Реферат: Історична роль інженерної діяльності у створенні техніки генерації і використовування електроенергії
Використання електродвигунів дозволяло концентрувати виробництво електричної енергії на крупних електростанціях, що вело до значного здешевлення електроенергії.
З кінця 80-х років починають створюватися перші електростанції, тобто технічні споруди, призначені для виробництва електричної енергії. Електричні станції з'єднуються з споживачами, які вони обслуговують, та по яким відбувається розподіл і передача електричної енергії. Перша електростанція була створена в США Едісоном. Щоб забезпечити масове використовування електричного освітлення, Едісон реалізував в 1882 р. думку про створення централізованої електричної станції.
У зв'язку з будівництвом електричних станцій проблема передачі електроенергії на відстань придбала велике економічне значення. Передача електрики на відстань відкривала можливість створення крупних електростанцій в районах низькосортного палива, різко здешевлювала вартість електроенергії, що сприяло більш глибокому проникненню електрики в промисловість.
Перша електропередача, розрахована на нормальну експлуатацію, була здійснена для електричного освітлення в 1879 р. П.Н. Яблочковим. Проте подальший розвиток передачі електричної енергії на великі відстані затримувався у зв’язку з відсутністю теоретичного аналізу явищ, що відбуваються при цьому. І ось російський електротехнік Лачинов (1842-1902гг.) в 1880 р. опублікував свою працю "Електромеханічна робота", де дослідив роботу електричних машин і математично довів можливість шляхом збільшення напруги передачі будь-яких кількостей електроенергії на значні відстані без великих втрат. Ці дослідження мали величезне значення для розв’язування проблеми передачі електроенергії і для всього подальшого розвитку електротехніки.
Подібні ж теоретичні висновки були сформульовані французьким фізиком М. Депре, який підтвердив їх також і експерементальним шляхом. В 1881 р. на Першому Міжнародному конгресі електриків в Парижі Депре зробив повідомлення про передачу і розподіл електроенергії. Першу дослідну лінію електропередачі завдовжки в 57 км Депре побудував на Мюнхенській виставці в 1882 р. На цій лінії передавався по телеграфному дроту постійний струм напругою 1500-2000 вольт від генератора, що приводився в рух паровою машиною, до електродвигуна, сполученого з насосом. Проте ця електропередача працювала з перебоями і мала ще дуже низький коефіцієнт корисної дії (22%).
Упровадження передачі електроенергії на відстань довгий час гальмувалося самою природою постійного струму. Річ у тому, що постійний струм унаслідок низької напруги виявився мало придатним для передачі. Великими можливостями в цьому розумінні був змінний струм. Найважливішим етапом розвитку техніки передачі електроенергії був перехід від постійного струму до змінного. Проте відомі у той час електродвигуни змінного струму відрізнялися істотними недоліками, які часто робили їх непридатними для експлуатації. Перед винахідниками встала задача знайти можливість використовувати змінний струм і трансформатори змінного струму для передачі електроенергії на дальні відстані і живлення електродвигунів.
Перший крок в цьому напрямі був зроблений італійським фізиком і електротехніком Г. Феррарисом (1847-1897) в 1885-1888 рр., що запропонував застосувати систему двох змінних струмів, що різняться по фазі на 90 ºС, названу згодом "двофазним" струмом. Ферраріс показав, що за допомогою двофазних струмів можна одержати усередині залізного кільця так зване магнітне поле, що „обертається”.
Надалі цю ідею розробив і упровадив в практику відомий сербський учений, електротехнік Н. Тесла (1856-1943), який створив різні конструкції багатофазних, головним чином двофазних, електродвигунів. Найдоцільнішої в практичному відношенні Тесла рахував двофазну систему. По цій системі в 1896 р. була побудована перша крупна електрична станція двофазного струму - Ніагарська гідроелектростанція в США. Проте і двофазний струм не набув широкого поширення.
Винахід, який дозволив більш раціонально розв'язати проблему передачі енергії на дальні відстані, був зроблений російським інженером М.О. Доливо-Добровольским (1862-1919), який запропонував прийняти для електричної передачі енергії не двофазний змінний струм, а трифазний.
Як дослідним шляхом, так і теоретично Доліво-Добровольській довів, що за допомогою трифазного струму можна одержати таке ж магнітне поле, що обертається, яке одержували Ферраріс і Тесла за допомогою двофазного. Ґрунтуючись на цьому, Доліво-Добровольський і побудував свій двигун трифазного струму, що одержав надалі в електротехніці назва «асинхронного».
Асинхронні двигуни на відміну від синхронних приходять в обертання самостійно при включенні струму. Їх швидкість в певних межах може бути регульована. Для живлення асинхронні двигуни вимагають, як було вже сказано, всього трьох дротів, приєднаних до трьох кінців трьох обмоток статора, другі кінці яких з'єднуються певним чином між собою. Генератори трифазного струму по конструкції нічим не відрізняються від генераторів звичного однофазного змінного струму, за винятком того, що обмотка, в якій індукується електрорухома сила, розбивається не на дві, а на три групи – фази.
Винаходи Доліво-Добровольського знаменували початок нового періоду в електротехніці. Тільки після створення економічно вигідної і технічно нескладної системи трифазного струму, що розв'язала проблему передачі електроенергії на великі відстані, почалося широке упровадження електрики в промисловість.
Рішення проблеми передачі електроенергії на відстань, створення працездатних електричних двигунів, успіхи машинобудівної промисловості дозволили в кінці XIX ст. приступити до переводу міського транспорту на електротягу. В 1879 р. фірма "Сименс і Гальське" на промисловій виставці в Берліні побудувала першу дослідну електричну залізницю. Електроенергія для двигуна подавалася по третій рейці, а відводилася по їздовій рейці. Проте цей трамвай не був придатний в міських умовах.
Подальший розвиток міського господарства все більше і більше вимагало корінних змін в способах пересування в крупних містах. В результаті стали поступово будуватися трамвайні лінії. В 1881 р. поблизу Берліна була пущена перша трамвайна лінія протяжністю близько 2,5 км. Вже в 1895 р. в найбільших містах Європи і США конки замінюються трамваєм.
Завдяки електричній енергії стало можливим більш раціональне використовування природних джерел енергії. Електрична передача дала можливість використовувати дешеву гідравлічну енергію річок, застосовувати малоцінне паливо – малокалорійні сорти кам'яного вугілля, вугільний пил, торф і т.д. Електрична енергія в повному розумінні слова вчинила революцію в енергетиці і цим самим створила умови для нового колосального технічного прогресу.
4. Технічний прогрес в теплоенергетиці
Удосконалення і розвиток парового двигуна в кінці XIX ст. відбувалося під безпосереднім впливом електротехніки. 90-е роки XIX ст. характеризуються широким будівництвом електростанцій. Розвиток електроенергетики зажадав створення нового швидкохідного економічного двигуна.
У цей період в різних країнах з'являється цілий ряд конструкцій парових машин з числом оборотів від 200 до 500 в хвилину, призначених спеціально для потреб електростанцій, але як би не удосконалювалися парові машини, вони не могли цілком задовольнити вимоги, що пред'являються до них енергетикою. Більшість парових машин була малопотужною і могла застосовуватися лише на невеликих електростанціях. Крупні електростанції обслуговувалися в більшості випадків величезними паровими машинами з невеликим числом оборотів, що споживали колосальну кількість палива, що вельми здорожувало вартість електроенергії. Таким чином, з перших же кроків розвитку електротехніки виникла гостра потреба в спеціальному швидкохідному могутньому і економічному двигуні для електростанцій. Технічні передумови для створення нового теплового двигуна в кінці XIX ст. були в наявності. Техніка виробництва спеціальних сплавів і механічна обробка металів досягли високого рівня. Були вивчені властивості водяної пари і закони її витікання. Успішно розвивалося також вчення про опір матеріалів і теорія пружності. Винахід нового теплового двигуна – парової турбіни – з'явилося відповіддю на запити машинного виробництва.
З самого початку свого практичного вживання турбіна володіла рядом переваг в порівнянні з паровою машиною. Вона набагато простіше і зручніше здійснювала принцип безперервного обертального руху, ніж поршнева парова машина. Турбіна могла розвивати швидкість ходу майже до необмежених розмірів, що обчислювалися десятками тисяч оборотів в хвилину. Нарешті, потужність будь-якої турбіни набагато перевершувала потужність навіть найбільшої парової машини.
Ідея використовування кінетичної енергії пари для отримання обертального руху знайшла вперше своє втілення в кулі Герона, що крутиться. Цей прилад був прообразом реактивної парової турбіни. Іншою "машиною", що використовує кінетичну енергію пари для свого обертання, було відоме "колесо" італійського ученого Бранка (XVII ст.). Воно оберталося завдяки тому, що пара з котла витікала на лопаті горизонтального колеса з осередками. Цей пристрій був не чим іншим, як примітивною активною паровою турбіною.
Над створенням парової турбіни винахідники різних країн працювали тривалий час. З 1880 по 1890 р. в Англії було видано 52 патенти на парові турбіни, а з 1890 по 1900 р. – 186. Найвдаліші технічні рішення цієї проблеми дали швед К. Лаваль і англієць Ч. Парсонс.
Шведський інженер Карл Густав де Лаваль (1845-1921) походив із старовинної французької сім'ї, що емігрувала до Швеції в кінці XVI ст. під час переслідування гугенотів. Ідея парової турбіни виникла у Лаваля при роботі над сепаратором для молока. Оскільки парова машина не могла забезпечити велику швидкість обертання валу сепаратора (6-7 тис. об/мин), Лаваль, для того, щоб не застосовувати в сепараторі складних передач, прямо на осі сепаратора помістив реактивну турбіну найпростішого типу. Цей винахід був запатентований Лавалем в 1883 р.
У 1889 р. Лаваль створює нову, складнішу одноступінчату реактивну турбіну. Принцип дії турбіни Лаваля полягав в наступному: чотири труби, так звані парові сопла, підводили під гострим кутом пар до лопаток колеса, укріпленого на валу. Пара, що поступала в сопла під високим тиском з незначною швидкістю і покидала їх з великою швидкістю і при низькому тиску, текла по лопатках і виходила з протилежної сторони колеса. Його тиск на увігнуту сторону лопаток викликав обертання колеса і проводив механічну роботу. Турбіна Лаваля була найпростішою активною паровою турбіною, в якій струмінь пари з великою швидкістю прямував на лопатки колеса.
Турбіни Лаваля зіграли велику роль в історії турбобудування. При їх конструюванні було поставлено і розв’язано багато основних питань турбобудування. Проте, хоча турбіна Лаваля і сприяла подальшому розвитку турбобудування, через недосконалість конструкції вона не набула великого поширення.
Рішуче зрушення в справі використовування парових турбін на електричних станціях провела турбіна англійського інженера Чарльза Парсонса (1854-1931), що створив першу турбіну в 1884-1885 рр. Парова турбіна Парсонса принципово відрізнялася від турбіни Лаваля. В ній була застосована багатоступінчата конструкція реактивного типу.
Турбіна Парсонса складалася з ряду поміщених на одному валу вінців лопаток особливої конструкції: між вінцями лопаток, що обертаються, поміщалися нерухомі ряди таких же лопаток, направлених в протилежну сторону. Ці так звані реактивні лопатки і складають особливість винаходу Парсонса. Реактивні лопатки Парсонса були апаратом, в якому відбувалося перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію і перетворення останньої в механічну роботу. Парсонс надав лопаткам форму, при якій перетин між лопаточних каналів зменшувався по напряму закінчення пари. Таким чином, лопатки Парсонса утворювали як би насаджені на вал сопла, з яких, розширяючись, закінчується пара. Механічна робота при цьому виходила як за рахунок активної, так і за рахунок реактивної дії парового струменя. В протилежність одноступінчатій турбіні Лаваля, де енергія тиску пари вся відразу в соплі перетворювалася в енергію руху, турбіна Парсонса була багатоступінчатою. В цій турбіні енергія тиску, поступово знижуючись із ступеня на ступінь, від одного вінця лопаток до іншого, перетворювалася на енергію руху.
Турбіни Парсонса набули набагато більше поширення, ніж турбіни Лаваля. Вони з самого свого виникнення були розраховані для використовування на електростанціях, гостро потребуючих в подібного роду двигунах.
У 1899 р. французький інженер Огюст Рато створив активну багатоступінчату турбіну, яка була в порівнянні з турбіною Парсонса новим кроком в турбобудуванні. В ній утілилися нові технічні принципи конструювання турбін. Турбіна Рато набула велике поширення в Європі, особливо в Швейцарії, Німеччині і Франції. Вона виявилася більш економічною, ніж турбіна Парсонса. В Америці велике поширення набула турбіна Ч. Кертіса, яка також була активною багатоступінчатою турбіною.
До кінця даного періоду потреба в новому тепловому двигуні була повністю задоволена. Була створена могутня парова турбіна, що цілком задовольнила потреби електроенергетики, що швидко розвивалася. Промисловість розвинених капіталістичних країн освоїла виробництво парових турбін великої потужності, що володіли великою швидкохідністю.
5. Зростання вживання електрики
Характерною особливістю розвитку техніки після першої світової війни є швидко зростаюче вживання електрики у всіх галузях техніки. Впродовж XX ст. вироблення електроенергії постійно ростло. З 1900 по 1957 р. виробітка електроенергії в капіталістичних країнах виросла майже в 100 разів. В 1900 р. у всьому світі було вироблено 15 млрд. квт-ч електроенергії, в 1913 р. виробітка електроенергії склала вже 35-40 млрд. квт-ч. Перед другою світовою війною (1938 р.) виробіток електроенергії досяг 456 млрд. квт-ч. Після другої світової війни виробництво електроенергії продовжувало рости. В 1950 р. було вироблено 950 млрд. квт-ч, в 1952 р. - 1017 млрд. квт-ч, в 1954г. – 1346 млрд. квт-ч, а в 1957 р. тільки в капіталістичних країнах було вироблено 1470 млрд. квт-ч, причому майже половина її доводилася на частку США.