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 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.
Самая первая центральная электростанция, the Pearl Street, была сдана в эксплуатацию 4 сентября 1882 года в Нью-Йорке. Станция была построена при поддержке Edison Illuminating Company, которую возглавлял Томас Эдисон. На ней были установлены несколько генераторов Эдисона общей мощностью свыше 500 кВт. Станция снабжала электроэнергией целый район Нью-Йорка площадью около 2,5 квадратных километров. Станция сгорела дотла в 1890году, сохранилась только одна динамо-машина, которая сейчас находится в музее the Greenfield Village, Мичиган.
30 сентября 1882 года заработала первая гидроэлектростанция the Vulcan Street в штате Висконсин. Автором проекта был Г.Д. Роджерс, глава компании the Appleton Paper & Pulp. На станции был установлен генератор с мощностью приблизительно 12.5 кВт. Электричества хватало на дом Роджерса и на две его бумажные фабрики.
Электростанция Gloucester Road. Брайтон был одним из первых городов в Великобритании с непрерывным электроснабжением. В 1882 году Роберт Хаммонд основал компанию Hammond Electric Light , а 27 февраля 1882 года он открыл электростанцию Gloucester Road. Станция состояла из динамо щетки, которая использовалась, чтобы привести в действие шестнадцать дуговых ламп. В 1885 году электростанция Gloucester была куплена компанией Brighton Electric Light. Позже на этой территории была построена новая станция, состоящая из трех динамо щеток с 40 лампами.
Электростанция Зимнего дворца
В 1886 году в одном из внутренних дворов Нового Эрмитажа, который с тех пор носит название Электродвор, была построена электростанция по проекту техника дворцового управления, Василия Леонтьевича Пашкова. Эта электростанция была крупнейшей во всей Европе на протяжении 15 лет.
Машинный зал электростанции в Зимнем дворце. 1901 г.
Изначально для освещения Зимнего дворца использовались свечи, а с 1861 года стали использоваться газовые светильники. Однако очевидные преимущества электроламп побудили специалистов искать возможности замены газового освещения в зданиях Зимнего дворца и прилегающих к нему зданиях Эрмитажа.
Инженер Василий Леонтьевич Пашков предложил в качестве эксперимента использовать электричество для освещения дворцовых зал во время рождественских и новогодних праздников 1885 года.
9 ноября 1885 года проект строительства «фабрики электричества» был одобрен императором Александром III. Проект предусматривал электрификацию Зимнего дворца, зданий Эрмитажа, дворовой и прилегающей территории в течение трех лет до 1888 года.
Работа была поручена Василию Пашкову. Чтобы исключить возможность вибрации здания от работы паровых машин, размещение электростанции предусмотрели в отдельном павильоне из стекла и металла. Он находился во втором дворе Эрмитажа, с тех пор называемом «Электрическим».
Здание станции занимало площадь 630 м², состояло из машинного отделения с 6 котлами, 4 паровыми машинами и 2 локомобилями и помещения с 36 электрическими динамо-машинами. Общая мощность достигала 445 л.с. Первыми осветили часть парадных помещений: Аванзал, Петровский, Большой фельдмаршальский, Гербовый, Георгиевский залы, и устроили наружную иллюминацию. Было предложено три режима освещения: полное (праздничное) включать пять раз в году (4888 ламп накаливания и 10 свечей Яблочкова); рабочее – 230 ламп накаливания; дежурное (ночное) – 304 лампы накаливания. Станция потребляла около 30 тыс. пудов (520 т) угля в год.
Главным поставщиком электротехнического оборудования была фирма «Сименс и Гальске» – крупнейшая электротехническая компания того времени.
Сеть электростанции постоянно расширялась и к 1893 году она составляла уже 30 тысяч ламп накаливания и 40 дуговых ламп. Были освещены не только здания дворцового комплекса, но и Дворцовая площадь со зданиями, находящимися на ней.
Создание электростанции Зимнего дворца стало наглядным примером возможности создания мощного и экономичного источника электроэнергии, который способен питать большое количество потребителей.
Система электроосвещения Зимнего дворца и зданий Эрмитажа была переключена на городскую электросеть после 1918 года. А здание электростанции Зимнего дворца просуществовало до 1945 года, после чего было разобрано.
16 июля 1886 г. в Санкт-Петербурге зарегистрировано промышленно-коммерческое «Общество электрического освещения». Эту дату принято считать датой основания первой российской энергосистемы. Среди учредителей были «Сименс и Гальске», «Дойче Банк» и русские банкиры. С 1900 г. компания носит имя «Общество электрического освещения 1886 г.». Цель компании обозначалась согласно интересам главного учредителя Карла Федоровича Сименса: «Для освещения электричеством улиц, фабрик, заводов, магазинов и всякого рода других мест и помещений» [Устав..., 1886 г., с. 3]. Общество имело несколько отделений в разных городах страны и внесло очень большой вклад в развитие электрической сферы экономики России.
Большинству населения России и других стран бывшего СССР известно, что широкомасштабная электрификация страны связана с реализацией плана Государственной Электрификации России (ГоЭлРо) принятому в 1920 году.
Справедливости ради, следует отметить, что разработка этого плана относится еще ко времени накануне Первой Мировой Войны, которая, собственно, и помешала тогда его принятию.
Энергию, скрытую в органическом топливе - угле, нефти или природном газе, невозможно сразу получить в виде электричества. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота нагревает воду, превращает ее в пар. Пар вращает турбину, а турбина - ротор генератора, который генерирует, т. е. вырабатывает, электрический ток.
Весь этот сложный, многоступенчатый процесс можно наблюдать на тепловой электрической станции (ТЭС), оборудованной энергетическими машинами, преобразующими энергию, скрытую в органическом топливе (горючих сланцах, угле, нефти и продуктах ее переработки, природном газе), в электрическую энергию. Основные части ТЭС - котельная установка, паровая турбина и электрогенератор.
Котельная установка - комплекс устройств для получения водяного пара под давлением. Она состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо, топочного пространства, по которому продукты горения проходят в дымовую трубу, и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, во время нагрева соприкасающаяся с пламенем, называется поверхностью нагрева.
Котлы бывают 3 типов: дымогарные, водотрубные и прямоточные. Внутри дымогарных котлов помещен ряд трубок, по которым продукты горения проходят в дымовую трубу. Многочисленные дымогарные трубки имеют огромную поверхность нагрева, вследствие чего в них хорошо используется энергия топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.
В водотрубных котлах - все наоборот: по трубкам пускают воду, а между трубками горячие газы. Основные части котла - топка, кипятильные трубки, паровой котел и пароперегреватель. В кипятильных трубках идет процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в паровой котел, где и собирается в верхней его части, над кипящей водой. Из парового котла пар проходит в пароперегреватель и там дополнительно нагревается. Топливо в этот котел забрасывают через дверцу, а воздух, необходимый для горения топлива, подают через другую дверцу в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая перегородки, проходят путь, указанный на схеме к этой статье (см. рис.).
В прямоточных котлах воду нагревают в длинных трубах-змеевиках.
Вода подается в эти трубы насосом. Проходя через змеевик, она полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры н затем выходит из змеевиков.
Котельные установки, работающие с промежуточным перегревом пара, являются составной частью установки, называемой энергоблоком «котел - турбина».
В перспективе, например, для использования угля Канско-Ачинского бассейна будут сооружены крупные тепловые электростанции мощностью до 6400 МВт с энергетическими блоками по 800 МВт, где котельные установки будут вырабатывать 2650 т пара в 1 ч с температурой до 565° С и давлением 25 МПа.
Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину - главный двигатель тепловой электростанции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбица приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.
В крупных городах чаще всего строят теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а в районах с дешевым топливом - конденсационные электростанции (КЭС).
ТЭЦ - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и теплоту в виде горячей воды и пара. Пар, покидающий паровую турбину, содержит в себе еще много тепловой энергии. На ТЭЦ эту теплоту используют двояко: либо пар после турбины направляется потребителю и обратно на станцию не возвращается, либо он передает теплоту в теплообменнике воде, которая направляется потребителю, а пар возвращается обратно в систему. Поэтому ТЭЦ имеет высокий КПД, достигающий 50-60%.
Различают ТЭЦ отопительного и промышленного типов. Отопительные ТЭЦ обогревают жилые и общественные здания и снабжают их горячей водой, промышленные - снабжают теплотой промышленные предприятия. Передача пара от ТЭЦ осуществляется на расстояния до нескольких километров, а передача горячей воды - до 30 и более километров. Вследствие этого теплоэлектроцентрали строятся неподалеку от крупных городов.
Огромное количество тепловой энергии направляется на теплофикацию или централизованное отопление наших квартир, школ, учреждений. До Октябрьской революции централизованного теплоснабжения домов не было. Дома отапливались печами, в которых сжигалось много дров и угля. Теплофикаций в нашей стране началась в первые годы Советской власти, когда по плану ГОЭЛРО (1920) приступили к строительству крупных ТЭС.
За последние годы развитие теплофикации в СССР идет особенно быстро. Суммарная мощность ТЭЦ в начале 1980-х гг. превысила 50 млн. кВт.
Но основная доля электроэнергии, которую вырабатывают тепловые электростанции, приходится на конденсационные электростанции (КЭС). У нас их чаще называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). В отличие от ТЭЦ, где теплота отработанного в турбине пара используется для отопления жилых и производственных зданий, на КЭС отработанный в двигателях (паровых машинах, турбинах) пар превращается конденсаторами в воду (конденсат), направляемую обратно в котлы для повторного использования. КЭС сооружаются непосредственно у источников водоснабжения: у озера, реки, моря. Теплота, выводимая из электростанции с охлаждающей водой, безвозвратно теряется. КПД КЭС не превышает 35-42%.
На высокую эстакаду день и ночь по строгому графику подают вагоны с мелко раздробленным углем. Особый разгрузчик опрокидывает вагоны, и топливо ссыпается в бункер. Мельницы тщательно размалывают его в топливный порошок, и он вместе с воздухом влетает в топку парового котла. Языки пламени плотно охватывают пучки трубок, вода в которых закипает. Образуется водяной пар. По трубам - паропроводам - пар направляется к турбине и через сопла бьет в лопатки ротора турбины. Отдав энергию ротору, отработанный пар идет в конденсатор, охлаждается и превращается в воду. Насосы подают ее обратно в котел. А энергия продолжает свое движение от ротора турбины к ротору генератора. В генераторе происходит ее последнее превращение: она становится электричеством. На этом заканчивается энергетическая цепочка КЭС.
В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно построить в любом месте, а тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории экономических районов страны. Преимущество ТЭС состоит и в том, что они работают практически на всех видах органического топлива - углях, сланцах, жидком топливе, природном газе.
К крупнейшим конденсационным ТЭС в СССР относятся Рефтинская (Свердловская область), Запорожская, Костромская, Углегорская (Донецкая область). Мощность каждой из них превышает 3000 МВт.
Наша страна - пионер строительства тепловых электростанций, энергию которым дает атомнын реактор (см. Атомная электростанция, Ядерная энергетика).
Тепловая электростанция вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива. Основными видами топлива для тепловой электростанции являются природные ресурсы - газ, мазут, реже уголь и торф.
Разновидностью тепловой электростанции (ТЭС) является теплоэнергоцентраль (ТЭЦ) - тепловая электростанция, вырабатывающая не только электроэнергию, но и тепло, которое в виде горячей воды по тепловым сетям приходит в наши батареи.
На рис. путь энергии от электростанции до квартиры.
В машинном зале тепловой электростанции установлен котел с водой. При сгорании топлива вода в котле нагревается до нескольких сот градусов и превращается в пар. Пар под давлением вращает лопасти турбины, турбина в свою очередь вращает генератор. Генератор вырабатывает электрический ток. Электрический ток поступает в электрические сети и по ним доходит до городов и сел, поступает на заводы, в школы, дома, больницы. Передача электроэнергии от электростанций по линиям электропередачи осуществляется при напряжениях 110-500 киловольт, то есть значительно превышающих напряжения генераторов. Повышение напряжения необходимо для передачи электроэнергии на большие расстояния. Затем необходимо обратное понижение напряжения до уровня, удобного потребителю. Преобразование напряжения происходит в электрических подстанциях с помощью трансформаторов. Через многочисленные кабели, проложенные под землей, и провода, натянутые высоко над землей, ток бежит в дома людей. А тепло в виде горячей воды поступает из ТЭЦ по теплотрассам, также находящимся под землей.
Обозначения на рисунке:
Градирня
- устройство для охлаждения воды на электростанции атмосферным воздухом.
Котел паровой
- закрытый агрегат для получения пара на электростанции посредством нагревания воды. Нагрев воду осуществляется посредством сжигания топлива (на саратовских ТЭЦ - газа).
ЛЭП
- линия электропередачи. Предназначена для передачи электричества. Различают воздушные ЛЭП (провода, протянутые над землей) и подземные (силовые кабели).
Первые появились еще в конце XIX века в Нью-Йорке (1882 год), а в 1883 году первая тепловая электростанция была построена в России (С.Петербург). С момента своего появление, именно ТЭС получили наибольшее распространение, учитывая все увеличивающуюся энергетическую потребность наступившего техногенного века. Вплоть до середины 70-х годов прошлого века, именно эксплуатация ТЭС являлась доминирующим способом получения электроэнергии. К примеру, в США и СССР доля ТЭС среди всей получаемой электроэнергии составляла 80%, а во всем мире - порядка 73-75%.
Данное выше определение хоть и емкое, но не всегда понятное. Попытаемся своими словами объяснить общий принцип работы тепловых электростанций любого типа.
Выработка электричества в ТЭС происходить при участии множества последовательных этапов, но общий принцип её работы очень прост. Вначале топливо сжигается в специальной камере сгорания (паровом котле), при этом выделяется большое количество тепла, которое превращает воду, циркулирующую по специальным системам труб расположенным внутри котла, в пар. Постоянно нарастающее давление пара вращает ротор турбины, которая передает энергию вращения на вал генератора, и в результате вырабатывается электрический ток.
Система пар/вода замкнута. Пар, после прохождения через турбину, конденсируется и вновь превращается в воду, которая дополнительно проходит через систему подогревателей и вновь попадает в паровой котел.
Существует несколько типов тепловых электростанций. В настоящее время, среди ТЭС больше всего тепловых паротурбинных электростанций (ТПЭС) . В электростанциях такого типа, тепловая энергия сжигаемого топлива используется в парогенераторе, где достигается очень высокое давление водяного пара, приводящего в движение ротор турбины и, соответственно, генератор. В качестве топлива, на таких теплоэлектростанциях используется мазут или дизель, а также природный газ, уголь, торф, сланцы, иными словами все виды топлива. КПД ТПЭС составляет около 40 %, а их мощность может достигать 3-6 ГВт.
ГРЭС (государственная районная электрическая станция) - довольно известное и привычное название. Это не что иное, как тепловая паротурбинная электростанция, оборудованная специальными конденсационными турбинами, которые не утилизируют энергию отработанных газов и не превращают её в тепло, например, для обогрева зданий. Такие электростанции еще называют конденсационными электростанциями.
В том же случае, если ТПЭС оснащены специальными теплофикационными турбинами, преобразующих вторичную энергию отработанного пара в тепловую энергию, используемую для нужд коммунальных или промышленных служб, то это уже теплоэлектроцентрали или ТЭЦ. К примеру, в СССР на долю ГРЭС приходилось около 65% вырабатываемой паротурбинными электростанциями электроэнергии, и, соответственно, 35% - на долю ТЭЦ.
Существуют также иные виды тепловых электростанций. В газотурбинных электростанциях, или ГТЭС, генератор вращается посредством газовой турбины. В качестве топлива на таких ТЭС применяют природный газ или жидкое топливо (дизель, мазут). Однако КПД таких электростанций не очень высок, около 27-29%, так что их используют в основном как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков нагрузки на электрическую сеть, или для снабжения электричеством небольших населенных пунктов.
Тепловые электростанции с парогазотурбинной установкой (ПГЭС) . Это электростанции комбинированного типа. Они оборудованы паротурбинными и газотурбинными механизмами, и их КПД достигает 41-44%. Эти электростанции также позволяют утилизировать тепло и превращать его в тепловую энергию, идущую на отопление зданий.
Главным недостатком всех тепловых электростанций является тип используемого топлива. Все виды топлива, которые применяют на ТЭС, являются невосполнимыми природными ресурсами, которые медленно, но неуклонно заканчиваются. Именно поэтому в настоящее время, наряду с использованием атомных электростанций, ведутся разработки механизма выработки электроэнергии при помощи восполняемых или других альтернативных источников энергии.
Электроэнергия способствовала развитию прогресса, она служит ключевым фактором в функционировании любого направления народного хозяйства. Сегодня используется повсеместно, оно стало естественным и привычным явлением для каждого человека, однако, так было не всегда. Когда же появилась первая электростанция в России , то есть «фабрика, производящая электрическую энергию»?
Начало развития электроэнергетики
Бытует ложное мнение о появлении электрической энергии в стране лишь после прихода большевиков, подписанным декретом Ленина «Об электрификации». Но первые электростанции в России были построены задолго до возникновения СССР. Еще в 1879 году, во времена правления императора Александра II (дедушки Николая II) в Северной Столице была . Это была небольшая установка, ее предназначением было освещать Литейный мост, проект был реализован под руководством инженера П. Яблочкова. Спустя некоторое время, аналогичная электростанция строится в Москве, она обеспечивала освещение Лубянского пассажа. Спустя 5 лет такие станции располагались во многих крупных городах Российской империи, они функционировали на твердом топливе и были способны производить электроэнергию для освещения.
Гидроэлектростанции - развитие прогресса
Одновременно с стали проектировать установки, способные вырабатывать электроэнергию, используя для этого природные стихии. Где была построена первая электростанция в России , перерабатывающая энергию движения воды в электричество? Первая станция была построена также в , она располагалась на реке Охта и имела малую по современным меркам мощность, всего 350 лошадиных сил. Более мощная гидроэлектростанция была построена в 1903 году на реке Подкумке около Ессентуков. Ее мощности было достаточно для освящения близлежащих городов: Пятигорска, Железноводска, Кисловодска.
Строительство электростанции в России - основное назначение
Начало XX века принесли в мир серьезные изменения, индустриализация, машиностроение требовали большое количество потребляемой электроэнергии. Строительство электростанций стало важной составляющей развития технического прогресса, в том числе в следующих отраслях:
- Машиностроение;
- Черная и цветная металлургия;
- IT-технологии;
- Транспортная инфраструктура.
В общем, без электричества и станций, которые его вырабатывают, наш мир не был бы таким, каким мы его привыкли видеть.
Строительство АЭС в РФ
На сегодняшний день самым дешевым и доступным видом электроэнергии остается . Использование цепной ядерной реакции позволяет вырабатывать колоссальные объемы тепловой энергии, которую перерабатывают в электричество. Достоверно известно, когда появилась первая электростанция на территории современной России, работающая на атомной энергии. В 1954 году советские ученые во главе с академиком Курчатовым реализовали проект по созданию «мирного атома», постройка Обнинской АЭС прошла в рекордно короткие сроки.
Мощность первого реактора была незначительной, всего 5МВт, для сравнения самая мощная из современных электростанций Касивадзаки-Карива производит 8122МВТ.
На территории России осуществляется полноценный цикл, от добычи и переработки урана, до постройки, последующей эксплуатации АЭС и утилизации отходов производства.
Дальнейшие перспективы развития отрасли
Потребность в электроэнергии с каждым годом растет, соответственно с увеличением потребления должно пропорционально возрастать объемы производства электричества. Для этих целей строятся новые и модернизируются уже существующие электростанции.
Кроме уже существующих станций начинают появляться новые экологически безопасные проекты, обеспечивающие население необходимой энергией.
Большой потенциал у и станций, а также использование энергии приливов и отливов. Каждый год в мире появляются новые изобретения, обеспечивающие новые источники электричества, что соответственно, способствует дальнейшему развитию прогресса.
Роль России в мировом развитии и строительстве электростанций
Страна стояла у истоков развития данной отрасли, часто на несколько лет опережая ближайших конкурентов в данном направлении, а именно США. Так первая зарубежная АЭС появилась лишь 1958 году, то есть спустя 4 года после успешной реализации проекта советскими учеными и инженерами. Сегодня Россия является одним из основных производителей электроэнергии в мире, а также успешно реализовывает проекты по строительству атомных ректоров во многих странах мира. Целесообразность постройки такой станции актуальна лишь в случае наличия большого промышленного потенциала, реализация проекта требует значительных затрат, окупаемость составляет порой несколько десятилетий, при учете бесперебойной эксплуатации. Тепловые станции требуют постоянные источники топлива, а гидроэлектростанции наличие крупной водной артерии.