Солнечная энергетика и тепловой баланс Земли

[Dan B-Yallay]

У меня возможно глупый вопрос. Вот возьмём солнечную энергию - она ведь частично отражается обратно в космос поверхностью Земли. Если я правильно понимаю цифры из этой статьи - около трети излучения. Ну две трети естественно остаются в той или иной форме на планете. А вот солнечные панели переводят большую часть падающих лучей в электроэнергию, которая после нескольких циклов преобразования, в конце концов превращается в тепло, нагревая Землю/атмосферу. Каковы масштабы этого явления? Понятно, что сейчас не очень грандиозные, так как солнечная энергетика пока еще в начале развития. Но со временем она будет использоваться всё больше и больше. Есть ли смысл переходить к панелям, если они все вместе взятые будут вносить не меньшую лепту в потепление, нежели CO2-метан-и еще-чего-там? Или такое невозможно и я несу нечто невообразимое?

Пытаюсь найти информацию/цифры чтобы посчитать самостоятельно, но пока без особого успеха. Наверное не там ищу.

[Dmitriy40]

Dan B-Yallay
По моему более правильная полезна эта ссылка: Тепловой баланс Земли. Хотя бы видно что лишь прямо отражённой энергией всё не ограничивается.
Заодно там же есть и цифра общей падающей энергии $1.74\cdot10^{17}\text{Вт}$. Пока мы не приблизимся к ней хотя бы на пару процентов, беспокоиться рано. На текущий момент доля составляет примерно $1/25000$ или $0.004\%$.
Как бы мы не перерабатывали неотражённую энергию, в итоге она всё равно попадёт в тепло (поверхности и нижних слоёв атмосферы) и будет излучена обратно в космос. Хоть от поверхности земли и океана, хоть от атмосферы, хоть от солнечных батарей, хоть от электромобилей. Задержка в несколько дней даже если и вообще будет, то это незначимо.
Единственный способ изменить баланс энергии — захоранивать приходящую энергию не в тепловой форме, а например в химических реакциях (способов много, хоть технические, хоть биологические) или даже в физических (типа синтеза радиоактивных веществ в промышленных количествах, что фантастика). Именно захоранивать, не использовать, чтобы не допускать превращения в тепло.

[wrest]

Dan B-Yallay в сообщении #1442782 писал(а):

А вот солнечные панели переводят большую часть падающих лучей в электроэнергию

Текущие КПД в лучшем случае порядка трети. Лучше КПД если что-то типа нагревания черного чего-то и затем как обычно -- стирлинг или паровая турбина и т.п., т.е. не прямое преобразование. А прямое пока не очень.

Dan B-Yallay в сообщении #1442782 писал(а):

которая после нескольких циклов преобразования, в конце концов превращается в тепло, нагревая Землю/атмосферу. Каковы масштабы этого явления?

По сравнению с КПД двигателей внутреннего сгорания, от электрических двигателей нагрева атмосферы для перемещения вас на работу и обратно требуется заметно меньше.

[Dan B-Yallay]

Dmitriy40
wrest
Спасибо.

Dmitriy40 в сообщении #1442797 писал(а):

Единственный способ изменить баланс энергии — захоранивать приходящую энергию не в тепловой форме, а например в химических реакциях

А если покрыть, скажем, всю Сахару чем-то отражающим на 90 - 95 % обратно в космос падающее излучение?

[wrest]

Dan B-Yallay в сообщении #1442803 писал(а):

А если покрыть, скажем, всю Сахару чем-то отражающим на 90 - 95 % обратно в космос падающее излучение?

Тогда вопрос с всемирным потеплением, вероятно, решится. Но разрушится погода, гольф- и прочие стримы, пассаты, муссоны и вот это всё.

[Dan B-Yallay]

wrest в сообщении #1442804 писал(а):

Тогда вопрос с всемирным потеплением, вероятно, решится. Но разрушится погода, гольф- и прочие стримы, пассаты, муссоны и вот это всё.

Тогда имеет смысл раскидать отражающие элементы относительно равномерно по всей площади планеты, чтобы сильно не нарушать тепловые градиенты в атмосфере. И надеяться что пронесет.

Но тут еще другой вопрос: ветровая энергетика никак не влияет на розы ветров и прочее? Если с ней перестараться, то не порушит ли она так же погоду / муссоны?

[wrest]

Dan B-Yallay в сообщении #1442805 писал(а):

Но тут еще другой вопрос: ветровая энергетика никак не влияет на розы ветров и прочее? Если с ней перестараться, то не порушит ли она так же погоду / муссоны?

Мне кажется, что что-то порушит, но вряд ли погоду. Ветряки выше нескольких десятков метров не сделаешь. А вот живность будет страдать. Но это, конечно, при масштабах, до которых пока далеко. Ну собсно -- вот гидроэлектростанции, это что-то типа ветряков... На погоду влияют, но локально. А заодно, бывает, и пользу приносят как регуляторы водостока (накапливают воду в водохранилищах при дождях противостоя наводнениям, и сбрасывают воду из водохранилищ при засухе противостоя неурожаям).

-- 03.03.2020, 23:38 --

Dan B-Yallay в сообщении #1442805 писал(а):

Тогда имеет смысл раскидать отражающие элементы относительно равномерно по всей площади планеты,

Ну наверное да, типа того. Хотя начать таки лучше в Сахаре и Австралии, но тут проблема: надо ж еще доставку энергии как-то делать.

[Dmitriy40]

Dan B-Yallay в сообщении #1442805 писал(а):

Тогда имеет смысл раскидать отражающие элементы относительно равномерно по всей площади планеты, чтобы сильно не нарушать тепловые градиенты в атмосфере.

Или можно на орбиту вывести и загородиться от Солнца. Тысячная процента общей площади площади проекции Земли, это типа хватит круга диаметром 100км. Вместо отражения можно и солнечные элементы поставить, ещё и польза будет. А можно экран сделать вдвое больше, но полупрозрачным (с равномерно распределёнными дырками на половине площади), тогда не будет сильной тени.
Но вот только от потепления это вероятно не спасёт: оно ж вызвано не впрямую энерговыделением человечества, а парниковыми эффектами. Значит диаметр экрана надо на порядок-два больше. Тысячекилометровый экран со стабилизацией в пространстве не так уж просто сделать, наверное ...
По всей поверхности раскидывать смысла не вижу, в приполярных областях и так альбедо хорошее из-за льдов и малого вклада в общую площадь проекции. Ну и на вечерней/утренней/ночной стороне планеты отражатели неэффективны, так что космический вариант рулит.

Dan B-Yallay в сообщении #1442805 писал(а):

Но тут еще другой вопрос: ветровая энергетика никак не влияет на розы ветров и прочее?

Глобально кажется (пока) нет, локально — очень даже да. Как минимум уменьшаются скорости ветров, ведь от них энергия забирается (и повышается сопротивление). Ссылок не вспомню, но читал про заметное изменение приповерхностной ветровой обстановки в местах скопления ветроэлектростанций. Правда на погоду это особо не влияет, эффект же только на высотах до сотен метров проявляется, а погода зависит и от гораздо более высоких слоёв атмосферы.

[Dan B-Yallay]

Dmitriy40 в сообщении #1442810 писал(а):

Как минимум уменьшаются скорости ветров, ведь от них энергия забирается (и повышается сопротивление)....Правда на погоду это особо не влияет, эффект же только на высотах до сотен метров проявляется, а погода зависит и от гораздо более высоких слоёв атмосферы.

Где идёт замедление ветра, там (при солнечной погоде) воздух сильнее прогревается и поднимается вверх - туда, где как будто ветряки и не достают. Может, площадей, на которых это происходит, пока не так уж и много, но с расширением ветровой энергетики... и вообще "эффект бабочки" ?

[Dmitriy40]

Dan B-Yallay в сообщении #1442803 писал(а):

А если покрыть, скажем, всю Сахару чем-то отражающим на 90 - 95 % обратно в космос падающее излучение?

Площадь всей Сахары 9 млн.км², это 7% площади проекции планеты, плюс интеграл по углу 180° (который лень считать), в итоге доли процента энергии отразится. Это конечно на порядки больше энерговыделения человечества, но температуру планеты сильно не снизит как думаю. Хотя тут надо считать, насколько климат чувствителен к величине поступающей энергии, я оценок не помню (но у климатологов они точно есть).

-- 04.03.2020, 00:13 --

Dmitriy40 в сообщении #1442810 писал(а):

Тысячная процента общей площади площади проекции Земли, это типа хватит круга диаметром 100км

Тут я сильно занизил требуемый размер, учёл лишь компенсацию энерговыделения человечества, но на климат это не повлияет, надо экранировать хотя бы доли процента всей поступающей энергии (а лучше проценты). Точную цифру надо спрашивать у климатологов, из-за обратных связей (парниковый эффект) температура не линейно связана с поступающей энергией.

Dan B-Yallay в сообщении #1442814 писал(а):

поднимается вверх - туда, где как будто ветряки и не достают.

Потому и речь про сотни метров, а не десятки (высота ветряков). Но на погоду влияет атмосфера до километров (уж точно как минимум до облаков).
Я бы сказал что ветряки не сильно хуже чем большие города со сложной высотной (выше нескольких этажей) застройкой — и там и там повышается сопротивление ветру, в величинах не знаю, но эффект точно есть. Ну и прогрев атмосферы в городах тоже весьма явный, аналогия и в этом хороша.

[Dan B-Yallay]

Dmitriy40 в сообщении #1442815 писал(а):

Хотя тут надо считать, насколько климат чувствителен к величине поступающей энергии, я оценок не помню (но у климатологов они точно есть).

Да, надо считать. Я про это как раз спрашивал - где / у кого искать.

[Dmitriy40]

Вот даже и не знаю, не припомню таких публикаций в СМИ, обычно же оценивают наоборот, к чему приведёт повышение парникового эффекта при сохранении солнечной постоянной, а не насколько надо уменьшить приток энергии при увеличении парникового эффекта для сохранения температуры. Возможно тут как раз зависимость линейная: на сколько парниковый эффект поднял температуру (в процентах в кельвинах), на столько же надо уменьшить нагрев планеты излучением (а уж изменение температуры чёрного тела известно как пересчитывается в изменение потока излучения). Но гарантировать не буду ...
Воспринимайте это лишь как указание направления поисков (не альбедо мучить, а парниковый эффект и климатологию), не более.

Кстати ещё одна оценка буквально на пальцах что всё энерговыделение человечества ничтожно по сравнению с природными эффектами: отношение афелия к перигелию для Земли составляет 3.4%, значит так же в течении года меняется и видимый с Солнца угловой размер Земли, значит поток энергии от Солнца на Землю меняется на 7% (причём при зиме в северном полушарии как раз больше). 7% из-за орбиты по сравнению с 0.004% от людей. Что называется "почувствуйте разницу".
Конечно эти 7% периодические и на климат повлиять не успевают (хотя на сезонные колебания температур вполне), но разница всё равно впечатляет.

[bondkim137]

У меня есть мечта, почти как у Мартина-Лютера-Кинга.
Очень хочется все-таки Сахару научиться использовать для захвата высокоэнергетичного света, а не застраивать зеркалами. А проблему с потеплением научиться решать путем активного контроля над содержанием оксидов углерода в атмосфере - и возвращать Вселенной тепло повсеместно низкоэнергетичным излучением, условно бесконечно избавлясь от создаваемой нами энтропии, и наслаждаться жизнью )

[schekn]

fred1996 в сообщении #1442492 писал(а):

Сейчас на убыточность никто из владельцев солнечных панелей не жалуется.

Мне время от времени попадаются сообщения о наших заводах, производящих солнечные батареи. Сейчас их уже три и построены они в основном во время кризиса и санкций. Небольшая часть панелей идет даже на экспорт в Европу.
Также строятся электростанции (в Астрахане и кажется в Чувашии). Вот просто еще одна попалась:
https://tayga.info/152657?fbclid=IwAR27 ... LLQiMHKr4A

[kry]

Dan B-Yallay в сообщении #1442782 писал(а):

Каковы масштабы этого явления? Понятно, что сейчас не очень грандиозные, так как солнечная энергетика пока еще в начале развития. Но со временем она будет использоваться всё больше и больше.

Сошлюсь на книгу Владимира Сидоровича "Мировая энергетическая революция", раздел "Солнечная энергетика", глава "Солнечное будущее":

Цитата:

Энергообеспечение (не только электричеством) земного шара исключительно с помощью Солнца - не утопия. И не исключено, что ещё в нынешнем столетии человек придёт к созданию энергетической системы, где Солнце будет выступать абсолютно доминирующим источником энергии, если только не появятся иные, более рациональные способы генерации. Для такого глобального солнечного энергообеспечения потребуется площадь фотоэлектрических модулей, сопоставимая с размерами Испании.

Ссылка автора на расчеты здесь.

Площадь Испании чуть больше 500 тысяч квадратных километров при площади земной поверхности, грубо говоря, в 500 миллионов квадратных километров и площади суши в 150 миллионов квадратных километров. Для сравнения по разным оценкам в зависимости от включения территорий Сахеля площадь Сахары от 8 до 9,5 миллионов квадратных километров.

Впрочем, Сидорович не считает, что солнечная энергетика заместит собой всю энергетику, но считает, что солнечная энергетика займет господствующее положение в мировой энергетике уже во второй половине века.

Dan B-Yallay в сообщении #1442782 писал(а):

Есть ли смысл переходить к панелям, если они все вместе взятые будут вносить не меньшую лепту в потепление, нежели CO2-метан-и еще-чего-там? Или такое невозможно и я несу нечто невообразимое?

Опять же сошлюсь на эту книгу, на тот же раздел, но на главу "Экология солнечного электричества", в частности Сидорович пишет, что производство энергии фактически не оставляет плохого экологического следа, а вот производство самих фотоэлементов действительно потребляет очень много энергии, особенно сейчас на стадии стремительного расширения солнечной энергетики, когда до 60% энергии от батарей уходит на создание новых батарей, что, разумеется, сказывается и на экологическом следе, но далее автор замечает:

Цитата:

Тем не менее выбросы, связанные с фотоэлектрикой, в десятки раз меньше, чем у газовой и, тем более, угольной генерации, - всего от 15,8 до 38,1 граммов углекислого газа на киловатт-час производимой энергии. Для китайских модулей, правда, исследователи предлагают умножать данный показатель на коэффициент 1,3-2,1.

Замечу, что это связано с тем, что в КНР основная генерация на производство солнечных батарей - угольная, да ещё не просто угольная, а сильно грязная угольная. Ссылка здесь.

P.S. Вообще книгу категорически рекомендую к прочтению всем, кто интересуется альтернативной энергетикой, так как с одной стороны она относительная емкая и охватывает все основные направления энергетики плюс системы интеллектуального хранения и перераспределения энергии, а с другой - огромное количество информации и несколько сотен ссылок на разные внешние источники информации с данными.

-- 04.03.2020, 23:28 --

schekn в сообщении #1442865 писал(а):

Мне время от времени попадаются сообщения о наших заводах, производящих солнечные батареи.

Это всё хорошо, но пока генерация солнечной энергетики в России меньше, чем на Ямайке.