История развития энергетики: от древности до наших дней

Начало нашей эры, Греция.

Человечество уже давно не воспринимает, свет, горячую воду, тепло, как роскошь. Это всего лишь привычные для нас условия жизни, которые делают наш быт комфортнее. Но когда-то свет, горячая вода, отопление было тем, что можно было загадывать, когда падала звезда.

Еще в первом веке нашей эры (примерно 69 год) греческий изобретатель Герон, впервые использовав движущую силу тепла, изобрел паровой двигатель, который назвал Эолипилом, что означает «шар бога ветров Эола». Герон сконструировал железный шар, который под воздействием выбрасывающегося из него пара вращался вокруг своей оси. Изобретение Герона было преждевременным, его не использовали для облегчения жизни тогдашнего населения, а лишь для введения данной публики в состояние священного трепета перед богами, ну и, конечно, перед жрецами, служившим этим богам. Но как бы оно ни было - это изобретение в дальнейшем перевернуло мир.

А вот видео, где показана современная версия шара Герона:

Средние века, Европа.

Многие с того времени пытались изменить этот мир, создав perpetuum mobile. Но каждый раз оказывалось , что изобретение не оправдывает ожиданий или же вообще не может быть создано. Так ,например, в 1663 году англичанин маркиз Уорчестер анонсировал миру о создании вечного двигателя на паровой тяге и затем практически 40 лет его изобретал, угробив на это все свое состояние, но так и не получив вожделенный агрегат.

До 18 века люди использовали для нужд производства водяные двигатели.

Но, так как водяное колесо не способно передавать воду на большие расстояния все фабрики и заводы приходилось строить на берегах рек, что было не всегда удобно. Приходилось проводить дорогостоящие подготовительные работы (строительство плотин, подведение каналов с водой к зданиям и др). Так же водяное колесо имело малую мощность, его работа зависела от времени года и капризов природы.

Водяная мукомольная мельница 1 век

Испанский изобретатель Йеронимо де Аянс в 1606 году построил паровое устройство для подъема воды на высоту.

Отрывок из рукописи Йеронимо де Аянса.

Наглядное изображение машины де Аянса. Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выдавливал воду наверх. В то же время, ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В).После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь уже пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл, воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.

В 1615 году Саломон де Косс в своей книге «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» описал машину ,работающую за счет упругости пара.

Принцип действия и применение паровых машин был описан в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. Им была издана книга, в которой было собрано более ста изобретений.

В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но тогда не нашлось смелых, готовых рискнуть своими деньгами ради революционной идеи и паровая машина осталась неразработанной.

В 1690 году Дени Папен создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Ученый впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. Принцип действия его двигателя основывался на том, что после охлаждения и конденсации в воду пар занимает в 170 раз меньше пространства, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть сосуд, а потом охладить пар, то давление снаружи сосуда будет гораздо больше ,чем внутри этого сосуда. Таким образом внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд и если поместить в него поршень, то поршень в этот момент начнет двигаться внутрь сосуда.

Исследования Дени Папена легли в основу работ Томаса Севери, который в 1698 году получил патент на установку, которая использовала теплоту сгорания для откачки воды. Труд Севери звучит так: «Новое изобретение для подъема воды для всех видов мельниц с помощью двигательной силы огня.» Позже изобретение нарекли «Машиной Севери» или «огненным двигателем».

Эпоха паровых машин 18-19 веков

Вплоть до 18 века мускулы служили основным источником энергии.

Кстати, именно Севери ввел такое понятие, как «лошадиная сила».

В начале XVIII века произошел прорыв в применении энергии пара. Томас Ньюкомен изобрел машину с цилиндром и поршнем в нем, который двигался под паровым давлением. Пар в цилиндр подавался из котла, который был расположен ниже. Расширяясь в цилиндре пар поднимал поршень вверх, что заставляло часть коромысла, находящегося наверху , опускаться внизи при этом происходил выброс воды всосанной из шахты. Когда поршень поднимался в верхнюю точку, автоматически происходил впрыск холодной воды, что приводило к конденсации пара и возникновению вакуума в цилиндре, благодаря чему, цилиндр начинал своё движение обратно вниз, при этом левая часть коромысла начинала подниматься вверх и в этот момент происходил засос воды из шахты.

Но, паровая машина получилась очень громоздкой и требовала большого количества угля. Соответственно уголь нужно было добывать, затем подвозить к машине и нужны были люди ,которые бы следили за машиной и обслуживали ее.

Наглядное сравнение машин Джеймса Уатта и Ньюкомена:

О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству. Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания. Но 27 мая Ползунов умер от чахотки. Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана. (Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).

На западе же изобретение Джеймса Уатта спровоцировало развитие изобретений в этом направлении:

1804 год изобретают первое рельсовое транспортное средство

1807 год создан первый в мире пароход «Клермонт»

1819 год появляется гибридный корабль «Саванна»

1829 год запомнился рождением первого локомотива

19-20 век: Появление электричества

В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов ,а в 1832 год построен первый генератор электрического тока парижскими техниками братьями Пиксин

Электрогенератор братьев Пиксин, 1831 год.

1867 год появился паровой котел, в том виде, в котором использовался более 100 лет

Паровой котел

И так как в это время одна за другой появились русская дуговая лампа Яблочкова (1876 год) и лампа накаливания Эдисона (1879 год), связав навсегда пламя свечи с романтикой, возникает спрос на электричество. Но технологий, способных передавать электроэнергию на дальние расстояния, пока нет. Для питания осветительных установок в 19 веке использовали блок-станции или как их называли «домовые» станции. Это генераторные станции, задача которых снабжение электроэнергией небольшого числа потребителей, обычно находящихся в пределах одного дома или небольшого городского квартала. Первая блок-станция была построена в Париже для освещения Парижской оперы. В России установкой подобного рода в 1879 году освещался Литейный мост. Только богатые люди могли позволить себе купить оборудование для освещения электричеством ресторана, магазина или парка. Так, например, в саду «Эрмитаж» стояло 24 фонаря, под которыми каждый вечер собиралась публика, чтобы поаплодировать электрическому свету. С ростом числа потребителей росла и потребность в централизации электроснабжения.

В январе 1882 года в Лондоне заработала первая в мире общественная электростанция - это угольная тепловая электростанция. Изобретателем этого источника прогресса всего человечества был объявлен Томас Эдисон.

Ценность централизованной выработки электроэнергии первыми оценили американские предприниматели. И вдохновленные ажиотажем вокруг ламп накаливания несколько финансистов ищут того ,кто сможет построить первую электростанцию на постоянном токе. И здесь снова появляется Томас Эдисон ,который справился с поставленной задачей в сентябре 1882 года. Электростанция «Перл Стрит» освещала Нижний Манхэттен и обеспечивала электричеством 508 потребителей.

Электростанция «Перл Стрит»

Прокладка электрического кабеля ,Нью Йорк,1888 год

В 1883 году в России в Санкт-Петербурге построена первая угольная общественная электростанция, хотя работы по ее строительству начались в 1880 году. Ее возвели на барже рядом с Аничковым мостом. С помощью ее освещали Невский проспект, Зимний дворец и Царское село.

На барже электростанция проработала всего год, а в 1884 году началось строительство Центральной электрической станции «Общества электрического освещения 1886 года». Ее торжественный пуск состоялся в ноябре 1898 года. Она до сих пор работает.

Кстати, в России балерина Матильда Кшесинская первая построила собственную электростанцию на своей даче в Стрельни. В то время, когда электричества еще не было даже ни в Константиновском дворце, находящемся буквально за забором балерины, ни в Петергофе.

В 1884 году американский инженер и предприниматель Джордж Вестингауз начал развивать собственную систему постоянного тока для освещения частных домов. В 1885 году он прочитал в английском техническом журнале Engineering о новых системах переменного тока и стал развивать свою сеть переменного тока.

Данное изобретение позволило строить более мощные тепловые установки для тепловых электростанций и к 1995 году паровые турбины полностью вытеснили паровые машины на крупных тепловых электростанциях.