[논문 리뷰] A Lightweight Space-based Solar Power Generation and Transmission Satellite

Behrooz Abiri, Manan Arya외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 20

한 줄 요약

모듈식이고 경량의 우주 기반 태양광 위성 설계로 타일 유닛과 포물면 집광기, CMOS 제어, 위성에서 지구로의 RF 빔을 1–10 GHz 대역으로, 가동 부품 없이 7–14%의 엔드-투-엔드 효율과 160 g/m2의 면적 질량 밀도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구로의 전력 빔을 위한 정지궤도 우주 기반 태양광 발전 아키텍처를 경량화하고 확장 가능하도록 동기 부여하고 개발한다.
• 반복 가능한 유닛 내에서 전력 수집, 변환, 전송을 결합하는 모듈식 타일 기반 설계를 탐구한다.
• CMOS 기술과 초경량 구조가 완전히 전개 가능하고 가동 부품이 없는 위성을 가능하게 한다는 것을 시연한다.
• 현재 또는 근시일 내 기술로 달성 가능한 엔드-투-엔드 성능과 질량 밀도를 평가한다.]
• method:[
• 각 타일이 경량 포물면 집광기로 햇빛을 수집하고 III-V 광전지로 DC로 변환하는 모듈식 타일 기반 구성 사용.
• 타일당 다수의 CMOS IC를 구현하여 독립적으로 제어되는 여러 마이크로파 소스의 위상을 생성하고 제어한다.
• 마이크로파 소스를 방사 안테나 어레이에 연결하여 지상으로 RF 전력을 빔하는 대형 위상 배열을 형성한다.
• 1–10 GHz 대역에서 지상 기반 rectennas로 전력을 전송하고 주변 햇빛 수준의 강도에서 수집한다.
• 태양집광, CMOS 발전, 초경량 구조를 통해 160 g/m2의 면적 질량 밀도와 엔드-투-엔드 7–14%의 효율을 달성한다.

제안 방법

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타일 기반 모듈식 접근 방식으로 완전히 전개 가능하고 가동 부품이 없는 우주 기반 태양광 발전 시스템을 실현할 수 있는가?
• RQ2 RF 빔을 이용한 우주 기반 태양광에서 현재 CMOS 및 경량 재료를 사용하여 엔드-투-엔드 효율과 질량 밀도는 어떤 값을 달성할 수 있는가?
• RQ3 전자 빔 스티어링이 지상 안전 강도를 유지하면서 GEO에서 지구로의 안정적 전력 전송에 충분한가?
• RQ4 실용적인 지구로의 전력 공급을 위한 더 큰 구성으로의 단일 타일 개념의 확장성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 위성은 경량 태양광 집광, DC 변환 및 RF 전송을 결합한 모듈식 타일 설계를 사용한다.
• 각 타일은 대형 위상 배열에 전력을 공급하는 여러 마이크로파 소스의 위상을 제어하는 CMOS 회로를 수용한다.
• 전력은 1–10 GHz 대역으로 지구로 빔되며 지상 rectennas가 주변 태양광 수준에서 전력을 수집한다.
• 설계는 160 g/m2의 면적 질량 밀도와 7–14%의 엔드-투-엔드 효율을 달성한다.
• 시스템은 배치 후 가동 부품 없이 완전히 전개 가능하며 전자 빔 스티어링에 의존한다.