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

Жизнь в магнитном поле Жизнь в магнитном поле

Как изучают незаметные для органов чувств магнитные эффекты

Наука и жизнь
Тихая гавань. Toyota Corolla против Hyundai Elantra Тихая гавань. Toyota Corolla против Hyundai Elantra

В давно успокоившемся сегменте С сейчас правят бал машины из Азии

РБК
Что «видели» астероиды? Что «видели» астероиды?

Чем астероиды интересны астрономам?

Наука и жизнь
25 фактов об Антарктике 25 фактов об Антарктике

Самая холодная, самая ветреная и самая пустая — Антарктика

Maxim
Михаил Бахтин Михаил Бахтин

Зачем Бахтин понадобился Андропову и почему он так известен в Европе и Штатах?

Дилетант
«Мальчики для битья»: самые критикуемые члены правительства Медведева «Мальчики для битья»: самые критикуемые члены правительства Медведева

Кто из членов уходящего кабинета чаще сталкивался с негативными комментариями

Forbes
Двойной сплошной полицейский. Отчего следователи не могут найти росгвардейца, избивавшего Дарью Сосновскую Двойной сплошной полицейский. Отчего следователи не могут найти росгвардейца, избивавшего Дарью Сосновскую

Митингующие вольны творить что душе угодно

СНОБ
Духи на распив по-донецки Духи на распив по-донецки

Как почувствовать войну, родину и застойную тоску

Русский репортер
Марк Варшавер. Человек на своем месте Марк Варшавер. Человек на своем месте

Я стал директором театра, и сорок лет мы работали душа в душу

Караван историй
8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают 8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают

Да — есть вещи, которые девушки... обычно не предлагают

Playboy
Лучший иностранец России Лучший иностранец России

Фритьоф Нансен был убежден: «Благотворительность — это реальная политика»

Вокруг света
Фамильные ссоры: почему Джоли, Робертс и другие не общаются со звездной родней Фамильные ссоры: почему Джоли, Робертс и другие не общаются со звездной родней

Порой знаменитости тоже сводят общение с некоторыми близкими к минимуму

Cosmopolitan
«Дали ему уехать». Как найти виновника ДТП во дворе «Дали ему уехать». Как найти виновника ДТП во дворе

Даже после предписания полиции записи с камер автомобилисту не выдают

РБК
А так и не скажешь: 49 слов, которые невозможно перевести на русский язык А так и не скажешь: 49 слов, которые невозможно перевести на русский язык

Как одним словом выразить «непреодолимую тягу ущипнуть объект любви»

Esquire
«Не выходи из комнаты»: 5 способов избежать перемен «Не выходи из комнаты»: 5 способов избежать перемен

Пять механизмов, которые служат блоками на пути к росту и обновлению

Psychologies
Клавдия Коршунова: «Как в самом начале пути...» Клавдия Коршунова: «Как в самом начале пути...»

В юности у меня была странная фантазия

Караван историй
Как убрать запах из обуви: пошаговая инструкция по борьбе с неприятностью Как убрать запах из обуви: пошаговая инструкция по борьбе с неприятностью

Как избавиться от запаха в обуви и что вызывает его появление

Playboy
Маска, бывший спецназовец и два черных ящика: как экс-глава Renault сбежал из Японии за $20 млн Маска, бывший спецназовец и два черных ящика: как экс-глава Renault сбежал из Японии за $20 млн

История с бегством Карлоса Гона от судебного процесса напоминает детектив

Forbes
«Никогда не покажу свои дочерям, что я в чем-то не уверена». Почему Марла Соколофф бросила актерство и стала режиссером «Никогда не покажу свои дочерям, что я в чем-то не уверена». Почему Марла Соколофф бросила актерство и стала режиссером

Актрису Марлу Соколофф не устраивали роли, которые ей предлагали

Forbes
Фантастически интересный эксперимент над экономикой: какими были 2010-е Фантастически интересный эксперимент над экономикой: какими были 2010-е

В 2020-е финансовые рынки вполне могут быть успешными

Forbes
Драться и любить Драться и любить

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

Glamour
Магистрали Третьего рейха: проект гигантских железных дорог Магистрали Третьего рейха: проект гигантских железных дорог

Широкомасштабный проект циклопических железных дорог Третьего рейха

Популярная механика
Практические советы для конструктивного общения в паре Практические советы для конструктивного общения в паре

Эти практические советы помогают улучшить навыки общения в семье

Psychologies
Как правильно пользоваться кредитной картой без процентов Как правильно пользоваться кредитной картой без процентов

Научиться не переплачивать и разумно тратить деньги можно

Cosmopolitan
Сказанному верить? Сказанному верить?

Какой информации верить, а в какой стоит усомниться и почему

Лиза
Готовим резервы: главные правила безопасного бэкапа Готовим резервы: главные правила безопасного бэкапа

Не любой бэкап - хороший бэкап

CHIP
Ближе к тексту Ближе к тексту

24 января состоялась Церемония вручения Национальной Премии «Золотой орел»

OK!
«Paul is dead»: как возникла легенда о смерти Пола Маккартни «Paul is dead»: как возникла легенда о смерти Пола Маккартни

Откуда пошло выражение «Paul is dead» и как возник миф о смерти Пола Маккартни

РБК
К 100-летию Федерико Феллини: режиссер в цитатах об искусстве и жизни К 100-летию Федерико Феллини: режиссер в цитатах об искусстве и жизни

Предлагаем познакомиться с мироощущением Федерико Феллини через цитаты режиссера

РБК
Гастрит, язва, нарушение работы желудка: что нужно знать после праздников Гастрит, язва, нарушение работы желудка: что нужно знать после праздников

Что такое нарушение работы пищеварения, гастрит и язва?

Популярная механика
Открыть в приложении