/idea/ Солнечный самолет на тепловых коллекторах

[DesertEagle]

А вот и полезный график. Оказывается, высокий кпд у коллекторов только при маленьком перепаде температур. А при ста градусах, чтобы использовать давление хотя бы 0.25 Атм, кпд около 30%. Не все так просто ).

 

[georgii-2]

Всё правильно, но никто так и не заморачивался с поглощающими элементами. Либо гладкий коллектор, либо вакуумные трубки. В своё время, убалтывал нашалника применить коллектор для обогрева неотапливаемого гаража - разруха, на котельную денег не давали. Конечно было отказано, мёрзнут-то шофера, его ##па в кабинете не мёрзнет. Но по ходу дела набил пенопластовый ящик, накрытый стеклом, железной стружкой. Разница ощущалась без термометра.
Стекло было тёплым, одинарное.
Плюс, давно как-то в сети видел рекламу сохраняющих тепло плёнок, вроде как металлизированных. Хвалились необычайным коэффициентом. Просто запомнил факт, не думал, что пригодится.

 

[Fan-Fen2]

но на маленьких по размеру крыльях вариант... 

Маленьких?
Будем оперировать расходом воздуха в 1 кг/с. Его теплоемкость - 1000 ДЖ/(кг*К). Т.е., чтобы повысить температуру воздуха на 1 градус, необходимо подвести к нему 1 кВт тепла. Считая теплопроизводительность коллектора 250 Вт/кв.м, получим, что для подогрева принятой массы воздуха на 1 градус потребуется площадь коллектора 1000/250 = 4 кв.м. минимум. Чтобы обеспечить подогрев воздуха на 50 градусов, потребуется площадь 4 х 50 = 200 кв.м.. При "хорде" коллектора в 4 м, его длина (размах) составит 50 м...
Увеличение/уменьшение величины расхода воздуха или величины его подогрева даст соответствующее изменение размеров коллектора. Повышение КПД коллектора - уменьшит размеры, но здесь резервов практически нет
При том, что этот прикид  идеализирован.

 

[georgii-2]

теплопроизводительность коллектора 250 Вт/кв.м,

А у панелей около 100 вт/кв.м.
И ведь летает зараза!
Ошибся - их панели с кпд 22,5 т.е. 225 вт/кв.м.
Но тем не менее запас у коллекторов больше, цена наверняка меньше.
Исхожу из того, что наибольший кпд известных солнечных установок у стирлинга.

 

[Fan-Fen2]

А у панелей около 100 вт/кв.м.

Я взял цифры из предыдущих постов для оценки размерности ЛА.
А Вы еще не озадачились типом тепловой машины для привода движителя, которая по своему КПД будет гораздо хуже электродвигателя...

 

[georgii-2]

Ясное дело, сделать на коленке не получится. Потребуется большая драка за кпд. Значит как всегда, просто поболтали.
Зато парень, надеюсь, обеспечит деревню лектричеством по дешёвке.

Ну и кстати, 50 квт, по Вашим расчётам - это 67 лошадок, побольше чем у панельного прототипа (вроде как 10л.с.) и размах у того аж за 60 м, а площадь в аккурат 200 кв.м.!
Лень заморачиваться? Как всегда гасим?

 

[tvv385]

Либо повышать кпд отдельных элементов. Например вместо стирлинга с его кпд 30% и винта с кпд 50% (суммарный кпд 0.3*0.5=0.15=15%), применить пневмомышцу с кпд 80% и машущее крыло с кпд 80% (суммарно 0.8*0.8 = 0.64 = 64%).

Тогда выходит, что 500 Вт, поглощаемые коллектором с каждого квадратного метра, на выходе дадут 500 Вт * 0.64 = 320 Вт чистой "идеальной" мощности для полета.

И тогда дельтаплан с его площадью крыла 15 м2, может генерировать выходную мощность 15 м2 * 320 Вт = 4800 Вт. Ура! Хватает и для горизонтального полета, и для набора высоты со скороподъемностью примерно 1.5 м/с.

вау, круто вы насчитали - хотите сказать, что даже у обычных аппаратов уже в принципе хватает солнечной мощности для полета?..   Я на такую халяву даже не рассчитывал, думал что придеться проектировать аппарат гораздо большего размера...

Но если так, то в принципе могу подобрать варианты с гораздо большим КПД - просто я специально выбирал решения которые в обмен на КПД более простые и дешевые в изготовлении(даже на коленке), и более надежные... 
Можно подобрать цепочки и режимы с более высоким КПД, ради такого случая...  (правда смысла в этом по-прежнему не вижу - какой смысл экономить то что дешево сделать, какая разница будет там 15 м2 или 30 м2, лишбы все в комплексе окупалось...  Если лишних несколько метров крыла позволит съэкономить на остальном тыщи $, то это выгодно)

Теперь более интересный вопрос - как снизить потребности в мощности для самого полета, ну то есть придеться разобраться с сопротивлением полету... 

а) увеличивать аэродинамическое качество крыльев. Это
...

а тут я уже намекал на рекуперацию аэродинамических потерь...

Если пункты А и Б находяться на одной высоте, то теоретически перемещение(затраты на саму транспортировку, а не всякую фигню с которой можно бороться - например в вакууме вообще нет аэродинамического сопротивления, так что с этим можно бороться или как-то обходить проблемы) из точки А в точку Б не требует вообще никакой энергии, независимо от расстояния между этими точками!   Так что тут есть над чем думать - физика ничего не ограничивает, а с лохотронами и просто кривыми проектами можно бороться...

Куда(и через что) тогда уходит мощность, расходуемая на сопротивление полету?..

Мощность уходит по формуле P=T*v, где Т - тяга в Н, необходимая для полета, численно равная сопротивлению ЛА. v - скорость полета, м/с. Мощность P получается в Вт. Это не аэродинамическая формула, а одно из базовых определений мощности как физического явления, поэтому нарушить ее или обойти невозможно.

не знаю как турбина, но мой стирлинг

Так турбина или стирлинг? =)

а что надо? 😉   Что надо - то и применем, не вопрос, и этим списком "меню" не ограничивается, все что в принципе не запрещает физика и позволяют технологии можно сделать.

Я всегда подбираю оптимальные решения - я же разработчик(INTJ), а не изобретатель(ENTP).  Это изобретатели придумывают какую-нить дурацкую идею, и носятся потом как курица с яйцом, пытаясь это применить куда надо и куда не надо...  А я делаю наоборот - под задачу подбираю оптимальное решение, даже если придеться полностью сменить принцип.

Просто тут надо смотреть все в комплексе, а не искать то что круче(и дороже и более хрупкое).
Ну применили они в своем солар инмульсе крутые панели с 22% КПД, а че толку-то?   Несколько лет уже возяться, цена тока выросла, а летать лучше не стал!..


А оптимальнее делать наоборот - пусть будет тока 1-10% КПД(это экв по механике - по теплу там выше фотовольтаики), но зато проще и дешевле все.  Никто же размер не ограничивает - проще увеличить раза в 2 площадь(или уменьшить массу, тут реально это раз в 5-10), но зато слепипить все из пленки, которая в 1000 раз дешевле, и, главное, при этом еще и не такая хрупкая как монокристаллические фотоэлементы!..  То есть и проще и дешевле и надежнее выходит - за счет того что я не гоняюсь за рекордными параметрами комплектации как эти чудики с большим бюджетом(иногда меньший бюджет идет явно на пользу 😉 )...

При КПД 1% (3 градуса) и 100 кВт тепла имеем 1 кВт экв мех. мощности,это для 30 кг/с получается скорость 8 м/с, тяга при этом 25 кгс.

О, как так 25 кгс с 1 кВт? Это прорыв в авиации )). С винтом с каждой 1 л.с. можно снять в лучшем случае 4 кгс тяги, в худшем около 2.5 кгс (зависит от мощности, чем она ниже, тем выше коэффициент).

ну во-первых со 100 кВт, 1 кВт это я просто так прикинул экв по КПД чтобы с ориентироваться...

А во-вторых что удивляет?  Турбина с такими малыми потерями куда более сложная задача, я же говорю тут есть с чем повозиться...  Разве не интересно?..

Конечно нынче в CAD и CFD можно турбину хоть для лунохода спроектировать - но врядли вы ее так просто сможете изготовить и проверить что получилось...

Фишка этого варианта в том, что тут параметры температур и скоростей очень низкие, и вместо титана и прочей дорогой фигни ее можно изготовить из чего угодно, хоть из картона, в общем после проектирования можно будет по-быстрому это еще и собрать из подручных материалов и проверить что получилось...
Разве не интересно? 😉

А сами турбина да, по требованиям эффективности получается круче всего что было не только в авиации, но и в энергетике...
(не хочу обидеть авиаторов, но истина дороже - авиационные турбины у энергетиков ничего кроме сочувствия не вызывают, на ТЭЦ давно уже никого не удивишь турбинами в 10-15 колес, авиации такое и не снилось из-за ограничений массы и пр, причем это тока половина турбины тк на ТЭЦ компрессор заменен насосом...   Ну правда зато на ТЭЦ умудрились все обосрать по термодинамическому КПД тк стали больше ~ 600 градусов высокого давления пара не выдерживают, но по отдельности блоки ТЭЦ имеют КПД более 99%, например КПД генератора доводят до 99.98%, хоть и не ради экономии конечно, но факт, высокие КПД в отдельных узлах получены очень давно)

Vladimir

 

[DesertEagle]

Его теплоемкость - 1000 ДЖ/(кг*К). Т.е., чтобы повысить температуру воздуха на 1 градус, необходимо подвести к нему 1 кВт тепла

Гм..., я так понимаю что теплоемкость - это просто сколько может вместить в себя теплоты газ или жидкость. Воздух хуже "впитывает" тепло, поэтому чтобы поглотить 1 кВт тепла и нагреться на 1 градус, нужен почти кубометр воздуха (1 кг = 0.81 м3). А вода с ее теплоемкостью 4000 Дж/(кг*К) может впитать 1 кВт тепла и нагреться на 1 градус имея объем всего четверть литра.

Но они оба впитали в себя 1 кВт тепла и нагрелись на 1 градус. Это тепло можно дальше как-нибудь использовать, например в двигателе стирлинга. Разнится только объем, расход рабочего тела - 800 литров у воздуха и 0.4 литра у воды.

Если от солнца на один квадратный метр поверхности падает мощность 1000 Вт, то есть 1000 Джоулей в секунду (1 Вт = 1 Дж/с), то при кпд коллектора 50%, в воде или воздухе будет запасено за одну секунду 500 Джоулей тепла. То есть 500 Вт, которые дальше можно использовать.

Или это не так и сам процесс поглощения тепла у воды и воздуха имеет свой кпд? То есть воздух поглощает от поданных в него 1000 Джоулей тепла только, допустим, 100 Джоулей. А вода поглощает 800 Джоулей из 1000. Но куда тогда идут оставшиеся 900 и 200 Дж тепла соответственно? На перестройку каких-нибудь внутренних связей между молекулами? Я думал это происходит только при переходе из одного фазового состояния в другое, например при испарении и конденсации воды. А нагрев всегда происходит линейно - подали тепло, средняя скорость молекул возросла, температура увеличилась. То есть кпд поглощения тепла и водой, и воздухом, всегда 100%.

А кпд коллектора - это какую часть от падающего света коллектор впитал, а какую отразил и переизлучил в инфракрасном диапазоне. Даже черное тело отражает примерно 10% света, да еще пленка пропускает далеко не весь свет, а допустим только 80% (т.е. отражает 20%). Итого черное тело поглотило лишь 70% от падающего света. При этом оно нагрелось и начинает излучать в инфракрасном диапазоне. Плюс обычная конвекция. В итоге от этих 70% поглощенных солнечного света, обратно в атмосферу уходит допустим половина тепла. И получается, что воздух(вода), протекающие внутри черного тела, поглотили от солнца лишь 35% тепла. Это и есть кпд коллектора. И от падающего киловатта солнечного тепла на квадратный метр, в воде или воздухе оказывается запасено 350 Вт. Поэтому выгодно теплоизолировать рабочее тело например ваккумной прослойкой, чтобы оно меньше переизлучало тепла обратно в атмосферу.

Правда тут есть какая-то нестыковка... На второй странице было найдено, что для реализации механической мощности 4.4 кВт с помощью пневмопоршня, нужно в секунду прокачивать 0.176 м3 воздуха, имеющего избыточное давление 0.25 атм. То есть нагретого от солнца на 70 градусов: с 30 градусов у внешнего летнего воздуха, до 100 градусов, что и дало повышение давления на 0.25 атм.

Попробуем найти сколько нужно кВт, чтобы нагреть 0.176 м3 на 70 градусов за 1 сек. Объем воздуха 0.176 м3 при плотности воздуха 1.23 кг/м3, дает массу 0.176*1.23 = 0.217 кг.

При теплоемкости воздуха 1000 Дж(кг*К), получается что для нагрева этих 0.217 кг на 1 градус за 1 секунду, нужно поглотить 217 Джоулей тепла за 1 секунду. А это не что иное, как 217 Вт (Вт=Дж/с).

Значит чтобы нагреть эти 0.217 кг воздуха на 70 градусов за 1 секунду, нужно затратить 217 Вт/град * 70 град = 15190 Вт.

Как так??? Нагревали воздух мощностью 15190 Вт, а он совершил потом в поршне механическую работу только на 4400 Вт. Куда делось остальное тепло (ведь 1 Вт = 1 Дж/сек), где ошибка в рассуждениях?

Боюсь, что вся логика предыдущих расчетов может оказаться ошибочной, что-то где-то не учтено. Конечно, это дело топикстартера объяснить в чем ошибка, кто у нас здесь профессионал по солнечным коллекторам? ))

 

[DesertEagle]

Если пункты А и Б находяться на одной высоте, то теоретически перемещение ... из точки А в точку Б не требует вообще никакой энергии, независимо от расстояния между этими точками!

Только если нет трения при перемещении. На земле это трение колес, а в воздухе это сопротивление ЛА. Которое по сути выполняет функцию трения - это сила, направленная назад. И чтобы ее преодолеть, нужно затратить мощность P = F*v, где F - сила сопротивления ЛА (или сила трения колес у наземной техники), а v - скорость движения. У поезда трение колес F маленькое, поэтому нужно мало мощности для горизонтального передвижения. У гусеничного снегохода трение большое, поэтому нужна большая мощность. У самолета "трение" зависит от совершенства крыльев (их аэродин. качества и площади), а также от скорости полета в квадрате. При движении по земле на колесах, тоже присутствует аэродинамическое сопротивление, кстати. И оно суммируется с трением колес. Например велосипедист на скорости 30 км/час почти 80% своей энергии тратит на преодоление аэродинамического сопротивления, и лишь 20% на трение колес по асфальту.

Так что увы, халявного перемещение в горизонте не получится. Только в вакууме. Но там придется тратить энергию на разгон массы и потом на торможение. В точности с законом ньютона F=m*a, причем как видно из формулы, чем больше масса и чем сильнее ускорение, тем больше придется затратить мощности на перемещение тела из точки А в точку Б.

ну во-первых со 100 кВт, 1 кВт это я просто так прикинул экв по КПД чтобы с ориентироваться...А во-вторых что удивляет?

Удивляет как вы получили тягу 25 кгс с 1 кВт мощности. Если можно, формулу, по которой вы ее нашли. Дело в том, что такой высокоэффективный движитель как воздушный винт, выдает всего 2-4 кгс тяги с каждой л.с.. Все остальные движители (реактивный, машущий, компрессоры, турбины и т.д.) гораздо хуже винта. Иначе летали бы с ними, а не с винтами =). А у вас с одного кВт получилось аж 25 кгс тяги. Где-то ошибка!

 

[tvv385]

Ой, ребята, конечно забавно наблюдать за ходом ваших мыслей, и я бы с удовольствием понаблюдал и поприкалывался еще, но на этот раз у меня нет времени на это...   Поэтому давайте немного ускорим.

Короче говоря, коллектор, двигатель и привода не проблема, я подберу любой вариант на любой вкус(и бюджет - но я думаю мы тут в россии врядли соберем 70 M$ как солар импульс, так что можно делать сразу дешево и сердито, кстати еще надо разобраться на чем они делают деньги), прикрутить генератор к печке я предлагал колхозникам еще более 20 лет назад(но им это было не надо - сказали мы проще украдем мимо счетчика, россия же)...  Так что с альтернативкой и приводами разберемся, не вопрос.


А вот с волновым режимом махолета я еще не разбирался(не считал это достаточно нужным просто), и, главное, не плохо бы еще чтобы это во-первых было сделано дешево и сердито без всякого заморского хайтека за 70M$, а во-вторых еще чтобы летало надежно...   А дальше я посмотрю что туда и как лучше подходит на привода - так будет быстрее.

Ясное дело, сделать на коленке не получится. Потребуется большая драка за кпд. 

как раз отлично все получается - не надо тока гоняться за КПД и всяким хайтеком, не повторяйте ошибок этих мальчиков, я вам и пытаюсь это объяснить, тут надо все в комплексе смотреть и оптимизировать, а не лепить из того что нашли покруче...
(а то я тут уже смотрю добрались до вакуумного коллектора - как это забавно...
Я их конечно применяю в некоторых проектах, но прикручивать к самолету расхотелось уже - тяжелые, хрупкие, и главное что такими крыльями не помашешь...  Хотя, в принципе, слепить такую поделку как у буржуев можно и на них, и даже выйдет дешевле, но зачем, когда тут вырисовываются вообще простые решения(хотя если спонсоров хоть на половину от тех 70M$ найдете, то можно и слепить)...)

По параметрам там отлично все получается - запас по тяге в 2 раза даже для обычного планера, а ведь на всех солнечных обычно планер делается гораздо круче и экономичнее...
Ну и да, кстати, я сделал прикидки всего на 3 градуса - а ведь самый хреновый коллектор дает миним 30-40, а если еще кое-что применить, то можно и больше получить, знаю самодельные с Т больше 100 градусов...  Ну на кряйняк вакуумники есть, но я думаю до этого не дойдет(хотя не исключено что в каком-нить варианте может и пригодиться - например для кондиционера или подогрева воды для душа, мож кто летающую яхту закажет 😉) )

Vladimir
PS  тут еще одна идейка появилась, как раз по безопасности 😉
Как называются эти надувные шары, в которых прыгают с водопадов и прочих гор?..
Такая конструкция очень хорошо согласуется с надувной конструкцией самолета, ну и махолетом за одно...
А что если вокруг кабины сделать такую-же надувную фигню, как в том шарике?   Убиться на таком самолете будет весьма проблематично, так что чем черт не шутит, может и какая-нить серийная модель воздушного лисапеда-халявалета с солнечным приводом может получиться, на всякие игрушки вроде кайтов ведь есть какой-то коммерческий спрос, да и парапланы тоже тот еще экстрим...

 

[tvv385]

Правда тут есть какая-то нестыковка... На второй странице было найдено, что для реализации механической мощности 4.4 кВт с помощью пневмопоршня, нужно в секунду прокачивать 0.176 м3 воздуха, имеющего избыточное давление 0.25 атм. То есть нагретого от солнца на 70 градусов: с 30 градусов у внешнего летнего воздуха, до 100 градусов, что и дало повышение давления на 0.25 атм.

Попробуем найти сколько нужно кВт, чтобы нагреть 0.176 м3 на 70 градусов за 1 сек. Объем воздуха 0.176 м3 при плотности воздуха 1.23 кг/м3, дает массу 0.176*1.23 = 0.217 кг.

При теплоемкости воздуха 1000 Дж(кг*К), получается что для нагрева этих 0.217 кг на 1 градус за 1 секунду, нужно поглотить 217 Джоулей тепла за 1 секунду. А это не что иное, как 217 Вт (Вт=Дж/с).

Значит чтобы нагреть эти 0.217 кг воздуха на 70 градусов за 1 секунду, нужно затратить 217 Вт/град * 70 град = 15190 Вт.

Как так??? Нагревали воздух мощностью 15190 Вт, а он совершил потом в поршне механическую работу только на 4400 Вт. Куда делось остальное тепло (ведь 1 Вт = 1 Дж/сек), где ошибка в рассуждениях?

мне конечно нравиться ход ваших мыслей, но вы никогда не задумывались зачем в стирлингах лишняя(кстати без нее отлично все работает тоже) фигня по кличке "регенератор", он-же регенерационный теплообменник, если па-научному?.. 😉

Вот в него и загоняют тепло, если конечно КПД не пофиг, и лень точно согласовывать объемы и характеристики нагрузки, чтобы расходовалось ровно столько-же, сколько вырабатывается(кстати я думал что вы пойдете по этому пути - уменьшите объем чтобы не вырабатывалось лишнего)...


Технически регенератор представляет из себя хитрый гибрид с использованием теплоемкости и 1 пульсирующего в разных направлениях потока - если болтание туда-сюда дурацких грузил под названием поршень, вибрации и тихоходность установки вас не прикалывают(кстати из-за этого стирлинги и вымерли - тихоходными были - но фишка в том что в махолете это позволяет избавиться от редукторов!), то 1 пульсирующий поток можно заменить 2 встречными потоками(за одно поршня заменить на какую-нить роторную машину) и теплообменом посредством теплопроводности через стенки, или, проще говоря, аналогом регенератора является обычный противоточный теплообменник.

Делается регенератор(классически) обычно из какой-нить пористой фигни, например засыпки кусков проволоки или стружки (чем-то напоминает лабораторные насадки для ректификации, можно даже приколоться сделать модель 2-в-1 с самогонным аппаратом 100-кратной перегонки, так сказать аппарат двойного назначения, стратегический 😉 )...  Ну или из пачки медных пластин с дырочками, между которыми какие-нить прокладки или распорки для теплоизоляции, обычно спиральки из проволочки хватает чтобы они не контактировали и теплопроводность была меньше, ведь с одного конца регенератор горячий, а со второго холодный...


Короче говоря, регенератор имеет какую-то теплоемкость, желательно малую теплопроводность(тока в направлении потока чтобы не было потерь путем теплопроводности между холодным и горячим концом), и большую площадь поверхности за счет пористости или мелкой засыпки(но не слишком мелкой тк тогда будет большое сопротивление для воздуха)...

Ну дак вот, горячий воздух проходя в одном направлении оставляет тепло набивке регенератора и выходит с другого конца уже холодным...  В обратном направлении наоборот - он проходя через слои с разными температурами нагревается, аналогично противоточному теплообменнику...  То есть он как-бы изолирует и разделяет горячую и холодную зоны двигателя, не допуская утечек тепла, но при этом позволяет очень быстро нагреть и обратно охладить воздух...

То есть очень быстро нагреть или охладить весь объем не проблема - прокачать весь рабочий объем через регенератор можно за доли секунды(кстати некоторые типы стирлингов дают до неск тыс об в мин), и при этом за счет пористости и огромной поверхности набивки экв. мощность может быть любая, хоть мегаватты, не смотря на то что весь двигатель имеет гораздо меньше мощности...   

Так что помахать крыльями не проблема, можно изменить давление довольно быстро - разберитесь лучше с самим махолетом, а то пока не понятно какой тип привода подбирать.
(кстати там очень симпатичная комбинация вырисовывается, можно и движок очень сильно упростить в случае махолета, если проектировать все в комплексе сразу вместе с двигателем.
Как такового двигателя даже не будет - просто где-то что-то заменить на прозрачное, где-то какие-то прокладки, где-то подобрать материалы и схему армировки, немного накачать, и получается такое хитрое и простое самомашушее крыло, где как такого движка даже нет вообще и вся конструкция не сложнее обычного крыла, а может даже и проще выйдет... 
В общем надо разобраться с этим волновым режимом махолета - сюда он просто идеально(в комплекте с гибким крылом) подходит, махать всей массой жесткого крыла гораздо сложнее)

Vladimir
PS  кстати, а всякие химические и криогенные установки никого не прикалывают?  А то могу рассказать как от обычного компрессора получить жидкий воздух, и ректификационную колонку к нему для перегонки на кислород(ну или самогонный аппарат 100-кратной перегонки - кому что 😉 )...
(и да кстати можно топливо тоже делать на халяву, наиболее хорошо для авиации думаю подойдет водород, энергию для него можно получать от ветряков и солнечных станций, все равно в россии ее проблематично продать в сеть...
Энергоемкость водорода на кг в 3.5 раза больше бензина, так что есть смысл повозиться с криогенными баками, окупается, особенно если актуально получить большую дальность полетов)

 

[tvv385]

Кстати, а концы крыла никто не пробовал моделировать в 3d CFD?..
С вихрями и работой законцовок разбирались?..

А то тут интересный вопрос вырисовывается - в общем, если использовать колебания всего крыла(особенно изгибные), то амплитуда у фюзеляжа будет не большая, а вот к концу крыла амплитуда будет расти...   (кстати тонкое и так к концу изогнеться вверх аналогично законцовкам - интересно бы посмотреть как это взаимодействует с потоками, и вообще подумать на тему какой она должна быть...)

В общем довольно интересно разобраться как будет работать такой режим, когда амплитуда к концам растет...  (Может быть даже к обычным тяжелым самолетам имеет смысль приделать такой "удлинитель" крыла? )

 

[tvv385]

Да, еще по бипланам есть идея - тоже надо бы разобраться...

Вроде как у бипланов из-за перекрытия качество получается хреновым...  А что если попробовать помахать крылышками? 😉
Причем махать можно соосно, ну в смысле встречно - тогда и трясти не будет, и надо разобраться что с этими вихрями будет, их ведь наверняка выдавит, интересно в этом случае от бипланности будет вред или польза...
(да и махать легко - пневмоцилиндр между крыльями и вперед 😉 )

 

[georgii-2]

Давайте-ка всё таки танцевать от печки, то бишь от прототипа.
Имеет 4 мотора по 7,35 квт. Итого - 29,4 квт или ~ 40 лошадок.
Отсюда - 29,4 квт/200 кв.м. = 0,147 квт.
Итак, в среднем они снимают 147 вт с квадратного метра.
Если учесть, что очень небольшая часть панелей находится под оптимальным углом к солнцу, а в коллекторном варианте будет работать вся поверхность, то есть шанс превзойти прототип. Кроме того, наверняка пленочное покрытие крыла будет намного легче панельного.
Выигрыш по энергии приблизительно 1,4-1,7, плюс выигрыш в весе крыла. Кпд пневмодвигателей объёмного типа возьмём 0,8.
Допустим имеем 200 вт/кв.м. Тогда 200*0,8=160 вт. Термический кпд 0,35, значит 160*0,35=56 вт. Меньше чем у прототипа, но более лёгкая конструкция.
Вот где-то так.
Правда есть очень интересная закавыка. Журналисты пишут, что каждый мотор имеет по 10 лошадок, а в Википедии очень странная таблица - написано 4 мотора и мощность в графе 7,35 квт. Так и неясно, каждого или общая.

 

[tvv385]

Да какой он прототип - так, поделка школьников...

У них тока аккумов 400 кг, причем никак второго пилота впихнуть не могут, хотя этот переросток 1.6т весит...

(Хотя судя по герметичной кабине во 2 версии признаки интеллекта вроде есть - если на большую высоту залезут, то там будет получше и со скоростью и с дальностью...
Ну а пока судя по всему месяцами хорошей погоды ждут, чтобы ветром не сдуло 😉 )


PS  кстати, а нельзя ли панели отдельно сделать под оптимальным углом?
Ну то есть отделить ужа от ежа панели от крыльев...
Если например удлинить вертикальное крыло, как это повлияет на сопротивление?..   
Или вообще отдельно панель или ленту сделать...
Площать передней кромки получается не большая, так что сопротивления не должно быть...
Или длина такой плоскости тоже будет влиять на сопротивление?
Какую-то подъемную силу такой панели создавать не нужно ведь...

PPS  за прототип можно взять планер - пол-тонны, качество 40, скорость при этом 95-125 км-ч, в общем нагуглите любой проверенный планер, тот-же SZD-48 например.
Получаем 12.5 кгс сопротивления при 100 км-ч.

 

[georgii-2]

Если учесть, что заявленный кпд панелей 22,5%, дают они 147 вт/кв.м, то получается что энергия падающая на них ~ 653 вт/кв.м.
Исходя из  неоптимальных углов панелей реальная энергия падающая на кв.м близка к экваторной, т.е. порядка 1 квт/кв.м.
Исходя из таблицы кпд коллекторов представленной DesertEagle и необходимой разности температур для термического кпд 0,3-0,4 получаем как раз 20% кпд коллектора, т.е. 200 вт/кв.м.
Отсюда и получается, что для достижения результатов панельного прототипа необходимо резко повысить кпд коллектора. Т.е. опять нужны высокие технологии, не получается на коленке.

Допустим, что мы всё таки получили от коллектора 600 вт/кв.м. Кпд объёмной машины исходя из очень маленьких степеней сжатия и известных показателей холодильных компрессоров всё таки можно принять за 0,9. Допустим и что термический кпд дотянем до 0,4.
Тогда 600 вт/кв.м. * 0,9 * 0,4 = 216 вт/кв.м. Т.е. почти в полтора раза больше чем у прототипа, плюс более лёгкая и дешёвая конструкция.

Ну и интересно, что можно получить имея те самые 200 вт/кв.м?
200 вт/кв.м. * 0,9 * 0,4 = 72 вт/кв.м.
В два раза меньше чем у прототипа, но имея при этом большой резерв по весу.

Вот такая вот пристрелка, по всем артканонам. 🙂

Ну, а пока  реальнее практически заниматься электрификацией деревень, оставшихся благодаря эффективным менеджерам, во тьме.  😉

 

[DesertEagle]

Давайте-ка всё таки танцевать от печки, то бишь от прототипа.Имеет 4 мотора по 7,35 квт. Итого - 29,4 квт или ~ 40 лошадок.

Это пиковая мощность двигателей, а для горизонтального полета ему нужно меньше. Но вы угадали, в дневное время у него солнечные батареи действительно выдают пиковую мощность 30 кВт или 40 л.с.. Все лишнее он запасает в 400 кг аккумуляторов, чтобы потом лететь ночью. Так что с остальными цифрами у вас, похоже, все верно.

Если учесть, что заявленный кпд панелей 22,5%, дают они 147 вт/кв.м, то получается что энергия падающая на них ~ 653 вт/кв.м

Отсюда можно сделать еще один интересный вывод - раз от солнца падает 1000 Вт/м2, а солнечные батареи у него воспринимают только 653 Вт/м2, то видимо только 65.3% крыла освещаются солнцем как следует. Из-за геометрии крыльев, наклона относительно падающих лучей и т.д. У солнечного коллектора этот показатель должен быть немного лучше, но в целом сравним. Потому что под маленьким углом к лучам, даже стекло хорошо отражает свет, а пленка тем более. Все наверно замечали, как на наклонном стекле возникают блики, на очень малых углах стекло работает почти как зеркало.

Так что в первом приближении можно принять, что от падающих 1 кВт, крылу достается только 600-700 Вт, а остальное отражается из-за того, что поверхность не перпендикулярна солнцу.

У Solar Impulse, кстати, во время рекордного полета применялся хитрый алгоритм полета, чтобы по возможности большая часть крыла была обращена к солнцу. Я смотрел передачу, это сильно ограничивало направление полета, особенно с учетом направления ветра. То есть он не просто летал куда хотел, а только в определенных направлениях с учетом с какой стороны светит солнце. Особенно перед закатом, когда солнце низко. Да и ночью он в основном снижался с большой высоты за счет аэродинамического качества. Так что там все было сложно. Правда и запас аккумуляторов через сутки, когда взошло новое солнце, остался приличный, 40% что ли, уже не помню.


Что касается аэродинамики Solar Impulse, то масса аппарата была m=1600 кг, а аэродинамическое качество здесь пишут, что было K=40 единиц. Для такого размера похоже на правду, хотя я скорее поверил бы в не более 30 единиц.

Для горизонтального полета при качестве 40 единиц ему потребуется тяга T = m*g/K = 1600 кг * 9.8 м/с2 / 40 = 392 Н, или 40 кг.

По скорости полета есть две цифры - крейсерская 70 км/час (19.44 м/с) и на маленькой высоте самая экономичная скорость 45 км/час (12.5 м/с).

Таким образом, мощность на полет при скорости 45 км/час будет: P = T*v = 392*12.5 = 4900 Вт, а при 70 км/час: P = 392*19.44=7621 Вт.

К сожалению, винты диаметром 3.66 м, так медленно вращающиеся ради увеличения эффективности (пишут что 500 об/мин, это скорость кончиков 95.77 м/с, а на самолетных винтах обычно 180-230 м/с), выходят за диапазон обычных расчетных формул для самолетных винтов. Но можно предположить, что их кпд на уровне 70%-80%. Иначе просто не было бы смысла делать такие специальные винты.

Тогда на скорости 45 км/час, электродвигатели обеспечивают суммарную мощность 4900/0.7 = 7000 Вт (9.6 л.с.), а на 70 км/час  7621/0.7 = 10887 Вт (14.8 л.с.). Не смотря на то, что пиковая суммарная мощность у них 40 л.с., для горизонтального полета Solar Impelse достаточно от 9 до 15 л.с.. Даже немного меньше, учитывая что у них не один винт, а четыре, меньше нагрузка на ометаемую площадь, кпд можно принять даже за 90-95%, имхо. Тогда необходимая суммарная мощность электромоторов для горизонтального полета от 7 л.с. до 11 л.с..

Проблема в том, что неизвестно на какой скорости достигается максимальное аэродинамическое качество 40 единиц - на 70 км/час или на 45 км/час. На разной скорости качество разное. И крейсерская скорость совсем необязательно делается на режиме макс. качества. С другой стороны, на минимальной скорости качество максимальным тоже не может быть по определению, так что я поверил бы в то, что 40 единиц достигаются на скорости где-то под 60 км/час. Но в целом, это дает примерный разброс необходимых для горизонтального полета мощностей.

Давайте дополнительно проверим аэродинамику по скорости полета. Подъемная сила равна L=Cy*p*S*V^2/2, отсюда Cy = L*2/(p*S*V^2).  Подставляем подъемную силу L = m*g = 1600 кг * 9.8 м/с2 = 15680 Н, площадь крыла S=200 м2, плотность воздуха p=1.23 кг/м3 и скорости полета 19.44 м/с и 12.5 м/с:

На скорости 45 км/час: Cy = 15680*2/(1.23*200*12.5^2) = 0.86
На скорости 70 км/час: Cy = 15680*2/(1.23*200*19.44^2) = 0.34

Что ж, для такой геометрии кажется реалистичным. И видимо макс. качество достигается все же ближе к 45-50 км/час, чем к 60-70 км/час. Не зря они в самом экономичном режиме летят на скорости 45 км/час.

Отсюда вывод, что в принципе такому аппарату для горизонтального полета достаточно одного винта диаметром 1.5 м и мотора мощностью 13 л.с. (а на скорости 70 км/час 16 л.с.). Исходя из этого, можно подбирать солнечные коллекторы. Только смысла в этом мало, ведь масса будет другой =), а значит и все остальные характеристики нужно будет пересчитать.

 

[DesertEagle]

Короче говоря, коллектор, двигатель и привода не проблема, я подберу любой вариант на любой вкус

Ну подберите коллектор и двигатель на крыло площадью 15 м2 (размах 10 м, хорда 1.5 м), чтобы на выходному валу двигателя, вращающегося с оборотами 2500-2800 об/мин, была мощность 10 л.с.. Масса всего аппарата не должна превышать 40-50 кг. В массу входит крыло+коллектор+двигатель, короче все кроме пилота.

 

[georgii-2]

Так что в первом приближении можно принять, что от падающих 1 кВт, крылу достается только 600-700 Вт, а остальное отражается из-за того, что поверхность не перпендикулярна солнцу. 

Побольше чем у них, в пасмурную погоду вакуумники дают около 10% тепла. Просто свет со всех сторон тоже несёт поглощаемую энергию. Кроме того пока никто особо не заморачивался  с отражательной способностью для таких случаев. Хотя что-то где-то читал на сию тему.

 

[georgii-2]

Ну подберите коллектор и двигатель на крыло площадью 15 м2 (размах 10 м, хорда 1.5 м), чтобы на выходному валу двигателя, вращающегося с оборотами 2500-2800 об/мин, была мощность 10 л.с..

Не получится. Реально - 15 кв.м. * 72 вт/кв.м. ~ 1000 вт.