JP6034971B2 - 動的に再構成可能な光起電システム - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本願は、２０１２年８月３１日出願の米国仮出願第６１／６９５８８４号のより早い出願日の利益を主張する「ＤＹＮＡＭＩＣＡＬＬＹ ＲＥＣＯＮＦＩＧＵＲＡＢＬＥ ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＳＹＳＴＥＭ」と題された２０１３年８月２９日出願の米国特許出願第１４／０１４２６６号の優先権を主張する。本願はまた、２０１２年８月３１日出願の米国仮出願第６１／６９５８８４号のより早い出願日の利益を主張する。これらの出願の全体は、参照によって本明細書に援用される。

政府の権利の声明
本発明は、Ｓａｎｄｉａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎと米国エネルギー省との間の契約ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００の下で開発された。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

分野
本発明の実施形態は、宇宙船で使用されるもの等のエネルギー収穫光起（ＰＶ）電力システムに関する。他の実施形態も説明される。

太陽光発電システムとも呼ばれるエネルギー収穫ＰＶ電力システムが、住居ならびに衛星および無人機等の空中および宇宙航空機を含む種々の用途で、電力を提供するために使用されてきた。住居用途については、ソーラーパネルは、比較的少数の電池を有し、各電池は、面積が約６インチ×６インチであり得るシリコンＰＶ電池のように極めて大型であり、単一の住居用ソーラーパネル内に約７２個のそのような電池が、存在し得る。各太陽電池は、典型的に、電池で受け取られる光放射の量に対して弱い依存性のみを有する特定の電圧を、例えばシリコン電池については約０．６ボルトを、生成するように設計されている。そのような電池は、収穫エネルギー出力電圧（例えば４０ボルトｄｃ（Ｖｄｃ））を増加させるように、パネル内で直列に電気的に接続され得る。典型的な住居用ソーラーシステムは、最大数百ボルト（例えば、５〜１０ボルト）を提供するいくつかのそのようなパネルを含み得る。次いで、より一般的な１２０Ｖａｃ出力電圧を取得するために、ＤＣ／ＡＣ変換回路が使用される。

空中および宇宙船用途については、バッテリ等のエネルギー貯蔵デバイス、および、推進システム等の航空機または宇宙船の他の構成要素に供給を行う一次電力システムとしてＰＶシステムが使用される。バッテリが、５ボルト未満の比較的低電圧を有し得る一方で、推進システムは、その電力供給入力において数百ボルトを必要とし得る。したがって、例えば、４０ボルトのＰＶ出力を８００ボルトまたはさらに１０００ボルトまで増加させるために、ＤＣ／ＤＣアップコンバータまたは電圧ブースト回路が使用される。宇宙用途または無人機用途については、宇宙船または航空機の動作モードに応じて、低、中、および、高電圧をサポートすることができる電力供給バスが必要とされることが、分かる。例えば、軌道遷移および他のマニューバ中の衛星の推進ユニットによる加速のために、高電圧が必要とされる一方で、中電圧が、通常の動作のために必要とされ、低電圧が、太陽嵐または安全運転停止モードを乗り切るために必要とされる。加えて、宇宙船または航空機の信頼性、可用性、および、保守の必要性が、そのような用途において重要な構成要素である電力システムの設計に強く影響を及ぼす。

本発明の実施形態は、高電圧が低電圧よりも少なくとも１０倍大きくあり得る、同一の収穫エネルギー出力ノードにおいて、低電圧および高電圧の両方を交互に生成することができる、動的に再構成可能なエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムである。本発明のこの局面は、熱放散が困難な問題であり得る衛星等の用途で電力効率を向上させることに役立つ、別個の電圧ブースト変換器の必要性を低減することに役立ち得る。加えて、構成可能性は、ＰＶシステムへの入射光が、太陽光とは対照的に、遠隔光源からのレーザビームまたはインコヒーレント非広帯域光線である場合において、より効率的な受電器を可能にする。電池の所与のグループが連続的に照射されないように、光線またはスポットがＰＶシステムにわたって「遊走（ｗａｎｄｅｒ）」するとき、エネルギーを効率的に収穫することは困難である。本発明の実施形態は、遊走光スポットにもかかわらず、所定の出力電圧または出力電力レベルを生成するようにそれ自体を適合させることができるＰＶシステムである。

上記の概要は、本発明の全ての局面の包括的リストを含むものではない。本発明は、上記で要約される種々の局面の全ての好適な組み合わせから実践されることができる全てのシステムおよび方法、ならびに、下記の発明を実施するための形態で開示され、特に、本願で出願される特許請求の範囲において指摘されるものを含むことが、想定される。そのような組み合わせは、上記の概要で具体的に記載されていない特定の利点を有する。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
動的に再構成可能なエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムであって、前記システムは、
複数のＰＶエネルギー収穫サブアレイであって、各サブアレイは、複数の対のサブアレイ電力ノードのうちのそれぞれ１つにおいて電圧を生成するように相互に電気的に接続される太陽電池のグループを備える、ＰＶエネルギー収穫サブアレイと、
複数の電力管理回路であって、各電力管理回路は、前記複数の対のサブアレイ電力ノードのうちのそれぞれ１つに結合される電力入力と、通信インターフェースとを有する、複数の電力管理回路と、
前記電力管理回路の各々の電力出力が結合されるプログラム可能な電力網であって、前記電力網は、複数のバス行、複数のバス列、バス列およびバス行のそれぞれの接合部に各々が位置付けられた複数のバス管理回路、および、収穫エネルギー出力ノードを有する、電力網と
を備え、各電力管理回路は、そのそれぞれのサブアレイを前記電力網に接続することと断絶することとのうちの一方を行うように、前記ＰＶシステムの現場使用中にその通信インターフェースを通してプログラム可能であり、各バス管理回路は、前記電力網における電力経路に接続することと断絶することとのうちの一方を行うように、その通信インターフェースを通してプログラム可能であり、その結果として、選択されたサブアレイが、選択された電力経路によって並列であるように接続されることにより、前記収穫エネルギー出力ノードにおいて低電圧を生成し、代替として、前記システムの選択されたサブアレイが、選択された電力経路によって直列であるように接続されることにより、前記低電圧よりも少なくとも１０倍大きい高電圧を生成する、システム。
（項目２）
各バス行は、前記バス管理回路のうちのいくつかによってデイジーチェーン様式で結合されるそれぞれの複数のバスグループセグメントを有し、
各バス列は、前記バス管理回路のうちのいくつかによってデイジーチェーン様式で結合されるそれぞれの複数のバスグループセグメントを有し、
各バスグループセグメントは、それぞれの複数の母線を有する、
項目１に記載のシステム。
（項目３）
各バス管理回路は、４つの隣接するバスグループセグメントに結合され、ａ）前記４つの隣接するバスグループセグメントのうちの１つからの母線、および、ｂ）前記４つの隣接するバスグループセグメントのうちの別の１つからの母線を、相互に、交互に接続および断絶するようにプログラムされることができる、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記電力管理回路の各々は、前記バス管理回路の前記電力入力と前記電力網との間に結合されたＤＣ／ＤＣ変換器を有する、項目１に記載のシステム。
（項目５）
各サブアレイにおける前記電池のうちのいくつかは、多接合電池であり、各多接合電池は、複数の接合部を有し、前記接合部の各々、または、前記接合部の少なくとも１つのサブセットは、前記多接合電池と関連付けられた多接合電力マネージャ回路に独立して結合され、前記システムは、
電力システムコントローラであって、前記電力システムコントローラは、ａ）前記サブアレイにおける多接合電池の低性能を示す前記サブアレイの各々における多接合電池と関連付けられた多接合電力マネージャ回路からの信号に応答して、前記電力網から前記サブアレイを断絶することと、ｂ）前記多接合電力マネージャ回路がＤＣ／ＤＣブースト電圧変換器を備える場合、前記ブースト電圧変換器を通して低性能サブアレイを前記電力網に接続することとのうちの一方を行うように、前記低性能サブアレイの前記電力管理回路をプログラムするためのものである、電力システムコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記サブアレイにおける多接合電池の高性能を示す前記サブアレイの各々における多接合電池と関連付けられた多接合電力管理回路からの信号に応答して、前記サブアレイを前記電力網に接続するように高性能サブアレイの前記電力管理回路をプログラムするものである、
項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記システムは、
通信網であって、前記通信網には、前記電力管理回路およびバス管理回路の前記通信インターフェースが結合される、通信網と、
電力システムコントローラであって、前記電力システムコントローラは、前記収穫エネルギー出力ノードにおいて前記高電圧または前記低電圧を設定するように、前記通信網を介して、前記電力管理回路および前記バス管理回路をプログラムするためのものである、電力システムコントローラと
をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記サブアレイの各々は、光電池から成り、前記光電池の各々は、面積が５平方ミリメートル未満である活性または光検出エリアを有し、前記サブアレイの各々は、少なくとも１０００個の光電池を有し、１ボルトｄｃ〜１０００ボルトｄｃを生成するためのものである、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記サブアレイによって検出される信号からの情報またはデータをデコードするように、サブアレイ電力ノードに容量的に結合される通信帯域デコーダをさらに備え、前記情報またはデータは、前記サブアレイを照射している遠隔光源によって組み込まれた、項目１に記載のシステム。
（項目９）
動的に構成可能なエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムであって、前記システムは、
複数のＰＶエネルギー収穫サブアレイであって、各サブアレイは、
多接合ＰＶ電池のグループであって、前記多接合ＰＶ電池の各々は、光の複数の異なる波長を吸収することによって電気を生成するように最適化される複数の光電池接合部を有する、多接合ＰＶ電池のグループと、
複数の電力管理回路であって、前記電力管理回路の各々は、前記多接合ＰＶ電池のうちのそれぞれ１つまたは複数と関連付けられて結合される、複数の電力管理回路と
を備える、ＰＶエネルギー収穫サブアレイと、
前記電力管理回路の各々の電力出力が結合される電力網と
を備え、
多接合ＰＶ電池を構成する前記複数の光電池接合部の各または複数のサブセットは、その多接合ＰＶ電池または複数の多接合電池と関連付けられた前記電力管理回路の別個の入力ポートに結合され、１つまたは複数の前記関連付けられた多接合ＰＶ電池を構成する前記光電池接合部の全てによって収穫される前記エネルギーの全ては、前記電力管理回路の前記出力ポートを通して前記電力網に提供される、
システム。
（項目１０）
前記電力管理回路は、前記関連付けられた多接合ＰＶ電池を構成する前記光電池接合部のうちのいずれの１つ以上が最低電力を生成しているかを自動的に検出し、かつ、それに応じて、所定のモードで動作するためのものである、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記所定のモードにおいて、前記最低電力を生成する前記光電池接合部は、前記出力ポートから断絶される、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）
前記電力管理回路は、前記関連付けられた多接合ＰＶ電池を構成する前記光電池接合部のうちのいずれの１つ以上が最高電力を生成しているかを自動的に検出し、かつ、それに応じて、所定のモードで動作するためのものである、項目９に記載のシステム。
（項目１３）
前記所定のモードにおいて、前記最高電力を生成する前記光電池接合部のみが、前記出力ポートと直列に接続される、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
前記電力管理回路の各々は、通信インターフェースを備え、前記通信インターフェースを通して、ａ）全てが互いと並列に、ｂ）全てが互いと直列に、または、ｃ）並列接続と直列接続との組み合わせのうちの１つで、前記光電池接合部を接続するようにプログラムされることができ、前記光電池接合部は、その関連付けられた多接合ＰＶ電池を構成する、項目９に記載のシステム。
（項目１５）
前記システムは、電力システムコントローラをさらに備え、前記電力システムコントローラは、エネルギー収穫が前記多接合ＰＶ電池に入射する太陽光に基づいているという判定に応答して、それらの光電池接合部を互いと直列に接続するように、前記電力管理回路の各々に信号伝達するためのものである、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記システムは、電力システムコントローラをさらに備え、前記電力システムコントローラは、エネルギー収穫が、選択されたサブセットと関連付けられた前記多接合ＰＶ電池に主に入射する太陽光ではないレーザ光またはインコヒーレント光線等の光線に基づいているという判定に応答して、所定のモードで動作するように前記電力管理回路の前記選択されたサブセットに信号伝達するものである、項目１４に記載のシステム。
（項目１７）
エネルギー収穫サブアレイと、電池電力管理回路と、サブアレイ電力管理回路と、プログラム可能な電力網とを有するエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムを動作させるための方法であって、前記方法は、
ａ）複数の電池電力管理回路から、それぞれ、複数の性能指示表示を受信することであって、前記複数の電池電力管理回路は、それぞれ、前記システムにおける複数のサブアレイと関連付けられ、各サブアレイは、それぞれのサブアレイ電力管理回路に結合される一対の電力出力ノードを有する、ことと、
ｂ）電力網から低性能サブアレイを断絶するように、それらのサブアレイの前記電力管理回路に信号伝達することと、
ｃ）前記電力網に高性能サブアレイを接続するように、それらのサブアレイの前記電力管理回路に信号伝達することと、
ｄ）前記受信された性能指示表示に基づいて、前記接続されたサブアレイから前記システムの一対の収穫エネルギー出力ノードまでの電力経路を形成するように、かつ、所定のシステム出力電圧またはシステム出力電力レベルを維持するように、前記バス管理回路に信号伝達することと、
ｂ）およびｃ）に従って前記サブアレイのうちのいずれが前記電力網に接続されるかに変更をもたらす変化する照明の存在下で、前記所定のシステム出力電圧または電力レベルを維持するように、ａ）−ｄ）を繰り返すことと
を含む、方法。
（項目１８）
前記電池電力管理回路からの性能指示表示の受信と、前記電力およびバス管理回路の信号伝達とは、衛星または航空機のＥＰＳコントローラによって行われる、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記サブアレイのうちの少なくとも１つは、多接合ＰＶ電池を有し、前記方法は、前記多接合ＰＶ電池における個々の接合部の相対電力レベルまたは相対電流レベルを検出したことに基づいて、その電流経路スイッチを自己構成する多接合ＰＶ電池と関連付けられる前記電池電力管理回路をさらに備える、項目１７に記載の方法。

本発明の実施形態は、類似参照が類似要素を示す添付図面の図において、限定としてではなく例として例証される。本開示における本発明の「ある」または「１つの」実施形態という言及は、必ずしも同一の実施形態ではなく、それらが少なくとも１つを意味することが、注記される。

図１は、再構成可能な光起電力システムを描写する。

図２は、宇宙船用途の一部として、１つの構成における光起電力システムのさらに詳細な図を示す。

図３は、別の構成における再構成可能な光起電力システムを示す。

図４は、電池が相互に直列接続されているサブアレイを示す。

図５は、電池が直列並列複合様式で各々に接続されているサブアレイを示す。

図６は、ＤＣ／ＤＣ変換器を有するサブアレイ電力管理回路を描写する。

図７は、ブロック図形態で電池または多接合電力マネージャ回路を描写する。

図８は、さらに詳細に、関連する電池または多接合電力マネージャ回路を伴う太陽電池を描写する。

図９は、スポットの外側の他のサブアレイが断絶されている間に、どのようにして遊走レーザまたはインコヒーレント光線スポットが、接続されているサブアレイを覆うかを示す。

図１０は、光起電力システム上の異なる場所での遊走光線スポットを示す。

図１１は、光起電力システムの種々の用途を図示する。

詳しい説明
ここで、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態を説明する。下記で説明される部品の形状、相対位置、および、他の局面が明確に定義されていないときはいつでも、本発明の範囲は、例証の目的のみが意図される、示されている部品のみに限定されない。さらに、多数の詳細が記載されるが、これらの詳細を伴わずに本発明のいくつかの実施形態が実践され得ることが、理解される。他の場合においては、本説明の理解を曖昧にしないよう、周知の回路、構造、および、技法は詳細に示されていない。

図１は、本発明の実施形態による、再構成可能なＰＶシステム１を描写する。本システムは、いくつかのＰＶエネルギー収穫サブアレイ２から成る。４つしか示されていないが、本システムは、当然ながら、わずか２つのサブアレイ２があり得、または、４つより多くがあり得るので、その数に限定されない。各サブアレイ２は、所望のより高出力電圧に対しては直列に（図４参照）、所望の増加した電流に対しては並列に、または、より高出力電圧およびより高電流の両方を生じるように直列並列の組み合わせで（図５参照）、相互に電気的に接続されるＰＶ電池３のグループを含む。並列接続された直列電池の混合または非対称の配列も可能である。電池３は、半導体マイクロ電子加工技法を使用して製造することができて比較的小さくあり得る（ＩＩＩ−Ｖ半導体電池等におけるような、例えば、直径が１００ミクロン〜５ｍｍで、厚さがわずか１ミクロンであり得る）マイクロシステム対応太陽（ＭＥＰＶ）電池であり得る。ＭＥＰＶ電池の小さいサイズを考慮すると、サブアレイ２は、（従来のＰＶモジュールの中の７２個の電池とは対照的に）何千個もの電池３を有することができる。さらに、サブアレイ３の中の電池３の全てが複製またはさらに同一の種類である必要はないことを注記されたい。例えば、いくつかのがシリコンであり得る一方で、その他はＧｅまたはＩＩＩ−Ｖ電池であり得る。電池３は、代替として、直列に接続され得るか、または、図７−８で描写される本発明の実施形態に従って下記で説明されるような、２つ以上の接合部の組み合わせを有する多接合電池であり得る。例えば、サブアレイ２の各々は、面積が５平方ミリメートル未満である活性または光検出領域を各々が有する光電池から成り得、サブアレイ２の各々は、数千個のＭＥＰＶ光電池を有し得、１ボルト（例えば、直列の２つのＳｉシリコン電池）〜１０００ボルトｄｃを生成し得、高電圧または低電流のみが必要とされるかまたは本質的にいかなる電流も必要とされない用途（例えば、電子／イオン加速網）については数マイクロアンペア、および、高電流引き込み用途（例えば、熱負荷等）については数アンペアと、１マイクロアンペア〜数アンペアの範囲にある電流を用いると、本明細書で説明される電力伝達構成を使用して、ｍＷ〜ｋＷの電力を伝達することが可能である。

依然として図１を参照すると、入射光の存在下で、サブアレイ出力電圧が、それぞれの一対のサブアレイ電力ノードにおいて、その接続された電池３から、各サブアレイ２によって生成される。これらは、時として、出力電圧の極性を示すように標識（＋）および（−）で指定される。サブアレイの出力電圧および電流または出力電力は、本明細書では電力網と呼ばれる導体および能動回路の分散型ネットワークによって送達される。電力網（または電力バス相互接続）は、複数のバス行および複数のバス列から成る。見られ得るように、バス管理回路５は、バス列およびバス行のそれぞれの接合部に位置付けられる。各バス行は、バス管理回路５のうちのいくつかによって、デイジーチェーン様式で、または、シーケンスを形成して結合される、それぞれの数のバスグループ行セグメント６を有する。同様に、各バス列は、バス管理回路５のうちのいくつかによって、同様にデイジーチェーン様式で結合される、それぞれの数のバスグループ列セグメント７を有する。各バスグループセグメント（行セグメント６または列セグメント７）は、それぞれの数の母線を有する。１つの例では、各バスグループセグメントは、図２および図３で見られるように、２つの母線を有するが、例えば電気抵抗を低減するように、さらなる導体が並列に追加され得る。そのような電力網では、各バス管理回路５は、２〜４つの隣接するバスグループセグメント、すなわち、左右のバスグループ行セグメント６および上下のバスグループ列セグメント７に結合され得る。

各一対のサブアレイ出力電力ノードには、それぞれのサブアレイ電力管理回路４の入力が結合される。回路４はまた、電力網に、すなわち、行セグメント６または列セグメント７のいずれか一方に結合される電力出力を有する。１つの実施形態において、各サブアレイ電力管理回路４の中の電流経路スイッチは、回路４の入力ノードのうちのいずれかをその出力ノードのうちのいずれかと接続することができるという点で、「メッシュネットワーク」をサポートする。回路４はまた、通信インターフェースも有し、その通信インターフェースは、図１に示されていないが、それが通信網９に結合されている図２では見ることができる。電力管理回路４およびバス管理回路５の通信インターフェースが結合される通信網９は、任意の好適な比較的低複雑性および低ビットレートのデジタル通信バスであり得る。この通信インターフェースは、本質的に光学的であり得、情報は、サブアレイを照射している光においてコード化され、通信帯域デコーダによってデコードされる信号を通して、電力管理回路に渡される。下記で説明される図２を参照されたい。

サブアレイ電力管理回路４は、そのそれぞれのサブアレイ２を電力網に接続するかまたは断絶するかのいずれかを行うように、ＰＶシステムの現場使用中にそれが（その通信インターフェースを通して）プログラム可能であることを可能にする固体電流経路スイッチ、スイッチドライバ、制御論理、および、通信インターフェース回路を含む回路を含む。プログラム可能なサブアレイ電力管理回路４に加えて、バス管理回路５の各々はまた、（上記で説明される回路４の能力と同様に）メッシュネットワークもサポートし得る内部電流経路スイッチを使用して、電力網における電力または電流経路を接続することと断絶することとのうちの一方を行うように、（その通信インターフェースを通して）プログラム可能である。これら２つの能力はともに、収穫エネルギー出力ノードにおいて高電流ではあるが低電圧を生成するよう、「プログラム可能」な電力網における選択された電流または電力経路を通して、２つ以上の選択されたサブアレイ２が並列に接続されることを可能にする。交互に、サブアレイ電力管理回路４およびバス管理回路５の構成可能性は、（直列接続に利用可能である十分な数のサブアレイ２に応じて）より低電圧よりも少なくとも１０倍大きくあり得るより高電圧を生成するように、選択された電流経路を介して、２つ以上の選択されたサブアレイ２が直列に接続されることを可能にする。

ここで、電力網およびサブアレイ電力管理回路４に関するさらなる詳細について図２を参照すると、図２は、選択された回路４、５における電流経路スイッチを適切にプログラムすることによって、電力網の中に作成された例示的電力経路を示す。（＋）収穫エネルギー出力ノードが、ＰＶシステムの上部境界におけるバス行セグメント６の導体である一方で、（−）収穫エネルギー出力ノードが、ＰＶシステムの底部境界におけるバス行セグメント６の導体であるように、例示的電力経路は、同一の列の中に位置し得るサブアレイ２＿１、２＿２、…の直列接続を可能にする。ＰＶシステムの境界にないバス管理回路５は、ａ）その４つの隣接するバスグループセグメントのうちのいずれか１つからの母線、および、ｂ）その４つの隣接するバスグループセグメントのうちの任意の他の１つからの母線を、相互に、交互に接続および断絶するようにプログラムすることができ、電力経路を画定することにおいて最大限の融通性を提供する。

図２の例については、図２におけるものと同様に、サブアレイのさらなる列を相互に直列に接続できることが、分かり得る。これらのさらなる直列接続列が別のものに隣接することが起こった場合には、その左バス行セグメント６からその下バス列セグメント７までのさらなる電流経路を作成するように、境界にあるバス管理回路５をプログラムすることによって、これらの列の全てはまた、ＰＶシステムの上部行および底部行に沿って、相互に並列に接続されることができる。

図２の電力網は、サブアレイ２＿１、２＿２、…の（直列ではなく）並列接続を可能にする電力経路がその中に作成されるように再構成されることができる。これは、図３の例で描写されている。さらなる電流が所望される場合には、次いで、サブアレイのさらなる並列接続列が作成されることができ、これらは、ＰＶシステムの上部境界および底部境界におけるバス管理回路５を好適にプログラムすることによって、互いと並列に配置され得る。

上記で説明される回路４、５の内部電流経路スイッチの全メッシュ能力は、電力網中およびサブアレイ間に電力経路を作成することにおいて最大の融通性を提供することができるが、代替案は、回路４または５が全メッシュ能力に満たないメッシュ能力を有するように、電流経路スイッチの数を制限することであることが、留意されるべきである。これは、所望の電力経路が電力網において作成されることができ、サブアレイ間の接続の粒度を含む、全体としてＰＶシステムの構成可能性の粒度の所望のレベルが満たされることができる限り、容認可能であり得る。

依然として図２を参照すると、本発明の別の実施形態によると、遠隔光線源は、光線上に高周波数成分を課すことによって、電力伝達構成命令または他のデータ（例えば、電力システム構成、または、ＡＤＣＳ、ＣＯＭ等の他のサブシステムを制御するための命令）をエンコードすることができる。次いで、その情報は、ＤＣ成分が電力のために収穫されている間に、ＰＶ電池に容量的に結合される電気ノードを通して検出される。例が、図２に示され、ここでは、収穫エネルギー出力ノードに接続された直列キャパシタを通して、ＡＣ信号を通信帯域デコーダに出力結合（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅ）することができる。後者は、例えば、電力管理回路を構成する際に使用するために、および／または、例えば、入射光が太陽光ではなく遠隔源の光線であることを判定する際に使用するために、および／または、他のサブシステムを制御するために、ＥＰＳコントローラによる使用のための情報または他のデータ信号を変換またはデコードする。

ここで図６を参照すると、（その関連サブアレイ２の）サブアレイ出力ノードと電力網との間に結合されたＤＣ／ＤＣ変換器を有するサブアレイ電力管理回路４が、描写されている。この特定の例では、サブアレイ２が電力網から断絶されたときに、ＤＣ／ＤＣ変換器が自動的にボルトをその入力として本質的に見なすように、（サブアレイ２を電力網に交互に接続および断絶する働きをする）電流経路スイッチがＤＣ／ＤＣ変換器回路の「前」にあることを注記されたい。例えば、出力電圧をどれだけ上昇させるか、または、どの電圧において調節を行うかに関して、ＤＣ／ＤＣ変換器がまた、（本明細書で示されるように、回路４の通信インターフェースを介して）通信網９を通して制御されることを可能にすることもできるが、固定ブーストまたは調節電圧が設定され得るので、これは全ての場合において必要とされるわけではない。ブースト変換器としてＤＣ／ＤＣ変換器を使用して、ＰＶシステムは、全体的なブースト変換プロセスによって生成される熱を放散するタスクを（ＰＶシステム外の中央に置かれた場所ではなく）サブアレイの種々の場所に有利に分配しながら、その収穫エネルギー出力ノードにおいて上昇した出力電圧を提供することができる。このようなＤＣ／ＤＣ変換器の使用は、高出力電圧を生成するために、（電力網における電力経路を適切に構成することによって）十分な数のサブアレイ２が直列に接続される、上記で説明される実施形態の代替案と見なされ得、または、それは、例えば、（図６で描写されるようなブースト変換器も有するいくつかのサブアレイ電力管理回路４の出力電圧の合計として）ＰＶシステムから最高の利用可能な電圧を取得するように、図２の直列構成と併せて使用され得る。

簡単に図２に戻ると、この図はまた、本発明の別の実施形態、すなわち、宇宙船における動的に再構成可能なＰＶシステムの特定の用途または統合を図示する働きもする。そのような用途では、宇宙船は、（ＰＶシステムに加えて）コントローラ８と、配電ネットワーク１０とを含む電力システム（ＥＰＳ）を有する。ＥＰＳは、ＰＶシステムの収穫エネルギー出力ノードから、宇宙船の他の構成要素、すなわち、再充電可能バッテリ、搭載コンピュータ（ＯＢＣ）、通信サブシステム（ＣＯＭ）、および、姿勢決定および制御システム（ＡＣＤＳ）へ電力を分配する。上記で示唆されるように、これは、低、中、および、高電圧が、動的に、すなわち、衛星の通常使用または展開中に、収穫エネルギー出力ノード上で交互に利用可能となることを必要とし得る。上記で説明される再構成可能なＰＶシステムは、ＥＰＳコントローラ８が、収穫エネルギー出力ノードにおいて高または低電圧を設定するように、通信網９を介して電力およびバス管理回路４、５を構成するようにプログラムされているときに、そのような要件を満たし得る。

ここで図７を参照すると、この図は、ＰＶ電池３が多接合電池であり、電池レベルまたは多接合電力マネージャ回路１４が、電池出力電圧を生成するように、各々のそのような電池のために提供される、本発明の実施形態を描写する。以前に示唆されたように、各サブアレイ２の中の電池のうちの１つ以上は、多接合電池であり得、各多接合電池は、光で生成された電流を収集するための２つ以上の接合部（例えば、ｐ−ｎ接合部）を有し、接合部の各々は、独立して多接合電力マネージャ回路１４に結合される。異なる接合部（ここでの例は３つの接合部Ａ、Ｂ、および、Ｃを指す）の各々が、光の異なる色または波長を吸収するときに最も多くの電気を生成するように調節または最適化され得る。多接合ＰＶ電池を構成する光電池接合部の各々は、その多接合ＰＶ電池と関連付けられる電力マネージャ回路１４の別個の入力ポートに結合される。そうであるので、光電池接合部の全てによって収穫されるエネルギーは、電力管理回路１４の同一の出力ポートを通して電力網に提供される。多接合電池内の異なる接合部に由来する電力を管理している電力マネージャ回路１４は、多接合電池のサブアレイ内の単一の接合部または類似接合部の集合に由来する電力を管理することができる。さらに、多接合電池内の単一の要素は、単一の接合部、または、おそらく、より大型の、例えば、６接合部多接合電池の１つの要素を作製するように、例えば、直列に接続された２つ（以上の）接合部であるサブセットまたは複数のいずれか一方であり得ることが、注記されるべきである。多接合電池の別の例として、接合部の種々のサブセットが独立して多接合電力マネージャ回路１４に結合される、合計５つの接合部を有するものが、想定される。例えば、そのような５接合部電池は、下記のように配列されることができる。２接合部サブ電池が、１接合部サブ電池および別の２接合部サブ電池から別々に（回路１４に）接続される。直列および／または並列に接続されたサブセットを有し得る、すなわち、そのそれぞれの電力マネージャ回路１４に接続された多接合電池の他の配列が、可能である。

１つの実施形態において、ここで図８を参照すると、電力マネージャ回路１４は、接合部Ａ、Ｂ、および、Ｃによって任意の所与の時間に生成されているある程度の相対電力を検出する働きをする電力検出回路から成り得る。例えば、検出器は、接合部のうちのいずれの１つ以上が最低電力を生成しているかを自動的に検出するように設計され得る。そのような判定に応答して、ＰＶ電池３、特定すると、その電力マネージャ回路１４が、所定のモードで動作する。例として、そのモードは、最低電力を生成する接合部が電池出力ポートから断絶されるように、制御信号が電流経路スイッチを構成するようにアサートされるモードであり得る。

別の例では、検出器は、接合部のうちのいずれの１つ以上が最高電力を生成しているかを自動的に検出するように設計され得、それに応答して、電池３が異なる所定のモードで動作する。例として、そのモードは、最高電力を生成する接合部のみが、電池出力ポートと直列に接続されるように、制御信号が電流経路スイッチを構成するようにアサートされるモードであり得る。別の実施形態において、電池または多接合電力マネージャ回路１４は、通信インターフェースを有し、その通信インターフェースを通して、ａ）全てが互いと並列に、ｂ）全てが互いと直列に、または、ｃ）いくつかの直列並列の組み合わせのいずれかで、その関連する多接合ＰＶ電池またはそのような多接合ＰＶ電池のグループを構成する光電池接合部を接続するよう、（通信網９を介して）プログラムすることができる。

電池または多接合電力マネージャ回路１４およびその関連する多接合ＰＶ電池３は、同一のマイクロ電子または集積回路基板上に実装され得ることが、注記されるべきである。

ここで図９および図１０を参照すると、これらの図は、遊走レーザ光線またはコヒーレント光線照射スポットの存在にもかかわらず、ＰＶシステムが所定のシステム出力電圧またはシステム出力電力レベルを維持することができる、本発明の別の実施形態を図示するために使用される。同様に有益な結果が、サブアレイ２の部分的陰影が存在する状況で得られ得る。ここで描写されるＰＶシステムは、レーザまたはインコヒーレントビーム（太陽光ではない）で照射されているか、または、照射点の外側で陰になっていると見なすことができる。これらの状況の例は、サブアレイ２に向けられている遠隔で生成された光線を介して、遠隔電力伝達が、航空機または宇宙船の受電器またはＰＶシステムに対して起こっている、図１１において与えられている。効率を維持するために、ビームスポットは、ＰＶシステムのサブアレイ２の面積よりも大きくなるべきではない。実際、スポットは、遠隔光線源とＰＶアレイとの間での十分な不整合公差を許容するように、（例によって示されるような）サブアレイ２の全カバー面積よりも小さくなるべきである。従来のＰＶシステムでは、ＰＶアレイの全面積に満たない面積を照射することは、性能の低減につながり、可能性としては、アレイへの損傷につながる。しかしながら、本発明の実施形態は、ＰＶアレイの全面積よりも小さいレーザ（または他の光）スポットサイズを容認することができる。この照射状況は、スポットの外側でいくつかの低性能サブアレイ２を生じさせ、スポットの内側でいくつかの高性能サブアレイ２を生じさせる。ここで、ＥＰＳコントローラ８は、例えば、サブアレイの中の多接合電池による低性能を示すこれらのサブアレイの各々における多接合電池と関連付けられる電力検出器（図８参照）からの信号に応答して、電力網からそれらを断絶するように、低性能サブアレイの電力マネージャ回路１４をプログラムする。代替として、電力マネージャ回路１４は、適切な電圧において、部分的照射または低性能サブアレイが電力網と接続することを可能にするＤＣ／ＤＣ電圧ブースト変換器を有することができる。電力状況は、その回路１４からの電力出力が電力網の電力に合致する必要はないが、電力網に接続されるべきサブアレイについて、その電圧出力レベルが合致する必要がある状況である必要がある。加えて、ＥＰＳコントローラは、サブアレイの中の多接合電池による高性能を示すこれらのサブアレイの各々における多接合電池と関連付けられる電力検出器からの信号に応答して、それらを電力網に接続するように、高性能サブアレイの電力マネージャ回路１４をプログラムする。

別の実施形態において、ＥＰＳコントローラ８は、太陽光がある間に異なる接合部の電流特性が十分に合致するときに、効率的なエネルギー収穫が行われることができるように、ＰＶシステムが十分な太陽光に直面している可能性が高いという判定に応答して、それらの光電池接合部を互いと直列に接続するように、電力マネージャ回路１４の各々に信号伝達する。しかし、エネルギー収穫がレーザ光線またはインコヒーレント光線（太陽光ではない）に基づくと判定されるとき、次いで、光線の色または波長のために最適化されていない接合部を断絶するように、さらに、（ビームスポットのカバー面積と一致して）サブアレイのサブセットの最適な選択が常に行われているように、遊走ビームスポットを追跡するように、下記で説明されるプロセスを行うことができる。

エネルギー収穫サブアレイと、電池電力管理回路と、サブアレイ電力管理回路と、プログラム可能な電力網とを有するエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムを動作させるための方法は、下記のように進められ得る（図９、１０に対する参照もなされる）。いくつかの性能指示表示が、それぞれ、特定の電池電力マネージャ回路１４から（例えば、ＥＰＳコントローラ８によって）受信される（図７および図８も参照）。次いで、コントローラ８は、電力網から低性能サブアレイを断絶するように、これらのサブアレイの電力マネージャ回路１４に信号伝達する。加えて、コントローラは、高性能サブアレイを電力網に接続するように、これらのサブアレイの回路１４に信号伝達する。さらに、コントローラ８は、受信した性能指示表示に基づいて、接続されたサブアレイからＰＶシステム１の一対の収穫エネルギー出力ノードまでの電力網における電力経路を形成するように、バス管理回路５に信号伝達する（図１、さらに、図２および図３も参照）。これは、所定のシステム出力電圧またはシステム出力電力レベルを達成するように設計され得る。

次に、ビームスポットがＰＶシステム１にわたって遊走している間に、十分に照射されたサブアレイのみが電力網に接続されたままであるように、変更または更新を行うことによって、所定のシステム出力電圧または電力レベルを維持することに努めるように、前の段落における動作が、電力網上でコントローラ８によって自動的に繰り返されている。

上記の説明では、説明の目的で、実施形態の徹底的な理解を提供するために、多数の具体的詳細が記載されている。しかしながら、これらの具体的詳細のうちのいくつかを伴わずに、１つ以上の他の実施形態が実践され得ることが当業者に明白となる。説明される特定の実施形態は、本発明を限定するためには提供されないが、それを例証するために提供される。本発明の範囲は、上記で提供される具体的例によって決定されるべきものではないが、下記の特許請求の範囲のみによって決定されるものである。例えば、図２および図３では、収穫エネルギー出力ノードは、ＰＶシステムの電力網の上部境界および底部境界に位置するように選択されているが、それらは、代替として、左および右の境界に位置することができる。他の場合においては、本説明の理解を曖昧にすることを回避するために、周知の構造、デバイス、および、動作が、ブロック図形態で、または、詳細を伴わずに示されている。適切と見なされる場合、参照数字または参照数字の末端部分は、類似特性を随意に有し得る対応または類似要素を示すように図中で繰り返されている。

さらに、本明細書の全体を通して、例えば、「１つの実施形態」、「実施形態」、「１つ以上の実施形態」、または、「異なる実施形態」という言及は、特定の特徴が本発明の実践に含まれ得ることを意味することが、理解されるべきである。同様に、本説明では、種々の特徴は、時として、本開示を簡素化し、種々の発明の局面の理解に役立つことを目的として、単一の実施形態、図、または、それらの説明の中で一緒にグループ化されていることが、理解されるべきである。しかしながら、本開示の方法は、本発明が各請求項で明示的に記載されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映すると解釈されるものではない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映するように、発明の局面は、単一の開示された実施形態の全てよりも少ない特徴にあり得る。したがって、発明を実施するための形態に続く特許請求の範囲は、本明細書で発明を実施するための形態に明示的に援用され、各請求項自体が本発明の別個の実施形態として独立している。

Claims (8)

1. 動的に再構成可能なエネルギー収穫光起電力（ＰＶ）システムであって、前記システムは、
   複数のＰＶエネルギー収穫サブアレイであって、各サブアレイは、複数の対のサブアレイ電力ノードのうちのそれぞれ１つにおいて電圧を生成するように相互に電気的に接続された太陽電池のグループを備える、ＰＶエネルギー収穫サブアレイと、
   複数の電力管理回路であって、各電力管理回路は、前記複数の対のサブアレイ電力ノードのうちのそれぞれ１つに結合された電力入力と、通信インターフェースとを有する、複数の電力管理回路と、
   前記複数の電力管理回路の各々の電力出力が結合されたプログラム可能な電力網であって、前記電力網は、複数のバス行と、複数のバス列と、バス列およびバス行のそれぞれの接合部に各々が位置付けられた複数のバス管理回路と、収穫エネルギー出力ノードとを有する、電力網と
   を備え、
   各電力管理回路は、そのそれぞれのサブアレイを前記電力網に接続することと断絶することとのうちの一方を行うように、前記ＰＶシステムの現場使用中にその通信インターフェースを通してプログラム可能であり、各バス管理回路は、前記電力網における電力経路を接続することと断絶することとのうちの一方を行うように、その通信インターフェースを通してプログラム可能であり、その結果として、選択されたサブアレイが、選択された電力経路によって並列であるように接続されることにより、前記収穫エネルギー出力ノードにおいて低電圧を生成し、交互に、前記システムの選択されたサブアレイが、選択された電力経路によって直列であるように接続されることにより、前記低電圧よりも少なくとも１０倍大きい高電圧を生成する、システム。
2. 各バス行は、前記複数のバス管理回路のうちのいくつかによってデイジーチェーン様式で結合されたそれぞれの複数のバスグループセグメントを有し、
   各バス列は、前記複数のバス管理回路のうちのいくつかによってデイジーチェーン様式で結合されたそれぞれの複数のバスグループセグメントを有し、
   各バスグループセグメントは、それぞれの複数の母線を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 各バス管理回路は、４つの隣接するバスグループセグメントに結合されており、ａ）前記４つの隣接するバスグループセグメントのうちの１つからの母線、および、ｂ）前記４つの隣接するバスグループセグメントのうちの別の１つからの母線を、相互に、交互に接続および断絶するようにプログラムされることができる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数の電力管理回路の各々は、前記バス管理回路の前記電力入力と前記電力網との間に結合されたＤＣ／ＤＣ変換器を有する、請求項１に記載のシステム。
5. 各サブアレイにおける前記電池のうちのいくつかは、多接合電池であり、各多接合電池は、複数の接合部を有し、前記複数の接合部の各々、または、前記複数の接合部の少なくとも１つのサブセットは、前記多接合電池に関連付けられた多接合電力マネージャ回路に独立して結合されており、
   前記システムは、
   電力システムコントローラをさらに備え、前記電力システムコントローラは、ａ）前記サブアレイにおける多接合電池の低性能を示す前記サブアレイの各々における多接合電池に関連付けられた多接合電力マネージャ回路からの信号に応答して、前記電力網から前記サブアレイを断絶することと、ｂ）前記多接合電力マネージャ回路がＤＣ／ＤＣブースト電圧変換器を備える場合、前記ブースト電圧変換器を通して低性能サブアレイを前記電力網に接続することとのうちの一方を行うように、前記低性能サブアレイの前記電力管理回路をプログラムするためのものであり、
   前記コントローラは、前記サブアレイにおける多接合電池の高性能を示す前記サブアレイの各々における多接合電池に関連付けられた多接合電力管理回路からの信号に応答して、前記サブアレイを前記電力網に接続するように高性能サブアレイの前記電力管理回路をプログラムするものである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムは、
   通信網であって、前記通信網には、前記電力管理回路およびバス管理回路の前記通信インターフェースが結合されている、通信網と、
   電力システムコントローラであって、前記電力システムコントローラは、前記収穫エネルギー出力ノードにおいて前記高電圧または前記低電圧を設定するように、前記通信網を介して、前記電力管理回路および前記バス管理回路をプログラムするためのものである、電力システムコントローラと
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記サブアレイの各々は、光電池から成り、前記光電池の各々は、面積が５平方ミリメートル未満である活性または光検出エリアを有し、前記サブアレイの各々は、少なくとも１０００個の光電池を有し、１ボルトｄｃ〜１０００ボルトｄｃを生成するためのものである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記サブアレイによって検出される信号からの情報またはデータをデコードするように、サブアレイ電力ノードに容量的に結合された通信帯域デコーダをさらに備え、前記情報またはデータは、前記サブアレイを照射している遠隔光源によって組み込まれた、請求項１に記載のシステム。

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