СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЕМ МОЩНОСТЕЙ СИСТЕМЫ КОНЦЕНТРАТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2020 года по МПК H02S10/40 H02S20/32 H02S40/22 

1. Область техники

[001] Раскрытые системы и способы относятся к солнечным энергосистемам, в частности, к системам и способам управления выходной мощностью солнечных батарей на основе концентраторов.

2. Уровень техники

[002] Выработке электрической энергии солнечными или фотогальваническими элементами продолжает уделяться повышенное внимание. Солнечные элементы преобразуют световую энергию, поступающую обычно от Солнца, в электрическую энергию. Интенсивность света на солнечном элементе может быть выражена в количестве "Солнц", так что концентрация "в одно Солнце" соответствует стандартной освещенности 1 кВт/м² на Земле.

[003] В имеющихся в настоящее время генераторах солнечной энергии на основе концентраторов используются плоские пластины, при этом фотогальванические элементы, называемые солнечными элементами в случаях преобразования солнечной энергии, размещают в виде двумерной решетки (array) на расстоянии от групп отражателей или концентраторов. Солнечный свет отражается от отражателей и направляется на солнечные элементы, которые преобразуют световую энергию в электрическую энергию. Напряжение каждого солнечного элемента собирают на выходе напряжения решетки концентраторов и подают на нагрузку. Величина электрической энергии, вырабатываемой решеткой концентраторов, определяется коэффициентом полезного действия используемых солнечных элементов, а также площадью и плотностью решетки концентраторов. Решетки концентраторов могут быть выполнены в виде блоков, имеющих определенное количество солнечных элементов и групп отражателей и расположенных вдоль плоскости с образованием более крупной панели для дополнительного увеличения мощности, которую можно получить от солнечной батареи.

[004] Разработанные недавно солнечные батареи включают в себя отражатели, доступные в виде отражателей на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). МЭМС-отражатели содержат миниатюрные зеркала и компоненты управления. Одна группа МЭМС-отражателей, выполненных с возможностью направления света к соответствующему солнечному элементу, может быть реализована в виде модуля. Солнечные элементы и миниатюрные МЭМС-отражатели, или микроконцентраторы, могут быть выполнены на решетках концентраторов, или решетках микроконцентраторов ("модулях микроконцентраторов"), с большими плотностями, чем солнечные элементы и отражатели в известных солнечных батареях.

[005] В настоящее время солнечные элементы и отражатели используются при решении различных задач. Одной из таких задач является подача электрического питания на космических летательных аппаратах. Другие задачи относятся к наземным источникам солнечной энергии. Одна из проблем, связанных с использованием решеток концентраторов солнечной энергии на космических летательных аппаратах, возникает при перемещении космического летательного аппарата от Солнца. При совершении космических полетов, места назначения которых находятся ближе к Солнцу, в начале полета решетки концентраторов солнечной энергии космического аппарата вырабатывают необходимую выходную мощность. По мере приближения космического летательного аппарата к Солнцу решетки концентраторов солнечной энергии вырабатывают избыток мощности вследствие увеличения интенсивности света.

[006] Избыток мощности, вырабатываемой решетками концентраторов солнечной энергии, в обоих случаях оказывается достаточным, чтобы повредить системы космического летательного аппарата, не предназначенные для этих уровней мощности или повредить/сжечь сами солнечные элементы. Соответственно, при конструировании решеток концентраторов солнечной энергии принимаются меры по предотвращению повреждений, вызываемых избытком мощности, что приводит к повышению затрат на строительство космического летательного аппарата. Компоненты, добавленные в результате таких мер, также приводят к увеличению массы конструкции. Избыток доступной выходной мощности также может приводить к увеличению температуры на панели до уровня, который может привести к повреждению самой панели, например вследствие плавления клеев, используемых для прикрепления солнечных элементов к стеклянной подложке.

[007] Таким образом, в данной области техники существует необходимость в системах и способах подачи электроэнергии на космический летательный аппарат, которые позволят решить по меньшей мере некоторые из вышеупомянутых проблем, а также любые другие возможные проблемы.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[008] С учетом сказанного выше предложены примеры способов и систем для выработки электрической энергии с использованием решеток концентраторов светового излучения. В одном иллюстративном примере предложен способ управления выходной мощностью решетки концентраторов, содержащей фотогальванические элементы и отражатели, размещенные в группах отражателей, соответствующих указанным фотогальваническим элементам. Способ включает прием сигнала на размещение выбранного количества отражателей на решетке концентраторов в положении подачи энергии на фотогальванические элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности. Выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации указанных отражателей. Выбранное количество отражателей размещают в положении подачи энергии на фотогальванические элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности.

[009] Еще в одном иллюстративном примере предложен солнечный источник питания. Солнечный источник питания включает в себя решетку концентраторов, содержащую солнечные элементы и группы отражателей, при этом каждая группа отражателей соответствует одному из солнечных элементов. Вывод питания соединен с каждым солнечным элементом для приема электрической энергии, вырабатываемой каждым солнечным элементом при отражении света на солнечные элементы от отражателей. Солнечный источник питания включает в себя модуль управления, имеющий процессор и некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, хранящий исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором обеспечивают возможность:

- приема сигнала на размещение выбранного количества отражателей на решетке концентраторов в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности, при этом выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации указанных отражателей; и

- размещения выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности.

[0010] Другие устройства, конструкции, системы, способы, признаки и преимущества настоящего изобретения будут или станут очевидными для специалиста в данной области при изучении следующих фигур чертежей и раздела "Осуществление изобретения". Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества включены в данное описание, находятся в пределах объема настоящего изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Признаки иллюстративных примеров, обеспечивающие новизну по сравнению с уровнем техники, изложены в прилагаемой формуле изобретения. При этом иллюстративные примеры будут лучше поняты со ссылкой на последующее подробное описание иллюстративного примера раскрытия настоящего изобретения при рассмотрении вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

[0012] на ФИГ. 1А показан перспективный вид примера решетки концентраторов солнечной энергии.

[0013] На ФИГ. 1В показано схематическое изображение примера солнечного источника питания для подачи электроэнергии на космический летательный аппарат.

[0014] На ФИГ. 2А в разрезе показан пример солнечного элемента и соответствующих отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы.

[0015] На ФИГ. 2В в разрезе показан пример солнечного элемента и соответствующих отражателей в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы.

[0016] На ФИГ. 2С в разрезе показан пример солнечного элемента и соответствующих отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы, когда свет не перпендикулярен солнечному источнику питания.

[0017] На ФИГ. 2D в разрезе показан пример солнечного элемента и соответствующих отражателей, в котором выбранные отражатели находятся в положении подачи энергии на солнечные элементы, а другие отражатели находятся в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы.

[0018] На ФИГ. 3 показана структурная схема, иллюстрирующая работу приведенного в качестве примера способа управления выходной мощностью от решетки концентраторов.

[0019] На ФИГ. 4 показана структурная схема, иллюстрирующая работу примера способа изменения коэффициента концентрации для космического летательного аппарата, движущегося от Солнца.

[0020] На ФИГ. 5 показана структурная схема, иллюстрирующая работу примера способа изменения коэффициента концентрации для космического летательного аппарата, движущегося к Солнцу.

[0021] На ФИГ. 6А показана блок-схема примера солнечного источника питания, иллюстрирующая один пример способа подачи энергии на солнечные элементы с использованием коэффициента концентрации.

[0022] На ФИГ. 6В показана блок-схема примера солнечного источника питания, иллюстрирующая еще один пример способа подачи энергии на солнечные элементы с использованием коэффициента концентрации.

[0023] На ФИГ. 7 показан график, иллюстрирующий сравнение выходной мощности от солнечного источника питания, который изменяет коэффициент концентрации, с выходной мощностью солнечного источника питания с неизменным коэффициентом концентрации.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0024] На ФИГ. 1А показан перспективный прозрачный вид примера модуля 10 концентраторов для выработки электрической энергии из света. Модуль 10 концентраторов включает в себя решетку 12 концентраторов светового излучения, которая содержит покровное стекло 20, фотогальванические элементы 22, подложку 24, и отражатели, или концентраторы 30. Модуль 10 концентраторов также включает в себя модуль 32 управления.

[0025] Как показано на ФИГ. 1А, фотогальванические элементы 22 могут быть размещены на покровном стекле 20 в виде решетки 5×5 с получением в общей сложности двадцати пяти фотогальванических элементов 22, содержащихся в решетке 12 концентраторов светового излучения. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что решетка 12 концентраторов светового излучения может содержать любое количество фотогальванических элементов 22. Отражатели 30 могут быть размещены в группах 40 отражателей, каждый из которых назначен соответствующему фотогальваническому элементу 22. Каждый отражатель 30, содержащийся в группе 40 отражателей, может быть размещен относительно назначенного фотогальванического элемента 22 так, чтобы фокусировать световые лучи 42, создаваемые источником света (не показано) на фотогальваническом элементе 22 или обеспечивать отражение световых лучей 42, создаваемых источником света (не показано), с подачей на фотогальванический элемент 22.

[0026] Источником света может быть источник излучения энергии любого типа, такой как, например, искусственное освещение в здании, лазер или Солнце. Каждый отражатель 30 может быть выполнен с возможностью выборочного наклона таким образом, что если положение источника света изменяется, каждый отражатель 30, расположенный в соответствующей группе 40 отражателей, может быть наклонен соответственно для отслеживания положения источника света, измененного относительно назначенного фотогальванического элемента 22. Отражатель, ориентированный для направления света к фотогальваническому элементу, находится в положении подачи энергии на фотогальванические элементы. Положение подачи энергии на фотогальванические элементы может изменяться и должно постоянно обновляться. Например, если источником света является Солнце, каждый отражатель 30, размещенный в назначенной группе 40 отражателей, может быть наклонен соответственно для отслеживания изменения положения Солнца в течение дня. Отражатель, ориентированный для направления света от фотогальванического элемента, находится в положении отсутствия подачи энергии на фотогальванические элементы.

[0027] Модуль 10 концентраторов может быть использован для любого применения, в котором световая энергия может быть преобразована в электрическую энергию. Примеры вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, относятся в первую очередь к использованию модулей концентраторов при преобразовании солнечной энергии. На ФИГ. 1А показан один модуль 10 концентраторов, который может быть использован для относительно компактных устройств, таких как, например, низкопрофильный портативный карманный генератор энергии. При этом, один модуль 10 концентраторов может быть электрически соединен или сопряжен с другими модулями концентраторов для создания двумерной или мозаичной решетки из множества модулей концентраторов (не показано), используемых в крупных генераторах солнечной энергии. Такие генераторы солнечной энергии могут быть использованы в таких устройствах, как, например, наземный портативный генератор энергии, беспилотное воздушное транспортное средство (UAV) или спутник.

[0028] Покровное стекло 20 может быть выполнено из любого прозрачного материала, который позволяет лучам 42 света пройти через такие материалы, как, например, стекло, пластик или диоксид кремния. Подложка 24 может быть использована для поддержки или монтажа отражателей 30. Согласно одному неограничивающему аспекту подложка 24 может быть выполнена из плавленого кварца.

[0029] Модуль 32 управления обеспечивает для модуля 10 концентраторов функции управления и телеметрии. Модуль 32 управления может включать в себя обрабатывающие средства, такие как процессор, и устройства хранения для хранения данных и инструкций для реализации запрограммированных функций. Модуль 32 управления включает в себя функции для управления положением и ориентированием отражателей 30, как описано более подробно ниже. В приведенных в качестве примера вариантах осуществления модуль 32 управления может управлять некоторым количеством отражателей 30 или групп 40 отражателей для направления света на соответствующие им фотогальванические элементы 22, при этом указанное количество групп 40 отражателей с таким управлением представляет собой коэффициент концентрации общего количества групп 40 отражателей на решетке 12 концентраторов светового излучения. Модуль 32 управления также может включать в себя интерфейс связи для приема сигналов или команд, например, от других вычислительных компонентов, таких как, например, полетный компьютер на космическом летательном аппарате.

[0030] В приведенных в качестве примера вариантах осуществления, описанных ниже со ссылкой на ФИГ. 1В-7, примеры модуля 10 концентраторов описаны в контексте солнечных источников питания, а более конкретно солнечных источников питания для использования на космическом летательном аппарате. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным применением или использованием, или конкретными формами устройств или способов. Кроме того, следующее ниже описание решеток концентраторов относится к фотогальваническим элементам, например, солнечным элементам. Следует отметить, что выражения "фотогальванический элемент" и "солнечный элемент" могут быть использованы взаимозаменяемо.

[0031] На ФИГ. 1В показано схематическое изображение примера солнечного источника 100 питания для подачи электрической энергии на космический летательный аппарат 110. Система 100 солнечных концентраторов содержит модули 104a-i концентраторов, размещенные с образованием плоской двумерной панели, которая может быть названа солнечным крылом. Каждый из модулей 104a-i концентраторов вырабатывает выходную мощность от решетки 108 концентраторов солнечной энергии в каждом модуле 104a-i концентраторов. Выводы питания каждого модуля 104a-i концентраторов соединены для обеспечения вывода V_out питания решетки концентраторов, который используется для подачи электрической энергии на космический летательный аппарат 110.

[0032] Космический летательный аппарат 110 включает в себя контроллер 112 электрического питания и модуль 116 связи. Контроллер 112 электрического питания соединен с выходом (при напряжении V_out) питания решетки концентраторов и выполнен с возможностью распределения электрической энергии от солнечного источника 100 питания на различные нагрузки в космическом летательном аппарате 110. Контроллер 112 электрического питания может также собирать данные от солнечного источника 100 питания и от космического летательного аппарата 110 и использовать собранные данные для управления солнечным источником 100 питания. Модуль 116 связи включает в себя интерфейс связи для сопряжения с радиостанциями и антеннами, обеспечивающими возможность связи с наземной системой управления (не показано). Контроллер 112 электрического питания может включать в себя процессор 114а и запоминающие средства 114b для выполнения функций, относящихся к управлению солнечного источника 100 питания. Например, запоминающие средства 114b могут включать в себя некратковременный компьютерочитаемый носитель информации для хранения исполняемых инструкций, которые при их исполнении процессором 114а обеспечивают возможность реализации функций, описанных в настоящем документе. Такие функции включают этапы определения коэффициента концентрации и подачи сигнала на модули 104a-i концентраторов для размещения отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы согласно коэффициенту концентрации. Эти и другие функции более подробно описаны ниже.

[0033] В другом приведенном в качестве примера варианте осуществления контроллер 112 электрического питания может сообщаться с полетным компьютером космического летательного аппарата (не показано) в отношении обрабатывающих и запоминающих средств. В таком приведенном в качестве примера варианте осуществления полетный компьютер может использовать телеметрические сигналы, подаваемые контроллером 112 электрического питания для подачи сигнала или отправки команды на модули 104 концентраторов для управления общей выходной мощностью солнечного источника 100 питания. Полетный компьютер может также обеспечивать подачу сигналов и команд на модули 104 концентраторов.

[0034] Следует отметить, что процессор 114а и запоминающее устройство 114b, используемые при реализации функций управления электрической энергией, описаны в настоящем документе как компоненты контроллера 112 электрического питания. Настоящее описание не предназначено для ограничения обрабатывающих средств для реализации описанных функций управления электрической энергией обрабатывающими средствами в контроллере 112 электрического питания. Как отмечено выше, космический летательный аппарат может включать в себя полетный компьютер, который может быть использован для реализации части или всех функций управления электрической энергией, описанных в настоящем документе. Также следует отметить, что контроллер 112 электрического питания может работать как независимый компонент аппаратных средств, содержащий свои собственные обрабатывающие средства и компоненты программного обеспечения, или как функциональный компонент, в рабочем порядке соединенный с полетным компьютером космического летательного аппарата или встроенный в полетный компьютер космического летательного аппарата.

[0035] Модули 104a-i концентраторов могут быть конструктивно встроены с образованием солнечного крыла, или панели, солнечного источника 100 питания. Модули 104a-i концентраторов имеют соединенные выводы питания на выводе V_out питания решетки концентраторов, который представляет общую выходную мощность всех модулей 104a-i концентраторов в солнечном источнике 100 питания. Каждый модуль 104a-i концентраторов включает в себя модуль 106 управления и решетку 108 концентраторов солнечной энергии, как показано в модуле 104а концентраторов на ФИГ. 1В.

[0036] Каждый модуль 104a-i концентраторов выполнен, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 1А. Решетка 108 концентраторов включает в себя блоки 120 солнечных ячеек и групп отражателей, изображенные на ФИГ. 1В в виде квадратов в решетке 108 концентраторов. Модуль 106 управления в каждом модуле 104a-i концентраторов может включать в себя процессор 106a, который может быть реализован в виде специализированной интегральной схемы ASIC или программируемой пользователем вентильной матрицы FPGA. Модуль 106 управления также может включать в себя запоминающее устройство 106b, которое включает в себя некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, хранящий исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором обеспечивают возможность реализации функций модуля 104a-i концентраторов. Такие функции могут включать в себя, например, управление выбранным количеством отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы согласно коэффициенту концентрации. Модуль 106 управления может включать в себя интерфейс управления блоками 120 солнечных элементов и групп отражателей, через который реализуется управление отражателями в группе отражателей.

[0037] Выходной мощностью солнечного источника 100 питания преимущественно можно управлять так, чтобы получить желаемый уровень выходной мощности между минимальным значением, необходимым для питания космического летательного аппарата 110, и максимальной доступной выходной мощностью согласно коэффициенту концентрации. Коэффициент концентрации может быть определен в любой момент времени путем определения доступной выходной мощности и потребной мощности космического летательного аппарата и регулировки коэффициента концентрации так, чтобы выходная мощность решеток концентраторов гарантированно не являлась избыточной, но достаточной для покрытиия потребной мощности космического летательного аппарата, как показано в описании ниже со ссылкой на ФИГ. 4 и 5.

[0038] В другом примере коэффициент концентрации может быть выдан в модуль 106 управления в качестве заданного коэффициента концентрации, принятого от наземных средств управления по системам связи наземных средств управления. Наземные средства управления могут отслеживать местоположение космического летательного аппарата во время космического полета и определять, когда на интенсивность света от Солнца влияет расстояние космического летательного аппарата до Солнца в такой степени, что мощность, вырабатываемая солнечным источником питания, является либо недостаточной, либо избыточной (в зависимости от направления космического летательного аппарата относительно Солнца). Наземные средства управления определяют заданный коэффициент концентрации исходя из расстояния космического летательного аппарата до Солнца и сообщают заданный коэффициент концентрации на космический летательный аппарат. Если космический летательный аппарат выполнен с возможностью отслеживания своего положения относительно Солнца во время космического полета, космический летательный аппарат может определить заданный коэффициент концентрации исходя из своего положения относительно Солнца. Затем космический летательный аппарат может установить коэффициент концентрации на заданное значение, определенное космическим летательным аппаратом.

[0039] Коэффициент концентрации может быть выражен в показателях соотношения общего количества отражателей или концентраторов, используемых для подачи энергии на солнечные элементы. Отдельные отражатели, или концентраторы, могут находиться в положении подачи энергии на солнечные элементы для направления света к солнечному элементу или в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, для направления света от солнечного элемента. При подаче энергии на солнечный элемент он вырабатывает электрическую энергию в зависимости от интенсивности света, принимаемого солнечным элементом. Коэффициент концентрации общего количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы может обусловливать подачу энергии на все солнечные элементы, но только таким количеством отражателей, которое меньше, чем общее количество отражателей, что приводит к получению меньшей выходной мощности, чем максимальная выходная мощность решетки 108 концентраторов.

[0040] В другом примере коэффициент концентрации может быть коэффициентом концентрации групп отражателей, так что коэффициент концентрации выражен как количество солнечных элементов или соответствующих групп отражателей, которое меньше, чем их общее количество на солнечном источнике 100 питания, при этом все отражатели в этих группах отражателей находятся в положении подачи энергии на солнечные элементы. Все отражатели в остальных группах отражателей будут находиться в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы. В другом примере коэффициент концентрации может быть выражен как количество решеток 108 концентраторов (при условии, что все модули 104a-i концентраторов содержат решетку 108 концентраторов с одинаковым количеством солнечных элементов), которое меньше, чем общее количество решеток 108 концентраторов в солнечном источнике 100 питания.

[0041] Еще в одном примере коэффициент концентрации может быть выражен в показателях площади. Солнечный источник 100 питания может содержать равномерно распределенные модули 104a-i концентраторов, на каждом из которых имеются равномерно распределенные солнечные элементы и группы 120 отражателей, так что солнечные элементы равномерно распределены на солнечном источнике 100 питания. Учитывая такое равномерное распределение, коэффициент концентрации также может быть определен как часть общей площади панели, образующей солнечный источник 100 питания. Например, решетка 108 концентраторов солнечной энергии может иметь площадь 30 квадратных дюймов (194 см²) с 30 квадратными солнечными элементами. Каждый солнечный элемент, на который подана энергия, может вырабатывать одну тридцатую (1/30) общей мощности. Коэффициент концентрации величиной может относиться к половине решетки 108 концентраторов, имеющей площадь в 30 квадратных дюймов (194 см²), так что на 15 солнечных элементов, охватываемых половиной площади решетки 108 концентраторов, будет подана энергия, а на другие 15 солнечных элементов энергия подана не будет.

[0042] Пример солнечного источника 100 питания может вырабатывать максимальную мощность величиной 25 кВт с помощью в общей сложности сотни солнечных элементов для космического летательного аппарата, которому для работы требуется мощность величиной 1 кВт. Коэффициент концентрации может быть обозначен в показателях выходной мощности так, что коэффициент концентрации 25:1 соответствует всем отражателям, ориентированным с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы. Коэффициент концентрации устанавливают на начальное значение величиной 1/25 мощности, когда космический летательный аппарат работает у Земли или возле нее. При этом начальном коэффициенте концентрации космический летательный аппарат 110 будет управлять солнечным источником питания, чтобы поместить 1/25 общего количества отражателей в положение подачи энергии на солнечные элементы для выработки 1 кВт электрической мощности.

[0043] Коэффициент концентрации изменяют во время космического полета, чтобы обеспечить выработку солнечным источником 100 питания необходимую, но не избыточную выходную мощность. Например, космический летательный аппарат, которому для работы требуется мощность 1 кВт с использованием солнечного источника питания, вырабатывающего максимальную мощность 25 кВт, будет начинать космический полет к Юпитеру (на расстояние 5 а.е.) от Земли (на расстоянии 1 а.е.) с начальным коэффициентом концентрации 1/25. По мере перемещения космического летательного аппарата от Земли (и Солнца) интенсивность света уменьшается, приводя к уменьшению выходной мощности от солнечных элементов, на которые подана энергия. Следовательно, по мере перемещения космического летательного аппарата от Земли, коэффициент концентрации увеличивается, вызывая работу увеличивающегося количества солнечных элементов для выработки электроэнергии. К тому времени, когда космический летательный аппарат прибывает на Юпитер, коэффициент концентрации составляет 25:1 с подачей энергии на все из доступных солнечных элементов для выработки необходимого 1 кВт для работы космического летательного аппарата.

[0044] Солнечный источник 100 питания космического летательного аппарата, место назначения которого ближе к Солнцу, чем Земля, также может управляться с использованием коэффициента концентрации. Например, космический летательный аппарат, совершающий космический полет к Венере и получающий питание от решетки концентраторов солнечной энергии с максимальной мощностью величиной 1 кВт на Земле, может начать космический полет на Земле с подачи энергии на все солнечные элементы. Коэффициент концентрации затем может быть уменьшен по мере того, как космический летательный аппарат приближается к Венере. Так, по мере приближения космического летательного аппарата к Венере, количество солнечных элементов, на которые подают энергию для питания космического летательного аппарата, уменьшается.

[0045] Как отмечено выше, коэффициент концентрации изменяют во время космического полета, поскольку доступная выходная мощность солнечного источника 100 питания изменяется по мере перемещения космического летательного аппарата ближе к Солнцу или дальше от Солнца. В приведенном в качестве примера варианте осуществления коэффициент концентрации может быть определен процессором 114а и предоставлен в каждый модуль 104a-i концентраторов посредством сигнала (позиция «Сигнал» на ФИГ. 1В) от контроллера 112 электрического питания на каждый модуль 106 управления каждого модуля 104a-i концентраторов. Процессор 114а может таким образом подавать сигнал на указанную по меньшей мере одну решетку концентраторов. Каждый модуль 104a-i концентраторов применяет коэффициент концентрации путем определения выбранного количества отражателей для ориентирования с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, при этом выбранное количество отражателей соответствует коэффициенту концентрации отражателей из общего количества отражателей в каждом модуле 104a-i концентраторов.

[0046] Коэффициент концентрации также может быть определен и использован процессором 114а для вычисления количества отражателей в решетке 108 концентраторов солнечной энергии для ориентирования с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы из общего количества отражателей. Затем контроллер 112 электрического питания может выполнить подачу сигнала на каждый модуль 106 управления каждого модуля 104a-i концентраторов с указанным количеством отражателей для ориентирования в положение подачи энергии на солнечные элементы.

[0047] На ФИГ. 2А в разрезе показан пример блока 200 солнечных элементов и групп отражателей, которые могут быть использованы в решетке 108 концентраторов на ФИГ. 1В. Блок 200 солнечных элементов и групп отражателей на ФИГ. 2А включает в себя солнечный элемент 204, установленный на первой плоской подложке 202, предпочтительно выполненный из стекла или какого-либо другого подходящего прозрачного материала, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 1А. Соответствующая группа отражателей включает в себя отражатели 206, установленные на второй плоской подложке 208, расположенные на расстоянии от первой плоской подложки 202 и параллельно ей, так что солнечный элемент 204 находится прямо напротив отражателей 206 в группе отражателей. Первая и вторая подложки 202, 208 ориентированы так, что свет 201 падает на панель на первой плоской подложке 202. Хотя свет 201 на ФИГ. 2А показан направленным к первой плоской подложке 202 по существу под прямым углом падения, отражатели 206 могут быть отрегулированы так, чтобы сохранять направление света на солнечный элемент 204, когда угол падения света 201 смещен от прямого, как описано ниже со ссылкой на ФИГ. 2С. Свет 201 проходит через прозрачную первую плоскую подложку 201 по направлению к отражателям 206 в группе отражателей. Отражатели 206 направляют свет 205 обратно к солнечному элементу 204 на первой плоской подложке 202.

[0048] В приведенных в качестве примера вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, солнечный элемент 204 может быть любым подходящим электронным компонентом, который принимает свет и вырабатывает электрический сигнал, характеризующий интенсивность света. Соответствующие отражатели 206 содержат зеркала, размещенные для отражения света назад по направлению к солнечному элементу 204. В приведенных в качестве примера вариантах осуществления отражатели 206 могут быть реализованы в виде микроэлектромеханических компонентов (МЭМС), включающих миниатюрные зеркала и компоненты управления для увеличения плотности блоков 200 солнечных элементов и групп отражателей на решетке концентраторов. Каждый отражатель 206 может управляться приводом 210, который выполнен с возможностью ориентирования отражателя 206 путем поворота зеркала относительного одного или более измерений. Привод 210 также может обеспечивать ориентирование с поступательным перемещением посредством перемещения отражателя ближе к солнечному элементу 204 или дальше от солнечного элемента 204. Привод 210 может принимать сигналы от модуля 106 управления, который приводят к перемещению отражателей 206 согласно командам, выдаваемым модулем 106 управления.

[0049] Путем управления ориентацией каждого отражателя модуль 106 управления может управлять интенсивностью света, направленного к солнечному элементу, соответствующему отражателю. Например, модуль 106 управления может посылать сигналы на каждый отражатель 206 в группе отражателей для направления света 205 к солнечному элементу 204, как показано на ФИГ. 2А. Это положение каждого отражателя 206 на ФИГ. 2А может быть упомянуто как положение подачи энергии на солнечные элементы, которое является положением или ориентацией отражателя 206, обеспечивающим возможность отражателя 206 для направления света к солнечному элементу 204.

[0050] На ФИГ. 2В в разрезе показан блок 200 солнечных элементов и групп отражателей с отражателями 206, ориентированными с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы. Модуль 106 управления может посылать сигналы на приводы 210 для ориентирования отражателей 206 с направлением света 203 от солнечного элемента 204. Когда отражатели 206 направляют свет 203 так, что свет 203 не сообщает энергию солнечному элементу 204, солнечный элемент 204 не вырабатывает электрический сигнал и не вносит вклада в электрическую выходную мощность модуля 104а концентраторов (на ФИГ. 1В). Отражатели 206 на ФИГ. 2В показаны ориентированными для направления света назад вдоль угла падения света 201. Положение, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, может, однако, быть любым положением или ориентацией отражателей 206, которое обеспечивает возможность отражателя 206 для направления света в любом направлении, которое не направлено к солнечному элементу 204.

[0051] Как отмечено выше, коэффициент концентрации может быть выражен в показателях количества групп отражателей, которое меньше, чем общее количество групп отражателей, в которых все отражатели находятся в положении подачи энергии на солнечные элементы. На ФИГ. 2А и 2В показано, как коэффициент концентрации, выраженный таким образом, может быть использован для управления выходной мощностью решетки 108 концентраторов. Если все отражатели 206 в каждом блоке 120 солнечных элементов и групп отражателей ориентированы с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, как показано на ФИГ. 2А, каждый солнечный элемент 204 вырабатывает по существу максимальную электрическую мощность, соответствующую интенсивности падающего света. Если все отражатели 206 в каждом блоке 120 солнечных элементов и групп отражателей ориентированы с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, как показано на ФИГ. 2В, от каждого соответствующего солнечного элемента 204 по существу не будет выхода мощности. Увеличение коэффициента концентрации приводит к увеличению количества групп отражателей со всеми отражателями в положении подачи энергии на солнечные элементы, что приводит к более высокой выходной мощности. Уменьшение коэффициента концентрации приводит к уменьшению количества групп отражателей со всеми отражателями в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, что приводит к более низкой выходной мощности.

[0052] Положение подачи энергии на солнечные элементы может изменяться во время работы космического летательного аппарата 110. Как отмечено выше, угол падения света на закрывающую панель солнечного источника 100 питания может изменяться по существу от 90°. Космический летательный аппарат 110 может включать в себя компоненты аппаратных средств и программного обеспечения, которые управляют ориентацией и положением солнечного источника 100 питания для сохранения угла падения величиной по существу 90° при перемещении космического летательного аппарата 110 в космосе. Для космического летательного аппарата 110 может быть не всегда возможно поддерживать величину 90° для угла падения света на солнечный источник 100 питания. Если составляющий по существу 90° угол падения света не может быть сохранен, отражатели 206 в группах отражателей, подающих энергию на солнечные элементы 204, могут быть отрегулированы так, чтобы сохранять максимальную интенсивность на солнечных элементах 204, на которые подается энергия. По существу, положение отражателей 206, обеспечивающее подачу энергии на солнечные элементы, изменяют при изменении ориентации солнечного источника 100 питания.

[0053] На ФИГ. 2С в разрезе показаны солнечный элемент 204 и соответствующие отражатели 206 в положении подачи энергии на солнечные элементы, когда свет 201 не проходит по нормали к солнечному источнику 100 питания (ФИГ. 1 В). Угол падения света 201 в примере, показанном на ФИГ. 2С, не составляет по существу 90° в отличие от угла падения света 201, показанного в примерах на ФИГ. 2А и 2В. Поскольку угол падения меняется от нормального направления, модуль 106 управления (на ФИГ. 1В) управляет отражателями 206 посредством подачи сигналов на приводы 210 на размещение отражателей 206 для сохранения направления света 205 к солнечному элементу 204. Соответственно, положение отражателей 206, обеспечивающее подачу энергии на солнечные элементы, изменяется в зависимости от отражателя и от угла падения света 201.

[0054] Как отмечено выше, коэффициент концентрации может быть выражен в показателях общего количества отражателей в решетке концентраторов или в солнечном источнике питания. Это может привести к применению коэффициента концентрации к этому количеству отражателей в группе отражателей. На ФИГ. 2D в разрезе показан пример солнечного элемента 204 и соответствующих отражателей, в котором выбранные отражатели 206 находятся в положении подачи энергии на солнечные элементы, а другие отражатели 212 находятся в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы. Когда выбранное количество отражателей 206, ориентированных с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, меньше, чем все отражатели в группе отражателей, солнечный элемент 204 вырабатывает меньше, чем максимальное количество электрической энергии. Некоторые отражатели 206 в группе отражателей будут размещены в положении подачи энергии на солнечные элементы, а другие отражатели 212 в этой же группе отражателей будут размещены в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, как показано на ФИГ. 2D. Общее количество выбранных отражателей 206, размещенных в положении подачи энергии на солнечные элементы в решетке концентраторов, может соответствовать коэффициенту концентрации общего количества отражателей в решетке концентраторов.

[0055] Использование коэффициента концентрации для управления выходной мощностью решетки 108 концентраторов обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что потребная мощность космического летательного аппарата покрывается без выработки избыточной мощности. Космический летательный аппарат, которому требуется мощность 1 кВт для перемещения от Земли к Юпитеру, устанавливает начальный коэффициент концентрации меньшим, чем максимальный коэффициент концентрации, достаточный для выработки мощности 1 кВт, и увеличивает коэффициент концентрации до тех пор, пока возле Юпитера не будет достигнут максимальный коэффициент концентрации для выработки такой же мощности 1 кВт. Схожим образом, космический летательный аппарат, которому требуется мощность 1 кВт для перемещения от Земли к Венере, устанавливает начальный коэффициент концентрации на максимальное значение, достаточный для выработки мощности в 1 кВт, и уменьшает коэффициент концентрации до минимального значения, необходимого для выработки такой же мощности 1 кВт при достижении Венеры.

[0056] На ФИГ. 3-5 показаны структурные схемы, иллюстрирующие способы управления выходной мощностью решетки концентраторов с использованием коэффициента концентрации. Следует отметить, что способы, показанные на ФИГ. 3-5, предполагают, что коэффициент концентрации основан на отслеживании доступной выходной мощности и потребной мощности космического летательного аппарата. Как отмечено выше, коэффициент концентрации может быть определен с использованием других способов, например, без ограничения, основанных на расстоянии до Солнца. В следующем описании способов по ФИГ. 3-5 делается ссылка на компоненты, показанные на ФИГ. 1В, если не указано иное. Способы по ФИГ. 3-5 могут быть реализованы в виде компонентов программного обеспечения, содержащих инструкции, исполняемые компьютером и хранящиеся в запоминающем устройстве, и исполняемые процессором в модуле 106 управления или в другом вычислительном устройстве на космическом летательном аппарате 110.

[0057] На ФИГ. 3 показана структурная схема, иллюстрирующая работу первого примера способа 300 управления выходной мощностью, поступающей от решетки 108 концентраторов. В приведенном в качестве примера неограничивающем варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1В, контроллер 112 электрического питания определяет коэффициент концентрации и сообщает информацию, относящуюся к коэффициенту концентрации (или сам коэффициент концентрации), в модуль 106 управления. На этапе 302 модуль 106 управления принимает сигнал или команду на размещение выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы, при этом выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации отражателей на решетке 108 концентраторов.

[0058] На этапе 304 модуль 106 управления размещает указанное выбранное количество отражателей на решетке 108 концентраторов в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки решеткой 108 концентраторов выходной мощности. Модуль 106 управления размещает отражатели посредством подачи сигналов на приводы, соответствующие указанному выбранному количеству отражателей.

[0059] Как отмечено выше, коэффициент концентрации предпочтительно может быть отрегулирован для космического летательного аппарата, движущегося от Солнца и для космического летательного аппарата, движущегося по направлению к Солнцу. На ФИГ. 4 показана структурная схема, иллюстрирующая работу примера способа 400 изменения коэффициента концентрации для космического летательного аппарата, движущегося от Солнца. Способ 400 по ФИГ. 4 может быть реализован контроллером 112 электрического питания для определения коэффициента концентрации для подачи сигнала в модули 106 управления в каждых модулях 104a-i концентраторов. В альтернативном примере солнечный источник 100 питания может быть реализован с использованием одного модуля 104a-i концентраторов с модулем 106 управления, который выполняет операции, описанные в настоящем документе, для контроллера 112 электрического питания.

[0060] На этапе 402 определяют начальный коэффициент концентрации, меньший максимального коэффициента концентрации. В приведенном выше примере для космического летательного аппарата, движущегося к Юпитеру и имеющего потребную мощность величиной 1 кВт, а также общую максимальную выходную мощность величиной 25 кВт, начальный коэффициент концентрации может быть установлен на величину 1/25 для выработки необходимой мощности 1 кВт при нахождении по существу возле Земли. Количество групп отражателей, соответствующих величине 1/25, выбирают и ориентируют с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы. На этапе 404 контроллер 112 электрического питания может оценивать нагрузку на бортовую электрошину для определения потребной мощности космического летательного аппарата. На этапе 406 измеряют доступную выходную мощность от решетки или решеток 108 концентраторов. Как отмечено выше, доступная выходная мощность будет уменьшаться по мере перемещения космического летательного аппарата дальше от Солнца вследствие уменьшения интенсивности света.

[0061] В блоке 408 принятия решения доступную выходную мощность сравнивают с потребной мощностью космического летательного аппарата. Если доступная выходная мощность выше, чем потребная мощность космического летательного аппарата (ветвь ДА), коэффициент концентрации может быть оставлен неизменным. Если доступная выходная мощность меньше, чем потребная мощность космического летательного аппарата (ветвь НЕТ), коэффициент концентрации может быть увеличен на этапе 410. Следует отметить, что может быть применено пороговое значение, когда доступная выходная мощность должна поддерживаться на уровне потребной мощности космического летательного аппарата плюс пороговое значение.

[0062] Управление согласно способу 400 переходит от блока 408 принятия решения и этапа 410 к этапу 404 для непрерывного отслеживания потребной мощности космического летательного аппарата и затем к этапу 406 для непрерывного отслеживания доступной выходной мощности.

[0063] На ФИГ. 5 показана структурная схема, иллюстрирующая работу примера способа 500 изменения коэффициента концентрации для космического летательного аппарата, движущегося по направлению к Солнцу. Способ 500 по ФИГ. 5 может быть реализован контроллером 112 электрического питания для определения коэффициента концентрации для подачи сигнала в модули 106 управления в каждых модулях 104a-i концентраторов. В альтернативном примере солнечный источник 100 питания может быть реализован с использованием одного модуля 104a-i концентраторов с модулем 106 управления, который выполняет операции, описанные в настоящем документе для контроллера 112 электрического питания.

[0064] На этапе 502 определяют начальный коэффициент концентрации, больший минимального коэффициента концентрации в начальном положении. В приведенном выше примере для космического летательного аппарата, движущегося к Венере и имеющего потребную мощность 1 кВт, а также общую максимальную выходную мощность 1 кВт, начальный коэффициент концентрации может быть установлен на значение 10:1 для выработки необходимой мощности 1 кВт при нахождении по существу в начальном положении, которым является Земля. Количество групп отражателей, соответствующих коэффициенту 10:1, или все группы отражателей выбирают и ориентируют с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы. На этапе 504 контроллер 112 электрического питания может оценивать нагрузку на бортовую электрошину для определения необходимой мощности от решетки 108 концентраторов. На этапе 506 измеряют доступную выходную мощность от решетки или решеток 108 концентраторов. Как отмечено выше, выходная мощность будет увеличиваться по мере перемещения космического летательного аппарата к Солнцу вследствие увеличившейся интенсивности света по мере приближения космического летательного аппарата 110 к Солнцу.

[0065] В блоке 508 принятия решения доступную выходную мощность сравнивают с потребной мощностью космического летательного аппарата. Если доступная выходная мощность меньше, чем потребная мощность космического летательного аппарата (ветвь НЕТ) плюс пороговое значение, коэффициент концентрации может быть оставлен неизменным. Если доступная выходная мощность превосходит потребную мощность космического летательного аппарата плюс пороговое значение (ветвь ДА), коэффициент концентрации может быть уменьшен на этапе 510. Следует отметить, что пороговое значение может быть подходящей величиной, характеризующей уровень мощности, считающийся избыточным.

[0066] Управление согласно способу 500 переходит от блока 508 принятия решения 508 и этапа 510 к этапу 504 для непрерывного отслеживания потребной мощности космического летательного аппарата, а затем к этапу 506 для непрерывного отслеживания доступной выходной мощности.

[0067] Как описано выше, коэффициент концентрации может быть применен к выбранному количеству отражателей по отдельности или в группах отражателей. На ФИГ. 6А показана блок-схема приведенной в качестве примера космической системы 600, получающей питание от солнца и содержащей космический летательный аппарат 610, получающий питание от солнечного источника 602 питания, с иллюстрацией подачи энергии на группы отражателей согласно коэффициенту концентрации. Солнечный источник 602 питания включает в себя модули 604a-i микроконцентраторов (МСМ), каждый из которых содержит модуль 606 управления и решетку 608 микроконцентраторов. Решетка 608 микроконцентраторов по ФИГ. 6А включает в себя солнечные элементы и соответствующие группы МЭМС-отражателей. Модули 604a-i микроконцентраторов являются примерами модулей 10 и 104a-i концентраторов, описанных выше со ссылкой на ФИГ. 1А и 1В. Решетка 608 микроконцентраторов является примером решетки 12 и 108 концентраторов, описанным выше со ссылкой на ФИГ. 1А и 1В.

[0068] Модуль 606 управления в решетке 604а микроконцентраторов по ФИГ. 6А может реализовывать способ 300, описанный выше со ссылкой на ФИГ. 3. Количество отражателей согласно коэффициенту концентрации может быть выбрано в группах отражателей. Таким образом, выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации из общего количества групп отражателей, являющегося количеством солнечных элементов. Все отражатели в каждой из выбранного количества групп отражателей ориентированы с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, как показано на ФИГ. 2А. На ФИГ. 6А показана первая совокупность групп 620 отражателей в виде группы отражателей, не выбранных для подачи энергии на солнечные элементы, соответствующие первой совокупности групп 620 отражателей. Вторая совокупность групп 622 отражателей, обозначенная на ФИГ. 6А серыми квадратами, представляет собой выбранное количество групп отражателей, соответствующее коэффициенту концентрации величиной , выбранных для подачи энергии на солнечные элементы, соответствующие каждой из второй совокупности групп 622 отражателей. Пример на ФИГ. 6А иллюстрирует выбор коэффициента концентрации солнечных элементов для подачи энергии для выдачи максимальной мощности каждого солнечного элемента. Общая выходная мощность решетки 604а микроконцентраторов представляет собой коэффициент концентрации общей выходной мощности решетки 604а микроконцентраторов.

[0069] На ФИГ. 6В показана блок-схема приведенной в качестве примера космической системы 650 для подачи питания на космический летательный аппарат 610 с использованием солнечной батареи 652. Солнечная батарея 652 включает в себя модули 660 и 662 микроконцентраторов, при этом каждый модуль 660 и 662 микроконцентраторов выполнен в виде модулей 604a-i микроконцентраторов по ФИГ. 6А. В примере, показанном на ФИГ. 6В, космический летательный аппарат 610 может определить коэффициент концентрации и выбирать несколько модулей 658 микроконцентраторов, соответствующих коэффициенту концентрации, а затем сообщить энергию всем группам отражателей на выбранных модулях 658 микроконцентраторов для ориентирования с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы. На ФИГ. 6В показана солнечная батарея 652 с первой совокупностью модулей 660 микроконцентраторов в виде серых квадратиков, представляющих модули 660 микроконцентраторов, выбранные для выработки максимальной выходной мощности модулей 658 микроконцентраторов. В первой совокупности модулей 660 микроконцентраторов каждая группа отражателей, соответствующая каждому солнечному элементу в каждой решетке 608 микроконцентраторов (на ФИГ. 6А) в каждом модуле 660 микроконцентраторов, ориентирована с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, как, например, показано ориентацией отражателей 206 на ФИГ. 2А. Вторая совокупность модулей 662 микроконцентраторов, показанных в виде белых квадратиков, представляют модули 662 микроконцентраторов, не выбранные для выработки электроэнергии. Во второй совокупности модулей 662 микроконцентраторов каждая группа отражателей, соответствующая каждому солнечному элементу в каждой решетке 608 микроконцентраторов (на ФИГ. 6А) в каждом модуле 662 микроконцентраторов, ориентирована с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, как, например, показано ориентацией отражателей 206 на ФИГ. 2В.

[0070] На ФИГ. 7 показан график 700, иллюстрирующий сравнение выходной мощности от приведенного в качестве примера варианта осуществления солнечного источника 100 питания на ФИГ. 1В, имеющего решетки 104a-i концентраторов солнечной энергии, в которых коэффициент концентрации изменяется во время космического полета, выходной мощности от известного солнечного источника питания, имеющего решетки концентраторов солнечной энергии, в которых не реализуется изменение коэффициента концентрации. График 700 на ФИГ. 7 имеет две вертикальных оси. Вертикальная ось справа ("мощность решетки") представляет нормализованную выходную мощность, так что значение 1 представляет потребную мощность космического летательного аппарата, а значение 20 представляет двадцатикратную потребную мощность космического летательного аппарата. Вертикальная ось слева ("Концентрация") представляет значения коэффициента концентрации, который может быть использован посредством приведенного в качестве примера варианта осуществления солнечного источника 100 питания на ФИГ. 1В.

[0071] На графике 700 показана первая кривая 702, представляющая выходную мощность известного солнечного источника питания. Первая кривая 702 использует вертикальную ось справа ("мощность решетки ") для показа падения выходной мощности по мере увеличения расстояния до Солнца. Выходная мощность, показанная первой кривой 702, падает от значения выходной мощности на расстоянии 1 а.е. (на Земле), которое составляет примерно двадцатипятикратную потребную мощность космического летательного аппарата, до значения выходной мощности примерно один на расстоянии Юпитера от Солнца величиной 5 а.е. Падение выходной мощности происходит вследствие уменьшения интенсивности света при перемещении космического летательного аппарата дальше от Солнца.

[0072] На ФИГ. 7 показана вторая кривая 704, представляющая выходную мощность приведенного в качестве примера варианта осуществления солнечного источника 100 питания на ФИГ. 1В, который изменяет коэффициент концентрации для модулей 104a-i концентраторов. Вторая кривая 704 также использует вертикальную ось справа ("мощность решетки ") для показа выходной мощности, остающейся по существу во время космического полета по мере перемещения космического летательного аппарата дальше от Солнца.

[0073] На ФИГ. 7 третьей кривой 706 показано соотношение между коэффициентом концентрации и выходной мощностью приведенного в качестве примера варианта осуществления солнечного источника 100 питания. Третья кривая 706 использует вертикальную ось слева ("Концентрация") и показывает увеличение коэффициента концентрации по мере перемещения космического летательного аппарата дальше от Солнца для поддержания уровня выходной мощности, как обозначено второй кривой 704. Как описано выше, низкий коэффициент концентрации в начале космического полета приводит к тому, что часть отражателей в каждом модуле микроконцентраторов ориентированы с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы, а остальные отражатели ориентированы с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы. Коэффициент концентрации увеличивается по мере перемещения космического летательного аппарата дальше от Солнца, как обозначено третьей кривой 706. Увеличение коэффициента концентрации приводит к постепенному увеличению количества отражателей, ориентированных с занятием положения подачи энергии на солнечные элементы во время космического полета, до тех пор, пока все отражатели не окажутся в положении подачи энергии на солнечные элементы на расстоянии примерно 5 а.е. Выходная мощность остается по существу на одном уровне в течение космического полета.

[0074] Приведенные в качестве примера варианты осуществления систем и способов управления выходной мощностью решеток концентраторов с использованием концентраторов для фокусирования света на фотогальванических элементах для выработки электрической энергии. Следует отметить, что отдельные отражатели в группе отражателей могут быть ориентированы с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, для реализации функций, не относящихся к управлению распределением электрической энергии. Например, космический летательный аппарат может быть открыт воздействию внезапного выброса световой энергии, достаточной для повреждения космического летательного аппарата. Такое воздействие может быть следствием лазерной атаки со стороны объекта, намеревающегося разрушить космический летательный аппарат, или следствием обладающего высокой интенсивностью всплеска излучения света от природных или искусственных источников.

[0075] Внезапный выброс разрушительной световой энергии может быть обнаружен космическим летательным аппаратом. Например, во время космического полета контроллер 112 электрического питания может непрерывно отслеживать доступную выходную мощность. При отслеживании доступной выходной мощности контроллер 112 электрического питания может воспринимать импульсный или внезапный выброс мощности, который вряд ли будет вызван солнечным светом, падающим на решетки 108 концентраторов. Исходя из импульсного или внезапного выброса мощности контроллер 112 электрического питания может определить, что космический летательный аппарат подвергается атаке в виде внезапного выброса световой энергии, достаточной, чтобы вызвать повреждение. В качестве реакции на это может быть произведено управление решеткой 108 концентраторов, чтобы сориентировать выбранное количество групп отражателей с занятием положения, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы, для направления света лазера от космического летательного аппарата. Выбранное количество может представлять собой все группы отражателей, которые отключают подачу электрической энергии на космический летательный аппарат, или количество, достаточное для отражения энергии лазерного излучения от космического летательного аппарата. Такая реакция может быть запрограммирована автономно в программных средствах управления или передана в виде предварительных команд с Земли, чтобы упредить известную угрозу.

[0076] Выше описан способ управления выходной мощностью решетки концентраторов, содержащей фотогальванические элементы и отражатели, размещенные в группах отражателей, соответствующих указанным фотогальваническим элементам, при этом способ включает:

прием сигнала на размещение выбранного количества отражателей на решетке концентраторов в положении подачи энергии на фотогальванические элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности, при этом выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации указанных отражателей; и

размещение выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на фотогальванические элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности.

[0077] Согласно одному аспекту этого приведенного в качестве примера способа каждый отражатель представляет собой устройство на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), имеющее миниатюрное зеркало, соединенное с приводом, причем этап регулировки каждого отражателя из выбранного количества отражателей включает подачу сигнала на привод на размещение миниатюрного зеркала так, что оно отражает свет по направлению к соответствующему фотогальваническому элементу.

[0078] Согласно еще одному аспекту этого приведенного в качестве примера способа, выбранное количество отражателей выбирают в группах отражателей, при этом указанное количество групп отражателей, содержащих выбранное количество отражателей, соответствует коэффициенту концентрации групп отражателей таким образом, что этап размещения выбранного количества отражателей включает размещение выбранного количества отражателей в виде групп отражателей с обеспечением подачи энергии на количество фотогальванических элементов, соответствующих коэффициенту концентрации.

[0079] Выше описан пример солнечного источника питания, содержащего:

решетку концентраторов, содержащую солнечные элементы и группы отражателей, при этом каждая группа отражателей соответствует одному из солнечных элементов;

вывод питания, соединенный с каждым солнечным элементом для приема электрической энергии, вырабатываемой каждым солнечным элементом при отражении света на солнечные элементы от отражателей; и

модуль управления, содержащий процессор и некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, хранящий исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором обеспечивают возможность:

приема сигнала на размещение выбранного количества отражателей на решетке концентраторов в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности, при этом выбранное количество отражателей представляет собой коэффициент концентрации указанных отражателей; и

размещения выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки решетками концентраторов выходной мощности.

[0080] Согласно одному аспекту этого примера солнечного источника питания некратковременный компьютерочитаемый носитель информации хранит исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность размещения выбранного количества отражателей в виде групп отражателей с обеспечением подачи энергии на количество солнечных элементов, соответствующих коэффициенту концентрации.

[0081] Выше описаны примеры космического летательного аппарата. Космический летательный аппарат содержит:

по меньшей мере одну решетку концентраторов, содержащую солнечные элементы и группы отражателей, при этом каждая группа отражателей соответствует одному из солнечных элементов, а указанные солнечные элементы выполнены с возможностью выработки выходной мощности решеток концентраторов;

вывод питания, соединенный с каждой по меньшей мере одной решеткой концентраторов для приема выходной мощности решеток концентраторов, вырабатываемой солнечными элементами при отражении света на солнечные элементы от отражателей; и

контроллер электрического питания, соединенный для приема выходной мощности и для распределения выходной мощности решеток концентраторов от указанной по меньшей мере одной решетки концентраторов на космический летательный аппарат, причем контроллер электрического питания содержит процессор и некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, хранящий исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором обеспечивают возможность:

определения коэффициента концентрации указанной по меньшей мере одной решетки концентраторов;

подачи сигнала на указанную по меньшей мере одну решетку концентраторов на размещение выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки соответствующей по меньшей мере одной решеткой концентраторов выходной мощности, при этом выбранное количество отражателей основано на коэффициенте концентрации.

[0082] Согласно одному аспекту, космический летательный аппарат также содержит модуль связи для обеспечения связи с наземными средствами управления.

[0083] Согласно еще одному аспекту космического летательного аппарата некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, находящийся в контроллере электрического питания, хранит исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность:

приема заданного коэффициента концентрации от наземных средств управления посредством модуля связи и

установки коэффициента концентрации на заданное значение, принятое от наземных средств управления при определении коэффициента концентрации.

[0084] Согласно еще одному аспекту космического летательного аппарата некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, находящийся в контроллере электрического питания, хранит исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность:

приема местоположения космического летательного аппарата относительно Солнца; а при перемещении космического летательного аппарата дальше от Солнца, увеличения коэффициента концентрации на этапе определения коэффициента концентрации.

[0085] Согласно еще одному аспекту космического летательного аппарата некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, находящийся в контроллере электрического питания, хранит исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность:

приема местоположения космического летательного аппарата относительно Солнца; а при перемещении космического летательного аппарата ближе к Солнцу, уменьшения коэффициента концентрации на этапе определения коэффициента концентрации.

[0086] Согласно еще одному аспекту космического летательного аппарата некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, находящийся в контроллере электрического питания, хранит исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность:

измерения доступной выходной мощности;

измерения потребной мощности космического летательного аппарата;

определения разности между доступной выходной мощностью и потребной мощностью космического летательного аппарата и

обеспечения коэффициента концентрации на основе разности между доступной выходной мощностью и потребной мощностью космического летательного аппарата на этапе определения коэффициента концентрации.

[0087] Согласно еще одному аспекту космический летательный аппарат также содержит:

решетки концентраторов;

некратковременный компьютерочитаемый носитель информации, находящийся в контроллере электрического питания, хранящий исполняемые инструкции, которые при их исполнении процессором также обеспечивают возможность

при подаче сигнала на указанную по меньшей мере одну решетку концентраторов:

подачи сигнала на первые выбранные решетки из указанных решеток концентраторов на размещение всех отражателей на каждом из первых выбранных решеток концентраторов в положении подачи энергии на солнечные элементы; и

подачи сигнала на вторые выбранные решетки из указанных решеток концентраторов на размещение всех отражателей на каждом из вторых выбранных решеток концентраторов в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы;

при этом указанное количество решеток концентраторов в первых выбранных решетках концентраторов соответствует коэффициенту концентрации.

[0088] В качестве примера описан способ выработки электрической энергии для космического летательного аппарата посредством по меньшей мере одного модуля концентраторов. Каждый модуль концентраторов содержит решетку концентраторов, имеющую солнечные элементы и отражатели, размещенные в группах отражателей, соответствующих указанным солнечным элементам. Способ включает:

определение коэффициента концентрации указанной по меньшей мере одной решетки концентраторов;

подачу сигнала на указанную по меньшей мере одну решетку концентраторов на размещение выбранного количества отражателей в положении подачи энергии на солнечные элементы для выработки соответствующей по меньшей мере одной решеткой концентраторов выходной мощности, при этом выбранное количество отражателей основано на коэффициенте концентрации.

[0089] Согласно одному аспекту этого способа солнечная энергосистема содержит решетки концентраторов; а этап подачи сигнала на решетки концентраторов включает:

подачу сигнала на первые выбранные решетки из указанных решеток концентраторов на размещение всех отражателей на каждом из первых выбранных решеток концентраторов в положении подачи энергии на солнечные элементы; и

подачу сигнала на вторые выбранные решетки из указанных решеток концентраторов на размещение всех отражателей на каждом из вторых выбранных решеток концентраторов в положении, в котором нет подачи энергии на солнечные элементы;

при этом указанное количество решеток концентраторов в первых выбранных решетках концентраторов соответствует коэффициенту концентрации.

[0090] Структурные схемы и блок-схемы в различных изображенных примерах иллюстрируют архитектуру, функциональность и работу некоторых возможных вариантов осуществления устройств и способов в иллюстративном примере. В связи с этим, каждый блок в структурных схемах или блок-схемах может представлять модуль, сегмент, функцию, часть операции или этапа, некоторую их комбинацию.

[0091] В некоторых альтернативных вариантах осуществления иллюстративного примера функция или функции, обозначенная или обозначенные в блоках, могут быть реализованы в порядке, отличном от показанного на чертежах. Например, в некоторых случаях два блока, показанные последовательно, могут быть выполнены по существу одновременно, или блоки могут иногда выполняться в обратном порядке в зависимости от задействованной функциональности. Кроме того, другие блоки могут быть добавлены в дополнение к блокам, показанным в структурной схеме или блок-схеме.

[0092] Описание различных иллюстративных примеров представлено в целях иллюстрации и описания, оно не является исчерпывающим или ограниченным примерами в раскрытой форме. Многие модификации и вариации окажутся очевидны специалистам в данной области техники. Кроме того, различные иллюстративные примеры могут обеспечить различные функции по сравнению с другими желательными примерами. Пример или примеры выбраны и описаны для того, чтобы наилучшим образом объяснить принципы примеров, практическое применение и дать возможность другим обычным специалистам в данной области техники понять раскрытие различных примеров с различными модификациями, которые подходят для конкретного рассматриваемого применения.

Изобретение относится к области солнечных энергосистем, в частности к системам и способам управления выходной мощностью солнечных батарей на основе концентраторов. Техническим результатом является предотвращение повреждений, вызываемых избытком мощности на космических летательных аппаратах. Предложены система и способ выработки электрической энергии от солнечного источника питания с использованием по меньшей мере одной решетки концентраторов, имеющей фотогальванические элементы и соответствующие группы отражателей для направления света к фотогальваническим элементам. Определяют коэффициент концентрации, характеризующий часть электрической мощности, вырабатываемой для питания космического летательного аппарата. Коэффициент концентрации сообщают в модуль управления на решетке концентраторов. Модуль управления выбирает некоторое количество отражателей из общего количества отражателей для ориентирования с занятием положения подачи энергии на фотогальванические элементы, при этом выбранное количество отражателей соответствует коэффициенту концентрации общего количества отражателей. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления выходной мощностью модуля концентраторов от падающего света на модуль концентраторов, причем модуль концентраторов содержит управляющий модуль, имеющий процессор, множество фотогальванических элементов и множество отражателей, при этом способ включает:

прием процессором сигнала для изменения положения множества отражателей для генерирования выходной мощности от множества фотогальванических элементов модуля концентраторов;

определение процессором потребляемой мощности нагрузки, соединенной со множеством фотогальванических элементов;

определение процессором первой конфигурации множества фотогальванических элементов на основании потребляемой мощности, причем первая конфигурация множества фотогальванических элементов идентифицирует первое подмножество из множества фотогальванических элементов, которое не принимает свет от источника света, и второе подмножество из множества фотогальванических элементов, которое принимает свет от источника света; и

позиционирование части из множества отражателей для перевода множества отражателей в первую конфигурацию множества отражателей, причем первая конфигурация множества отражателей содержит первое подмножество из множества отражателей, расположенных в положении, в котором нет подачи энергии на фотогальванические элементы, при этом первое подмножество из множества отражателей соответствует первому подмножеству из множества фотогальванических элементов, и первая конфигурация множества отражателей содержит второе подмножество из множества отражателей, расположенных в положении подачи энергии на фотогальванические элементы c обеспечением возможности вызывания генерирования выходной мощности вторым подмножеством из множества фотогальванических элементов.

2. Способ по п. 1, также включающий определение процессором доступной мощности от множества фотогальванических элементов, в то время как множество отражателей находятся во второй конфигурации, причем множество отражателей выполнено с возможностью перехода из второй конфигурации в первую конфигурацию, причем первая конфигурация множества фотогальванических элементов определяется также на основе доступной мощности, и при этом первая конфигурация обеспечивает меньшую мощность, чем доступная мощность, обеспечиваемая второй конфигурацией.

3. Способ по п. 1, также включающий прием процессором сигнала, указывающего соотношение фотогальванических элементов, на которые подана энергия, к фотогальваническим элементам, на которые не подана энергия, причем первая конфигурация множества фотогальванических элементов определяется на основе этого соотношения.

4. Способ по п. 1, при котором первую конфигурацию множества фотогальванических элементов определяют на основе первого расстояния между множеством фотогальванических элементов и источником света в первый раз, и который также содержит:

определение второй конфигурации множества фотогальванических элементов на основе второго расстояния между множеством фотогальванических элементов и источником света во второй раз, причем вторая конфигурация множества фотогальванических элементов идентифицирует третье подмножество из множества фотогальванических элементов, которое не принимает свет от источника света, и четвертое подмножество из множества фотогальванических элементов, которое принимает свет от источника света; и

позиционирование множества отражателей во второй конфигурации множества отражателей, причем вторая конфигурация множества отражателей включает в себя третье подмножество из множества отражателей, расположенных в положении, в котором нет подачи энергии на фотогальванические элементы, при этом третье подмножество из множества отражателей соответствует третьему подмножеству из множества фотогальванических элементов, и вторая конфигурация множества отражателей содержит четвертое подмножество из множества отражателей, расположенных в положении подачи энергии на фотогальванические элементы c обеспечением возможности вызывания генерирования выходной мощности четвертым подмножеством из множества фотогальванических элементов.

5. Способ по п. 4, при котором первое расстояние больше второго расстояния, а первое подмножество из множества фотогальванических элементов содержит больше фотогальванических элементов, чем третье подмножество из множества фотогальванических элементов.

6. Способ по п. 4, при котором второе расстояние больше первого расстояния, а третье подмножество из множества фотогальванических элементов содержит больше фотогальванических элементов, чем первое подмножество из множества фотогальванических элементов.

7. Способ по п. 4, при котором источником света является Солнце, а множество фотогальванических элементов соединено с космическим аппаратом, движущимся относительно Солнца.

8. Способ по п. 1, при котором множество отражателей находятся во второй конфигурации при приеме сигнала для изменения положения множества отражателей, причем первая конфигурация выполнена с возможностью генерирования меньшей мощности, чем вторая конфигурация, при определении того, что мощность, генерируемая второй конфигурацией, больше, чем потребляемая мощность.