Энергетика: история и перспективы развития

Ученые, изобретатели, гениальные самоучки, механики продолжали работать над устройством и совершенствованием паровых машин и их применением, имея уже какое-то представление о теплоте. Джеймс Уатт (1736-1819), английский механик, создал паровую машину двойного действия, рабочий ход поршня в ней производился не атмосферным давлением, а давлением пара.

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”.

В 1798 г Томсон, ставший  за научные труды графом Румфордом, доказал, что причиной выделения  тепла, т.е возникновения тепловой энергии, при высверливании ствола является не теплород, а механическое перемещение сверла относительно ствола, сопровождаемое сильным трением. Румфорд пришел к мысли, что теплота является формой движения. Научная мысль, крутившаяся по спирали от Демокрита до Ломоносова вернулась на круги своя, обретя уже количественные характеристики о преобразовании механической энергии в тепловую.

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.

Очередной переворот в  физике в виде закона сохранения и  превращения энергии совершили: врач Майер, врач Гельмгольц, пивовар Джоуль.

Майер утверждал: « Тепло  есть сила, оно может быть превращено в механический эффект». Свою идею о  сохранении и преобразовании энергии  настойчивый Майер опубликовал  в химическом журнале, который мало кто из физиков читал, поэтому  не зависимо о Майера закон всех времен и народов « открыли» Джоуль и Гельмгольц.

В 1941 г Джоуль количественно  установил тепловой эффект электрического тока, показав, что количество тепла  пропорционально квадрату силы тока. Однако в данном эксперименте Джоуль был не первым, ранее до него провел эксперименты по определению теплового действия тока Эмилий Христофорович Ленц, но свою работу с более полными выводами, чем у Джоуля, опубликовал только в 1843г.. В этой связи в науке этот закон существует как закон Джоуля- Ленца.

Не смотря на то, что два  врача Майер и Гельмгольц и  пивовар Джоуль шли к цели разными  путями, встречая ожесточенное сопротивление  официальной науки, итог был предрешен  общей тенденцией развития цивилизации. Для выполнения миссии человечество должно было осваивать новые виды энергии и более прогрессивные способы ее преобразования.

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.

Французский механик  Э.Ленуар (1822-1900) изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Двигатель Ленуара  получил довольно высокое распространение, хотя был далек от совершенства и  требовал серьезных доработок. Первый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания был построен немцем Николаем Отто в 1876 году, затем он был усовершенствован русским инженером О.Костовичем, который разработал карбюратор для сжигания легких фракций продуктов перегонки нефти.

Немецкий инженер  Рудольф Дизель (1858-1913) (рис. 15), разработал ДВС на тяжелом топливе –мазуте, соляровом масле. Работал он по принципу самовоспламенения.

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.

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 построена газопаровая турбина 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.

 

1.2.2 История  развития вторичной энергетики

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.

Применение  электричества и использование  электроэнергии было великим открытием XIX века.

Следует заметить, что электрическая энергия является вторичной энергией и не заменяет первичную (тепловую, гидравлическую, водяную и др.), но стимулирует развитие первичной энергии, а для ее передачи и распределения – самой удобной признана именно электрическая энергия.

Электричество является очень концентрированной энергией:

1 кВт.ч = 1000 Дж/с  × 3600 с = 3600000 Дж;

1 кВт.ч = 102 кг.м/с  × 3600 с = 367000 кг.м – это эквивалентно  поднятию 367 т груза на высоту 1 метр.

Развитие электроэнергетики  носит интернациональный характер.

В создании энергетики и ее внедрении принимали и принимают посильное участие люди самых разных национальностей, разных стран, разных классов.

Как известно, закон  электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем, способствовал  созданию электродвигателя и электрогенератора. А так же позволило отойти от механической картины мира и приступить к формированию электромагнитных законов природы.

Открытие и  применение электричества было одним  из величайших достижений человечества. Этому предшествовали усилия многих и многих людей разных профессий  в разные эпохи.

Стоит вспомнить  наиболее известные открытия применения электричества.

Основоположником  науки о магнетизме является англичанин У. Гильберт (1540-1603), (рис. 17). В 1600 г. вышел  труд У. Гильберта “О магните, магнитных  телах и большом магните – Земле”, в котором он описывает разные полюса у магнита (северный и южный), поведение одинаковых и разноименных полюсов, способы намагничивания железа. Он первый указал на наличие магнитного поля Земли, посвятив этому открытию 18 лет жизни и поставив около 600 опытов, создал первое электроизмерительное устройство – электроскоп и назвал электрическими тела, способные электризоваться.

Ф. Хауксби в 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1743 г. в такую машину был введен скользящий контакт, который снимал заряд, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.

С. Грей в 1729 г. заметил, что одни вещества проводят электричество, а другие не проводят.

Ш. Дюфе в начале XVIII в. открыл электрическое взаимодействие заряженных тел – притяжение разноименных и отталкивание одноименных тел.

В середине XVIII в. в Лейдене была создана «лейденская  банка»– прообраз электрического конденсатора. Открытие этого конденсатора принадлежит  преподавателю физики голландцу Мушенбруку и немецкому священнику фон Клейсту. Заряжалась “лейденская банка” с помощью серного шара фон Герике.

М.В. Ломоносов  высказал очень важную мысль о  возможности передачи электричества  на большие расстояния и о практическом использовании электричества для металлизации поверхности металлов (1747 г.); только через 100 лет Б.С. Якоби открывает и применяет гальванопластику.

В 1759 г. академик Российской Академии Ф. Эпинус (1724 – 1802) открыл и объяснил электрическую  поляризацию, существование силовых магнитных линий, взаимодействие электрических и магнитных масс.

Итальянец Луиджи Гальвани (1737-1798) (рис. 20), заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. 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.

В 1800 г. А. Вольта объявил  Лондонскому Королевскому обществу об изобретении вольтова столба. Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п. А. Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. – это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики – гальванические элементы.

Нужно отметить, что школьный учитель физики Г. Ом открыл важный закон для электроэнергетики.

У математика Андре Мари Ампера (1775-1836), рождается мысль о возможности взаимодействии двух проводников с током, что они ведут себя подобно двум магнитам.

Пройдет много лет и  открытия этих ученых и их имена  лягут в основу методов определения, превратятся в названия единиц: электрического тока (ампер, А), количества электрического заряда (кулон, Кл), напряжения (вольт, В), сопротивления (ом, Ом) и др.

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции относится к наиболее выдающимся событиям XIX в. Работа миллионов трансформаторов, электрогенераторов и электродвигателей во всем мире основана на принципе электромагнитной индукции.

Несколько десятилетий спустя Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), развил идею Фарадея, облек ее в ясную  точную математическую форму. Дж.К. Максвелл создал математический фундамент теории электромагнитных взаимодействий – четыре уравнения, четыре аксиомы, которые вот уже более ста лет не подвергаются сомнению в ученом мире.

Два человека после Максвелла  пытались разработать такую же всеобъемлющую  теорию гравитационного поля. Этими  людьми был О. Хэвисайд и А. Эйнштейн, они пытались объединить электромагнетизм и гравитацию поля в единой теории поля. Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей и ученых послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.

В технике основными  устройствами, использующими явление  электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы.

 

3. Электроэнергетика как самостоятельная отрасль

Широкое и разнообразное  применение электроэнергии во всех областях народного хозяйства и быта объясняется  рядом весьма существенных преимуществ ее по сравнению с другими формами энергии, а именно: 1) возможностью экономичной передачи на значительные расстояния; 2) простотой преобразования в другие формы энергии (тепловую, механическую, световую, химическую и др.); 3) простотой распределения любой мощности (от многих киловатт до микроватт) между любым числом потребителей.

Большое значение имеет  возможность использования для  производства электроэнергии местных  видов топлива (угля, торфа, сланца), энергии рек, водопадов, приливов, солнечной энергии и энергии ветра, геотермальной, атомной и др.

Электрическое освещение – первое массовое энергетическое применение электрической энергии  – сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики  и превращении электротехники в  самостоятельную отрасль техники. Электрическое освещение явилось одной из первых областей применения электричества после гальванопластики.

У истоков освещения  с помощью электричества стоял  Василий Владимирович Петров (1761-1834), профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, В.В.Петров сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры, а так же предпосылки для создания аккумуляторной батареи. Это произошло в 1802 г. и имело огромное историческое значение. Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания, электросварки металлов и многого другого.