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

Время ускорять, время сталкивать Время ускорять, время сталкивать

В Подмосковной Дубне продолжается строительство комплекса NICA

Популярная механика
Клад в лесу Клад в лесу

Архитектор Борис Уборевич-Боровский построил в лесу минималистский павильон

AD
Эйнштейн против Бора. Квантовая механика Эйнштейн против Бора. Квантовая механика

Со смертью Эйнштейна мир стал другим

Наука и жизнь
С кем лучше воровать, болеть и тонуть? С кем лучше воровать, болеть и тонуть?

Кто больше достоин доверия – мужчины или женщины?

Maxim
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
Вам по дороге Вам по дороге

Машины, которые доставят вас в самые отдалённые уголки биосфер

Robb Report
В зиму на выходные В зиму на выходные

Зимой мне очень хочется зимы — настоящей, морозной и снежной

Наука и жизнь
Из Москвы в Петербург Из Москвы в Петербург

Эта квартира для командировок — отличная альтернатива комфортабельному отелю

SALON-Interior
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Основатель бизнеса и его друг инвестор: как не поссориться и вместе заработать деньги Основатель бизнеса и его друг инвестор: как не поссориться и вместе заработать деньги

Как основателю бизнеса и инвестору избежать конфликта

Forbes
Операция «Мавзолей» Операция «Мавзолей»

Как из вождя мирового пролетариата, атеиста и сторонника кремации сделали мумию?

Дилетант
Такие папы нам нравятся Такие папы нам нравятся

Сегодня отцы становятся все включеннее и внимательнее к детям

Домашний Очаг
Железные дороги победы Железные дороги победы

Какую роль играли железные дороги во Второй мировой войне

Дилетант
Человек с винтом. Как Игорь Сикорский вертолет изобретал Человек с винтом. Как Игорь Сикорский вертолет изобретал

Игорь Сикорский — отец вертолета и других отличных летающих штук

Maxim
Два века путешествий Два века путешествий

Русское географическое общество и его архив – собрание редчайших документов

Вокруг света
Правило №49. Как отдохнуть после развода Правило №49. Как отдохнуть после развода

Алексей Ситников готов составить девушке компанию в круизе по реке слез

Tatler
9 самых бесчеловечных видов современного оружия 9 самых бесчеловечных видов современного оружия

Оружие с самым высоким КПД смертоносности надо знать в лицо

Maxim
Женские куртки на синтепоне: стильное утепление Женские куртки на синтепоне: стильное утепление

Пожалуй, куртка на синтепоне – лучшая альтернатива объёмным пуховикам.

Cosmopolitan
Картонные гробы и кладбище с лифтом: как нас будут хоронить в ближайшем будущем Картонные гробы и кладбище с лифтом: как нас будут хоронить в ближайшем будущем

Что делать тем, кто хочет уйти в последний путь экологично и этично?

Forbes
Почему Антарктида не стала частью Российской империи Почему Антарктида не стала частью Российской империи

Ровно 200 лет назад экспедиция обнаружила «Матерую землю»

Maxim
Как разбудить в муже отцовский инстинкт: рассказывает врач (мужчина!) Как разбудить в муже отцовский инстинкт: рассказывает врач (мужчина!)

Мужчины способны заботиться о детях не хуже мам

Cosmopolitan
Автомобилисты нашли способ не платить штрафы. ГИБДД разводит руками Автомобилисты нашли способ не платить штрафы. ГИБДД разводит руками

В ГИБДД выписывают штрафы, которые не могут взыскать

РБК
Что скрыто в сыворотках? Что скрыто в сыворотках?

10 самых популярных вопросов о сыворотках для лица

Лиза
«Наш дом в огне-2»: о чем Грета Тунберг рассказала в Давосе «Наш дом в огне-2»: о чем Грета Тунберг рассказала в Давосе

Активистка Грета Тунберг обвинила политическую элиту в даче пустых обещаний

Forbes
10 вещей, возникших благодаря войнам 10 вещей, возникших благодаря войнам

Война, как ни странно, способна не только на разрушение, но и на созидание

Популярная механика
Раздельно нажитое Раздельно нажитое

Как сохранить теплые отношения, рассчитывая только на собственную зарплату

Cosmopolitan
Реинкарнация или совпадение: история близнецов Дженнифер и Джиллиан Реинкарнация или совпадение: история близнецов Дженнифер и Джиллиан

Существует ли реинкарнация?

Cosmopolitan
Общая картина Общая картина

Иногда коллекционирование показывает ту же окупаемость, что и голубые фишки

Robb Report
Бальзаковский возраст: как технологии помогают осваивать новые профессии Бальзаковский возраст: как технологии помогают осваивать новые профессии

Вероятность остаться без работы для женщин на 20% выше, чем для мужчин

Forbes
Как победить в снежки Как победить в снежки

Учим профессионально кидаться снегом

Maxim
Открыть в приложении