[論文レビュー] A Lightweight Space-based Solar Power Generation and Transmission Satellite

Behrooz Abiri, Manan Arya+18 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 20

ひとこと要約

モジュラーで軽量な宇宙を基点とした太陽光発電衛星設計、タイル単位でパラボラ集光器を用い、CMOS制御と位相配列RFビームを地球へ1–10 GHzで送信し、エンドツーエンド効率7–14%と160 g/m2の面密度、可動部なし。

ABSTRACT

We propose a novel design for a lightweight, high-performance space-based solar power array combined with power beaming capability for operation in geosynchronous orbit and transmission of power to Earth. We use a modular configuration of small, repeatable unit cells, called tiles, that each individually perform power collection, conversion, and transmission. Sunlight is collected via lightweight parabolic concentrators and converted to DC electric power with high efficiency III-V photovoltaics. Several CMOS integrated circuits within each tile generates and controls the phase of multiple independently-controlled microwave sources using the DC power. These sources are coupled to multiple radiating antennas which act as elements of a large phased array to beam the RF power to Earth. The power is sent to Earth at a frequency chosen in the range of 1-10 GHz and collected with ground-based rectennas at a local intensity no larger than ambient sunlight. We achieve significantly reduced mass compared to previous designs by taking advantage of solar concentration, current CMOS integrated circuit technology, and ultralight structural elements. Of note, the resulting satellite has no movable parts once it is fully deployed and all beam steering is done electronically. Our design is safe, scalable, and able to be deployed and tested with progressively larger configurations starting with a single unit cell that could fit on a cube satellite. The design reported on here has an areal mass density of 160 g/m2 and an end-to-end efficiency of 7-14%. We believe this is a significant step forward to the realization of space-based solar power, a concept once of science fiction.

研究の動機と目的

• 地球へのパワービームを目的とした、静止軌道における地球送電を想定した、軽量でスケーラブルな宇宙ベース太陽光発電アーキテクチャの動機付けと開発。
• 再現可能なユニット内で電力の収集・変換・伝送を組み合わせる、モジュール式のタイルベース設計を探究する。
• CMOS技術と超軽量構造が、完全に展開可能で可動部分のない衛星と電子ビーム steeringを可能にすることを実証する。
• 現在または近似技術で達成可能なエンドツーエンド性能と質量密度を評価する。

提案手法

• 各タイルが軽量パラボラ集光器で日光を収集し、III-V太陽電池を介して直流に変換するモジュール式タイルベース構成を使用する。
• タイルあたり複数のCMOS ICを実装して、複数の独立制御されたマイクロ波源の位相を発生・制御する。
• マイクロ波源を放射アンテナアレイに結合して、地球へRF電力をビームする大規模な位相配列を形成する。
• 1–10 GHz帯で地球へ電力を送信し、地上の整流アンテナで周囲の太陽光強度を超えない強度で回収する。
• 太陽光集光、CMOSの進歩、超軽量構造によって、160 g/m2の面密度と7–14%のエンドツーエンド効率を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイルベースのモジュール設計を用いて、完全展開可能な可動部分のない宇宙ベース太陽光発電システムを実現できるか。
• RQ2 RFビームを用いた宇宙ベース太陽光発電において、現在のCMOSと軽量材料を用いて、エンドツーエンドの効率と質量密度はどの程度達成できるか。
• RQ3 位相配列による電子ビーム steering は、地球同期軌道(GEO)から地球への電力伝送を信頼性あるものにし、地上レベルの安全な強度を保つのに十分か。
• RQ4 単一タイルの概念を、地球への実用的な電力供給を実現するために、より大規模な構成へどれだけスケールさせられるか。

主な発見

• 提案された衛星は、軽量な太陽光集光、直流変換、RF伝送を組み合わせたモジュール式タイル設計を用いる。
• 各タイルは、複数のマイクロ波源に信号を供給する大規模な位相配列を駆動する位相を制御するCMOS回路を内包する。
• パワーは1–10 GHz帯で地球へビームされ、地上の整流アンテナは周囲の太陽光レベルで電力を回収する。
• 設計は160 g/m2の面密度と7–14%のエンドツーエンド効率を達成する。
• システムは展開後に完全に展開可能で可動部がなく、電子ビーム steering に依存する。