーラーパワー発生
ソーラーマイクロ波ファブリックを使用して電力を発生して、都市環境又は工業団地に位置する平均的なオフィスビルに電力供給することができる。米国での平均的なオフィスビルは、全床面積が約15,000平方フィートであり、年間17.3キロワット時の電力を使用する。これは29.6キロワットの平均電力消費量を意味する。これを単一のビルでの所要電力とする。この実施形態において、ビルの屋上又は隣接する駐車場にレクテナビーコンを配置することができる。従って、レクテナビーコンのサイズは、割り当てられる空間に起因して特に重要である。レクテナビーコンのサイズは、ソーラーパワー収集バルーンからの中心伝達信号の直径とする必要がある。マイクロ波領域の超低波長を用いると仮定した100メータのソーラーパワー収集バルーンに基づく計算では、ソーラーパワー収集バルーンは、地上に約3.5キロメートル信号を投射することになる。この信号サイズを仮定すると、この実施形態は、大型工業団地又は商業施設に最も適している。
本発明のこの実施形態は、電力伝達「アクティブ」モードを付加した内部トランシーバをさらに含み、それによってマイクロ波放射が、非共同ターゲットに送られ、ターゲットからの返答が高出力密度ビーコンの方向に関するビーコンとして使用される。
この出願において、ソーラーパワー収集バルーンは、退役衛星、使用済み上段等の低地球軌道のデブリに照射するために使用され、軌道上の速度を高層大気に入って燃えるまで放射圧で低減させるようになっている。
デイビッドCハイランド(テキサスA&M大学宇宙空間工学部教授、TAMU3141、カレッジステーション、テキサス77843)
文明の繁栄は、有用なエネルギの源を利用するスキルに比例すると言われている。化石燃料の使用が環境への毒性によって制限されるか否かにかかわらず、文明の進歩には、現在利用可能なエネルギ源よりも実質的に強力なエネルギ源を必要とするだろう。地球の放射性同位元素の埋蔵量は別として、太陽によって生成される核融合を基礎としたエネルギの豊富な供給量は、効率的に利用され続けるだろう。宇宙では太陽の日射が連続的かつ大気による減衰がないため、宇宙における太陽放射の収集は、潜在的には地上における技術に比べて桁違いに効率的だろう。このような潜在的な利点が、1960年代初頭から宇宙太陽エネルギシステムを設計する努力の動機付けとなってきた。参考文献2には、以前に提案された設計についてのタイムリーかつ包括的な概観が与えられている。
太陽エネルギシステムは、太陽エネルギを収集し、このエネルギを放射(典型的には大気をほぼ透過する波長帯)に変換し、そして、放射を電力へと変換する地上設備へとこの放射を送信する宇宙セグメントから成り立っている。地上において電力を収集する技術はよく発達しているので、ここでは太陽エネルギ衛星(SPS)と呼ばれる宇宙セグメントに注目する。さらに、ここで想定する太陽エネルギ収集の方法はソーラーセルであり、地上への電力の送信には約10cmの波長を有するマイクロ波放射が選択される。
1.マイクロ波アンテナ 直径1キロメートル
2.全10%の効率を想定(遮られた太陽光から地球の電力へ)
3.2つのソーラーアレイ領域:18,300m2又は直径152m
4.2つのアレイは南北軸に向き合う送信アンテナの後の主トラス構造に固定される
5.165m、240mの縁の楕円の平面ソーラー反射鏡はこの軸の回りに太陽を追跡して回転する
6.Mantech SRS 反射器は、94%の透過率の宇宙に適したポリイミドからなり、大面積の材料の歪みを防ぐNRLが特許を受けたエッジ処理がなされている
7.アンテナ構造と反射器の内は、NRL大規模構造である
図1 NRL 5MW ファーストレベニューユニットの特性の概要
非常に新規かつ急速に進展しているパワースター(商標)技術の要素を図2に例示する。低価格ソーラーアレイの大規模生産は進行中である。印刷されるマイクロ波アンテナもよく知られており、数多くの通信用途において急速に進展している。ソーラーマイクロウェーブファブリック(商標)は、これら2つのコンポーネントを同じ柔軟性基板の表面において結びつける。図2の下部は、典型的な断面図を示している。ソーラーセル及びパッチアンテナは、格子状のローブ(lobe)を相殺するためにランダムなモザイク配列に点在されている(重ならないように)。このパターンは、基板シートすなわち「スキン」の外側表面となる側に印刷される。完全なシステムでは、反対表面(球体の内側面となる側)に印刷されたマイクロ波トランシーバ(受信機及び送信機)のみからなるアレイも存在することができる。外側表面のパッチアンテナは、近傍に隣接するソーラーセル(直径数センチメートル)の半分から又は内側のトランシーバからスキンの厚さを通して電力を取り出す。電力移転の詳細については、後述の「衛星間の電力配分」サブセクションで説明する。短い電力用リードに加えて、暖気的な接地及び放出前の球体の強化のための導電ワイヤのグリッドが存在する。このセクションでは、印刷されたソーラーセル、印刷されたマイクロ波アンテナ及び基板材料の選択について議論する。
現在、迅速な製造可能性がセルの効率とトレードオフの関係になっているソーラーセル印刷技術の領域が存在する。注目すべき例が、文献3において報告されている。ビクトリアン・オーガニック・ソーラーセル・コンソーシアムが、印刷ソーラーアレイを最大毎分10メートル、すなわち2秒毎に1セルの速度で製造する可能性を実証している。30センチメートルまでの幅で、これらのセルは最大地上日射で1平方メートル当たり10〜15ワットの電力を生成する。基板には、紙の薄さの柔軟なプラスチック又はスチールが含まれる。図3に示すように、これらのセルは、太陽光スペクトルの異なる部分から電力を補足するために、種々の有機材料を組み合わせる。
図2 ソーラーマイクロウェーブファブリック(商標)の基本コンセプトの例示
図3 ビクトリアン・オーガニック・ソーラーセル・コンソーシアムの構成
アンテナは、コットン・ポリエステル(cotton-polyester)を含む多くの柔軟性材料の上に印刷することができる。効率を向上させるために、多重印刷層を使用することができる。図4に示すように、マイクロ波パッチアンテナは、接地された誘電体の基板上に取り付けられた金属「パッチ」からなる。
図4 マイクロ波パッチアンテナの基本構成
L=λ/2 (1)
としなければならない。ここで、λは作動波長である。大きい帯域幅とするためにWは通常1.5Lとされるが、ここではW=L=λ/2とする。実用的な印刷解像度は15ミクロンであり、十分な正確さで(1)式を満たすには十分である。表1は、既存のパッチアンテナ(文献5)に対する性能統計の調査結果を示す。現在のところ79%までの効率が達成可能である。
ソーラーセル及びパッチアンテナは広範囲の材料に印刷されてきたが、我々はエコー衛星技術に非常に密接に関連する2つの材料に焦点を当てる。最も重要かつ最も伝統的なものはマイラー(Mylar)、すなわち樹脂のポリエチレンテレフタレート(PET)から作られるポリエステルフィルムである。この材料は、−70℃から150℃までの温度範囲でその完全な機械的性能を保持する。その体積密度は1390Kg/m3である。代替物として魅力あるものは有機ポリマー材料のカプトン(Kapton)であり、これは−269℃から400℃の温度範囲で溶けず燃えず、良く機能する。体積密度は1420Kg/m3で、マイラーよりもわずかに大きい。継続的な研究によって、適度な引き裂き強度及び最小の密度を持った印刷に適合する材料が探し出されるだろう。
前のセクションで説明した多機能ファブリックのシートは、複数のゴア(球体の複数の部分)にカットされ、いくつかのゴアは組み合わされて球体バルーン(膨らませたときに)を形成する。この点を超えて、パワースター(商標)はエコー衛星技術を十分に利用する。
図5 エコー衛星技術の種々の外観:(a)エコー1Aの積み込みキャニスタ;(b)閉じられたキャニスタ;(c)畳まれたサブスケールの試作模型;(d)膨らませたサブスケールの試作模型;(e)膨らませ試験中のエコー2
図6 エコー2膨張システムの「ピロー」。上:収容配置;下:穴からガスが抜けているピロー
このセクションでは、パワースター(商標)システムの新しい要素と古い要素がどのように組み合わされ、打ち上げられ展開されてからシステムがどのように調整されて供に働くかについて説明する。図7は、全体構成及びオペレーションの方法の概略を示している。
図7 展開後のパワーシステム(商標)の全体的なオペレーション
前述の多くの送信機を調整するビーコンに基づく制御が、統計的な意味で、地上における所望のエネルギ配分を最適に近似することは、電磁伝搬における厳格な結果である。このエネルギ送達スキームは、逆方向ビーム技術の一般化であり、多くの領域に適用されてきた。例えば文献9では、医療技術のための音響学への適用が議論されている。
太陽とビーコンの向きは一致しないので、衛星内でエネルギを分散させる機構が必要となる。図10は、太陽及びビーコンからの照射の幾何学的配置を示しており、ここでビーコン同士の角度的間隔は非常に小さく単一の代表ビーコンの方向を考慮することができると仮定する。φは太陽の方向とビーコンの方向との角度である。球体の内側表面が高周波で作動するトランシーバがコーティングされていることに注意する(回折効果を低減するために)。これらのトランシーバは、直径方向に対向する各対の共鳴軸が平行となるように方向づけされる。
図8 ビーコン放射の初期伝搬。(a)放射開始,(b)円形フェーズドアレイがビーコン情報を記録する
図9 フェーズドアレイは反転時間において増幅されたビーコンを伝搬する。(a)伝送開始。(b)ビーコンに中心を置く3つの集中化されたスポットが地上面に現れる
図10 エネルギ分散システムの幾何学的配置。角度φは太陽とビーコンの方向の角度を表す
S,B=太陽とビーコンの両方から照射される外側表面
S,B(上に波線)=太陽からは照射されるがビーコンからは照射されない外側表面
S(上に波線),B=ビーコンには曝されるが太陽には曝されない外側表面
S(上に波線),B(上に波線)=太陽及びビーコンの両方から遮られる外側表面
太陽放射
ビーコン放射
マイクロ波受信機/送信機(おそらくより短い波長)が印刷された内側表面
衛星の基本的な設計を説明してきたので、次にその性能の特性の分析、すなわち地上へのエネルギ伝送、ビーム幅等について別々の副題を付けて考える。
始めに、外側表面へのパッチアンテナの幾何学的に規則的な配置は、主たる集中化されたスポット(中央スポット)に加えて、いくつかの規則的に間隔を置いたオフセット・スポット(格子ローブ)を有する開口PSFを生成するだろう。これは、所望のエネルギ分布を近似することができる精度において悪い効果をもたらす傾向がある。これは、実際に生成される分布は所望の分布とPSFとのたたみ込み(convolution)だからである。しかしながら、送信機アンテナの配置における僅かなランダム化(単位面積当たりのアンテナの平均個数は同じ)は、放出された放射において中央のローブだけが唯一のエネルギ集中であり続けるように格子ローブを分散させるのに十分である。この場合、主たるローブは、パッチアンテナ位置の確立密度関数の特性関数(フーリエ変換)に比例する。例えば、パッチアンテナの位置が統計的に独立したガウス分布であったとすると、フェーズドアレイ全体で生成される放射エネルギの角度分布P(θ)(θの上にはバー)は、
λ=作動波長
DA=バルーンの直径
s=隣接するパッチアンテナの中心間の平均距離
L=W=λ/2
である。
1−(λ/2s)2
であり、したがって、
Qs=日射≒1367W/m2
である。
ηγ=送信機効率
が得られる。式(4)〜(6)を組み合わせると、概略次の式が得られる。
係数1/4がアレイのまばらさの程度から生じることは注目される。
図11 種々のソーラーセル効率に対するバルーンの直径の関数としての送信されるエネルギ
平らで円形の開口フェーズドアレイを有する全てのSPSコンセプトに対して、地上での最小ビーム幅は、波長、距離及び送信開口直径(一般に、まばらなアレイの直径)の関数としてのレイリー(Rayleigh)の角解像度公式によって表現される。ここでは、開口がランダム化されたモザイク配列の球形であることから、これはわずかに修正され、その結果ビーム幅は減少する。式(2)と矛盾することなく、地上におけるエネルギ集中「スポット」の最小幅であるΔxは、近似的に
となる。
図12 作動波長の種々の値に対するバルーンの直径の関数としてのレクテナの直径(最小スポットサイズ)
パワースターは、既存の打ち上げロケットのペイロードフェアリング内へ収納されるキャニスタに、コンパクトに折り畳まれて入れられる。ここでは、収容されたときの形状が、直径Dsの球形であると仮定する。wをスキンの厚さとすると、展開されたバルーンのスキンによって占められる全体積は、πDA 2wである。収容されたときに最も小さくなる直径は、この体積がπDs 3/6に等しくなったときである。しかしながら上で述べたように、何回も折り曲げられた薄い膜は、膜を構成する材料そのものの体積よりも大きな外形の体積を有する。そこで我々は、折り畳みシステムをパッキング効率peff≧1で特徴付ける。その結果、πDs 3/6=πDA 2wpeff、すなわち、
peff=パッキング効率(≧1)
となる。
エコー衛星の場合のように、パワースターも、数十年よりも長い軌道寿命となるような空気力学的効果が軌道高度の限界を設定する非常に低い弾道係数(ballistic coefficient)を持つことになるだろう。この状況を分析するために、最初に円軌道を仮定する。10年よりも長い寿命に対して、円軌道の初期軌道半径の関数としての寿命は、太陽活動極大期又は太陽活動極小期に対する打ち上げ時期にはほぼ依存しない(文献10参照)。このため軌道寿命を、米国の標準大気によって与えられる高度の関数としての平均大気密度を用いて見積もることができる。さらに、減衰軌道はゆっくり変化する「瞬間的」な軌道半径を有するタイトな螺旋の形態を取るような、小さな流体抵抗を仮定することができる。
図13 膨張後のバルーンの直径の関数としての収容されたときの直径
RE=地球の半径
μ=中の重力定数(GM)
ρAtm(a)=軌道半径aにおける大気密度
A=正面の面積=πDA 2/4
ρskin=スキンの体積密度
となる。
β=2wρskin (13)
が得られる。これは、スキンの局所密度のちょうど2倍であり、直径には依存しない。軌道寿命に対する控えめな見積りを得るために、最も小さい実用的な厚さとしてw=0.006mmを仮定すると、下記の値が得られる。
β=2wρskin=2(1390)(0.006mm)=0.01668 (14)
図14 初期軌道高度の関数としての軌道寿命
この論文で我々は、宇宙太陽エネルギ衛星に対する新たな設計コンセプト、すなわちパワースター(商標)を提案した。プロジェクト・エコーに遡る遺産と共に、このシステムは、薄く柔軟性のあるスキンから作られる膨張可能なバルーンであり、スキンの上に近代的な大量生産技術によってソーラーセル、マイクロ波パッチアンテナが印刷されている。パワースター(商標)は、動く部品も、回転又はその他の機械的の動きもなく作動する。少なくとも直径1kmまでは、軌道上での製造や建設も必要としない。先進の適応フェーズドアレイ技術、及び低振幅ビーコンと組み合わされた時間反転音響学からの知見は、全体が各パッチアンテナに局在するビームフォーミング制御アルゴリズムをもたらす。フェーズドアレイの動作は分散化され適応型であり、たとえ大きな損傷を受けても、システムはあるレベルの有用な性能を保持することができる。エネルギは、スキンを通しての伝送がせいぜい数センチメートル内で起こるようバルーン内で調整され、集中化の必要性及び高電圧電力分配システムをなくす。このエネルギシステムは、太陽エネルギを任意の角度から集め、回転や構造的変形を伴わずに任意の方向に送信する。
予備的な性能計算によって、現在利用可能な印刷されたソーラーセルの低い係数でも、1kmのパワースターであってもファーストレベニューシステムのために十分なエネルギを生成可能であることが示された。エコー技術を使用することで、1kmのパワースターをいくつかの既存の大重量ロケットでの打ち上げ用に収納することが可能である。最後に、弾道係数が小さいにもかかわらず、初期(円軌道)高度が約2000kmより大きければ、軌道寿命は世紀のオーダーとなる。
参考文献
(D.C.Hyland、2014年6月17日)
参考文献1
中心ビームで伝達されるパワーは、参考文献1の式8で与えられる。全体にわたる太陽−ビーコン角度を平均化して時間平均パワー出力を得る。
次に、直径Δxの円形パワースポットを仮定すると、ρで示すパワー密度は、
(参考文献)
(D.C.Hyland、2015年1月4日)
2)ソーラーパワー及び通信 − 項目(1)に通信用マイクロ波パッチアンテナを追加したもの
3)パワー/通信/伝送 − 項目(2)に、可撓性基材の両側にマイクロ波トランシーバを追加し、遠隔収集ステーションへのパワー伝送用のレトロディレクティブ・フェーズドアレイ機能を追加したものであって、収集ポイントにおいてマイクロ波ビーコンを用いる。これがPower Starのための実施形態である。ビーコンの使用は、ビーム方向及び整形の受動モードを構成する。
4)パワー/通信/防衛 − 印刷された片面又は両面を有する項目(3)に「能動」モードのパワー伝送を追加したものであって、これにより非協力的標的に対して放射がブロードキャストされ、標的からのリターンが高出力密度ビームの方向のためのビーコンとして用いられる。これは地上ベースのパワー収集と防空/宇宙防衛との両方に適用することができる。
以下、これらの実施形態を順番に論じる。
安価なソーラーアレイの大規模生産はかなり進行している。現在、様々なソーラーセル印刷技術が存在し、ここで高速製造性はセル効率に対してトレードオフの関係にある。注目すべき例は、参考文献[1]に報告されているものである。Victorian Organic Solar Cell Consortiumは、毎分10メートル、又は2秒に1個に達する速度でプリントソーラーアレイを製造する能力を実証した。これらのセルは、30cm幅まで、最大地上インソレーションの下で10〜15ワット毎平方メートルのパワーを生成する。基材は、紙のように薄い可撓性プラスチック又は鋼を含む。図2に示すように、セルは、種々の有機材料を組み合わせて、太陽スペクトルの異なる部分からパワーを得る。
・ポリマー又はガラスなどの基材の薄い又は厚い層
・モリブデンバックコンタクト導体(モリブデンは高い仕事関数及び反射率を有する)
・p型半導体として機能する厚い(セル全体に対して相対的に)CIGS層
・セルのp型半導体とn型半導体との間にヘテロ接合を形成する酸化亜鉛の薄層
・アルミニウムが多量にドープされてn型半導体を形成する酸化亜鉛の薄層
薄膜セルCIGSの典型的な総厚は、数マイクロメートルのオーダーである。
・可撓性及び剛性両方の種々のタイプの基材、
・銀又は銅などの高導電性コンタクト層
・PドープCdTe吸収体層
・NドープCdS窓層
・スタック上部の透明導電性フィルムの様々な層
CdTeセルの典型的な厚さは、数マイクロメートルのオーダーである。
この実施形態は、両方とも同じ可撓性シート上に印刷された、プリントマイクロ波アンテナにパワー供給するプリントソーラーセルを組み合わせたものである。この場合のパッチアンテナは、地上又は宇宙の中継通信設備を含む通信機能を提供する。
プリントマイクロ波アンテナは、現在周知であり、多数の通信用途に関して急速に進歩している。ソーラーセル及びパッチアンテナを重ならないように散在させる場合、これらは、グレーティングローブを排除するために、ランダム化されたテッセレーションで配置されることになる。代替的に、両方の構成要素がシート上の同じ表面領域を占めるように印刷することが可能である。完全システムにおいて、反対側の面(球体の内面になることに起因する)上に印刷されたマイクロ波トランシーバ(二重送信機及び受信機)のみで構成されたアレイもまた存在することができる。
L=λ/2 (1)
となる。ここでλは動作波長である。Wは、より高い帯域幅を得るために通常は1.5Lとして選択されるが、ここではW=L=λ/2とする。実用的な印刷解像度は15ミクロンであり、十分な精度で式(1)を満たすのに全く十分である。表1は、幾つかの既存のパッチアンテナに関する性能統計量の調査を示す[21]。現在、79%までの効率が達成可能である。
er=放射効率=Pr/(Pr+(Pc+Pd+Psw))
Pr=放射パワー
Pc=導体によって損失するパワー (2.a−e)
Pd=誘電体によって損失するパワー
Psw=表面波として発射されるパワー
として定義される。
ld=誘電体の損失正接
Rs=金属の表面抵抗=
μr,μ0=比透磁率及び自由空間透磁率 (4.a−f)
σ=金属の導電率
η0=
=376.73Ω
h=アンテナの厚さ
この実施形態は、上述の項目2にマイクロ波トランシーバを可撓性基材の表側に追加し、遠隔収集ステーションへのパワー伝送用のレトロディレクティブ・フェーズドアレイ機能を追加したものである。主な用途はPower Star衛星コンセプトである。Power Starバルーンスキンの外側に項目2と同様にソーラーセル及びパッチアンテナの両方が装備されるが、但しアンテナはできる限り完全に表面をカバーする。アンテナがソーラーセルに重ならないようにプリントされる場合、アンテナの位置は、グレーティングローブを避けるようにランダム化される。代替的に、透明パッチアンテナ又は小型化アンテナをソーラーセル上に直接印刷するか又はソーラーセル内に挿入して、上述のように両方の構成要素が同時に全表面積を占めるようにすることができる。可撓性基材の「表(obverse)」側は、Power Starスキンの内側に対応し、マイクロ波トランシーバ(二重送信機及び受信機)で完全に占有される。これらのデバイスの役割は、後述するように、Power Starを横切ってパワーを転送することである。これらのトランシーバの動作周波数は、外部表面アンテナの動作周波数とは異なるものとすることができる。特に、回折効果を低減するために、内部のトランシーバの方により高い周波数を使用することができる
次に、APLLの解析(式8)を拡張すると、位相の動力学、φk,k=1,...,Nは、
本実施形態は上述のアイテムであるが、内部トランシーバは省略され、パワー伝送の「アクティブ」モードが付加されており、それによって非協調的なターゲットに放射が伝送され、ターゲットからの応答が高パワー密度ビームを指向させるためのビーコンとして使用される。
本出願では、低軌道デブリが大気圏上層部に入り燃え尽きるまで低軌道デブリの軌道速度が放射圧によって低下されるように低軌道(LEO)デブリ(退役衛星、使用済み上層ステージなど)を照射するためにパワースターを使用する。パワースターは、幾分高い軌道(おそらくMEO)に配置され、物体がパワースターに近付くと同時にビームを下方に向けてデブリ物体に当てる。物体が低高度軌道を移動する場合に物体がパワースターから遠ざかり始める時にビームがオフにされる。GEO軌道にある場合、実現可能なパワースターのパワー密度はかなり低い。しかしながら、1000キロメートルより短い距離では、パワー密度が非常に高く放射圧が著しい力に達する可能性がある。軌道を外れるデブリ物体は、これらが他の物体との衝突のせいでデブリ拡散の源になる可能性が高いので、大きなバスサイズ物体であることがここで仮定される。大まかな目標は、1年当たり少なくとも5つのこのような物体を廃棄することであり、これは、LEOのデブリ物体の総数を少なくとも一定に保つために十分であると推定される。
θ∈[−(ψ+Φ),0)の場合、パワースターは、デブリに近似のスポット半径を有する放射のビームを投影する。
Y=0.001m
DA=1km
Pt=200MW (式22.a−f)
Hp=1000km
さらに、1m2当たり65キログラムの極めて平均的な弾道係数を持つ初期500km円軌道の10メートルトンデブリ物体を考える。この正反射の係数は、ゼロであると仮定され、その反射係数は、1であると仮定される。従って以下になる。
M=10MT
h(t=0)=500km
β=65kg/m2 (式23.a−e)
θ=0
βref=1.0
これらの値を、θ=−(ψ+Φ)である初期状態と統合する(21)。
図12は、放射圧の時間履歴の初期部分を示す。一度デブリはパワースターの視野方向(LOS)内を通過する。力は直ちに1ニュートン近くに達する。これは、ミリメートルの波長によって、ターゲット上のパワースターの放射スポットが、デブリ物体範囲よりほとんど小さいことに起因し、ほとんどフルパワーが距離の変動に関わらすデブリによって受け取られる。デブリがパワースターの真下にある場合、ビームがオフとされ、デブリがもう一度LOSコンタクトに達するまで力はゼロのままである。
同様に、図13は、デブリの高度の時間履歴の早期部分を示す。デブリがパワースターのLOS内にある間は、デブリが急速且つほぼ直線的な速度で下降することを調べた。LOS内にない場合は、その軌道は、空気力学によりゆっくりとした速度で下降する。
一方、所与のデブリ物体が1つのパワースターに常にLOS接触するように対称的に並べられた5つのパワースターを持つとするとどうなるであろうか?図13に示した下降の速度から、1時間当たり2/3kmの下降を推測することができる。従って、500km初期高度から始まり軌道離脱時間は約1カ月になる。
(参考文献)
Claims (19)
- 少なくとも1つの光起電力セルと、
前記少なくとも1つの光起電力セルに接続された少なくとも1つのマイクロ波トランスミッタと、
前記少なくとも1つのマイクロ波トランスミッタに接続された少なくとも1つのトランシーバと、
前記少なくとも1つの光起電力セル及び前記少なくとも1つのトランシーバに近接した導電性グリッドと、
を備える、ソーラーパワー伝送システム。 - 前記少なくとも1つの光起電力セルは、フレキシブル基板上に印刷される、請求項1に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記少なくとも1つのマイクロ波トランスミッタは、前記フレキシブル基板上に印刷される、請求項2に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記フレキシブル基板は、マイラーを含む、請求項2に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記フレキシブル基板は、カプトンを含む、請求項2に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記少なくとも1つのマイクロ波トランスミッタは、光学的に透明なマイクロ波パッチアンテナを含む、請求項1に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記少なくとも1つのマイクロ波トランスミッタは、マイクロ波パッチアンテナを含む、請求項1に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記導電性グリッドは、銅グリッドを含む、請求項1に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 前記マイクロ波トランスミッタは、レトロダイレクティブ回路を備える、請求項1に記載のソーラーパワー伝送システム。
- 静止軌道に配備されたソーラーパワー収集バルーンと、
放射受信ビーコンと、
を備える、宇宙ソーラーパワー通信システム。 - 前記ソーラーパワー収集バルーンは球状である、請求項10に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記ソーラーパワー収集バルーンは、
複数の光起電力セルと、
前記複数の光起電力セルに接続的に近接する複数のマイクロ波トランスミッタと、
前記複数の光起電力セルに接続的に近接する導電性グリッドと、
複数のマイクロ波トランスミッタに接続された複数のトランシーバと、
をさらに備える、請求項10に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。 - 前記複数のトランシーバは、前記複数の光起電力セルにさらに接続される、請求項12に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記複数のマイクロ波トランスミッタは、光学的に透明なマイクロ波パッチアンテナを含む、請求項12に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記複数の光起電力セル及び前記複数のマイクロ波トランスミッタは、フレキシブル基板上に印刷される、請求項12に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記導電性グリッドは、前記フレキシブル基板上に収容される、請求項15に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記放射受信ビーコンは、レクテナを含む、請求項10に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 前記放射受信ビーコンは、トランスミッタをさらに含む、請求項17に記載の宇宙ソーラーパワー通信システム。
- 宇宙ソーラーパワーを発生させる方法であって、
フレキシブル基板上に印刷された少なくとも1つの光起電力セルによって太陽光を吸収するステップと、
前記少なくとも1つの光起電力セルによって前記太陽光を電気エネルギに変換するステップと、
前記電気エネルギをマイクロ波トランスミッタに伝達するステップと、
導電性グリッドを介して前記電気エネルギを少なくとも1つのトランシーバに伝達するステップと、
前記電気エネルギを第2のマイクロ波トランスミッタに伝達するステップと、
ビーコン信号を受信するステップと、
前記ビーコン信号を中間信号に結合するステップと、
前記中間信号を増幅して伝送信号を生成するステップと、
前記伝送信号をレクテナに送信するステップと、
前記レクテナによって前記伝送信号を直流に変換するステップと、
を含み、前記フレキシブル基板は、地球の周りの静止軌道に配置され、前記レクテナは、地球上に配置される、方法。
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