2. Краткая история электроэнергетики. Возникновение энергетических систем краткоМоя Энергия: История энергетики / Популярная энергетика / История энергетики
Энергия в древности Современную жизнь невозможно представить без электричества и тепла. Материальный комфорт, который окружает нас сегодня, как и дальнейшее развитие человеческой мысли накрепко связаны с изобретением электричества и использованием энергии. С древних времен люди нуждались в силе, точнее в двигателях, которые давали бы им силу большую человеческой, для того, чтобы строить дома, заниматься земледелием, осваивать новые территории. Первые аккумуляторы пирамид В пирамидах Древнего Египта ученые нашли сосуды, напоминающие аккумуляторы. В 1937 году во время раскопок под Багдадом немецкий археолог Вильгельм Кениг обнаружил глиняные кувшины, внутри которых находились цилиндры из меди. Эти цилиндры были закреплены на дне глиняных сосудов слоем смолы. Впервые явления, которые сегодня называют электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Древнегреческий философ Фалес Милетский в VI веке до нашей эры отмечал способность янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление стали называть электризацией. Сегодня нам уже будет нетрудно разгадать «тайну» янтаря, натертого шерстью. В самом деле, почему янтарь электризуется? Оказывается, при трении шерсти о янтарь на его поверхности появляется избыток электронов, и возникает отрицательный электрический заряд. Мы как бы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их па поверхность янтаря. Электрическое поле, созданное этими электронами, притягивает бумагу. Если вместо янтаря взять стекло, то здесь наблюдается другая картина. Натирая стекло шелком, мы «снимаем» о его поверхности электроны. В результате на стекле оказывается недостаток электронов, и оно заряжается положительно. Впоследствии, чтобы различать эти заряды, их стали условно обозначать знаками, дошедшими до наших дней, минус и плюс. Описав удивительные свойства янтаря в поэтических легендах, древние греки так и не продолжили его изучение. Следующего прорыва в деле покорения свободной энергии человечеству пришлось ждать много веков. Зато когда он все-таки был совершен, мир в буквальном смысле слова преобразился. Еще в 3 тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для лодок, но только в VII в. н.э. изобрели ветряную мельницу с крыльями. Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовали на Ниле, Эфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до ХVII века являлись основными типами двигателей. Эпоха открытий В истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей. Так Леонардо да Винчи оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов различных приспособлений. Джанбаттиста делла Порта исследовал образование пара из воды, что было важно для дальнейшего использования пара в паровых машинах, исследовал свойства магнита. В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт изучил все, что было известно древним народам о свойствах янтаря, и сам провел опыты с янтарем и магнитами. Кто придумал электричество? Термин "электричество" ввел английский естествоиспытатель, лейб-медик королевы Елизаветы Уильям Гилберт. Впервые он употребил это слово в своем трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» в 1600 году. Ученый объяснял действие магнитного компаса, а также приводил описания некоторых опытов с наэлектризованными телами. В целом практических знаний об электричестве за XVI – XVII столетия было накоплено не так уж много, но все открытия были предвестниками по-настоящему больших перемен. Это было время, когда опыты с электричеством ставили не только ученые, но и аптекари, и врачи, и даже монархи. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов в Париже он вместе с голландским физиком Кристианом Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нем. В 1680 году Дени Папен приехал в Англию и создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Французский учёный изобрёл паровой котёл с рычажным предохранительным клапаном. В 1774 году Уатт Джеймс в результате ряда экспериментов создал уникальную паровую машину. Для обеспечения работы двигателя он применил центробежный регулятор, соединённый с заслонкой на выпускном паропроводе. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор. В 1782 году Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он же ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт). Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. Итальянский анатом Луиджи Гальвани в 1791 году опубликовал труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для каждого органа свою форму. Если орган не в порядке, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания. Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Вольта. Он дал опытам Гальвани с лягушкой и разнородными металлами иное объяснение, доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи. Эта теория, разработанная Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока, который назывался Вольтов столб. Он представлял собой набор пластин из двух металлов, меди и цинка, разделенных прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Вольта создал прибор, способный за счет химической энергии производить электризацию тел и, следовательно, поддерживать в проводнике движение зарядов, то есть электрический ток. Скромный Вольта назвал свое изобретение в честь Гальвани «гальваническим элементом», а электрический ток, получающийся от этого элемента – «гальваническим током». Первые законы электротехники В начале XIX века опыты с электрическим током привлекали внимание ученых из разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В 1820 году это явление в своем докладе подробно описал датский физик Ганс Христиан Эрстед. Небольшая, всего в пять страниц, книжка Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках и произвела огромное впечатление на коллег Эрстеда из разных стран. Однако правильно объяснить причину явления, которое описал Эрстед, первым сумел французский ученый Андре Мари Ампер. Оказалось, ток способствует возникновению в проводнике магнитного поля. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Воодушевленный открытиями Эрстеда и Ампера, другой ученый, англичанин Майкл Фарадей предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, но и наоборот – двигающийся магнит будет оказывать воздействие на проводник. Серия опытов подтвердила эту блестящую догадку – Фарадей добился того, что подвижное магнитное поле создало в проводнике электрический ток. Позже это открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники – электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя. Начальный период использования электричества У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров, профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, он в 1802 году сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры. Жертвы ради науки Русский учёный Василий Петров, первым в мире в 1802 году описавший явление электрической дуги, не жалел себя при проведении экспериментов. В то время не было таких приборов, как амперметр или вольтметр, и Петров проверял качество работы батарей по ощущению от электрического тока в пальцах. Чтобы чувствовать слабые токи, учёный срезал верхний слой кожи с кончиков пальцев. Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания и много другого. В 1875 году Павел Николаевич Яблочков создает электрическую свечу, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). Чтобы горение было более продолжительным, на одном подсвечнике помещалось четыре свечи, которые горели последовательно. В свою очередь, Александр Николаевич Лодыгин ещё в 1872 году предложил вместо угольных электродов использовать нить накаливания, которая при протекании электрического тока ярко светилась. В 1874 году Лодыгин получил патент на изобретение лампы накаливания с угольным стерженьком и ежегодную Ломоносовскую премию Академии наук. Устройство было запатентовано также в Бельгии, Франции, Великобритании, Австро-Венгрии. В 1876 году Павел Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи, начатой в 1875 г. и 23 марта получил французский патент, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм. «Свеча Яблочкова» оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем лампа А. Н. Лодыгина. Под названием «русский свет» свечи Яблочкова использовались позже для уличного освещения во многих городах мира. Так же Яблочков предложил первые практически применявшиеся трансформаторы переменного тока с разомкнутой магнитной системой. Тогда же в 1876 году в России была сооружена первая электростанция на Сормовском машиностроительном заводе, ее прародительница была построена в 1873 году под руководством бельгийско-французского изобретателя З.Т. Грамма для питания системы освещения завода, так называемая блок-станция. В 1879 русские электротехники Яблочков, Лодыгин и Чиколев совместно с рядом других электротехников и физиков организовали в составе Русского технического общества Особый Электротехнический отдел. Задачей отдела было содействие развитию электротехники. Уже в апреле 1879 года впервые в России электрическими фонарями освещен мост – мост Александра II (ныне Литейный мост) в Санкт-Петербурге. При содействии Отдела на Литейном мосту введена первая в России установка наружного электрического освещения (дуговыми лампами Яблочкова в светильниках, изготовленных по проекту архитектора Кавоса), положившая начало созданию местных систем освещения дуговыми лампами некоторых общественных зданий Петербурга, Москвы и других больших городов. Электрическое освещение моста устроенное В.Н. Чиколевым, где горело 12 свечей Яблочкова вместо 112 газовых рожков, функционировало всего 227 дней. Трамвай Пироцкого Вагон электрического трамвая изобрел Федор Аполлонович Пироцкий в 1880 году. Первые трамвайные линии в Санкт-Петербурге были проложены только зимой 1885 года по льду Невы в районе Мытнинской набережной, так как право на использование улиц для пассажирских перевозок имели только владельцы конок – рельсового транспорта, который передвигался при помощи лошадей. В 80-е годы возникли первые центральные станции, они были более целесообразны и более экономичны, чем блок-станции, так как снабжали электричеством сразу много предприятий. В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания. Первые электростанции Петербурга вначале размещались на баржах у причалов рек Мойки и Фонтанки. Мощность каждой станции составляла примерно 200 кВт. Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 году в Нью-Йорке, она имела мощность 500 кВт. В Москве электрическое освещение впервые появилось в 1881 году, уже в 1883 году электрические светильники иллюминировали Кремль. Специально для этого была сооружена передвижная электростанция, которую обслуживали 18 локомобилей и 40 динамо-машин. Первая стационарная городская электростанция появилась в Москве в 1888 году. Нельзя забывать и о нетрадиционных источниках энергии. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. План ГОЭЛРО В России создавались электростанции в конце XIX и начале XX веков, однако, бурный рост электроэнергетики и теплоэнергетики в 20-е годы XX столетия после принятия по предложению В.И. Ленина плана ГОЭЛРО (Государственной электрификации России). 22 декабря 1920 года VIII Всероссийский съезд Советов рассмотрел и утвердил Государственный план электрификации России – ГОЭЛРО, подготовленный комиссией, под председательством Г.М. Кржижановского. План ГОЭЛРО должен был быть реализован в течении десяти-пятнадцати лет, а его результатом должно было стать создание «крупного индустриального хозяйства страны». Для экономического развития страны это решение имело огромное значение. Недаром свой профессиональный праздник российские энергетики отмечают именно 22 декабря. В плане много уделялось проблеме использования местных энергетических ресурсов (торфа, воды рек, местного угля и др.) для производства электрической энергии. 8 октября 1922 года состоялся официальный пуск станции «Уткина заводь» - первой торфяной электростанции в Петрограде. Первая ТЭЦ России Самая первая тепловая электростанция, построенная по плану ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь». В день пуска участники торжественного митинга переименовали ее в «Красный октябрь», и под этим именем она проработала до 2010 года. Сегодня это Правобережная ТЭЦ ПАО «ТГК-1». В 1925 году запустили Шатурскую электростанцию на торфе, в тот же год на Каширской электростанции начали освоение новой технологии сжигания подмосковного угля в виде пыли. Днем начала теплофикации в России можно считать 25 ноября 1924 года – тогда заработал первый теплопровод от ГЭС-3, предназначенный для общего пользования в доме номер девяносто шесть на набережной реки Фонтанки. Электростанция № 3, которую переоборудовали для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, является первой в России теплоэлектроцентралью, а Ленинград – пионером теплофикации. Централизованное снабжение горячей водой жилого дома функционировало без сбоев, и через год ГЭС-3 стало снабжать горячей водой бывшую Обуховскую больницу и бани, находящиеся в Казачьем переулке. В ноябре 1928 года к тепловым сетям государственной электростанции № 3 подключили здание бывших Павловских казарм, располагавшихся на Марсовом поле. В 1926 году была пущена в эксплуатацию мощная Волховская ГЭС, энергия которой по линии электропередачи напряжением 110 кВ, протяженностью 130 км поступала в Ленинград. Атомная энергетика XX века 20 декабря 1951 года, ядерный реактор впервые в истории произвел пригодное для использования количество электроэнергии — в нынешней Национальной Лаборатории INEEL Департамента энергии США. Реактор выработал достаточную мощность, чтобы зажечь простую цепочку из четырех 100-ваттных лампочек. После второго эксперимента, проведенного на следующий день, 16 участвовавших в нем учёных и инженеров «увековечили» свое историческое достижение, написав мелом свои имена на бетонной стене генератора. Советские ученые приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии ещё во второй половине 1940-х годов. А 27 июня 1954 года в городе Обниск была запущена первая атомная электростанция. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева). К концу ХХ века в мире насчитывалось уже более 400 атомных электростанций. Современная энергетика. Конец XX века Конец XX века ознаменован различными событиями, связанными как с высокими темпами строительства новых станции, началом развития возобновляемых источников энергии, ак и с появлением первых проблем от сформировавшейся огромной мировой энергосистемы и попытками их решить. Блэкаут Американцы называют ночь на 13 июля 1977 «Ночью страха». Тогда случилась огромная по своим размерам и последствиям авария на электрических сетях в Нью-Йорке. Из-за попадания молнии в линию электропередачи на 25 часов была прервана подача электричества в Нью-Йорк и 9 млн жителей оказались без электроснабжения. Трагедии сопутствовал финансовый кризис, в котором пребывал мегаполис, необыкновенно жаркая погода, и небывалый разгул преступности. После отключения электричества на фешенебельные кварталы города набросились банды из бедных кварталов. Считается, что именно после тех страшных событий в Нью-Йорке понятие «блэкаут» стало повсеместно использоваться применительно к авариям в электроэнергетике. Так как современное сообщество всё больше зависит от электроэнергии, аварии на электросетях наносят ощутимые убытки предприятиям, населению и правительствам. Во время аварии выключаются осветительные приборы, не работают лифты, светофоры, метро. На жизненно важных объектах (больницы, военные объекты и т. д.) для функционирования жизнедеятельности во время аварий в энергосистемах используются автономные источники питания: аккумуляторы, генераторы. Статистика показывает значительное увеличение аварий в 90-е гг. XX — начале XXI вв. В те годы продолжалось развитие альтернативной энергетики. В сентябре 1985 года состоялось пробное включение генератора первой солнечной электростанции СССР в сеть. Проект первой в СССР Крымской СЭС был создан в начале 80-х в рижском отделении института «Атомтеплоэлектропроект» при участии тринадцати других проектно-конструкторских организаций Министерства энергетики и электрификации СССР. Полностью станция вступила в строй в 1986 году. В 1992 году началось строительство крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» в Китае на реке Янцзы. Мощность станции — 22,5 ГВт. Напорные сооружения ГЭС образуют крупное водохранилище площадью 1 045 км², полезной ёмкостью 22 км³. При создании водохранилища было затоплено 27 820 га обрабатываемых земель, было переселено около 1,2 млн человек. Под воду ушли города Ваньсянь и Ушань. Полное завершение строительства и ввод в официальную эксплуатацию состоялся 4 июля 2012 года. Развитие энергетики неотделимо от проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. В Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата был принят Киотский протокол. Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008 – 2012 годах по сравнению с 1990 годом. Период подписания протокола открылся 16 марта 1998 года и завершился 15 марта 1999 года. По состоянию на 26 марта 2009 Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США. Первый период осуществления протокола начался 1 января 2008 года и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года, после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение. Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования — механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.  XXI век, а точнее 2008 год, стал знаковым для энергетической системы России, было ликвидировано Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России» (ОАО РАО «ЕЭС России»)-российская энергетическая компания, существовавшая в 1992—2008 годах. Компания объединяла практически всю российскую энергетику, являлась монополистом на рынке генерации и энерготранспортировки России. На её месте возникли государственные естественно-монопольные компании, а также приватизированные генерирующие и сбытовые компании. В XXI веке в России строительство электростанций выходит на новый уровень, начинается эра применения парогазового цикла. Россия способствует наращиванию новых генерирующих мощностей. 28 сентября 2009 года началось строительство Адлерской теплоэлектростанции. Станция будет создана на основе 2-х энергоблоков парогазовой установки общей мощностью 360 МВт (тепловая мощность — 227 Гкал/ч) с КПД 52%. Современная технология парогазового цикла обеспечивает высокий КПД, низкий расход топлива и снижение уровня вредных выбросов в атмосферу в среднем на 30% по сравнению с традиционными паросиловыми установками. В будущем ТЭС должна стать [space] не только источником тепла и электричества для объектов зимних Олимпийских игр 2014 года, но и весомым вкладом в энергобаланс г. Сочи и прилегающих районов. ТЭС включена в утвержденную Правительством РФ Программу строительства олимпийских объектов и развития г. Сочи как горноклиматического курорта. 24 июня 2009 года в Израиле заработала первая гибридная солнечно-газовая электростанция. Построена она из 30 солнечных отражателей и одной "цветочной" башни. Для сохранения мощности системы 24 часа в сутки, она может переключиться на газовую турбину во время наступления темноты. Установка занимает относительно немного места, и может работать в удалённых районах, которые не подключены к центральным энергетическим системам. Новые технологии, используемые в гибридных станциях, постепенно распространяются по всему миру, так в Турции планируется построить гибридную электростанцию, которая будет работать одновременно уже на трех источниках возобновляемой энергии - на ветре, природном газе и солнечной энергии. Альтернативная электростанция спроектирована так, что все ее составляющие дополняют друг друга, поэтому американские специалисты сошлись во мнении, что в будущем у подобных станций есть все шансы стать конкурентоспособными, и поставлять электричество по умеренной цене. Узнайте последние новости современной энергетики:www.myenergy.ru История энергетики | Блог об энергетикеМы перевели и снабдили иллюстрациями очень хорошую и доступную лекцию об истории энергетики от автора James C. Williams для Franklin Institute. ВведениеЭнергия играет основополагающую роль в формировании человеческих условий существования. Потребность людей в энергии — это необходимость для выживания, поэтому не удивительно, что производство и потребление энергии являются одними из наиболее важных направлений человеческой деятельности. Действительно, существует мнение, что энергетика – это ключ к развитию цивилизации, что эволюция человеческого общества зависит от преобразования энергии для использования человеком. Немногие люди ставят под сомнение давнее предположение, что уровень жизни и качество цивилизации пропорциональны количеству энергии, используемой обществом. Однако, с определённой степенью точности, большинство людей все же уверены в стойкости формулы: энергия = прогресс = цивилизация. Широко распространенное убеждение, что энергия и цивилизации неразрывно связаны, безусловно, имеет историческую основу. На протяжении всей истории люди были сосредоточены на контроле запасов энергии и явлений, которые являются частью природы. На протяжении десятков тысяч лет, люди полагались исключительно на химическую (калорийную) энергию, полученную из пищи, которая производит механическую (кинетическую) работу мышц. Но благодаря человеческому разуму, люди были в состоянии открыть и преодолеть физические ограничения, налагаемые на свои собственные мускульные силы, используя инструменты и осваивая энергию за пределами их собственного тела. Самые ранние инструменты использовались для охоты на животных, сбора съедобных растений, ловли рыбы и птицы, а также переработки и транспортировки пищевых продуктов. Большинство семейных структур, общественных групп, политических и экономических институтов, создаваемые в течение тысячи лет, были сосредоточены главным образом на добыче, переработке, обмене и реализации продуктов питания, а также ископаемых и органических источников энергии (дрова, торф, уголь), использующихся для отопления, приготовления пищи, освещения или для растопки печей и топок, используемых в плавке руды. Огромный массив уникальной человеческой культуры впитывал в себя необходимость поиска основных энергетических ресурсов в широком диапазоне человеческой деятельности: ритуалов, праздников, табу, мифов, танцев, игр, религии, языка, искусства и войны – во всем, что олицетворяют культурные ценности человечества в их самых основных формах. Довольно просто, человеческое существование всегда находилось во власти вековой потребности энергии. Эпоха энергии водыДо современной эпохи, люди полагались на силу своих мускулов, на силу домашних животных, например, лошадей и волов, и на силу воды и ветра. Люди использовали эти энергетические ресурсы, чтобы возделывать множество значимых территорий, от полей и пастбищ до горных выработок и лесных участков. Затем были построены города и транспортные маршруты древних цивилизаций. Технологии, использовавшие эти энергоносители знакомы всем нам: топоры, кирки, плуги, жгуты, вагонетки и телеги, водяные и ветряные мельницы и парусные корабли. Европа, которая обладала большими площадями водно-энергетического потенциала, в частности, получала выгоду от использования энергии производимой путем перемещения воды. Вертикальное водяное колесо, изобретённое, возможно, за два века до рождества Христова, распространилось по всей Европе в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи, водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева, плавку и формовку железа, и выполняли множество других ранних промышленных процессов. Производительность увеличивалась, зависимость от человеческой и животной мышечной силы постепенно снижались, и места с хорошими водно-энергетическими ресурсами стали центрами экономической и промышленной деятельности. Историк Терри Рейнольдс замечает, что рост использования энергии воды, явился центральным элементом в западной технологии. В средние века, инженеры-гидравлики устанавливают мельницы на лодках и мостах, и вместе с этим появляются плотины для аккумуляции энергии воды и направления её по каналам на колёса. В пятнадцатом веке большие фрезерные комплексы во Франции реально зависели только от энергии воды. Изобретение и распространение распределительного коленчатого валов, позволило применить энергию воды к задачам, которые требуют возвратно-поступательного движения (например, работа молота и дутьё кузнечных мехов), и произвели революцию в черной металлургии. Количество водяных мельниц в Европе неуклонно возрастает. Появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов, таких как большие водяные хлопчатобумажных фабрики Уильям Струтта и Ричарда Окрайта, действовавшие в течение 1770-х годов в Англии. Между тем, освоение энергии ветра для движения парусных судов позволило пересечь океанские просторы, открыв европейцам Америку. Колонисты привезли с собой водяные мельницы, которые распространились от Латинской Америки до Канады. К 1800 году граждане вновь созданных Соединенных Штатов импортировали текстильные английские фабрики, и в течении двух десятилетий экспансивного водно-энергетического развития промышленные города появились в штатах Лоуэлл, Массачусетс и других местах новой Англии. К тому времени промышленной революции, евро-американская промышленность зависела почти исключительно от энергии воды. Эпоха параСовременная эпоха началась с восемнадцатого века с внедрения паровой энергии на английских угольных шахтах Томаса Сейвери и Томаса Ньюкомена. Их паровые двигатели и двигатель Джеймса Ватта вытеснили географически зависимые водяные установки. Взаимоотношения в областях добычи угля, железной промышленности и паросиловых установок привело к достижениям в области паровой техники, и с 1800 годов паровые двигатели дополняли водяные колёса на английских текстильных фабриках. Предприниматели поняли, что сила пара преодолела географическую зависимость от энергии воды, что один паровой двигатель может работать на несколько заводов, в то время как водяные колеса были подвержены остановкам, вызванными засухой, наводнениями, и замерзанием рек. Хотя энергия воды по-прежнему являлась доминирующим энергоносителем для производства на протяжении большей части девятнадцатого века, особенно во Франции и Соединенных Штатах, паровая энергия в конечном счете, оказалась более гибкой и экономически эффективной. В девятнадцатом веке, паровые двигатели существенно улучшились. Американские бизнесмены привезли паровые двигатели из Англии, и в 1840-х годах они начали успешно конкурировать с водяными колёсами. Филадельфийский изобретатель Оливер Эванс, известный в среде автоматизации производства муки с использованием энергии воды, запатентовал один из первых успешных паровых двигателей высокого давления. Его двигатель и другие по его образцу вскоре распространились на речных судах и железных дорогах, что ознаменовало транспортную революцию в Америке XIX века. В Филадельфии в 1876 году огромный паровой двигатель Корлисса возвышался над главным залом и обеспечивал сотни машин показываемых на выставке Centennial. Паровой двигатель установил постоянную связь между ископаемыми энергетическими ресурсами и индустриализацией. В Англии и Европе использовали уголь, как топливо для паровых двигателей до 1800 года, а к середине девятнадцатого века уголь гор Аппалачи стал выгоднее дерева в восточной части Соединенных Штатов. На тихоокеанском побережье, производители и перевозчики продолжали использовать дерево, но предпочитали использовать уголь и импортировали его по высокой цене из таких далеких мест, как Австралия. Дефицит и высокая стоимость хорошего угля на побережье Тихого океана в сочетании с открытием нефти в южной Калифорнии привели к использованию нефти в качестве топлива для паровых двигателей, которая вытеснила уголь, как топливо в течение первой половины двадцатого столетия. Эпоха электричестваОдна из основных технологических проблем в использовании энергии — это её передача. К концу восемнадцатого века, увлечение феноменом электричества захватывает множество людей. Производство электроэнергии с помощью первых батарей, затем на основе явления электромагнитной индукции, передача электроэнергии по медным проводам, и развитие электродвигателей в конечном счете произвели революцию в транспортировке энергии. К концу XIX века, ограниченное и зависимое прямое подключение мануфактурных машин от водяных, ветряных мельниц и паровых двигателей через приводные валы и ремни уступило место электрическому приводу, получающему энергию по проводам протянутым от удалённых гидроэлектростанций и паротурбинных установок. Форма и характер заводов в ХХ веке изменилась кардинально, так как машины с электроприводом можно было установить где угодно. Кроме того, электроэнергия вытеснила конные и паровые повозки троллейбусами. Так же электроэнергия заменила газ для наружного освещения, керосин для домашнего освещения, дрова и уголь в печах и обогревателях. Томас Эдисон внёс важнейший вклад в развитие электричества. Как отмечается в исследованиях Института Франклина, инновационный подход Эдисона к изобретению и продвижению развития электрического освещения, плюс развитие производства и распределения, позволили системе заработать. В 1880 году его лампы накаливания сделали возможным широкое распространение, надежной, коммерческой системы внутреннего освещения, и его центральная электростанция на Pearl Street в Манхэттене стала образцом для систем выработки и распределения электроэнергии. Не менее важным Эдисон считал вклад ряда других исследователей электроэнергетических технологий, в том числе Фрэнка Спарга, который построил первый коммерчески успешный электрический трамвай в Ричмонде, штат Вирджиния в 1887 году и Никола Теслу, который разработал генератор переменного тока. Система Эдисона основанная на постоянном токе стала начальным стандартом для систем производства и распределения электроэнергии, питания электрических железных дорог и промышленных двигателей, а также освещения. К сожалению, она не могла быть легко применена для передачи электроэнергии на большие расстояния что возможно при использовании переменного тока. Осуществляя конкуренцию с компанией Эдисона в области электроэнергетики, компания Вестингауза, использовала переменный ток, что сделало возможным развитие крупных генерирующей электростанций, расположеных на больших расстояниях от потребителей. Как и запоминающееся освоение Вестингаузом гидроэнергетики на Ниагарском водопаде с приминением многофазной системы Теслы, так и события по передаче электроэнергии на переменном токе от далеких энергетических объектов в Калифорнии, Сьерра-Невада до прибрежных городов Сан-Франциско и Лос-Анджелес, установили стандарты по дальнейшей передачи электроэнергии. К началу двадцатого века, электричество стало излюбленным методом для передачи энергии, но применение его человеком зависит от многих ученых и техников, работающих вместе. Возможно, самым важным изобретением Эдисона была лаборатория промышленных исследований, и в начале двадцатого века исследовательская лаборатория General Electric выступила в качестве модели для развития науки и техники. Там постоянно исследуются возможности по улучшению применения электричества человеком. Среди исследователей можно выделить Уильяма Кулиджа. Его внедрение вольфрамовой нити для ламп накаливания Эдисона, а затем рентгеновской трубки принесли ему самое почетное место в рядах выдающихся учёных и инженеров двадцатого века. Эпоха атомной энергетикиТак как в течение двадцатого века электроэнергия стала повсеместным явлением, использование энергетических ресурсов возросло неимоверно. Гидроэнергетика продолжала играть важную роль в современной энергетической системе, но доступные участки для неё иссякали. Инженеры постоянно улучшали паротурбинные установки, для наибольшей выработки электроэнергии из меньшего количества топлива. Так как размер и эффективность электростанций увеличились, стоимость электроэнергии резко снизилась, что стимулировало еще большее потребление электроэнергии. Ископаемые виды топлива во-первых уголь, во-вторых нефть, стали важнейшими ресурсами для производства электроэнергии. К сожалению, в 1960-х годах, рост эффективности электростанций почти прекратился, стоимость электроэнергии стала расти. Кроме того, растущее загрязнение, сопровождающееся кислотными дождями и других негативными воздействиями на окружающую среду было результатом активного использования ископаемого топлива. Поиски альтернативы ископаемым видам топлива для выработки электроэнергии привели многих людей к атомной энергии. Вернёмся обратно в девятнадцатый век. Исследования в области физики привели к открытию явления радиации. Наиболее значимые работы в этой области принадлежат Марии Складовской-Кюри, чьи исследования излучения соединений урана подготовили почву для последующих разработок в атомной структуре и внутренней энергии атома. Первые десятилетия двадцатого столетия ознаменованы рядом успешных открытий и исследований в этой области, особенно в Европе. Итальянский физик Энрико Ферми в университете Рима был одним из первых среди ученых, работающих в этой захватывающей области, а в 1930-х годах он сосредоточился на производстве искусственного радиоактивного излучения при бомбардировке атомов урана нейтронами. Так как с подъемом нацистской Германии европейский мир становился все более и более нестабильным, на волне союза Германии с итальянскими фашистами и накала антисемитского движения, Ферми и другие физики-ядерщики стали покидать свои университеты и научно-исследовательские лаборатории для того, чтобы уехать в Северную Америку. Обстоятельства эмиграции Ферми были весьма примечательными, потому что он был удостоен Нобелевской премии в 1938 году и получил разрешение от фашистского правительства Италии поехать в Стокгольм, чтобы получить награду. Однако, вместо возвращения в Италию, он и его жена-еврейка, и дети отправились в Соединенные Штаты, где Ферми стал профессором Колумбийского университета в Нью-Йорке. С началом второй мировой войны в 1940 году, Ферми и другие физики в Европе и Америке поняли, что атом урана расщепленный нейтроном приводит к самовоспроизводящейся цепной реакции расщепления атомов, что позволяет высвободить огромную энергию. Этот процесс, называемый ядерной реакцией, предполагал возможное военное применение, и Ферми и его коллеги из Колумбийского университета вместе с Альбертом Эйнштейном, убедили правительство США изучить эту идею. Между тем, в университете, Ферми стремится к получению управляемой ядерной цепной реакции деления. В 1942 году, когда президент Франклин Рузвельт санкционировал разработку «Проекта Манхэттен», работа Ферми была передислоцирована в Университет Чикаго, где в декабре того же года он и его команда получили первой контролируемую цепную ядерную реакцию. Работы Ферми и других физиков-ядерщиков непосредственно привели к созданию атомной бомбы, которую Соединенные Штаты дважды использовали против Японии в 1945 году. По результатам Второй Мировой войны, Соединенные Штаты создали комиссию по атомной энергетике (AEC) для наблюдения за разработкой ядерного оружия, а также для использования наработок ядерной энергетики в мирных целях. В 1950-е комиссия приступила к сотрудничеству с энергетическими компаниями, такими как Pacific Gas и Энергетическая Компания Калифорнии для развития производства электроэнергии с использованием ядерной реакции. Вскоре ядерная энергия стала одной из самых расхваливаемых решений энергетической проблемы. Промышленно развитые страны во всем мире строили электростанции для удовлетворения постоянно повышающегося спроса на электроэнергию, но и в ядерной энергетике не обошлось без недостатков. К концу 1970-х годов, сейсмическая безопасность стала достаточно важным вопросом для калифорнийцев, что повлекло за собой мораторий на строительство новых атомных электростанций, и катастрофа на атомной станции «Three Mile Island» в 1979 году в Пенсильвании возбудила противников атомной энергетики. Эти инциденты в сочетании с нерешенной проблемой захоронения радиоактивных ядерных отходов, а также с увеличение времени строительства эффективных и безопасных объектов положили конец дальнейшему развитию АЭС в Соединенных Штатах. В 1986 году авария на Чернобыльской АЭС в Украине и последующее распространение радиационного отравления, направила Италию, Германию и другие страны по пути к прекращению зависимости от ядерной энергетики. Хотя атомная энергиетика не исчезла и по-прежнему рассматривается многими людьми как одно из лучших решений для удовлетворения человеческих потребностей в энергии, использование других ресурсов, таких как энергия солнца, ветра и биомассы, выглядит также достаточно многообещающе. Независимо от того, где люди находили энергию для поддержания своего общества и культуры, ясно, что человеческая жизнь всегда была во власти вековой потребности в энергии. Небольшая история развития энергетики, представленная здесь показывает торжество уникальной изобретательности, подчеркивает научные и технологические поиски человечества по использованию энергетических ресурсов. Представьте себе, если можете, что будет следующим шагом в энергетической истории человечества. Перевод Василия Горбунова Использованы иллюстрации с сайтов neo-energy.ru, historylib.org, nauvopr.ru Поделись с друзьями
Похожееenergoworld.ru Глава 1. Краткие сведения о развитии электроэнергетики и электроэнергетических систем.
Развитие электрических сетей, разрушенных в годы Гражданской войны, началось примерно с 1920 г. в соответствии с планом ГОЭЛРО. Этим планом была предусмотрена централизация электроснабжения всего народного хозяйства путем строительства крупных электростанций и электрических сетей и последовательного объединения электростанций в районные и межрайонные энергетические системы. Уже в те годы для специалистов было ясно, что объединение электростанций в энергетические системы сулит несомненные преимущества. К основным преимуществам такого объединения следует отнести:
В 1922 г. была введена первая очередь Каширской ГРЭС мощностью 12 МВт с первой линией электропередачи 110 кВ до Кожуховской подстанции в Москве, а в 1925 г. были введены в действие первая очередь Шатурской ГРЭС мощностью 32 МВт и двухцепная линия 110 кВ Шатурская ГРЭС — Москва, доведенная до центра города, а затем до Карачаровской и Кожуховской подстанций. Это было, по существу, начало создания Московского кольца напряжением 110 кВ. К этому кольцу по радиальным линиям присоединялись другие районные электростанции. В 1926 г. была пущена Волховская ГЭС мощностью 56 МВт, которая двумя линиями 110 кВ протяженностью 130 км была соединена с Северной подстанцией Ленинграда. В том же году была пущена линия 110 кВ от Горьковской ГРЭС до г. Горького. Так, уже к 1929 г. протяженность электрических сетей напряжением выше 10 кВ увеличилась до 2032 км, соответственно увеличилась и мощность понизительных подстанций. Развитие электрических сетей, появление сравнительно протяженных линий электропередачи, объединение на параллельную работу ряда электростанций потребовали развития научных исследований в области передачи и распределения электрической энергии. В Москве создается Государственный экспериментальный электротехнический институт (ГЭЭИ), который впоследствии был переименован во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). Здесь изучались процессы, происходящие в электропередачах высокого и сверхвысокого напряжений, проводились исследования по вопросам создания соответствующей высоковольтной аппаратуры. Проводились теоретические и экспериментальные исследования проблем, связанных с передачей и распределением электроэнергии, в Ленинградском политехническом институте, Московском высшем техническом училище и ряде других высших учебных заведений. Уже в конце 20-х годов научно-исследовательские и проектные организации, заводы начинают создавать отечественное электротехническое оборудование. В это же время была принята единая шкала номинальных напряжений: 3, 6, 10, 35, 110 кВ; предполагалось в дальнейшем применение напряжений 220 и 380 кВ. В 1926 г. была создана диспетчерская служба в Московской энергосистеме, а впоследствии аналогичные службы были созданы в Ленэнерго Уралэнерго и других энергосистемах. Для 30-х годов XX в. характерно стремительное увеличение темпов электрификации, развития электроэнергетического хозяйства. Значительно уплотнился график электрической нагрузки; годовое число часов использования мощности всех электростанций в 1940 г. возросло до 4650 против 2720 в 1928 г., а для районных электростанций этот же показатель возрос с 3260 до 5481 часа в год. За этот период изменился характер электростанций — заметно увеличилась единичная мощность агрегатов, увеличился удельный вес электростанций, построенных у источников топлива, увеличилась доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии. Это в свою очередь привело к необходимости передачи электроэнергии на дальние расстояния, что, естественно, требовало повышения напряжения. Последнее обусловило значительное развитие электрических сетей для передачи и распределения электроэнергии. Рост мощностей и дальности передачи электроэнергии, необходимость повышения надежности электроснабжения потребовали решения ряда новых технических проблем. Особо важное значение при возрастающей дальности передачи электроэнергии получили вопросы расчетов устойчивости параллельной работы электростанций и способов обеспечения этой устойчивости. На основе глубокого изучения переходных процессов в электрических системах была разработана методика расчетов, проведены исследования в электрических системах. Были изучены вопросы аварийного регулирования турбин, исследованы возможности повышения мощности и дальности передачи при помощи автоматического регулирования возбуждения синхронных машин; был создан электронный регулятор напряжения. В эти годы были найдены реальные средства повышения пределов динамической устойчивости: форсировка возбуждения синхронных генераторов, применение аварийной разгрузки по частоте (АЧР). Во второй половине 30-х годов XX в. уже велась разработка вопросов, связанных с возможностью передачи электроэнергии от будущей Куйбышевской ГЭС в район Москвы на напряжении 380—400 кВ; в Ленинграде в Ленинградском энергофизическом институте была построена опытная трехфазная линия 500 кВ, на которой проводились исследования на дальнюю перспективу — использование более высоких напряжений для передачи электроэнергии. В годы Великой Отечественной войны энергосистемам и электрическим сетям, оказавшимся в зоне военных действий, был нанесен огромный ущерб — было разрушено более 10 тыс. км линий электропередачи напряжением более 10 кВ. Но уже в конце 1941 г. начались восстановительные работы, и в 1945 г. общая протяженность электрических сетей превысила довоенный уровень. В 1946—1950 гг. происходит объединение энергетических систем Центра. Для координации и управления объединенными энергосистемами и регулирования перетоков мощности было создано объединенное диспетчерское управление (ОДУ) Центра, которое в 1959 г. было реорганизовано в объединенное диспетчерское управление Единой энергетической системы (ОДУ ЕЭС). Мощность объединенной энергетической системы (ОЭС) Центра, в состав которой входили Московская, Ярославская, Ивановская и Горьковская энергосистемы, достигла в 1959 г. 2183 МВт. Наибольшее развитие энергосистем и их объединение происходят в 50-х годах XX в. в результате сооружения мощных электростанций на р. Волге, Каме и строительства первых линий электропередачи 400 кВ, переведенных впоследствии на напряжение 500 кВ. В связи с большим ростом уровня энергетики оказалось целесообразным строительство крупных тепловых электростанций с агрегатами большой единичной мощности, что создало необходимые условия для построения крупных объединенных энергосистем. Необходимость создания дальних линий электропередачи напряжением 500 кВ и протяженностью более 1000 км потребовала решения новых сложных технических проблем и проведения большого объема научно-исследовательских работ. Особенно большое значение для линий электропередачи этого класса напряжений имели вопросы обеспечения устойчивости параллельной работы, защиты от перенапряжений, короны, надежной работы автоматики и релейной защиты. И эти проблемы решались усилиями ученых и инженеров многих научно-исследовательских институтов, проектных организаций, высших учебных заведений. Были разработаны системы автоматического регулирования с регуляторами «сильного действия» в цепях возбуждения синхронных генераторов. В целях снижения индуктивного сопротивления линии для повышения натуральной мощности и устойчивости передачи разрабатывались вопросы оптимального расщепления проводов каждой фазы, что одновременно позволило снизить потери на корону. Для повышения пропускной способности электропередачи были разработаны вопросы применения продольной емкостной компенсации, осуществляемой включением в линию батарей конденсаторов. Общая протяженность линий электропередачи 500 кВ к концу 1970 г. составила около 14 тыс. км. Сооружение крупных электростанций, объединение энергосистем требовали еще большей пропускной способности, чем пропускная способность линий 500 кВ. В связи с этим в ряде ведущих промышленно развитых стран (СССР, США, Канаде) велись интенсивные работы по дальнейшему повышению пропускной способности электропередач и связанному с этим повышению их напряжения. В 1967 г. была введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная электропередача 750 кВ Конаковская ГРЭС — Москва протяженностью 90 км, а уже к 1985 г. протяженность линий электропередачи этого напряжения составила более 6 тыс. км. Рост мощностей электростанций: тепловых и атомных — до 4 млн кВт, гидроэлектростанций — до 6 млн кВт, увеличение дальности передачи электроэнергии потребовали внедрения линий электропередачи нового класса напряжений переменного тока — 1150 кВ, а также строительства линий электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ. Первые линии электропередачи новой ступени напряжения переменного тока 1150 кВ были введены в 1985 г. на участках Экибастузская ГРЭС — Кокчетав — Кустанай. В результате у нас сложились две шкалы номинальных напряжений воздушных линий электропередачи — 110—150—330—750 кВ и 110— 220—500—1150 кВ. Каждая последующая ступень в этих шкалах превышает предыдущую примерно в 2 раза, что позволяет повысить пропускную способность линий примерно в 4 раза. Следует отметить, что повышение номинального напряжения линий электропередачи имеет и экономические преимущества, так как при этом резко снижается удельная (на 1 км) себестоимость передачи электроэнергии и сужается коридор, отводимый под прокладку трасс электропередач. Первая шкала напряжений получила распространение в северо-западных областях России, на Украине и на Северном Кавказе, вторая — в центральных областях и на всей территории России к востоку от Москвы. В настоящее время линии 110—150—220 кВ используются, главным образом, в районных распределительных сетях для передачи электроэнергии к крупным узлам нагрузки. Электропередачи 330—500—750—1150 кВ, по которым может быть передана мощность от 350 до 5000 МВт, решают задачи системного характера. Они используются для создания мощных межсистемных и внутрисистемных связей, передачи электроэнергии от удаленных электростанций, например атомных, в приемные системы. В 1994 г. в основном завершился процесс разгосударствления предприятий топливно-энергетического комплекса. При этом государственные предприятия и организации изменили форму собственности и были преобразованы в акционерные общества. В электроэнергетике было создано Российское акционерное общество энергетики и электрификации (РАО «ЕЭС России»), в уставной капитал которого переданы в качестве государственного вклада:
В перспективе до 2010 г. наряду с разработкой высокоэффективного производства электроэнергии программой «Энергетическая стратегия России» предусмотрена разработка столь же эффективных систем ее передачи, распределения и использования. В решении этих задач исключительно велика роль разработок в области электрофизики, обеспечивающих в первую очередь:
Решение этих задач должно сочетаться с углубленным анализом вопросов развития, функционирования, устойчивости и надежности Единой энергетической системы России, ее связей с электроэнергетическими системами других стран, в первую очередь стран СНГ. studfiles.net 2. ИСТОРИЯ ЭНЕРГЕТИКИРис.2. Ветряная мельница Рис.1. Водяная мельница 18 С тех пор как существует мирозданье такого нет кто б не нуждался в знаньи. Какой мы не возьмём язык и век, всегда стремился к знанью человек. А. А. Д. Рудаки 2.1.Общая энергетикаСдревнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно и т.п. Встранах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-мтыс. до н.э. использовались животные и рабы. Затем на смену живым двигателям пришло водяное колесо – два диска на одном валу, между которыми помещались дощечки – лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти, пово- рачивая колесо, а через вал колеса движение передавалось жерновами (рис. 1). В 3-мтысячелетии до н.э. люди использовали паруса для движения лодок, но только в VII в. н. э. персы изобрели ветряную мельницу с крыльями (рис. 2). Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовались на Ниле, Евфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Затем древние греки и римляне использовали водяные колеса в качестве двигателя для привода насосов и мельниц, для выжимания масла. Позднее водяные колеса стали широко использоваться в ремесле, затем в промышленности. Римский писатель Марк Витрувий Полион в I в. до н. э. впервые опи- Рис. 4. Эолипил Герона Рис. 3. Архимед 19 сал водяное колесо. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до XVII века являлись основными типами двигателей. В конце XVII – начале XVIII веков в Италии, Франции, Англии, России, Испании и других государствах делались неоднократные попытки создать двигатель, не зависящий от движущейся воды рек и ветра. Идея использования пара для создания двигателя возникла благодаря размышлениям и опытам древних мыслителей. Архимед (ок. 287 – 212 гг. до н.э.) (рис. 3), один из гениальных исследователей античного периода, творец древней механики, великий математик. Открыл гидростатический закон, теорию рычага. Создал начала математического анализа, придумал катапульту, паровую пушку, водоподъемный «архимедов винт», зубчатый редуктор, приборы для измерения размеров удаленных тел и многое другое. Герон из Александрии еще в70-егг. н.э. изобрел простейшую паровую турбину – эолипил Герона (рис. 4). Сила пара, вырывающегося из шарообразного сосуда, в котором кипела вода, через Г- образные трубки, вращала этот сосуд. Всередине XVIII века человечество вплотную подошло к одному из важнейших моментов вистории технического творчества – использованию водяного пара для приведения в действие различных механизмов Вистории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей: итальянцев – Леонардо да Винчи, Порта; французов – де Ко, Папена; англичан – Т. Сэвери, Т. Ньюкомена; русских – И.И. Ползунова, отца и сына Черепановых и многих других. Леонардо да Винчи (1452 -1519) – гениальный мыслитель, многогранный талантливый изобретатель, художник (рис. 5). 20 Он оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов: шлюзовые ворота со створками, текстильные станки, роликовые подшипники, центробежный
вил и описал опыты, демонстрирующие силу атмосферного давления на «магдебургских полушариях», из которых был удален воздух, а разряжение это достигалось с помощью конденсации пара. Для того, чтобы разъединить эти полушария, использовали восьмерку лошадей.
дал паровой насос, в котором паро- вой котел был отделен от цилиндра (рис.6). Царь Петр I купил насос Сэвери для приведения в действие фонтанов в Летнем саду. 21 Томас Ньюкомен (1663-1729)усовершенствовал паровой насос, связал поршень с балансиром и штангой водоотливного насоса. Охлаждающая вода подавалась в цилиндр сверху для опускания поршня (рис. 7). Машины Ньюкомена были приобретены Петром I для откачки воды из дока в Кронштадте. Пароатмосферные машины и Сэвери и Ньюкомена были громоздки и имели малый коэффициент полезного дей- ствия (≈ 0,3 %).
цилиндра с поршнями и отдельный паровой котел, из которого пар поочередно поступал в цилиндры через автоматический распре-
Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) – гениальный русский ученый, мыслитель, экспериментатор, поэт (рис. 9). Ломоносов много сделал в области различных наук и в каждой из них исследовал самые фундаментальные вопросы. Он изучал агре- 22 гатное состояние вещества, изучал термометрию, внедрял физические и химические методы исследования. Он экспериментально доказал и сформулировал в 1748 г. закон сохранения вещества. Это было за 18 лет до подобных опытов француза Лавуазье, которому мировая наука приписала откры- тие закона сохранения материи. Ломоносов впервые дал правильное объяснение теплоте, как движению мельчайших частиц – корпускул. М. В. Ломоносов был не только выдающимся и разносторонним учёным, но и страстным пропагандистом научных знаний. Он понимал необходимость обучения для народа и уделял этому боль- Рис. 9. М. В. Ломоносов шое внимание, помня завет Петра I : «…науки производить и оные распро- странять.» Приведем обращение Ломоносова в стихотворной форме к своим ученикам: Овы, которых ожидает Отечество от недр своих Ивидеть таковых желает, Каких зовет от стран чужих. О, ваши дни благословенны! Дерзайте ныне ободренны Раченьем вашим показать, Что может собственных Платонов Ибыстрых разумом Невтонов Российская земля рождать. ОЛомоносове гениальный поэт и философ А.С. Пушкин писал: “Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, Ломоносов объял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшею страстью его души. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец – он всё испытал и во всё проник. ” Ученые, изобретатели, гениальные самоучки, механики продолжали работать над устройством и совершенствованием паровых машин и их применением, имея уже какое-топредставление о теплоте. Рис.10. Джеймс Уатт 23 Джеймс Уатт (1736-1819),(рис. 10), английский механик, создал паровую машину двойного действия, рабочий ход поршня в ней производился не атмосферным давлением, а дав- лением пара. Машина Уатта управлялась золотниковым устройством, (центробежным регулятором пара). Содержала маховик и шатуннокривошипный механизм, совершала непрерывное вращательное движение. Конденсация пара производилась в отдельном устройстве – конденсаторе. Общий КПД машины равнялся 8 %. Во второй половине XVIII в. устройство паровой машины было отработано, она нашла широкое применение в промышленности крупных стран. В честь Д. Уатта единица мощности была названа “Ватт”. ВРоссии паровые машины начали строиться в Петербурге (на Галерном острове), на Олонецком и других заводах. Американец Р.Фултон в 1803 г. установил паровой двигатель на судне; такие суда стали называться пароходами. ВПетербурге с 1800 по 1825 г. было изготовлено более 100 паровых машин заводских и 11 пароходных. Первый российский пароход “Елизавета” совершал рейсы «Петербург – Кронштадт» уже в 1815 г. Черепанов Ефим Алексеевич вместе со своим сыномМироном Ефимовичем – механики нижнетагильских заводов – с 1820 г. по 1835 г. построи- ли 20 различных паровых машин, а в 1833 году построили первый в России Рис. 11. Паровоз Черепановых паровоз, (рис. 11), который двигался по чугунному рельсовому пути. Первая железная дорога в России “Петербург – Царское село” была построена в 1837 году. Д. Стефенсон в Англии, начиная с 1829 года, построил серию паровозов. Рис. 12. Турбина Фурнейрона: 1-направляющий аппарат; 2-лопатки рабочего колеса; 3-вал 24 Создавались и изобретались различные конструкции паровых машин, появилась необходимость в теории и машин, и теплоносителя. Французский ученый Сади Карно (1796-1832)в 1824 г. разработал основы теории паровых машин – циклы Карно. Он установил, что, чем больше разность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, тем выше эффективность тепловой машины. Со времен С. Карно тепловые (паровые, газовые и др.) машины стали развиваться в направлении повышения параметров теплоносителя – температуры и давления. Этими вопросами занимались Р. Стирлинг, Эриксон и др. Водяные колеса и паровые двигатели совершенствовались, все больше внедрялись в промышленность, но они имели довольно низкий коэффициент полезного действия и сравнительно небольшую мощность. Требовалось создание новых машин с большим числом оборотов, с большей мощностью и большим КПД. Такими машинами стали различные модификации водяных, паровых, а позднее и газовых турбин (“турбо” – волчок). Теорией турбин занимался Д. Бернулли (1700-1782), который исследовал динамику различных потоков энергии. Во многих странах ученые, исследователи, механики предлагали различные варианты конструкций турбин. Был объявлен конкурс на лучшую теорию и лучшую конструкцию турбины. Б. Фурнейрон (1802-1867) сконст- руировал быстроходную турбину с подводом воды на лопатки радиально от центра турбины, (рис. 12). Такая турбина получила широкое использование. Подобные активные турбины различного рода строили И. Сафонов в России, Ховд в США, Жирар во Франции и др. 25 Д. Френсис (1815-1892) построилрадиально-осевуюреактивную тур-
послужила толчком к созданию новых типов машин. Современные гидравлические турбины созданы на основе отбора и совершенствования турбин, построенных многими талантливыми изобретателями и конструкторами. Турбины вращались под действием движущейся воды. Затем появились паровые турбины, в которых использовался перегретый пар, подаваемый на лопатки турбин под повышенным давлением. Прообразом таких турбин был эолипил Герона Александрийского рис. 4. Паровые турбины имели целый ряд преимуществ по сравнению с паровыми поршневыми машинами: быстроходность, равномерность вращения, экономичность. Появились идеи и конструкции целого ряда новых турбин.
Ч. Парсонс (1854-1931) изо- брел многоступенчатую осевую реактивную турбину большой мощности с особыми группами лопаток – подвижными и неподвижными. Такая конструкция была более удачной и получила дальнейшее развитие в работах конструкторов многих стран (Франции, Англии, Рос- 26 сии, Америки и др.). Дальнейшее развитие паровых турбин было связано помимо прочего с повышением температуры пара. Паровые машины и турбины требовали устройства, в котором была бы топка, котел, охлаждающий агрегат. Они выполняли свое назначение, однако были очень громоздки и неудобны в эксплуатации. Уже в конце XVII в. появилась идея создания двигателя внутреннего сгорания – ДВС, в котором не нужен котел и топка, так как газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива внутри рабочего цилиндра. В двигателях внутреннего сгорания главная часть – цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра – отсюда и название ДВС – двигатель внутреннего сгорания. В основе первой попытки создания ДВС легла идея Х.Гюйгенса (1629-1695) – пороховая машина. Однако она не была построена, так как в то время еще не было подходящего топлива. В последующие годы было много разработано моделей различных ДВС, но все они по тем или иным причинам не были реализованы. Французский механик Э.Ленуар (1822-1900) изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Он работал на смеси светильного газа и воздуха, имел КПД около 4 % и требовал хорошего охлаждения. Двигатель Ленуара получил довольно высокое распространение, хотя был далек от совершенства и тре- бовал серьезных доработок. Первый четырёхтактный двига- тель внутреннего сгорания был построен немцем Николаем Отто в 1876 году, затем он был усовершенствован русским инженеромО.Костовичем, который разработал карбюратор для сжигания легких фракций продуктов перегонки нефти. Этими же вопросами занимались немецкие изобретателиДаймлер и Бенц (основатели концерна «Мерседес»). Рис.15. Р. Дизель Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) (рис. 15), разработал ДВС на тяжелом топливе – мазуте, соляровом масле. Работал он по принципу самовоспламене- 27 ния. Двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу самовоспламенения топлива в цилиндре, называются дизельными, по имени их изобретателя. Первый дизель-моторбыл изготовлен в 1897 году, он содержал все основные элементы современного мотора, являлся самым экономичным из ДВС. Г.В.Тринклер – инженер Путиловского завода, усовершенствовал процесс сжигания топлива, создал в 1889 г. двигатель со смешанным сгоранием, и с начала XX в. завод Нобеля («Русский дизель) стал выпускать в России дизельные моторы. Большой вклад в развитие энергетики, создание двигателей, работающих на органическом топливе, вносили ученые, открывающие и разрабатывающие законы и теорию различных процессов в области химии и физики. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) (рис. 16) – выдающийся русский ученый, автор фундаментального периодического закона химических элементов, открытие которого способствовало развитию химии, атомной и ядерной физики. Д.И. Менделеев разработал теорию горения топлива, которая позволяла определить теплотворную способность топлив различного состава, выбрать оптимальные режимы горения и многое другое. Помимо этого, Д.И. Менделеев разработал промышленные способы разделения нефти по фракциям – бензин, керосин, мазут, открыл и сформулировал положение о критическом состоянии вещества и многое другое. Он был разносторон- ним ученым, патриотом своей стра- Рис.16. Д. И. Менделеев ны, пропагандистом научных откры- тий, профессором Петербургского университета и других учреждений. Учебник Д.И.Менделеева “Основы химии” (1868) переиздавался много раз и является одним из лучших учебников по химии. Работы ученых способствовали развитию прогресса, промышленности, энергетики. 28 В ХХ веке появляется турбореактивный двигатель и газовая турбина. Начало развитию таких двигателей положил англичанин Д. Барбер еще в 1791 году, когда он получил патент на тепловой двигатель, в котором продукты сгорания смеси воздуха и газа подавались на лопатки турбины. Первый работающий газотурбинный двигатель был сконструирован и испытан в 1897 году русским изобретателем инженером П.Д. Кузьминским (1840-1900), топливом для этого двигателя служил керосин; в том же году им была построенагазо-пароваятурбина с постоянным давлением сгорания. Работы по созданию турбореактивных двигателей, газовых турбин велись в Германии (Штольце), в США (Мосс), во Франции (Арменго), в России (Н. Герасимов, В.И. Базаров и др.). Однако строительство такого рода двигателей и их длительная работа требовали жаропрочных материалов и разработки теории газовых турбин. Этими вопросами, а также созданием высокоэффективного компрессора, необходимого для этих двигателей, занимались в Англии, Германии (фирма Хейнкеля), Советском Союзе (А.А. Саблуков, Б.С. Стечкин), Франции, Италии, Швейцарии и других странах. Газотурбинные двигатели нашли себе широкое применение в авиации, на парогазовых электростанциях и др. После того как были изобретены различного рода двигатели – ветровые, водяные, паровые, турбореактивные, внутреннего сгорания – встал вопрос о передаче энергии на расстояние. Передачи придумывали самые разные – ременные (с помощью ремней), гидравлические (с помощью жидкости), пневматические (с помощью воздуха, газов). Все они могли передавать энергию, но на небольшие расстояния и со значительными потерями. Развитие промышленности, строительство фабрик, заводов, рост крупных городов требовали все большей энергии и передачи ее на дальние расстояния. Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, бытовых удобств явилось изобретение и применение электрических двигателей. Электрические двигатели удобнее и надежнее других двигателей – паровых, ветряных, водяных. Они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют регулировать скорость и т.п. 29 Благодаря электрическим двигателям появились: высокопроизводительные машины, станки, заводы-автоматы,электрифицированный инструмент, электрический транспорт (электрички, трамваи, метро, троллейбусы), бытовые приборы (холодильники, стиральные машины, швейные машины) и многое другое. Открытие электричества и использование электрической энергии было одним из величайших событий. Этому предшествовали усилия многих и многих людей, начиная с древних времен и до наших дней. Для передачи энергии на большие расстояния и распределения ее между потребителями – самой удобной является именно электрическая энергия. Считается, что полезной электрической энергии в природе нет, хотя существуют такие электрические атмосферные явления как молнии, северные сияния, имеют электрические заряды некоторые морские обитатели, например, электрический угорь, электрический скат. Энергия движущейся воды, ветра, энергия топлива, производящего пар и газы, использовалась уже давно и продолжает использоваться человеком. Совершенствуются установки, устройства, двигатели, но увеличивается и энергопотребление. Этим обусловлена необходимость совершенствования методов использования энергоисточников и поиск новых возобновляемых природой источников. Рост потребления человеком энергии в целом ряде случаев приводит к вредным итоговым воздействиям производства энергии на окружающую среду. Это касается органических видов топлива – угля, нефти, мазута, газа, которые при сгорании загрязняют воздух, воду, почву; это касается и ядерного топлива, загрязняющего атмосферу радиоактивными выбросами и требующего для своих радиоактивных отходов сооружения специальных могильников длительного хранения. В результате всего этого человечество все большее внимание обращает на использование энергии солнца – гелиоэнергетику, энергию морских приливов и биологическую энергетику, которая реализуется в результате переработки органических отходов – биомассы, общая масса которой составляет примерно 3,2 млрд т в год. В дальнейшем изложении рассмотрим историю появления электричества и развития энергетики. studfiles.net 2. Краткая история электроэнергетикиОт первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70–80-х годах XIX в. прошло более 100 лет. Первые электрические установки были постоянного тока и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности. С разработкой электромашинных источников (генераторов) появились первые электростанции (блок – станции) для питания электрического освещения, а также дополнительно вентиляторов, насосов и подъемников. Генераторы этих электростанций приводились во вращение поршневыми паровыми машинами, радиус электроснабжения составляет до 1–1,5 км на постоянном токе. Выдержав конкуренцию с газовыми компаниями, эти станции быстро развивались (в первую очередь, в крупных городах – Париже, Нью-Йорке, Петербурге и др.). В 90-х годах XIX в. с разработкой трехфазного синхронного генератора, трансформаторов и асинхронного двигателя начался переход на трехфазный переменный ток. Первый опыт (1891 г.): электропередача Лауфен – Франкфурт (протяженность 170 км, напряжение 15 кВ, передаваемая мощность 220 кВт). В конце XIX в. напряжение электропередач достигло 150 кВ. Электроэнергия быстрыми темпами стала завоевывать ведущие позиции в промышленности, транспорте, быту. В настоящее время практически повсеместно используются трехфазные системы переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Преимущества электроэнергии: призводство (в основном, преобразование механической энергии в электрическую) – разнообразие используемых ресурсов [гидроэлектростанций (ГЭС), теплоэлектростанций (ТЭС), атомных электростанций (АЭС)], возможности концентрации мощностей и управления их размещением; передача – возможность надежной и экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния; распределение – простота канализации электроэнергии потребителям независимо от их мощности; потребление – простота и экономичность преобразования электроэнергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую), а также существование ряда высокоэффективных электротехнических технологий – электролиза, гальванотехники. Развитие электроэнергетики РоссииВ первые годы развития электроэнергетики России все электростанции работали раздельно. Даже электростанции, расположенные в крупных городах (Петербурге, Москве), работали на собственные, не связанные между собой, электрические сети, нередко выполненные на различные системы тока — постоянный, однофазный переменный, трехфазный переменный при различных частотах (20; 40; 42,5; 50 Гц) и различных напряжениях. В 1913 г. в России было всего 109 км воздушных электрических сетей напряжением выше 10 кВ. В 1912 г. в 70 км от Москвы на торфяных болотах было начато строительство первой районной электростанции «Электропередача»; была также построена линия электропередачи напряжением 70 кВ длиной около 70 км до Измайловской подстанции. Развитие электрических сетей, разрушенных в годы Гражданской войны, началось примерно с 1920 г. в соответствии с планом ГОЭЛРО. Этим планом была предусмотрена централизация электроснабжения всего народного хозяйства путем строительства крупных электростанций и электрических сетей и последовательного объединения электростанций в районные и межрайонные энергетические системы. Уже в те годы для специалистов было ясно, что объединение электростанций в энергетические системы сулит несомненные преимущества. К основным преимуществам такого объединения следует отнести:
В связи с увеличением потребления электрической энергии, появилась необходимость передачи ее на дальние расстояния, что естественно требовало повышения напряжения. Последнее обусловило значительное развитие электрических сетей для передачи и распределения электроэнергии. Так, например, мощность Московской энергосистемы к 1935 г. достигла 900 МВт при длине электрических сетей 1900 км напряжением 110 кВ; мощность Уральской энергосистемы, протянувшейся на 1000 км от Соликамска до Магнитогорска, достигла 650 МВт. Впервые было применено напряжение 220 кВ в Ленинградской энергосистеме, где в 1933 г. была построена электропередача протяженностью 240 км (Нижне-Свирская ГЭС – Ленинград). Впоследствии это напряжение было использовано и в других энергосистемах, а также при сооружении линий межсистемных связей. Рост мощностей и дальности передачи электроэнергии, необходимость повышения надежности электроснабжения потребовали решения ряда новых технических проблем. Особо важное значение при возрастающей дальности передачи электроэнергии получили вопросы расчетов устойчивости параллельной работы электростанций и способов обеспечения этой устойчивости. На основе глубокого изучения переходных процессов в электрических системах была разработана методика расчетов, проведены исследования в электрических системах. Были изучены вопросы аварийного регулирования турбин, исследованы возможности повышения мощности и дальности передачи при помощи автоматического регулирования возбуждения синхронных машин; был создан электронный регулятор напряжения. В эти годы были найдены реальные средства повышения пределов динамической устойчивости: форсировка возбуждения синхронных генераторов, применение аварийной разгрузки по частоте (АЧР). Во второй половине 30-х годов XX в. уже велась разработка вопросов, связанных с возможностью передачи электроэнергии от будущей Куйбышевской ГЭС в район Москвы на напряжении 380–400 кВ; в Ленинградском энергофизическом институте была построена опытная трехфазная линия 500 кВ, на которой проводились исследования на дальнюю перспективу – использование более высоких напряжений для передачи электроэнергии. В годы Великой Отечественной войны энергосистемам и электрическим сетям, оказавшимся в зоне военных действий, был нанесен огромный ущерб – было разрушено более 10 тыс. км линий электропередачи напряжением более 10 кВ. Но уже в конце 1941 г. начались восстановительные работы, и в 1945 г. общая протяженность электрических сетей превысила довоенный уровень. Наибольшее развитие энергосистем и их объединение происходят в 50-х годах XX в. в результате сооружения мощных электростанций на реках Волге, Каме и строительства первых линий электропередачи 400 кВ, переведенных впоследствии на напряжение 500 кВ. В связи с большим ростом уровня энергетики оказалось целесообразным строительство крупных тепловых электростанций с агрегатами большой единичной мощности, что создало необходимые условия для построения крупных объединенных энергосистем. Сооружение крупных электростанций, объединение энергосистем требовали еще большей пропускной способности, чем пропускная способность линий 500 кВ. Поэтому с этим в ряде ведущих промышленно развитых стран (СССР, США, Канаде) велись интенсивные работы по дальнейшему повышению пропускной способности электропередач и связанному с этим повышению их напряжения. В 1967 г. была введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная электропередача 750 кВ Конаковская ГРЭС – Москва протяженностью 90 км, а уже к 1985 г. протяженность линий электропередачи этого напряжения составила более 6 тыс. км. Рост мощностей электростанций (тепловых и атомных – до 4 млн. кВт, гидроэлектростанций – до 6 млн. кВт), увеличение дальности передачи электроэнергии потребовали внедрения линий электропередачи нового класса напряжений переменного тока – 1150 кВ, а также строительства линий электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ. Первые линии электропередачи новой ступени напряжения переменного тока 1150 кВ были введены в 1985 г. на участках Экибастузская ГРЭС – Кокчетав – Кустанай. В результате в нашей стране сложились две шкалы номинальных напряжений воздушных линий электропередачи – 110 – 150 – 330 – 750 кВ и 110 – 220 – 500 – 1150 кВ. Каждая последующая ступень в этих шкалах превышает предыдущую примерно в 2 раза, что позволяет повысить пропускную способность линий примерно в 4 раза. Следует отметить, что повышение номинального напряжения линий электропередачи имеет и экономические преимущества, так как при этом резко снижается удельная (на 1 км) себестоимость передачи электроэнергии и сужается коридор, отводимый под прокладку трасс электропередач. Первая шкала напряжений получила распространение в северо-западных областях России, на Украине и на Северном Кавказе, вторая – в центральных областях и на всей территории России к востоку от Москвы. В настоящее время линии 110 – 150 – 220 кВ используются, главным образом, в районных распределительных сетях для передачи электроэнергии к крупным узлам нагрузки. Электропередачи 330–500–750–1150 кВ, по которым может быть передана мощность от 350 до 5000 МВт, решают задачи системного характера. Они используются для создания мощных межсистемных и внутрисистемных связей, передачи электроэнергии от удаленных электростанций, например атомных, в приемные системы. Рост пропускной способности и номинального напряжения электропередач давался нелегко. Каждый последующий шаг требовал решения сложных научно-технических задач, и их сложность возрастала по мере роста напряжения линий. К числу основных проблем, требовавших решения, можно отнести следующие:
В 1994 г. в основном завершился процесс разгосударствления предприятий топливно-энергетического комплекса. При этом государственные предприятия и организации изменили форму собственности и были преобразованы в акционерные общества. В электроэнергетике было создано Российское акционерное общество энергетики и электрификации – РАО ЕЭС России, в уставной капитал которого переданы в качестве государственного вклада:
В перспективе до 2010 г., наряду с разработкой высокоэффективного производства электроэнергии программой «Энергетическая стратегия России», предусмотрена разработка столь же эффективных систем ее передачи, распределения и использования. В решении этих задач исключительно велика роль разработок в области электрофизики, обеспечивающих в первую очередь:
Решение этих задач должно сочетаться с углубленным анализом вопросов развития, функционирования, устойчивости и надежности Единой энергетической системы России, ее связей с электроэнергетическими системами других стран, в первую очередь стран СНГ. studfiles.net История энергии - это... Что такое История энергии?Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые появилась в работах Аристотеля. Томас Юнг первым использовал понятие «энергия» в современном смысле слова.Концепция энергии стала следствие идеи живой силы, которую Лейбниц определил как произведение массы объекта и квадрата его скорости; Лейбниц верил, что общая живая сила сохраняется. Для объяснения замедления из-за трения, он предположил, что теплота есть совокупность случайных движений частичек материи (точка зрения, которую разделял Исаак Ньютон, за более чем век до того, как это было принято в науке). Маркиза Эмили дю Шатле в книге Уроки физики (Institutions de Physique), опубликованной в 1740 году, объединила идею Лейбница с практическими наблюдениями Виллема Гравесена (Willem Jacob 's Gravesande), чтобы показать: энергия движущегося объекта пропорциональна его массе и квадрату его скорости (не скорости самой по себе как полагал Ньютон). В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия живая сила[1]. Гюстав Гаспар Кориоли́с впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввел понятие «потенциальная энергия». Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной. Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и термический коэффициенты полезного действия своих систем. Инженеры такие как Сади Карно, физики такие как Джеймс Джоуль, математики такие как Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц — все развивали идею, что способность совершать определенные действия, называемая работой, была как-то связана с энергией системы. В 1850х годах, профессор натурфилософии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинетическая и фактическая (actual) энергии»[2]. Уильям Томсон соединил знания об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному развитию химии. Рудольф Клаузиус, Джозайя Гиббс и Вальтер Нернст объяснили многие химические процессы, используя законы термодинамики. Развитие термодинамики было продолжено Клаузиусом, который ввел математически сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввел закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия»[2]. В 1881 Уильям Томсон заявил перед слушателями:[3] Само слово энергия, хотя и было впервые употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале этого века, только сейчас входит в употребление практически после того, как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю природу и направляющего исследователя в области науки.Оригинальный текст (англ.) The very name energy, though first used in its present sense by Dr Thomas Young about the beginning of this century, has only come into use practically after the doctrine which defines it had ... been raised from mere formula of mathematical dynamics to the position it now holds of a principle pervading all nature and guiding the investigator in the field of science. Приблизительно в течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например динамическая теория тепла (dynamical theory of heat) или энергетика (energetics). В 1920х годах общепринятым стал термин «Термодинамика», наука о преобразовании энергии. Особенности преобразования тепла и работы были показаны в первых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе. В 1918 было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряженной энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства). В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях[4] так выразился о концепции энергии: Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.Оригинальный текст (англ.) There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same. — Фейнмановские лекции по физике[5] Примечания
См. такжеСсылкиWikimedia Foundation. 2010. dic.academic.ru История развития атомной энергетикиИстория развития атомной энергетикиАтомная энергетика как источник получения энергии впервые в промышленном секторе была реализована в виде атомной электростанции в 1954 г. Причем запуск ее происходил в тогда еще Советской России. Подмосковный город Обнинске стал своеобразным «путеводителем» для энергии, получаемой из атомов ядра, к населению СССР. Примечательно, что только в 1956 г. начала свое развитие история ядерной энергетики в США. Понятно, что такое достижение не могло остаться незамеченным в мире.
Развитие новых мощностейСпустя всего несколько лет после этого настоящего прорыва, весь мир был охвачен «лихорадкой» построения и введения в эксплуатации атомных электростанций. Швеция – одна из первых стран, где развитие этого направления происходило очень быстро – уже к 1984 году занимала лидирующее место по производству энергии. Наряду с ней шла Швейцария. Немногим уступала Бельгия. Однако наиболее «продвинутым» был, конечно, Советский Союз. Этот путь, от маленького до колоссального, для советских ученых был ознаменован лишь достижениями, новыми свершениями. Так продолжалось ровно до 1986 года – дата аварии в Чернобыле. Масштабы катастрофы были настолько огромными, что ученые всего мира единогласно настаивали на полном отказе от ядерной энергии, считая, что еще одной катастрофы планета не выдержит. Впрочем, на этом история развития ядерной энергетики не закончилась, что для многих, скептически настроенных к призывам о запрете использования энергии атомов, не стало удивлением. Жизнь продолжаетсяЧеловечество, несмотря на то, что побывало на края обрыва, понимало, насколько выгодным экономически является получение энергии с использованием АЭС. Других (сейчас именуемых альтернативными) источников получения энергии на тот момент не было. Во всяком случае, в полномасштабных проектах. Как результат, отказ от использования атомов означал одно – всему миру придется отказаться от электричества. Кстати, тогда еще очень дешевого. Насколько реально это было в условиях тогдашнего мирового развития?
На электричестве и его бесперебойной подаче было «завязано» все:
Да, угроза техногенной катастрофы была не просто допустимой, а реальной, уже свершившейся. Однако иного пути, кроме как продолжать рисковать, у человечества не было. Единственное, что можно было сделать в этой ситуации – постараться в будущем не допустить подобных страшных трагедий. Энергия атомов сегодняВ наши дни развитие атомной энергетики больше сконцентрировано на обеспечении безопасности для человечества. АЭС стали проектироваться и возводиться с более серьезным подходом. Обслуживанию их уделяется максимум внимания. Ученые постоянно работают над созданием абсолютно безопасных для выработки энергии условий.
Следует сказать, что некоторые успехи есть. Европейские станы ежегодно демонстрируют новейшие разработки, способные минимизировать угрозы в случае очередного взрыва. Конечно, до сих пор остается множество проблемных моментов, связанных с работой атомных электростанций и получением энергии. Но самым серьезным достижением современного человека можно считать его неустанный поиск альтернативных источников энергии. promvesti.com | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
