Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Давайте не на пальцах. Объясните каким образом вы не на пальцах пришли к тому, что кайт имеет энергетику в двадцать раз худшую в сравнении с турбиной лопасти которой имеют такую же площадь?

Да в общем уже привёл выше. Смотрите моё сообщение https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,66577.msg4868482.html#msg4868482 там все оценки есть.

бъясните каким образом вы не на пальцах пришли к тому

Если кратко - система где крыло летает в однородном потоке просто аэродинамически получается не очень эффективной (если под эффективностью понимать отношение полезной мощности к площади крыла).

При чем оснований считать что энергетика обычного ветряка должна быть хуже у нас больше.

Да нет никаких оснований так считать.  Трёхлопастный винт - машина крайне эффективная, существенно у неё выиграть вообще невозможно. Тут же схема вообще довольно сомнительная.

[AlexAV]

И не чего, что мощность по крылу распределена крайне не эффективно.

Достигается полная аэродинамическая эффективность использования энергии ветра до 48% при физическом приделе, определяемом законом Беца, 59,3%. Если тут что-то и можно улучшить, то на проценты, а не в разы.

[AlexAV]

Ну значит все норм...кайт проигрывает ветряку в 20 раз при прочих равных. Спичка длиннее столба, а муравей обходит слона по массе. Где то я уже это проходил.

Да что тут слышал-не слышал. Система-то в общем очень простая. Движение происходит в плоскости образованной вектором скорости ветра и вектором направленным вдоль троса (по другому для такой системы движение практически невозможно реализовать). Соотношения для аэродинамических сил действующих на крыло известны (зависимости от скоростей - это точные соотношения, зависимости коэффициентов Сx и Сy от углов атаки для разных профилей крыла легко найти). Тут очень несложно набросать небольшую программу и промоделировать. Что получится на качественном уже из входных уравнений понятно, но возможные алгоритмы работы и точные значения эффективности в идеализированном случае (с невесомым тросом и т.д.) посмотреть можно.

P.S. Достоинство схемы кайта - не в её эффективности, а в крайне простоте (а следовательно потенциальной дешевезне). Тут в общем даже крыло может быть не жёстким, а что-то вроде крыла дельтаплана или параплана, а это совсем другая стоимость по сравнению с жёстким крылом. Всё же схема потенциально годная для малой энергетики (при условие решения обозначенных в начале проблем), но вот рекорды мощности явно не для неё.

[AlexAV]

остоинство схемы кайта и в том и в другом. И если сравнивать реальные установки, то становиться очевидно что кайт на единицу площади аэродинамической поверхности, выдает больше мощности чем обычный ветряк.

Нет, аэродинамическая схема по этому критерию там как раз не особо неэффективная.

Потому ваша гипотетическая не эффективность кайта, в реальном мире не обнаружена.

Где не обнаружена? Чтобы получить что-то другое нужно какую-то альтернативную физику придумать.

[AlexAV]

Сейчас нет никаких проблем создать БПЛА, дозаправляемый в воздухе. Солнцелёты тоже есть. Но так никто не делает.

Дозаправляемые - не годятся, на керосине разоритесь. А солнцелёты пока не достигли нужного уровня автономности. Т.е. несколько недель летают, но их способность летать несколько лет пока не показана в опыте. Ну и вообще солнцелёты пока техника новая, её толком на текущий момент ни отработать, ни внедрить не успели. А вообще - они реальные кандидаты на роль убийц спутниковой связи (хотя не полностью, конечно, у них есть проблемы при работе выше 60-й широты, там солнца становится для них маловато, так что только в тропической и части умеренной зоны).

[AlexAV]

В жизни. Есть конкретный кайт Makani, мощностью 600кВт, с размахом крыла 26 метров, ширина крыла менее 2 метров.

При какой скорости ветра получена? Дайте их график скорость ветра на высоте - мощность, думаю там весь подвох сразу и обнаружится.

Из ваших формул, не как не получается 600кв мощности, на основе крыла в 50 кв.м

В моей формуле - есть кубическая зависимость от скорости ветра. А в таких исследованиях в аннотациях (особенно на рекламной страницы) обычно дают лучший результат при максимальной зарегистрированной скорости ветра. Так что нет никаких проблем. Подставите в формулу 25 - 30 м/с - приблизительно столько и получите. Ну а то что такое бывает два дня в году - в рекламных проспектах и на заглавной странице не пишут.

[AlexAV]

Есть конкретный кайт Makani

Кстати а причём тут вообще Makani? Там же схема генерации с обычными горизонтальными винтом, как у наземных ветрогенераторов, только поднятым в небо, площадь крыльев тут вообще не причём (они к генерации энергии там отношения не имеют, их задача только поднять генерирующий винт повыше). Схема когда кайт передаёт на землю не электричество генерируемое а борту, а механическое усилие через трос - абсолютно иная и здесь она не используется. К чему Вы его тут вообще приводите в контексте данной дискуссии? В Нет термояда, нет ископаемых. К чему придет тогда цивилизация? я говорил о совершенно иной схеме, такой которая показана на  http://www.youtube.com/watch?v=0dkMhVq557s# и она к с схеме Makani не имеет никакого отношения вообще. Не подменяйте понятия.

Ну и 600кВт здесь судя по всему номинальная мощность генераторов на борту, а не реально выдаваемая. А номинальную мощность берут обычно по максимальной вероятной скорости ветра на высоте установки. Видимо как раз для 30 м/с и выбиралась.

То что может и не может схема типа Makani понять достаточно просто. Берите характеристики обычных воздушных винтов (прежде всего по масс-габоритам) и смотрите. Роль крыльев тут вообще сугубо вспомогательная (заставить винт с генератором летать).

[AlexAV]

Ну и 600кВт здесь судя по всему номинальная мощность генераторов на борту, а не реально выдаваемая. А номинальную мощность берут обычно по максимальной вероятной скорости ветра на высоте установки. Видимо как раз для 30 м/с и выбиралась.

В общем так и есть. Собственно генерирующая система там представлена 8 горизонтальными винтами каждый в диаметре 7.5 футов. Эти самые 600 кВт она как раз и будет выдавать при скорости ветра около 25-30м/с (в большинстве мест планеты на высоте 1 км такие ветра бывают редко).

[AlexAV]

Тогда если вам верить, реальная выработка, должна быть не 600кв, а 30кв.  Вообщем нужны, данные по выработке электричества.

Да тут не надо никому верить. То что могут выдать 8 винтов по  228 см (7.5 дюймов) диаметром каждый (а генерируют энергию там только они) при любой заданной скорости ветра в общем довольно очевидно.

[AlexAV]

емтьу мине Алекс сумнение в убийственности шо солнцелетов... нету у них рынка окромя геологов, горняков и мареманов... собственно для спутникового инета они и были  основные клиенты

Ну я в общем имел ввиду ту нишу которую сейчас занимают сервисы Hughes и других похожих. Т.е. VSAT для физических лиц. Собственно ради этого запускаются такие монстры как ViaSat 3 с пропускной способностью до 1 ТБита. И лучи этих аппаратов направлены обычно на довольно густонаселённые районы, ориентируясь не на геологов, а на жителей сельской местности. Что-то вроде:


Геологи с моряками тут понятно что только спутник, и мало вероятно что что-то заменит его совсем, но у них потребности в ёмкости куда более скромные. Без спутникового телевидения и НТS-спутников (опять же ориентированных на VSAT для физических лиц) вся группировка ужмётся до нескольких аппаратов классических с относительно широкими лучами и сравнительно небольшой массы и мощности, которых будет хватать на всех. 

[AlexAV]

Судя по видео, кайт выписывает круг примерно 250 метров за 20 секунд. То есть где то 40 м/с получается. Но это скорость кайта, а не скорость ветра.

Скорость ветра у поверхности может довольно сильно отличаться от скорости ветра на высоте. Ну а скорость кайта довольно жёстко привязана к скорости ветра. Т.е. видимо в момент испытаний (тот который они привели) был просто аномальный высотный ветер. Вот и всё объяснение.

[AlexAV]

Скорость кайта, может хорошо меняться вместе с углом атаки.

Да как не меняй средняя скорость сильно больше скорости потока не получится.

[AlexAV]

сильно звыняюсь ...но спрощу...  а какая полезная нагрузк солнцелета... такого типичного...

Вот приблизительно что летало и что планировалось (см приложенную таблицу, взята отсюда https://elibrary.ru/item.asp?id=23287742).

Массы ПН до 180 кг представляются вполне достижимыми.

А у солнцелётов грузоподъёмность недостаточна. И вот так всегда, всё время что-то мешает.

Под телекоммуникационные задачи вполне достаточно. 180 кг (да и даже 50 кг) для этого хватит. Проблема у них пока только в практическом обеспечение необходимой длительности непрерывного полёта без обслуживания (как (и если) научат их летать без посадки лет пять - так сразу можно будет говорить о практическом применение). А по грузоподъёмности уже нормально, ретранслятор влезет без особых проблем.

На ценник, кстати, рекомендую обратить внимание.

О ценнике пока говорить рано. Просто по той причине, что пока серийное производство отсутствует (не нужно путать цену разработки с ценой серийного производства). Но с учётом, что такого рода экспериментальные аппараты строят все кто угодно, даже не очень богатые коллективы (вроде товарищей из нашего Сколково https://ria.ru/20160801/1473373451.html , а никакого финансирования даже в миллионы долларов там и близко нет), видимо, не так чтобы совсем дорого. Большой аппарат конечно будет стоить заметные суммы, даже серийный, но мы ведь сравниваем со спутниками, которые тоже сильно не дёшевые.

[AlexAV]

Дирижабли и самолеты (даже беспилотные) имеют одно отличие от спутников - их придется время от времени приземлять и делать техобслуживание.

Это не недостаток, а огромное достоинство (если удастся обеспечить приемлемое время работы без обслуживания). Возможность произвести обслуживание аппаратуры, её ремонт и апгрейд (если это требуется) без замены всей платформы весьма ценна и сильно сокращает полные издержки на работу системы.Опять же наличие такой возможности позволяет снизить требования к надёжности некоторой части некритического оборудования, что также работает на удешевление системы.

Тут в точности наоборот - большой недостаток спутниковых систем в невозможности осуществить их ремонт и обслуживание с приемлемыми затратами. А если у какой-то системы такая возможность имеется - это нужно считать её безусловным достоинством.

А спутник запустил - и он летает несколько лет.

Ну ГСО спутники сейчас научились делать более-менее надёжными, правда цена этому - их совершенно астрономическая стоимость. Стоимость какого-нибудь спутника ViaSAT-2 что-то около 400 млн. долларов. А вот низкоорбитальные, особенно те которые работают на высоте 500 км и ниже, долговечностью как-то в среднем не блещут.

Плюс в каждой стране свои заморочки с регуляцией воздушного пространства.

Равно как у каждой страны свои заморочки с выделением частотного диапазона (в том числе и для спутников) и т.д. В данном контексте это вообще не проблема.  Точнее проблема для спутниковых группировок не на ГСО, которые вынужденно являются глобальными, а соответственно для окупаемости должны оказывать услуги в максимальном числе стран. А для этого должны в каждой решать бюрократические проблемы по выделению частот и получению разрешения на оказание услуг связи. Вот тут точно нескончаемые толпы юристов нужны.

Если система построена так, что может без потери эффективности обслуживать ограниченную территорию в пределах одной страны (спутники на ГСО, всякие атмосферные платформы, т.д.), то локального оператора вообще то, что происходит в соседних может не очень беспокоить. Ему надо будет только со своими чиновниками договориться, но это нужно вообще для любой системы, да и коммерческой деятельности вообще.

А самолеты будут падать, врезаться в птиц.

Птиц на высоте 20 км не бывает.

Но тенденция - к удешевлению спутников и их запусков.

Да как-то не очень они дешевеют.

[AlexAV]

Глобал Хоки строятся серийно

Глобал Хок - вообще не имеет отношение к беспилотниркам на солнечных элементах (он оснащён  ТВДД). К тому же это военный беспилотник, а у военных свои особые требования и свои особенности ценообразования. Тут сравнение столь же адекватно, как сравнение стоимости Cessna-172 и F-35.

Фигня. Вообще ни о чём.

Ну вообще-то 180 кг для телекоммуникационного оборудования не так уж и мало. В 150 кг умещается низкоорбитальный многолучевой HTS-спутник (см. параметры спутников OneWeb). А энергетика канала с 20 км ну куда лучше, чем даже с низкой орбиты, а значит при той же пропускной способности оборудование, которое несёт атмосферный псевдоспутник, может иметь меньшую мощность, а значит и существенно легче.

Скажем google-ий  loon вообще несут 10 кг оборудования, и для организации связи на каком-то минимально приемлемом уровне даже этого хватает.

[AlexAV]

Где всё это содержать, допустим в Анадыре?

Аэропорт там есть.

Тем более, что аппаратура в авиационном исполнении будет ненамного дешевле спутниковой. 20 км - довольно близко к космосу.

На самом деле очень большое отличие. Главное - радиация (в космосе нужна специальная электроника для космоса, а на 20 км пойдёт и обычная индустриальная, а они по стоимости отличаются просто принципиально) и охлаждение (с ним когда есть, пусть и разреженный, но воздух, тоже куда проще).

Нет, это огромный геморрой.

Что лучше - аппарат весьма солидной стоимости пролетал 5 - 10 лет, а потом его надо заменять полностью новым, или аппарат который пролетал столько же, но которому после этого можно провести ТО (стоимостью на порядок дешевле аппарата) и продолжать эксплуатировать ещё столько же?

[AlexAV]

https://m.habr.com/ru/post/476596/

Абсолютно бесперспективное дело. Дорого, железо просто золотым будет, да и совершенно не масштабируемо. В этих низкотемпературных PEM-электролизерах используются электроды с платиновыми металлами. Для сколько-нибудь масштабного производства таким способом на планеты просто платины нет.
 
Да и параметры системы прямо скажем так себе. Из того, что там написано следует, что 30 МВт установленной мощности ветрогенераторов будут в итоге давать только 400 м3 водорода в час. Расход водорода на восстановление железа по стехиометрии около 600 м3/тонну. Итого установка требующая 30 МВт установленной мощности, стоимостью несколько десятком миллионов долларов (исходя даже просто из стоимости установленной мощности ветрогенераторов), будет производить всего... 670 кг железа непонятного качества в час. При такой производительности говорить о какой-либо окупаемости всего этого просто смешно, при текущей цене на сталь  даже на зарплаты персоналу не хватит, а об окупаемости инвестиций даже говорить не приходится. В общем чушь.

[AlexAV]

Но судя по цене платины- перепроизводство, не знают куда применить.

Текущие конъектурные колебания никак не отменяют того обстоятельства, что общие запасы платиновых металлов на планете (в сумме всех) в самом лучшем случае составляют около 69 тыс. тонн (большая часть в ЮАР и наш Таймыр). А это на самом деле очень немного. Ну и новых в ближайшие миллионов сто лет на нашу планету не завезут. Каких-то возобновляемых на обозримых временах источников этих металлов на Земле нет, подавляющая же часть существующих месторождений связана с довольно редким типом магматических провинций, которые формируются на нашей планете крайне редко даже в масштабе времени геологических эр.

После истощения этих довольно небольших и весьма обозримых запасов платиновые металлы станут не сильно более доступны, чем сейчас какой-нибудь радий. С их кларковыми числами извлекать их из пород, где они присутствуют в рассеянной форме практически невозможно (точнее эта работа по сложности и затратам будет не сильно отличаться от работы Марии Кюри).

[AlexAV]

400 м3 - это явно не за час.

Электролизер мощностью 2.2 МВт (а мощность там указана явно) как раз и будет давать около 400 м3/час (при расходе около 5 кВтч/м3, что для низкотемпературного электролизера работающего в не вполне оптимальных режимах (а откуда там взяться оптимальным, когда его "пилой" от ветряка собираются кормить?) вполне обычная величина).

Я так понял, те электролизеры - далеко не единственные потребители от ветропарка, возле которого их собираются устанавливать.

Та формулировка которая дана в первоисточнике:

The necessary electrical power will be generated by seven wind turbines with a capacity of 30 MW.

создаёт впечатление, что это будет основной потребитель этих семи ветряков. На самом деле ничего необычного, если помнить о различие установленной мощности и реальной генерации ВЭС. Если реальный КИУМ этих ВЭС процентов 15 (что опять же для ВЭС - ничего не обычного) - так и получится (половина энергии в среднем на электролизер, половина на прочие нужды производства).

[AlexAV]

там плотность 0,5кВт*час/кэгэ.

Металлический анод  + обогащённый никелем NCM катод (никель-кобальт-марганцевый). Там у них ресурс почти никакой, всего несколько сотен  циклов, не более, и для такой электрохимической системы его поднять практически невозможно. С учётом дороговизны системы, высокого потребления деффицитных матриалов (того же кобальта, без которого для этого типа батарей вообще никак) и низкого ресурса - особых перспектив (кроме быть может некоторых специальных областей) никаких.

Но главное они успешно закончили НИОКР по новому поколению аккумов с вдвое большей плотностью.

1000 Втч/кг - возможен только на литий-воздух и больше никак, просто физически невозможно. А литий-воздух имеет нерешаемые проблемы с ресурсом (из-за отравления малыми примесями в воздухе, CO2, H2O, SO2 и т.д.). Не будет их.