Арктические дирижабли, часть 1 — Производство электроэнергии

http://nunavutenergy.ca/Renewable_Energy

Я бы использовал Нунавут (Канада) в качестве достойного ориентира в отношении солнечной генерации.

«Места вдоль побережья Гудзонова залива в районе Киваллик получают наибольшее количество солнечной энергии в Нунавуте. Количество солнечной энергии, достигающей прибрежных районов региона Киваллик, сравнимо с количеством солнечной энергии, достигающей южного Квебека, большей части Онтарио. , и Приморье».

На самом деле они получают приличное количество солнца, если предположить, что солнечные элементы установлены под правильным углом. Если вы добавите эти дирижабли над облаками, вы должны получить дополнительный эффект солнечного света, отражающегося от облаков и усиливающего количество солнечного света, фактически падающего на эти панели.

Что касается выработки энергии, эти корабли должны быть в состоянии обеспечить приличное количество энергии... более чем достаточное для питания небольшой колонии.

Тем не менее, есть несколько проблем:

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, вырабатывается «по требованию»… ее очень мало для хранения, необходима энергия, и мы сжигаем ископаемые виды топлива, чтобы удовлетворить спрос.

В этом сценарии в ночное время (и, преувеличенно, в зимние месяцы) есть большие периоды дня, когда не будет света и, следовательно, энергии. Если колония находится достаточно далеко на севере, вы даже получите периоды нулевого солнечного света в течение примерно 2 недель.

Это означает, что для того, чтобы быть действительно осуществимым, вам нужно либо заставить население потреблять энергию одновременно с солнечным светом (включая 0 света в вечерние часы), либо иметь какую-то продвинутую версию накопителя электроэнергии.

Простое решение заключается в том, что они разработали конденсаторы, способные накапливать большое количество энергии, или, возможно, какую-то аккумуляторную технологию, способную преобразовывать химическую энергию для последующего использования.

В качестве социального решения... вы используете энергию, когда она у вас есть, и не используете ее, когда у вас ее нет. Это дало бы период летом, когда 24-часовой солнечный свет обеспечивает круглосуточную энергию, и период 24-часовой темноты, когда электричество не используется (в это время общество склонно впадать в спячку). И, конечно, в промежутках... трудность здесь в том, что у большинства населения есть высокие точки потребности в энергии, наряду с низкими точками. Не многие из нас пользуются электричеством во второй половине дня... мы зарабатываем на жизнь и занимаемся другими делами. После обеда мы потребляем электроэнергию с максимальной скоростью... поэтому должен быть метод распределения или (еще раз) какой-то способ хранения энергии в периоды низкого использования для использования в периоды интенсивного использования.

Хотя меня немного раздражает мысль о гигантском силовом кабеле, свисающем с дирижабля. Это похоже на якорь, тянущий вас вниз, и вам придется бороться, чтобы удержаться на плаву.

добавлено примечание о дневном свете:

75 градусов — это далеко на север, и вы, вероятно, не понимаете, насколько на самом деле длинны день и ночь. Переход от 100% дневного света к 0% дневного света происходит неоправданно быстро. классный маленький инструмент: http://astro.unl.edu/classaction/animations/coordsmotion/daylighthoursexplorer.html

При 75 градусах вы смотрите примерно с 3 ноября на 7 февраля полной темноты (3 месяца, около 100 дней). С 7 февраля по 1 мая световой день быстро меняется от 0 до 24 часов. С 1 мая по 10 августа солнечный свет 24 часа (3 месяца, около 100 дней?). А затем вернуться к быстрому переходу на 24-часовую темноту к 3 ноября. Немного странно, что переходные периоды короче, чем дни 100% темноты или дневного света.

При 67 градусах вы получаете около 4 недель 24-часовой темноты/дневного света. Я думаю, это больше то, что вы рассматриваете. По-видимому, при 90 градусах вы получаете 24-часовой дневной свет или 24-часовую темноту без промежуточного значения. 22 сентября. Было бы странно видеть, как солнце исчезает.

Как человек, который работает с зимней темой уже несколько лет, я чувствую себя частично обязанным вмешаться.

Действительно, очень холодная погода — сложная штука. Это вносит несколько сложностей в вещи, которые в противном случае были бы действительно простыми. Я мог бы рассказать о нескольких различных факторах, которые следует учитывать при создании чего-то подобного, но сейчас я сосредоточусь на вашей энергетической проблеме, чтобы сохранить рамки вопроса.

Зачем нам власть?

Энергия, будь то в виде тепла от огня или с помощью каких-либо электрических средств, имеет решающее значение для любого более цивилизованного человеческого населения. Вы используете его, чтобы согреть своих детей в холода, работать с металлом, готовить еду, освещать свою деревню, когда темно. Нам нужна энергия для работы наших машин, для питания наших транспортных средств. Вам нужна какая-то форма энергии, чтобы сделать что-то более сложное в человеческом поселении, и то, откуда берется эта сила, действительно имеет значение.

Конверсия = Убыток

Все, что вы делаете со своим доступным источником энергии, уменьшает доступное количество энергии, будь то преобразование ее из одной формы в другую, передача или просто ее хранение . Даже самые передовые батареи, которые у нас есть сегодня, не могут хранить энергию вечно, медленно теряя ее с течением времени.

В то время как солнце генерирует тонну энергии [необходима цитата], вы не можете использовать его без больших потерь.

Давайте примем во внимание этот сайт и посчитаем.

Согласно этому сайту, глобальная формула для оценки электроэнергии, вырабатываемой на выходе фотоэлектрической системы, выглядит примерно так:

      E = A * r * H * PR

Где:

• E = Энергия (кВтч)

• A = Общая площадь солнечной панели (м²)

• r = выход солнечной панели (%)

• H = среднегодовая солнечная радиация на наклонных панелях (затенение не включено)

• PR = Коэффициент производительности, коэффициент потерь (диапазон от 0,5 до 0,9, значение по умолчанию = 0,75)

  Итак, начнем.

Предположим, что каким-то образом ваш дирижабль$9000$квадратный фут$(30ft\times 300ft)$полезной площади солнечных коллекторов. По вашим параметрам это действительно большой дирижабль. Это дает нам вокруг$850m^2.$

Мой источник говорит, что Норвегия получает около$200\text{kWh}$за квадратный метр... в год . Итак, давайте сделаем действительно грубую математику и разделим это равномерно на весь год:

• $200 / 365$ $\approx = 0.55\text{kWh}/m^2$в сутки солнечного облучения, при условии, что$100\%$эффективность.

У большинства распространенных современных солнечных панелей есть что-то вокруг$15\%$эффективности сбора солнечной энергии с использованием передовых производственных процессов.

Это означает, что$1m^2$Стоимость современных солнечных панелей на норвежском языке имеет суточную производительность:

• $0.55 \times 0.15 = 0.0825$ $\text{kWh}$за квадратный метр в сутки.

Коэффициент производительности учитывает помехи для солнечных панелей, такие как пыль, снег, несколько облаков, потери мощности, вызванные внутренней структурой солнечных панелей, и тому подобное. Значение по умолчанию для современных солнечных батарей равно$0.75$. Итак, принимая это во внимание:

• $0.0825 \times 0.75 \approx= 0.062 \text{kWh}$за квадратный метр в сутки. Это около 62 Втч в день на$m^2$.

Вы могли бы использовать лампочку в течение примерно часа!

Итак, давайте снабдим наш дирижабль кучей солнечных батарей.

• $0.062kWh/m^2 \times 850 m^2 = 52.7 \text{kWh}$стоит мощность ежедневно.

  Если вы изобретете сверхэффективный электрический обогреватель, который потребляет 1 кВт/ч на семью (обычные обогреватели потребляют около 1,5 кВт/ч для обогрева одной комнаты) и держите его включенным в течение всего дня, один такой корабль сможет удовлетворить потребность в тепле только двух домов.

Вам понадобится несколько дирижаблей, чтобы с комфортом питать все дома в вашей деревне. Каждый дирижабль площадью 850 м² может питать:

• Суточная потребность в отоплении для 2 домов, или
• 36 современных лампочек мощностью 60 Вт в течение дня или
• 42 ванны по 10 минут с использованием душа мощностью 7500 Вт или
• Готовить пищу по 30 минут 20 раз в день с использованием электрической духовки.

Большинство людей во всем мире, которые действительно нуждаются в тепле, используют нефть для отопления и уголь или газ для приготовления пищи. Электроэнергия, хотя и удобна, может очень быстро подорожать, если вы не будете следить за ее использованием. Я думаю, что если вы хотите, чтобы эти штуки летали и питали ваши дома, каждой семье понадобится как минимум один дирижабль площадью 850 м².

Кроме того, ваши дирижабли будут очень тяжелыми. Поскольку у вас нет дерева, вам понадобится какой-то легкий материал для строительства и огромное количество энергии, чтобы заставить их взлететь. Если вы не используете какой-то нагретый газ, например гелий, чтобы сделать их «легче воздуха», они не смогут летать на солнечной энергии. И, если у них есть немного газа, чтобы сделать их легче, они будут очень, очень склонны к несчастным случаям, и вы больше не сможете их ремонтировать, так как у вас нет ресурсов для их создания!

Я хотел бы внести немного больше в ваш сценарий с некоторыми дополнительными соображениями:

Основные проблемы:

• Так далеко на севере, во время ледникового периода, у вас есть ледяной щит. Растения не могут расти на ледяных щитах, так как почва находится далеко от поверхности.
• У ваших людей нет дров. Вы не можете выращивать деревья на ледяном щите!
• У ваших людей нет бумаги. Поскольку у вас нет деревьев, если только они не пишут непосредственно на коже или камне, им действительно не на чем писать.
• У вас нет резины или легкого доступа к любому изоляционному материалу, так что... это будет огромной проблемой.
• Во всех ваших домах будет ледяной холод. Опять же, поскольку у вас нет дерева, вам придется строить дома из камня. Я понятия не имею, как они будут строить такие дома.
• Ваши люди не умеют добывать ни один тип полезных ископаемых. Вы не можете обрабатывать почти любой металл с помощью такой технологии без ископаемого топлива или какого-либо другого вида неэлектрической энергии. Поскольку вы не можете работать с металлом, вы не можете создать инструменты, необходимые для настоящей добычи полезных ископаемых.
• Даже если в какой-то момент у ваших людей было что-то доступное для создания инструментов, инструменты нуждаются в постоянной замене. Они ломаются, тускнеют, ржавеют и т. д. Костяные инструменты далеко не годятся, для сложных работ нужны настоящие металлические инструменты.
• У вас нет ткани в наличии, только кожа. Даже если у вас были овцы, вы не сможете их постричь (отсутствуют инструменты) или соткать шерсть (не сможете построить машины для ее ткачества).
• У тебя нет чернил. Поскольку вы не можете добывать и не можете путешествовать, если у вас нет тонны экзотических, красочных трав, которые растут на сильном холоде, ваши люди не могут рассчитывать на цветные вещи.
• Еда - это проблема. В основном у вас есть только мясо для еды, и вы не можете охотиться. Ваши люди не могут использовать ружья, так как у них нет минералов для их создания, и они не могут использовать луки, так как у вас нет дерева или другого подходящего материала. Нельзя использовать копья, чтобы - нет дерева! Карибу очень быстрые животные, и даже детеныш оленя может бегать очень быстро. Если ваши люди не охотятся с использованием каменных ножей и тактики засады, у ваших людей есть некоторые проблемы. На самом деле, я даже не знаю, что бы съел ваш карибу, поскольку на поверхности ледяного щита не может быть никаких растительных веществ.
• У тебя нет стекла. Даже если у вас действительно есть песок, вы не можете создать печь, чтобы расплавить песок и создать стекло. Это означает, среди прочего, что у вас больше нет лампочки.
• Невозможно иметь движок класса SolarImpulse с имеющейся у вас технологией. Чтобы изготовить такой двигатель, вам нужны все технологии вокруг него, включая высокую точность, автоматизированное производство и передовую электронику.

Мое предложение: если вы действительно хотите сосредоточиться на путешествиях на воздушном корабле, создайте мир, основанный на каньоне. Таким образом, вы можете использовать все обычные вещи — деревья, ископаемое топливо и т. д., при этом исключая наземный и водный транспорт. Люди будут жить на вершине очень высоких и очень крутых каньонов ( что- то вроде этого , только намного выше), поэтому им действительно понадобятся воздушные корабли для передвижения, если каньоны достаточно сложны. Кроме того, если вы создадите их достаточно высоко, они могут быть намного выше облаков, поэтому вы не сможете увидеть, что там внизу.

Только мои 2 цента!

Поскольку мы работаем в ледяной пустыне высоких широт, у нас есть отличный пример Антарктиды для работы. Летом вы будете передвигаться$8\space\text{kilowatts per m}^{2}\space\text{per day,}$что впечатляет.

.

О$0.3\text{ kilowatts per m}^2 \space\text{per hr}$, из-за трех месяцев постоянного света в$75$градусов. Однако зимой у вас почти не будет доступной энергии: может быть,$0.5\text{ kilowatt hours per m}^2\text{ a day}.$

Поскольку вы указали размер ($100-500$футов в длину), я возьму исторический образец в пределах этого диапазона: Zeppelin LZ 120 Bodensee, на$396$футов в длину. Он имел двигатели мощностью 4 245 л.с.; это около 183 киловатт. Комбинированный,$732$киловатты.

Предполагая идеальную эффективность (которой у вас не было бы, лучшее, что мы имеем сегодня, это$44\%$эффективно), вам потребуется около$2200\space m^2$для питания корабля ($732\text{ kW/0.33 kW per m}^2$.). Это больше, чем площадь верхней части дирижабля, а это означает, что он не сможет постоянно питаться. Но дирижабль не всегда будет в движении, поэтому большую часть дня он может заряжаться, не перевозя людей. Я полагаю, что таким маленьким деревням не нужно много паромов. Общество, подобное обществу начала 1900-х годов, не требовало бы слишком много энергии, поэтому воздушный корабль мог обеспечить деревню несколькими сотнями киловатт (примерно киловатт на человека в день). Как бы то ни было, вашим людям будет не с чем работать.

В конце концов, зима кажется почти непреодолимым препятствием. Никакое солнце не остановило бы все.

Этот пост не имеет отношения к осуществимости, но я хотел бы дать совет, как сделать этот мир немного более осуществимым.

Большинство комментариев, обсуждающих осуществимость, следуют двум направлениям: почему эти люди живут в такой совершенно негостеприимной среде и как они там производят компоненты для дирижаблей и передовые топливные элементы.

Я ожидаю, что в течение 2000 лет люди выйдут за пределы нескольких небольших деревень, имея достаточные ресурсы, и приспособятся к окружающей среде лучше, чем кто-либо на земле прямо сейчас. Похоже, что для того, чтобы люди жили в небольшой популяции так далеко на севере, им нужна очень веская причина, чтобы остаться. Однако в мире, истощенном запасами ископаемого топлива, есть одна веская причина отправиться на Северную Аляску в ледниковый период: нефть.

Что, если эти люди были присланы сюда из более южных регионов, которые нуждаются в нефтепродуктах для производства своей передовой техники? Кочевники на дирижаблях могли бы добывать нефть, даже не буря для этого, если бы они были экспертами в раскопках старых технологий, погребенных подо льдом. Не имея никаких знаний о процессах бурения, они могли прорываться через ледники в старые старательские городки и сливать масло, смазочные материалы и все остальное ценное из старого оборудования для бурения нефтяных скважин, а также спасательной техники.

Все это можно было бы доставить на юг на их дирижаблях, которые, возможно, не так хороши, как лыжи/байдарки для коротких сухопутных путешествий, но определенно лучше подходят для перевозки большого количества товаров, учитывая, что Северный океан полностью покрыт льдом. за свои нефтепродукты, которые они сами не используют, но которые для южных промышленников дороже золота, дирижабль-кочевники получают от своих южных соседей солнечные батареи, конденсаторы и прочие технологические блага. У них самих нет технологии для производства таких вещей, поскольку они находятся на викторианском уровне технологического развития без инфраструктуры, которая действительно могла бы выйти далеко за рамки этого, но они могут торговать некоторыми из них.

Жить так далеко на севере в течение такого долгого времени было бы легче, если бы ваши герои приспособились к суровой жизни эскимосов (если по морю, то рыбачат и охотятся) или саамов (если по суше, следуя за стадами карибу).

Эскимосский путь более гибкий (проще выбраться на юг - но по неизвестной причине они так и не вышли: когда их встретили полярники, они думали, что эскимосы - единственные люди на Земле), так что если хотите, чтобы ваши герои застряли, ставьте их за пределами высокогорного хребта и сделать сужение моря вокруг него слишком бурным, чтобы замерзнуть. Вряд ли там будут расти какие-либо растения, это все охота, рыбалка и собирательство.

Хорошим источником энергии будет жир тюленя и кита. Вы должны знать о голодании кролика - если диета состоит только из нежирного мяса - вам нужен жир, а адекватный уровень жира важен для развития мозга . Ваши люди будут голодать на постной диете из мяса карибу. Другая хорошая идея - ловля лосося (если вы не хотите выходить на лед, чтобы охотиться на тюленей).

Небольшие изолированные группы людей рискуют потерять технологии, пусть даже очень примитивные, читайте статью о тасманийских племенах по ссылке благодаря @Serban Tanasa — о том, как 5000 тасманийцев потеряли элементарные навыки вроде рыболовства и костяных орудий труда.

Если вы действительно хотите полетать над горами, лучше всего подойдут воздушные шары, подогреваемые ворванью. Не уверен, что будет хорошим легким материалом для изготовления воздушных шаров. Может быть, вы можете создать какую-нибудь рыбу с большим плавательным пузырем , наполнить ее метаном и использовать, чтобы она была легче при переходе через горы.

Кстати, те высокие горы на юге, которые нужно пересечь вашим героям, также создают огромную тень, что делает вашу солнечную энергию еще менее правдоподобной. Просто говорю'.

Я обещал ссылку о части Канады, НЕ покрытой ледниками во время последнего оледенения: Кипарисовые холмы - самая северная точка Северной Америки, оставшаяся к югу от континентальных ледяных щитов во время висконсинского оледенения.

Нет никаких причин, по которым группа решительных и хорошо обеспеченных исследователей в течение десятилетия с улучшенной погодой не могла найти проход через горы. Люди пересекают Гималаи. Даже через ледники. В худшем случае они могут отправиться в многолагерную кампанию, при этом большинство людей возят с собой провизию на следующий год. Должны быть какие-то легенды о лучшей жизни южнее — вы можете использовать этот двигатель для питания своей истории вместо солнечных дирижаблей.

Еще интересные факты об арктическом метане

Вам может быть трудно поддерживать технологию, ориентированную на металл, с таким небольшим количеством топлива, доступного для плавки. Ваши люди могут вернуться к технологиям медного века, если они смогут найти жилу из меди с чистотой 99%, такую ​​​​как Старый медный комплекс - вашим людям не нужно плавить ее, поэтому не нужно топливо, просто куйте ее молотком, чтобы придать нужную форму.

Забавно, как американские индейцы покинули лучший медный рудник бронзового века 3 тысячи лет назад.