Вступив в эпоху электричества...

До сих пор существует проблема преобразования сил природы в электроэнергию

Наука и жизньНаука

Вступив в эпоху электричества...

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Аэрофотоснимок системы солнечных электростанций, входящих в комплекс Solucar (Испания). На переднем плане солнечные электростанции параболического типа Solnova I (справа), III (слева спереди) и IV (слева сзади). В глубине расположены первая коммерческая солнечная электростанция башенного типа PS10, а за ней PS20.

В природе нет ничего бесполезного.
Мишель Монтень

Символично, что первая статья самого первого номера журнала «Наука и жизнь» посвящена проблеме утилизации сил природы, которая остаётся актуальной и через 130 лет, в XXI веке. Журнал впоследствии ещё не раз возвращался к ней. Человеческая цивилизация с древности использовала то, что предоставляла ей природа: силу ветра, энергию текущей воды и солнечное тепло. Затем к ним добавилась сила пара. Однако научные открытия первой половины XIX века дали людям возможность использовать ещё одну могучую силу — электричество. Именно проблема преобразования сил природы в электроэнергию, что позволит не только по-новому их использовать, но и передавать на большие расстояния, — основная тема статьи.

Автор отмечает, что за менее чем полстолетия пар радикально изменил все условия жизни, и ожидает, что и новые открытия продолжат этот процесс. Разумеется, сейчас акценты сместились, появились новые источники энергии и новые способы использования старых источников, но некоторые из них обсуждались уже в конце XIX века.

Нашему современнику, наверное, покажется удивительным, что людей того времени приходилось уговаривать использовать электрическую энергию для освещения и других нужд. Особенно в общественных местах. В ход шли даже гигиенические аргументы: лучшее качество спектра излучения для зрения и то, что электрические лампы не потребляют кислород и, соответственно, не выделяют углекислый газ, способный вызвать отравление («Наука и жизнь» № 49, 1890 г.). Всё дело в том, что электроэнергия тогда стоила дорого, а лампы были очень недолговечны.

До изобретения Александром Николаевичем Лодыгиным лампы накаливания современного типа с долговечной вольфрамовой спиральной нитью оставалось ещё три года.

«Эдисоновский свет», как его тогда называли по самой популярной конструкции электрических ламп американского изобретателя, использовавшего в них угольную нить, стоил в три раза дороже, чем освещение фотогеновой лампой, и в полтора раза дороже, чем светильным газом, хотя и в 9 раз дешевле стеариновых свечей. Зато тепла они выделяли почти в 20 раз меньше, чем газовые, и в 14 раз меньше, чем керосиновые. Срок службы ламп Эдисона был всего 40 часов. Самое дешёвое сырьё — фотоген — минеральное масло, подобное керосину, но получаемое не из нефти, а из бурого угля. Фотоген производился в России и некоторое время назывался керосином, возможно, поэтому автор не разделяет фотогеновые и собственно керосиновые лампы, тогда быстро набиравшие популярность. Светильный газ — это смесь водорода (50%) с метаном (34%) и другими газами, получаемая из каменного угля. Природный газ ещё не нашёл широкого применения и не добывался в значительных масштабах.

Высокая цена на электричество в первую очередь была связана с тем, что в то время ещё не были изобретены высоковольтные линии электропередачи переменного тока, имеющие малые потери энергии. Поэтому электроэнергия тогда передавалась только на очень короткие расстояния, как правило, не превышавшие 10—15 км, но и тогда потери доходили до 60% и выше. Так на упомянутом в статье руднике в Аризоне расстояние составило 12,5 км, а в городе Silver City — 6,5 км. На 1890 год в России имелся всего один пример использования гидроэлектростанции для питания станков — фабрика Козьмы Прохорова, на которую электроэнергия передавалась по линии в 6 верст.

Французский инженер Марсель Депре в 1882 году сумел передать электроэнергию на рекордные 57 км, используя напряжение до 2000 В. Однако тогда его оборудование было слишком громоздко для практического использования. Позднее, он решил эту проблему и, подняв напряжение до 6000 В, снизил потери на линии постоянного тока Крей — Париж длиной 56 км до 45%. Но автор статьи оптимистичен, верит в науку и уже предсказывает передачу электроэнергии за тысячи вёрст.

Заметим, что говоря о заслугах Депре, автору следовало бы упомянуть и о нашем соотечественнике Дмитрии Александровиче Лачинове, который много сделал для теоретического исследования вопроса о передаче электроэнергии на большие расстояния, в том числе первым в 1880 году сформулировал условия для этого.

Проблему передачи электроэнергии на большое расстояние в 1891 году решил российский физик-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский, один из основоположников создания техники трёхфазного тока. Построенная по его проекту линия электропередачи с повышающим и понижающим трансформаторами доставила электроэнергию на невиданные тогда 170 км на международную выставку во Франкфуртена-Майне. Там с этим изобретением познакомилось большое количество специалистов. Пожалуй, именно с этого момента и началась современная электрификация.

Но это ещё предстоит, а пока, в 1890 году, «Наука и жизнь» обсуждает идею приобретать электричество на складах или фабриках, а затем переносить домой в аккумуляторах, храня его, словно керосин в банках. Эта идея не покажется удивительной, если вспомнить, что электромобиль появился раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. В какой-то степени эта идея реализована в современном мире. Нет, мы не ходим на специальные фабрики заряжать аккумуляторы, не храним их в кладовых и не используем для освещения. Но аккумуляторы использует различная мобильная аппаратура и техника, широко распространённая в наше время.

Вообще первый номер журнала вышел в переломное время: совсем недавно, в 1870 году, бельгийский изобретатель Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал электрогенератор, позволивший вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Первые его машины осветили в 1878 году Париж. Тогда же появились и первые ГЭС. В 1879 электричество добралось до Санкт-Петербурга, где первым был освещён Литейный мост, а в 1881 году — до Москвы.

Современные линии электропередачи имеют потери всего 2—3%, но и их можно сократить, используя высокотемпературные сверхпроводники. Несколько таких линий уже действуют в Германии, США, Южной Корее и Японии. Правда, все они имеют довольно малую длину из-за сложности поддержания низких температур и дороговизны. Их достоинство в том, что на них можно подавать электроэнергию с тем напряжением, которое получают на электростанциях (6—20 киловольт) без повышения. Его так и называют — генераторным. При этом отпадает необходимость в сложных и дорогих трансформаторных подстанциях высокого напряжения.

Самая длинная из сверхпроводящих линий электропередачи запущена в 2014 году в Германии. Она имеет длину один километр и использует напряжение 10 киловольт, придя на замену обычной линии с напряжением 110 киловольт.

В России в 2020 году собираются запустить сверхпроводящую кабельную линию длиной 2,5 километра. Предполагается, что эта линия, рассчитанная на ток 2500 Ампер и напряжение 20 киловольт, соединит две подстанции в Санкт-Петербурге. В ней будет использован высокотемпературный сверхпроводник Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x с критической температурой 108 Кельвинов (‒165 градусов Цельсия). До такой «высокой» температуры сверхпроводящего состояния проводник можно охлаждать просто жидким азотом. Система охлаждения будет забирать 0,5% передаваемой мощности.

Другой упомянутый в статье способ утилизации природной, а именно солнечной энергии, запатентованный американским химиком и изобретателем Эдвардом Вестоном (в статье Уестон), — предшественник солнечной электроэнергетики. Использованные Вестоном термоэлектрические батареи основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрическом эффекте. Он заключается в том, что если две проволоки из разных металлов в одном месте соединить, то между двумя другими концами возникнет разность потенциалов, если эти концы и место соединения имеют разную температуру. Такое соединение двух металлов (термопара) в этом случае ведёт себя как гальванический элемент и может использоваться как источник тока.

Первую термобатарею для исследования эффекта создали в 1823 году Xанс Эрстед и Жан-Батист Фурье. Она содержала спаянные друг с другом в чередующемся порядке висмутовые и сурьмяные пластины. Один ряд спаев нагревался пламенем свечи, другой охлаждался льдом. Одним из первых применил термобатарею в качестве источника тока Георг Ом в 1826 году. К концу XIX века было изобретено большое число различных термобатарей, работавших от различных источников тепла. Заслуга Вестона в том, что он предложил в качестве источника солнечное тепло и использовал для запасания электроэнергии аккумуляторы.

В настоящее время подобные устройства называют термоэлектрическими генераторами (термоэлектрогенераторами). Они нашли своё применение, как правило, для работы в труднодоступных местах, где не требуется большая мощность. В частности, ими оснащают космические аппараты («Кассини», «Новые горизонты» и др.), уходящие в дальний космос, где нельзя использовать солнечные батареи. Они использую тепло радиоактивного распада (радиоизотопные источники).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ассорти для героя Ассорти для героя

Большой шоколадный квест по Бельгии

Вокруг света
Старк и Лувр Старк и Лувр

У парижского отеля–паласа Le Meurice масса достоинств

SALON-Interior
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Правила жизни Брижит Бардо Правила жизни Брижит Бардо

Актриса, модель, защитница животных

Esquire
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
Как начать новый год правильно? Как начать новый год правильно?

Оказывается, мы сами не пускаем перемены в нашу жизнь

Cosmopolitan
Археология в 2019 году: несколько интересных находок Археология в 2019 году: несколько интересных находок

Интересные археологические находки 2019 года

Наука и жизнь
Пернатые дельфины наших дворов. Статья о непростых птицах воронах Пернатые дельфины наших дворов. Статья о непростых птицах воронах

Эдгар По гордился бы нами: мы тоже увековечили ворона!

Maxim
Зона комфорта Зона комфорта

Конфликт поколений: как всем ужиться под одной крышей

Лиза
7 гастрономических трендов, с которыми пора распрощаться в 2020 году 7 гастрономических трендов, с которыми пора распрощаться в 2020 году

Семь гастрономических трендов, с которыми пора распрощаться

Playboy
Новая «Арктика» Новая «Арктика»

Атомоходы ЛК-60Я заменят ледоколы прошлых поколений

Популярная механика
Амбарцум Кабанян: «Что такое успех? Это когда узнают на улице?» Амбарцум Кабанян: «Что такое успех? Это когда узнают на улице?»

Амбарцум Кабаняна — о театре и кино, а заодно об «авгиевых конюшнях» наших дней

РБК
Битва титанов. Как будут наказывать сомневающихся в Путине Битва титанов. Как будут наказывать сомневающихся в Путине

Вячеслав Володин принял на этой неделе тяжелый бой с Аленой Водонаевой

СНОБ
Папу гложет Папу гложет

Проблема татлеровских отцов и детей в 2020‑м — передача состояний

Tatler
Пойдем в кино Пойдем в кино

Повторить маршруты влюбленных киногероев вполне реально

Добрые советы
Что мы чувствуем на самом деле, когда нам скучно Что мы чувствуем на самом деле, когда нам скучно

За скукой могут скрываться более серьезные и глубокие проблемы

Psychologies
Скромный король деталей: каким человеком был Карл Лагерфельд на самом деле Скромный король деталей: каким человеком был Карл Лагерфельд на самом деле

Фрагмент из книги «Тайна по имени Лагерфельд»

Forbes
Как экономить на электроэнергии: 8 советов эксперта Как экономить на электроэнергии: 8 советов эксперта

Предлагаем самые простые и универсальные способы экономии электроэнергии

Популярная механика
Актриса непростого ремесла Актриса непростого ремесла

Катрин Денев — о кино и сельскохозяйственных выставках

GQ
Кевин Кван: Безумно богатая китайская девушка Кевин Кван: Безумно богатая китайская девушка

Отрывок из книги «Безумно богатая китайская девушка»

СНОБ
Мировая война, она же Мелкая пакость Мировая война, она же Мелкая пакость

Стартовая фактура всем известна, не будем повторяться

СНОБ
Деменция в наследство: можно ли уберечь себя? Деменция в наследство: можно ли уберечь себя?

Изменение образа жизни может помочь даже тем, у кого «плохая генетика»

Psychologies
Тест Apple Airpods Pro: отличный комфорт и шумоподавление Тест Apple Airpods Pro: отличный комфорт и шумоподавление

Airpods Pro от Apple показали себя намного лучше, чем обычные наушники Airpods

CHIP
7 причин, почему ты порой не можешь кончить и что с этим делать 7 причин, почему ты порой не можешь кончить и что с этим делать

Неспособность кончить не менее неприятна, чем слишком быстрый финиш

Playboy
6 правил психологической безопасности при знакомствах в интернете 6 правил психологической безопасности при знакомствах в интернете

Сегодня миллионы людей встречают партнеров через интернет

Psychologies
В гонке онлайн-банков мы догнали лидеров В гонке онлайн-банков мы догнали лидеров

Александр Пумпянский — о направлениях развития банков в сфере онлайн

Эксперт
5 способов выработать привычку к занятиям спортом (бро, ты сможешь) 5 способов выработать привычку к занятиям спортом (бро, ты сможешь)

Как сделать выполнение упражнений привычкой

Playboy
Богатейшего человека мира взломали через WhatsApp. Можно ли вообще защитить свой смартфон? Богатейшего человека мира взломали через WhatsApp. Можно ли вообще защитить свой смартфон?

Можно ли вообще защитить свои данные?

Forbes
Хроники безумия: почему нужно смотреть хоррор «Маяк» с Уиллемом Дефо Хроники безумия: почему нужно смотреть хоррор «Маяк» с Уиллемом Дефо

Классифицировать это кино можно как чистое экранное безумие

Forbes
Ближний Восток не будет прежним Ближний Восток не будет прежним

Смерть генерала Сулеймани не привела к третьей мировой войне

Эксперт
Открыть в приложении