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

Алюминиевый век Алюминиевый век

История учит нас, что человечество достигло настоящей цивилизации

Наука и жизнь
«Дорога пролетела как один миг». Чем известен министр Евгений Дитрих «Дорога пролетела как один миг». Чем известен министр Евгений Дитрих

Несколько интересных фактов о министре транспорта Евгении Дитрихе

РБК
Огнем и волной Огнем и волной

3D-печать на сегодня – один из столпов мирового технического прогресса

Популярная механика
Кто подставил «Кролика Джоджо»: почему в России не выйдет в прокат комедия про Гитлера Кто подставил «Кролика Джоджо»: почему в России не выйдет в прокат комедия про Гитлера

Как воображаемый Гитлер стал персонажем, о котором можно наконец-то пошутить

Forbes
В зиму на выходные В зиму на выходные

Зимой мне очень хочется зимы — настоящей, морозной и снежной

Наука и жизнь
«Дело Ричарда Джуэлла»: крепкая драма Клинта Иствуда про теракт на Олимпиаде в Атланте, где герой становится подозреваемым «Дело Ричарда Джуэлла»: крепкая драма Клинта Иствуда про теракт на Олимпиаде в Атланте, где герой становится подозреваемым

Клинт Иствуд снял крепкое и актуальное в эпоху fake news кино

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

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
10 секретов успешных сториз 10 секретов успешных сториз

О секретах привлечения подписчиков с помощью сториз

Cosmopolitan
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
5 шагов к музыкальной карьере от молодой певицы и композитора 5 шагов к музыкальной карьере от молодой певицы и композитора

Упорство, коммуникабельность и безграничный оптимизм помогут достичь многого

Cosmopolitan
Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
8 неожиданных фактов о голубях 8 неожиданных фактов о голубях

Ты привык считать голубей тупыми, а они хотят захватить власть во всем мире

Maxim
Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант
«Маленькие женщины»: Как Грета Гервиг переосмыслила фундаментальный американский роман «Маленькие женщины»: Как Грета Гервиг переосмыслила фундаментальный американский роман

Грета Гервиг по-своему перечитала роман и расставила современные акценты

Esquire
Мы созданы для жизни вдвоем? Мы созданы для жизни вдвоем?

Люди предназначены для жизни вдвоем или в одиночестве?

Psychologies
Драться и любить Драться и любить

Лет 20 назад простой парень Чарли Ханнэм мечтал писать сценарии и снимать кино

Glamour
В мясе надо разбираться: степень прожарки стейка (названия и правила приготовления) В мясе надо разбираться: степень прожарки стейка (названия и правила приготовления)

Степени прожарки стейка: названия и способы приготовления

Playboy
История болезни: двойная мораль История болезни: двойная мораль

Коммунистические вожди не доверяли своё здоровье отечественным медикам

Дилетант
7 таинственно исчезнувших путешественников 7 таинственно исчезнувших путешественников

На одного путешественника, вернувшегося домой, приходилось десять исчезнувших

Maxim
Старк и Лувр Старк и Лувр

У парижского отеля–паласа Le Meurice масса достоинств

SALON-Interior
Прощай, легенда: жизнь Коби Брайанта на корте и за его пределами Прощай, легенда: жизнь Коби Брайанта на корте и за его пределами

Великий атлет запомнился не только спортивными достижениями

Forbes
Яхтинг: исследуем самые красивые побережья мира Яхтинг: исследуем самые красивые побережья мира

Рассекать волны на высокой скорости или спокойно отдыхать в любимой бухте?

GQ
Бег с отягощением Бег с отягощением

Фантастический рассказ

Наука и жизнь
Пафосный мажор или парнишка из низов: все о новом парне Бузовой Давиде Манукяне Пафосный мажор или парнишка из низов: все о новом парне Бузовой Давиде Манукяне

В конце прошлого года Ольга Бузова осчастливила своих фанатов

Cosmopolitan
Любить «по-взрослому»: как общаться, чтобы отношения стали крепче Любить «по-взрослому»: как общаться, чтобы отношения стали крепче

Обвиняя друг друга, мы можем разрушить даже самые ценные отношения

Psychologies
Втроем не получится! 13 скандальных любовных треугольников Голливуда Втроем не получится! 13 скандальных любовных треугольников Голливуда

Любой фактор может помешать настоящей любви голливудских звезд

Cosmopolitan
Что скрыто в сыворотках? Что скрыто в сыворотках?

10 самых популярных вопросов о сыворотках для лица

Лиза
Опасные «доедалки»: 6 блюд, которые нельзя оставлять вне холодильника Опасные «доедалки»: 6 блюд, которые нельзя оставлять вне холодильника

Продукты, которые нельзя оставлять в приготовленном виде на долгий срок

Playboy
6 сериалов для запойного просмотра 6 сериалов для запойного просмотра

Лучшие продолжительные телешоу, которые гарантированно скрасят наступивший 2020

Esquire
Что купить за 6 млн: обновленный Range Rover Sport Что купить за 6 млн: обновленный Range Rover Sport

Несколько фактов об очень харизматичном внедорожнике за 100 тысяч долларов

РБК
Открыть в приложении