Границы возможного определены в постах про кпд.
C КПД понятно, вполне приемлим. Площадь крыла в 50 м2 можно сделать по мускулолетной технологии, хорда 2 м, размах 25 м. При суммарном кпд 0.15-0.2, в солнечный летний день на экваторе получается на выходе мощность 1 кВт * 50 м2 * 0.15 .. 0.2 = 7.5 .. 10 кВт. Это нормально для такой площади и соответствующей ей медленной скорости полета.
Но я имел ввиду реализацию. Воздух внутри 50 м2 крыла солнце нагреет за секунду не более чем на полтора градуса, даже в самом оптимистичном варианте. Пруф: объем крыла при средней толщине 30 см: V = 50 м2 * 0.3 м = 15 м3. Из-за наклона плоскости крыла к солнцу, от падающих на экваторе 1 кВт/м2, крылу достается только 60%: 50 кВт * 0.6 = 30 кВт. Согласно графикам, даже самые крутые коллекторы при близком к нулю перепаде температур имеют кпд 80%, значит от этих 30 кВт теплоносителем будет поглощено только 30 кВт * 0.8 = 24 кВт.
Теплоемкость воздуха 1000 Вт/(кг*К), значит эти 24 кВт за одну секунду нагреют 1 кг воздуха до температуры 24 градуса. Но у нас в крыле 15 кг (~15 м3), значит 15 кг нагреются до 24/15 = 1.6 градуса.
С этим похоже ничего толкового не сделать, слишком мала температура и слишком мизерное давление 301.6 К / 300 К = 1.0053, или избыточное 0.0053 атм.
Если использовать в качестве теплоносителя воду, то при слое воды всего 5 мм и плотности воды 1000 кг/м2, на площади крыла 50 м2, воды будет содержаться 50 м2 * 0.005 м * 1000 кг/м3 = 250 кг! Не годится.
Даже если слой воды будет всего 1 мм, меньше наверно и нереально сделать, то это в коллекторе запас воды 50 м2 * 0.001 м * 1000 кг/м3 = 50 кг. Тоже не подарок, ну да ладно.
А 50 кг воды 24 кВт поглощаемого тепла при теплоемкости воды 4000 Вт/(кг*К) нагреют до: (24/4)/50 = 0.12 градусов. Это еще хуже, чем воздух, там был перепад хотя бы 1.6 градуса и отсутствие лишней массы (только при ускорениях те 15 кг воздуха в крыле повлияют на инерцию).
Но даже если бы перепад температур был выше, все равно весь этот нагретый объем воздуха/воды нужно за секунду перекачать через теплообменник двигателя. 15 кубометров воздуха в секунду, это еще нужно найти такой насос/компрессор.
Или 50 кг воды в секунду, причем через миллиметровую щель! Не знаю как у воды, но у воздуха скорость перетекания через малое отверстие ограничена скоростью звука в газе. Так что крыло при хорде 2 м и толщине щели 1 мм, за секунду может пропустить только 0.001 м * 2 м * 300 м/с = 0.6 м3, или примерно 0.6 кг воздуха. Это к вопросу, можно ли греть не весь воздух внутри крыла, а только например 1 мм прослойку. Что дает объем воздуха 50 м2 * 0.001 м = 0.05 м3. По пропускной способности проходит, но компрессор, перекачивающий воздух, должен создать такое давление, чтобы скорость воздуха через щель была 300 м/с. Какие на это будут затраты, не превысят ли они вырабатываемую мощность? Ведь затраты на перекачку теплоносителя мы раньше нигде еще не учитывали. В принципе, для перекачки 0.05 м3, достаточно скорости воздуха после компрессора 90 км/час (25 м/с) 0.001 * 2 * 25 = 0.05 м3/с, такую скорость вроде может развить и осевой компрессор. Но гидропотери в 1 мм щели все равно придется сложить с кпд такого осевого компрессора. А это раньше не учитывалось в прикидочных расчетах.
В воде скорость звука 1500 м/с, поэтому если применить тот же подход, то воду через щель 2 м х 1 мм, за секунду можно прокачать 0.001 м * 2 м * 1500 м/с = 3 м3, или 3 тонны. Нормально, у нас всего 50 кг. Но все равно гидропотери при перекачке 50 кг воды через 1 мм щель, имхо будут дикими. Не знаю только как их оценить.
Ладно, допустим мы эти 50 кг воды прокачаем за секунду через щель 1 мм х 2 м. И даже сможем полностью передать тепло в воде теплобменнику в двигателе. С охлаждением вообще нет проблем, любой автомобильный радиатор способен охлаждать 20-50 кВт тепла. Они и весят немного, вместе с жидкостью около 10 кг (7 кг радиатор + 3 литра жидкости).
Однако стирлинг должен теперь взять тепло от воды и передать его воздуху в цилиндрах. Так как теплоемкость воздуха 1000 Вт/(кг*К), а воды 4000, то если я правильно понимаю, воздуха по массе потребуется в 4 раза больше, чем воды. То есть 250 кг или 250 кубометров. Если объем цилиндра стирлинга будет 1 литр (куда уж больше, и так много металла), то чтобы перенять тепло 0.12 градусов от тех 50 кг воды, разлитых слоем 1 мм по 50 м2 крылу и перекачиваемых за секунду, должен за секунду прокачать через себя за секунду 250 кубометров воздуха. Это 250 тысяч оборотов в секунду! (объем 1 литр, значит чтобы в секунду прокачать например 10 литров, нужно совершить 10 об/сек). Что-то цифры получаются совсем нереальными. Хотя возможно где-то в вычислениях ошибка.
Вот поэтому у меня вопрос к топикстартеру, как предполагалось использовать солнечный коллектор, какой именно, расходы, масса, характеристики? Что-то при озвученных выше разных вариантов исходных данных не получается ничего путевого (что конечно не исключает возможности успеха при более удачных параметрах). У автора вообще были хотя бы прикидочные расчеты, или это все просто на уровне абстрактной идеи? Мол, кпд колнечных коллекторов 20-30%, круто, при площади 200 м2 это даст 60 кВт полезной мощности. Угу, как же, ее еще надо суметь забрать... ))
С низкопотенциальными источниками энергии, к которым относится тепло, всегда трудно работать. Чтобы преобразовать ее во что-нибудь полезное. Особенно с рассеянными на большой площади. Одно дело 2-3 м2 ваккумных солнечных панелей, которые через трубку длиной 5 метров передают тепло в бочку с водой. И совсем другое крыло площадью 50 м2 с размахом в 25 метров, требующее минимальную массу, и с необходимостью эту нагретую воду пропустить через двигатель (объем, масса, перекачка этих объемов!!).
А как хорошо все начиналось! 200 кВт халявной энергии от солнца, школьники, проектирующие Solar Impulse, глупые инженеры и все такое.)