Электрификация - Electrification

Эта статья о системе для производства, передачи, распределения и использования электроэнергии. Для использования в других целях см. Электрификация (значения).
Электрификация

Электрификация это процесс питания от электричество и, во многих контекстах, введение такой мощности путем перехода от более раннего источника питания. Широкое значение термина, например, в история техники, экономическая история, и экономическое развитие, обычно относится к региону или национальной экономике. Вообще говоря, электрификация была результатом производство электроэнергии и распределение электроэнергии системы, которые имели место в Великобритании, США и других нынеразвитый странах с середины 1880-х годов до примерно 1950 года и все еще продолжается в сельских районах в некоторых развивающиеся страны. Это включало переход производства от линейный вал и ременной привод с использованием Паровые двигатели и сила воды к электродвигатели.[1][2]

Электрификацию отдельных секторов экономики называют такими терминами, как электрификация завода, электрификация дома, электрификация сельской местности или же электрификация железных дорог. Это также может относиться к изменению промышленных процессов, таких как плавка, плавление, отделение или рафинирование от нагрева угля или кокса, или химических процессов к некоторым типам электрических процессов, таких как электродуговая печь, электрическая индукция или же сопротивление отопление, или электролиз или электролитическое разделение.

Электрификация была названа «величайшим инженерным достижением ХХ века». Национальная инженерная академия.[3]

История электрификации

Смотрите также: Электричество и Хронология развития электротехники и электроники

Самые ранние коммерческие использования электроэнергии были гальваника и телеграф.

Разработка магнето, динамо-машин и генераторов

Основная статья: Электрический генератор
Диск Фарадея, первый электрический генератор. Магнит в форме подковы (А) создал магнитное поле через диск (D). Когда диск поворачивался, это индуцировало электрический ток радиально наружу от центра к ободу. Ток выходил через скользящий пружинный контакт. м, через внешнюю цепь и обратно в центр диска через ось.

В 1831–1832 гг. Майкл Фарадей открыл принцип действия электромагнитных генераторов. Принцип, позже названный Закон Фарадея, это электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, который подвергается различным магнитный поток, как, например, провод, движущийся в магнитном поле. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный Диск Фарадея, тип униполярный генератор, используя медь диск вращающийся между полюсами подковы магнит. Он производил небольшое постоянное напряжение.

Около 1832 г. Ипполит Пиксий улучшил магнето, используя подкову с проволочной намоткой, с дополнительными катушками проводника, генерирующими больше тока, но это был переменный ток. Андре-Мари Ампер предложил способ преобразования тока от магнето Pixii в постоянный ток с помощью качающегося переключателя. Позже сегментированные коммутаторы использовались для производства постоянного тока.[4]

Уильям Фотергилл Кук и Чарльз Уитстон разработал телеграф около 1838-40 гг. В 1840 году Уитстон использовал разработанное им магнето для питания телеграфа. Уитстон и Кук добились важных улучшений в области производства электроэнергии, используя электромагнит с батарейным питанием вместо постоянного магнита, который они запатентовали в 1845 году.[5] Динамо-машина с самовозбуждением магнитного поля избавилась от батареи для питания электромагнитов. Этот тип динамо-машины был изготовлен несколькими людьми в 1866 году.

Первый практический генератор, Грамм машина, был изготовлен З. Т. Граммом, который продал многие из этих машин в 1870-х годах. Британский инженер Р. Э. Б. Кромптон улучшили генератор, чтобы обеспечить лучшее охлаждение воздуха, и внесли другие механические улучшения. Составная обмотка, дававшая более стабильное напряжение с нагрузкой, улучшала рабочие характеристики генераторов.[6]

Улучшения в технологии производства электроэнергии в 19 веке значительно повысили ее эффективность и надежность. Первые магнето преобразовывали в электричество лишь несколько процентов механической энергии. К концу 19 века максимальный КПД превышал 90%.

Электрическое освещение

Дуговое освещение

Основная статья: Угольная дуговая лампа
Яблочков продемонстрировал свои блестящие дуговые лампы на Парижской выставке 1878 г. Авеню де л'Опера спровоцировал резкую распродажу акций газовых компаний.

сэр Хэмфри Дэви изобрел угольная дуговая лампа в 1802 году, обнаружив, что электричество может производить свет дуга с угольными электродами. Однако он не использовался в значительной степени до тех пор, пока не были разработаны практические способы производства электроэнергии.

Угольные дуговые лампы запускались путем соприкосновения двух угольных электродов, которые затем разделялись в пределах узкого зазора. Поскольку уголь выгорел, зазор приходилось постоянно корректировать. Для регулирования дуги было разработано несколько механизмов. Обычный подход заключался в подаче угольного электрода под действием силы тяжести и поддержании зазора с помощью пары электромагнитов, один из которых втягивал верхний углерод после зажигания дуги, а второй управлял тормозом подачи под действием силы тяжести.[7]

Дуговые лампы того времени имели очень интенсивный световой поток - в пределах 4000 свеча (свечки) - и выделяли много тепла, и они были опасными для пожара, что делало их непригодными для освещения домов.[4]

В 1850-х годах многие из этих проблем были решены с помощью дуговых ламп, изобретенных Уильям Петри и Уильям Стэйт. В лампе использовался магнитоэлектрический генератор и саморегулирующийся механизм для регулирования зазора между двумя угольными стержнями. Их свет использовался, чтобы осветить Национальная галерея в Лондоне и было большой новинкой в ​​то время. Эти дуговые лампы и аналогичные им конструкции, питаемые от больших магнето, были впервые установлены на английских маяках в середине 1850-х годов, но ограничения мощности помешали этим моделям добиться должного успеха.[8]

Первый успешный дуговая лампа разработан российским инженером Павел Яблочков, и использовал Генератор грамма. Его преимущество заключалось в том, что он не требовал использования механического регулятора, как его предшественники. Впервые он был выставлен на Парижская выставка 1878 года и активно продвигалась Граммом.[9] В дуговая лампа был установлен вдоль полумили длины Авеню де л'Опера, Place du Theater Francais и вокруг Place de l'Opéra в 1878 г.[10]

Британский инженер Р. Э. Б. Кромптон в 1878 году разработал более сложную конструкцию, которая давала гораздо более яркий и устойчивый свет, чем свеча Яблочкова. В 1878 году он основал компанию Crompton & Co. и начал производить, продавать и устанавливать лампы Crompton. Его концерн был одной из первых электротехнических фирм в мире.

Лампы накаливания

Различные формы лампы накаливания было множество изобретателей; однако наиболее успешными из первых ламп были те, в которых использовалась углеродная нить, запаянная в высоком вакууме. Они были изобретены Джозеф Свон в 1878 г. в Великобритании и Томас Эдисон в 1879 г. в США. Лампа Эдисона была более успешной, чем лампа Свана, потому что Эдисон использовал более тонкую нить накала, что придало ей более высокое сопротивление и, следовательно, проводило гораздо меньше тока. Эдисон начал коммерческое производство ламп накаливания с углеродной нитью в 1880 году. Промышленное производство ламп Swan началось в 1881 году.[11]

Лебединый дом, в Низкий упал, Гейтсхед, первым в мире установил работающие лампочки. Библиотека Lit & Phil в Ньюкасл, была первой общественной комнатой, освещенной электрическим светом,[12][13] и Савойский театр было первым общественным зданием в мире, полностью освещенным электричеством.[14]

Центральные электростанции и изолированные системы

Электросеть простая - Северная Америка

Считается, что первая центральная станция, обеспечивающая общественное энергоснабжение, находится на Годалминг, Суррей, Великобритания, осень 1881 года. Система была предложена после того, как город не смог прийти к соглашению о ставке, взимаемой газовой компанией, поэтому городской совет решил использовать электричество. Система зажигала дуговые лампы на главных улицах и лампы накаливания на нескольких переулках с гидроэлектростанциями. К 1882 году было подключено от 8 до 10 дворов, всего 57 фонарей. Система не имела коммерческого успеха, и город вернулся на газ.[15]

Первый крупный центральный распределительный завод был открыт в г. Холборн Виадук в Лондоне в 1882 году.[16] Оснащенная 1000 ламп накаливания, которые заменили старое газовое освещение, станция освещала Holborn Circus, включая офисы Главное почтовое отделение и знаменитый Городская храмовая церковь. Питание было постоянным током 110 В; из-за потерь мощности в медных проводах для заказчика это составило 100 В.

В течение нескольких недель парламентский комитет рекомендовал принять знаменательный Закон об электрическом освещении 1882 года, который разрешал лицам, компаниям или местным органам власти лицензировать поставки электроэнергии для любых общественных или частных целей.

Первой крупной центральной электростанцией в Америке был Эдисон. Станция Перл-Стрит в Нью-Йорке, который начал работать в сентябре 1882 года. На станции было шесть динамо-машин Эдисона мощностью 200 лошадиных сил, каждая из которых приводилась в действие отдельным паровым двигателем. Он был расположен в деловом и коммерческом районе и поставлял 110 вольт постоянного тока 85 потребителям с 400 лампами. К 1884 году на Перл-Стрит 508 покупателей было поставлено 10 164 лампы.[17]

К середине 1880-х годов другие электрические компании создавали центральные электростанции и распределяли электроэнергию, в том числе Crompton & Co. и Swan Electric Light Company в Соединенном Королевстве, Томсон-Хьюстон Электрик Компани и Westinghouse в США и Сименс в Германия. К 1890 г. действовало 1000 центральных станций.[7] В переписи 1902 года было зарегистрировано 3620 центральных станций. К 1925 году половину электроэнергии обеспечивали центральные станции.[18]

Коэффициент нагрузки и изолированные системы

Схема электросети на английском языке

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись первые электроэнергетические компании, была почасовая изменчивость спроса. Когда освещение было практически единственным видом использования электроэнергии, спрос был высоким в первые часы перед рабочим днем ​​и в вечерние часы, когда спрос достигал пика.[19] Как следствие, большинство ранних электрических компаний не предоставляли услуги в дневное время, при этом две трети не обеспечивали дневное обслуживание в 1897 году.[20]

Отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке центральной станции называется коэффициентом загрузки.[19] Чтобы электроэнергетические компании повысили рентабельность и снизили тарифы, необходимо было увеличить коэффициент загрузки. В конечном итоге это было достигнуто за счет моторной нагрузки.[19] Моторы используются больше в дневное время и многие работают непрерывно. (Видеть: Непрерывное производство.) Уличные электрические дороги идеально подходили для балансировки нагрузки. Многие электрические железные дороги вырабатывали собственную электроэнергию, а также продавали электроэнергию и управляли распределительными системами.[1]

К началу ХХ века коэффициент загрузки увеличился - на Жемчужная улица коэффициент загрузки увеличился с 19,3% в 1884 году до 29,4% в 1908 году. К 1929 году коэффициент загрузки во всем мире превышал 50%, в основном из-за нагрузки двигателя.[21]

До широкого распространения электроэнергии от центральных станций многие фабрики, большие отели, многоквартирные и офисные здания имели собственное производство электроэнергии. Часто это было экономически привлекательно, потому что отработанный пар можно было использовать для отопления зданий и промышленных предприятий,[7] который сегодня известен как когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Большая часть электроэнергии, вырабатываемой собственными силами, стала неэкономичной, поскольку цены на нее упали. Еще в начале 20-го века количество изолированных энергосистем значительно превосходило число центральных станций.[7] Когенерация до сих пор широко применяется во многих отраслях промышленности, в которых используется большое количество пара и энергии, например, в целлюлозно-бумажной, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Продолжение использования частных электрогенераторов называется микрогенерация.

Электродвигатели постоянного тока

Основные статьи: Электрический двигатель и Двигатель постоянного тока

Первый коммутаторный электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы, был изобретен британским ученым. Уильям Стерджен в 1832 г.[22] Решающее преимущество, которое он представляет по сравнению с двигателем, продемонстрировал Майкл Фарадей было включение коммутатор. Это позволило двигателю Sturgeon быть первым, способным обеспечивать непрерывное вращательное движение.[23]

Фрэнк Дж. Спраг улучшил Двигатель постоянного тока в 1884 году, решив проблему поддержания постоянной скорости при переменной нагрузке и уменьшив искрение от щеток. Спраг продал свой мотор через Edison Co.[24] С помощью двигателей постоянного тока легко изменять скорость, что сделало их пригодными для ряда применений, таких как электрические уличные железные дороги, станки и некоторые другие промышленные применения, где желательно регулирование скорости.[7]

Переменный ток

Основная статья: Переменный ток
Смотрите также: Трансформатор, Передача электроэнергии, и Война токов

Хотя первые электростанции поставили постоянный ток, распределение переменный ток вскоре стал самым популярным вариантом. Основные преимущества переменного тока заключались в том, что его можно было преобразовать в высокое напряжение для снижения потерь при передаче и что двигатели переменного тока могли легко работать с постоянной скоростью.

Переменный ток технология была основана Майкл Фарадей открытие 1830–1831 гг. магнитное поле может вызвать электрический ток в схема.[25]

Трехфазный вращающееся магнитное поле Двигатель переменного тока. Каждый из трех полюсов подключается к отдельному проводу. Каждый провод несет ток на 120 градусов по фазе. Стрелки показывают результирующие векторы магнитной силы. Трехфазный ток используется в торговле и промышленности.

Первым, кто придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который продемонстрировал работоспособную демонстрацию своего устройства с батарейным питанием. многофазный двигатель с помощью коммутатор 28 июня 1879 г. - Лондонскому Физическому обществу.[26] Почти идентичен аппарату Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депре в 1880 году опубликовал статью, в которой идентифицировал принцип вращающегося магнитного поля и принцип двухфазной системы переменного тока, создающей его.[27] В 1886 г. английский инженер Элиу Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукционного отталкивания и его ваттметр.[28]

Это было в 1880-х годах, когда эта технология была коммерчески разработана для крупномасштабного производства и передачи электроэнергии. В 1882 году британский изобретатель и инженер-электрик Себастьян де Ферранти, работаю в компании Сименс сотрудничал с выдающимся физиком Лорд Кельвин новаторская технология питания переменного тока, включая ранний трансформатор.[29]

А силовой трансформатор разработан Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс была продемонстрирована в Лондоне в 1881 году и привлекла внимание Westinghouse. Они также выставили изобретение в Турин в 1884 году, где он был принят для системы электрического освещения. Многие из их проектов были адаптированы к конкретным законам, регулирующим распределение электроэнергии в Великобритании.[нужна цитата ]

Себастьян Зиани де Ферранти занялся этим бизнесом в 1882 году, когда открыл в Лондоне магазин по разработке различных электрических устройств. Ферранти рано поверил в успех системы распределения энергии переменного тока и был одним из немногих экспертов в этой системе в Великобритании. С помощью Лорд Кельвин, Ферранти первым изобрел генератор переменного тока и трансформатор в 1882 г.[30] Джон Хопкинсон, а Британский физик, изобрел трехпроводную (трехфазный ) система распределения электроэнергии, за что ему была предоставлена патент в 1882 г.[31]

Итальянский изобретатель Галилео Феррарис изобрел многофазный переменный ток Индукционный двигатель в 1885 году. Идея заключалась в том, что два противофазных, но синхронизированных тока можно было бы использовать для создания двух магнитных полей, которые можно было бы объединить для создания вращающегося поля без необходимости переключения или движущихся частей. Другими изобретателями были американские инженеры Чарльз С. Брэдли и Никола Тесла, и немецкий техник Фридрих Август Хазельвандер.[32] Они смогли решить проблему запуска двигателя переменного тока с помощью вращающегося магнитного поля, создаваемого многофазным током.[33] Михаил Доливо-Добровольский представила первый трехфазный асинхронный двигатель в 1890 году, гораздо более функциональная конструкция, которая стала прототипом, используемым в Европе и США.[34] К 1895 году GE и Westinghouse выпустили на рынок электродвигатели переменного тока.[35] При однофазном токе конденсатор или катушка (создающая индуктивность) могут использоваться в части цепи внутри двигателя для создания вращающегося магнитного поля.[36] Многоскоростные двигатели переменного тока с раздельно подключенными полюсами уже давно доступны, наиболее распространенными из которых являются двухскоростные. Скорость этих двигателей изменяется путем включения или выключения набора полюсов, что делалось с помощью специального пускателя двигателя для более крупных двигателей или простого переключателя нескольких скоростей для двигателей с малой мощностью.

Электростанции переменного тока

Первую электростанцию ​​переменного тока построили англичане. инженер-электрик Себастьян де Ферранти. В 1887 году Лондонская корпорация электроснабжения наняла Ферранти для проектирования своей электростанции в г. Дептфорд. Он спроектировал здание, электростанцию ​​и систему распределения. Он был построен в Укладка, участок к западу от устья Deptford Creek когда-то использовался Ост-Индская компания. Созданный в беспрецедентных масштабах и являющийся пионером в использовании переменного тока высокого напряжения (10 000 В), он генерировал 800 киловатт и снабжал энергией центр Лондона. После завершения строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, обеспечивающая высоковольтным переменным током, который затем был «урезан» трансформаторами для использования потребителями на каждой улице. Эта базовая система по-прежнему используется во всем мире.

В Америке, Джордж Вестингауз заинтересовавшись силовым трансформатором, разработанным Голардом и Гиббсом, начал разрабатывать свою систему освещения переменного тока, используя систему передачи с повышающим напряжением 20: 1 с понижением. В 1890 году Вестингауз и Стэнли построили систему для передачи энергии на несколько миль в шахту в Колорадо. Было принято решение использовать переменный ток для передачи электроэнергии от Ниагарского энергопроекта до Буффало, штат Нью-Йорк. Предложения, представленные продавцами в 1890 году, включали системы постоянного тока и сжатого воздуха. Комбинированная система постоянного тока и сжатого воздуха оставалась на рассмотрении до конца графика. Несмотря на протесты комиссара Ниагары Уильям Томсон (Лорд Кельвин) было принято решение построить систему переменного тока, которая была предложена как Westinghouse, так и General Electric. В октябре 1893 года Westinghouse заключил контракт на поставку первых трех двухфазных генераторов мощностью 5000 л.с., 250 об / мин, 25 Гц.[37] Гидроэлектростанция заработала в 1895 г.[38] и он был самым большим до той даты.[39]

К 1890-м годам одно- и многофазный переменный ток быстро внедрялся.[40] В США к 1902 году 61% генерирующих мощностей составлял переменного тока, а в 1917 году этот показатель увеличился до 95%.[41] Несмотря на превосходство переменного тока для большинства приложений, несколько существующих систем постоянного тока продолжали работать в течение нескольких десятилетий после того, как переменный ток стал стандартом для новых систем.

Паровые турбины

Основная статья: Паровая турбина

Эффективность паровых первичных двигателей по преобразованию тепловой энергии топлива в механическую работу была решающим фактором в экономической эксплуатации паровых центральных генерирующих станций. В ранних проектах использовалось возвратно-поступательное движение Паровые двигатели, работающих на относительно низких скоростях. Введение паровая турбина коренным образом изменил экономику работы центральной станции. Паровые турбины могли быть изготовлены с большей мощностью, чем поршневые двигатели, и, как правило, имели более высокий КПД. Скорость паровых турбин не менялась циклически во время каждого оборота; делает возможной параллельную работу генераторов переменного тока и повышает стабильность вращающихся преобразователей для производства постоянного тока для тяги и промышленного использования. Паровые турбины работали с более высокой скоростью, чем поршневые двигатели, не ограничиваясь допустимой скоростью поршня в цилиндре. Это сделало их более совместимыми с генераторами переменного тока только с двумя или четырьмя полюсами; между двигателем и генератором не потребовалась коробка передач или ремень для увеличения скорости. Было дорого и в конечном итоге невозможно было обеспечить ременную передачу между тихоходным двигателем и высокоскоростным генератором с очень большими номиналами, необходимыми для обслуживания центральной станции.

Современный паровая турбина был изобретен в 1884 году британцами Сэр Чарльз Парсонс, первая модель которого была подключена к динамо который произвел 7,5 кВт (10 л.с.) электроэнергии.[42] Изобретение паровой турбины Парсона сделало возможным дешевое и обильное электричество. Турбины парсона были широко представлены на английских центральных станциях к 1894 году; первая в мире электроснабжающая компания, которая вырабатывает электроэнергию с использованием турбогенераторы была собственная электроэнергетическая компания Парсонса Компания Newcastle and District Electric Lighting Company, основан в 1894 году.[43] За время жизни Парсона генерирующая мощность блока была увеличена примерно в 10 000 раз.[44]

1899 г. Паровая турбина Парсонса связан напрямую с динамо-машиной

Первыми американскими турбинами были две установки De Leval на Edison Co. в Нью-Йорке в 1895 году. Первая турбина Парсонса в США была на заводе. Westinghouse Air Brake Co. возле Питтсбург.[45]

Паровые турбины также имели капитальные затраты и эксплуатационные преимущества по сравнению с поршневыми двигателями. Конденсат от паровых двигателей был загрязнен маслом и не мог быть использован повторно, в то время как конденсат от турбины чистый и обычно используется повторно. Паровые турбины были меньше по размеру и весу, чем поршневой паровой двигатель сравнимой мощности. Паровые турбины могут работать годами практически без износа. Поршневые паровые машины требовали серьезного обслуживания. Паровые турбины могут изготавливаться с мощностью, намного превышающей мощность любых когда-либо созданных паровых двигателей, что дает важные преимущества. эффект масштаба.

Паровые турбины могут быть построены для работы на паре с более высоким давлением и температурой. Основополагающий принцип термодинамика заключается в том, что чем выше температура пара, поступающего в двигатель, тем выше его КПД. Внедрение паровых турбин стимулировало ряд улучшений в температуре и давлении. В результате повышенная эффективность преобразования снизила цены на электроэнергию.[46]

Удельная мощность котлов была увеличена за счет использования нагнетаемого воздуха для горения и использования сжатого воздуха для подачи угольной пыли. Также была механизирована и автоматизирована транспортировка угля.[47]

Электрическая сеть

Основная статья: Электрическая сеть
На этой черно-белой фотографии показаны строительные рабочие, поднимающие линии электропередач рядом с железнодорожными путями Толедо, Порт Клинтон, железнодорожных путей Лейксайд в сельской местности. Рабочие используют железнодорожный вагон в качестве своего транспортного средства для перевозки грузов и самих себя по линии. Это было сделано примерно в 1920 году.
Строители возводят ЛЭП, 1920 г.

С реализацией передачи электроэнергии на большие расстояния стало возможным соединить между собой различные центральные станции для балансировки нагрузок и улучшения факторов нагрузки. Межсетевые соединения становились все более востребованными по мере быстрого роста электрификации в первые годы 20-го века.

Чарльз Мерц, из Мерц и Маклеллан консалтинговое партнерство, построило Электростанция Neptune Bank возле Ньюкасл-апон-Тайн в 1901 г.,[48] и к 1912 году превратилась в крупнейшую интегрированную энергосистему Европы.[49] В 1905 году он попытался повлиять на парламент, чтобы унифицировать разнообразие напряжений и частот в электроэнергетической отрасли страны, но только после этого Первая Мировая Война что парламент начал серьезно относиться к этой идее, назначив его главой парламентского комитета для решения этой проблемы. В 1916 году Мерц указал на то, что Великобритания могла бы использовать свои небольшие размеры в своих интересах, создав плотную распределительную сеть для эффективного снабжения своей промышленности. Его выводы привели к Отчет Уильямсона 1918 года, который, в свою очередь, положил начало Закону о поставках электроэнергии 1919 года. Этот закон стал первым шагом на пути к интегрированной системе электроснабжения в Великобритании.

Более важный Закон об электроэнергии (поставке) 1926 года привел к созданию Национальной сети.[50] В Центральное управление электроснабжения стандартизировал национальный поставка электричества и установил первую синхронизированную сеть переменного тока, работающую на 132 киловольты и 50 Герц. Это начало действовать как национальная система, Национальная сеть, в 1938 году.

В Соединенных Штатах после энергетического кризиса летом 1918 года в разгар Первой мировой войны стало национальной задачей консолидация поставок. В 1934 г. Закон о холдинговой коммунальной компании признали электроэнергетические компании общественные блага были важны наряду с газовыми, водопроводными и телефонными компаниями и, таким образом, получили определенные ограничения и регулирующий надзор за их деятельностью.[51]

Электрификация дома

Электрификация домашних хозяйств в Европе и Северной Америке началась в начале 20 века в крупных городах и районах, обслуживаемых электрическими железными дорогами, и быстро росла примерно до 1930 года, когда в США было электрифицировано 70% домашних хозяйств.

Сначала в Европе были электрифицированы сельские районы, а в США - Сельское управление электроснабжения Основанная в 1935 году, сельская местность была электрифицирована.[52]

Историческая стоимость электроэнергии

Электроэнергетика на центральных станциях обеспечивала электроэнергию более эффективно и с меньшими затратами, чем небольшие генераторы. Капитальные и эксплуатационные затраты на единицу мощности также были дешевле с центральными станциями.[2] Стоимость электроэнергии резко упала в первые десятилетия двадцатого века из-за внедрения паровые турбины и улучшенный коэффициент нагрузки после внедрения двигателей переменного тока. По мере падения цен на электроэнергию потребление резко возросло, и центральные станции были увеличены до огромных размеров, что привело к значительной экономии за счет масштаба.[53] Историческую стоимость см. Ayres-Warr (2002), рис. 7.[54]

Преимущества электрификации

Преимущества электрического освещения

Электрическое освещение было очень желательно. Свет был намного ярче, чем у масляных или газовых ламп, и сажи не было. Хотя раньше электричество было очень дорого по сравнению с сегодняшним днем, оно было намного дешевле и удобнее, чем газовое или нефтяное освещение. Электрическое освещение было настолько безопаснее, чем нефтяное или газовое, что некоторые компании смогли оплатить электроэнергию за счет страховых сбережений.[1]

Предварительно электрическая мощность

Основная статья: Линейный вал

"Одним из наиболее важных изобретений для класса высококвалифицированных рабочих (инженеров) была бы небольшая движущая сила - возможно, от силы полчеловека до силы двух лошадей, которая могла бы начаться или прекратить свое действие при моментальное уведомление, не требует затрат времени на управление и имеет умеренную стоимость как по первоначальной стоимости, так и по ежедневным расходам ". Чарльз Бэббидж, 1851 г.[55]

Обмолот 1881 г.

Чтобы паровые машины были эффективными, требовалось несколько сотен лошадиных сил. Паровые двигатели и котлы также требовали операторов и обслуживания. По этим причинам самые маленькие коммерческие паровые двигатели имели мощность около 2 лошадиных сил. Это было выше необходимости для многих небольших магазинов. Кроме того, небольшая паровая машина и котел стоили около 7000 долларов, в то время как старая слепая лошадь, которая могла развивать 1/2 лошадиных силы, стоила 20 долларов или меньше.[56] Машины для использования лошадей для мощности стоят 300 долларов или меньше.[57]

Многие требования к мощности были меньше, чем у лошади. Торговые станки, такие как токарные станки по дереву, часто приводились в действие ручкой для одного или двух человек. Бытовые швейные машины приводились в действие педалью; однако фабричные швейные машины приводились в действие паром от линейный вал. Иногда собак использовали на таких машинах, как беговая дорожка, которую можно было приспособить для сбивания масла.[7]

В конце 19 века специально спроектировали электростанции сдавала в аренду помещения небольшим магазинам. Это здание снабжало жильцов электроэнергией от паровой машины через линейные валы.[7]

Электродвигатели были в несколько раз эффективнее небольших паровых двигателей, потому что генерация на центральной станции была более эффективной, чем небольшие паровые двигатели, и потому, что валы и ремни линий имели высокие потери на трение.[2][7]

Электродвигатели были более эффективны, чем энергия человека или животных. Эффективность преобразования корма для животных в работу составляет от 4 до 5% по сравнению с более чем 30% для электроэнергии, вырабатываемой с использованием угля.[58][54]

Экономические последствия электрификации

Основная статья: Массовое производство § история

Электрификация и экономический рост сильно взаимосвязаны.[59] В экономике было показано, что эффективность производства электроэнергии коррелирует с технологический прогресс.[58][59]

В США с 1870 по 1880 год на каждый человеко-час приходилось 0,55 л.с. В 1950 году на каждый человеко-час приходилось 5 л.с., или на 2,8% годового прироста, снизившись до 1,5% с 1930-1950 годов.[60] Период электрификации заводов и домовладений с 1900 по 1940 год был одним из самых высоких. продуктивность и экономический рост.

Большинство исследований электрификации и электрических сетей сосредоточено на основных промышленных странах Европы и США. В других местах проводное электричество часто передавалось по схемам колониального правления. Некоторые историки и социологи рассматривали взаимодействие колониальной политики и развития электрических сетей: в Индии Рао [61] показали, что региональная политика, основанная на лингвистике, а не техно-географические соображения, привела к созданию двух отдельных сетей; в колониальном Зимбабве (Родезия), Чиковеро [62] показал, что электрификация была основана на расовом признаке и служила сообществу белых поселенцев, исключая африканцев; и в Мандатной Палестине, Шамир [63][страница нужна ] утверждали, что уступки британцами электроэнергии компании, принадлежащей сионистам, усугубили экономическое неравенство между арабами и евреями.

Источники энергии для производства электроэнергии

Основная статья: Производство электроэнергии

Большая часть электроэнергии вырабатывается тепловые электростанции или паровые установки, большинство из которых электростанции на ископаемом топливе сжигающие уголь, природный газ, мазут или биотопливо, например древесные отходы и черный щелок от химической варки целлюлозы.

Самая эффективная тепловая система - это комбинированный цикл в котором турбина внутреннего сгорания приводит в действие генератор, используя высокотемпературные газы сгорания, а затем отводит более холодные газы сгорания для выработки пара низкого давления для генерации традиционного парового цикла.

Гидроэлектроэнергия

Основная статья: Гидроэлектроэнергия
Oulu Hydro Energy

Гидроэлектроэнергия использует водяная турбина для выработки энергии. В 1878 году первая в мире схема гидроэлектростанции была разработана в г. Cragside в Нортумберленд, Англия к Уильям Джордж Армстронг. Он использовался для питания одиночного дуговая лампа в его картинной галерее.[64] Старый Электростанция Шелькопф № 1 возле Ниагарский водопад в США начали производить электроэнергию в 1881 году. Эдисон гидроэлектростанция, Завод на улице Вулкан, начал работу 30 сентября 1882 г. в г. Эплтон, Висконсин, мощностью около 12,5 киловатт.[65][66]

Ветряные турбины

Первая электрогенерирующая ветряная турбина была машина для зарядки аккумуляторов, установленная в июле 1887 г. шотландским академиком. Джеймс Блит чтобы осветить свой загородный дом Мэрикирк, Шотландия.[67] Несколько месяцев спустя американский изобретатель Чарльз Ф. Браш построил первую ветряную турбину с автоматическим управлением для производства электроэнергии в Кливленд, Огайо.[67]

Достижения последних десятилетий значительно снизили стоимость энергии ветра, сделав ее одной из наиболее конкурентоспособных альтернативных источников энергии и конкурентоспособной по сравнению с более дорогим природным газом (до сланцевого газа). Основная проблема ветроэнергетики заключается в том, что она является непостоянной и поэтому требует расширения сети и накопления энергии, чтобы быть надежным основным источником энергии.

Геотермальная энергия

NesjavellirPowerPlant edit2

Принц Пьеро Джинори Конти испытал первое геотермальный электрогенератор 4 июля 1904 г. в г. Лардерелло, Италия. Он удачно зажег четыре лампочки.[68] Позже, в 1911 году, здесь была построена первая в мире коммерческая геотермальная электростанция. До 1958 года Италия была единственным промышленным производителем геотермальной электроэнергии в мире. Для выработки пара, используемого в паровых установках с низкой температурой, для выработки пара требуется очень высокая температура под землей у поверхности. Геотермальная энергия используется только в нескольких областях. Италия снабжает всю электрифицированную железнодорожную сеть геотермальной энергией.

Солнечная энергия

Основные статьи: Солнечная энергия и Фотогальваника
Солнечная энергия Крыша Производство солнечной энергии 2666770 CC0

Производство электроэнергии из солнечной энергии напрямую через фотоэлектрические элементы или косвенно, например, путем производства пара для привода паровая турбина генератор.

Текущая степень электрификации

Карта мира, показывающая процент населения в каждой стране, имеющего доступ к сети электроэнергии, по состоянию на 2017 год.[69]
  80.1%–100%
  60.1%–80%
  40.1%–60%
  20.1%–40%
  0–20%

Хотя электрификация городов и домов существует с конца 19 века, около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к электросети в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиардами в 2010 году.[70]

Самый последний прогресс в электрификации произошел между 1950-ми и 1980-ми годами. Огромный прирост был отмечен в 1970-х и 1980-х годах - с 49 процентов населения мира в 1970 году до 76 процентов в 1990 году.[71][72] Последние достижения были более скромными - к началу 2010-х годов от 81 до 83 процентов населения мира имели доступ к электричеству.[73]

Энергетическая устойчивость

Основная статья: Энергетическая устойчивость
Гибридная система питания

Электричество - это «липкая» форма энергии, поскольку она имеет тенденцию оставаться на континенте или острове, где она производится. Он также имеет несколько источников; если один источник испытывает дефицит, электроэнергия может производиться из других источников, в том числе возобновляемые источники. В результате в долгосрочной перспективе это относительно надежное средство передачи энергии.[74] В краткосрочной перспективе, поскольку электроэнергия должна подаваться в тот же момент, когда она потребляется, она несколько нестабильна по сравнению с топливом, которое можно доставлять и хранить на месте. Однако это можно смягчить, если сетевое хранилище энергии и распределенная генерация.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ а б c Най 1990, п.[страница нужна ].
  2. ^ а б c Дивайн младший, Уоррен Д. (1983). «От валов к проводам: историческая перспектива электрификации» (PDF). Журнал экономической истории. 43 (2): 355. Дои:10.1017 / S0022050700029673. Архивировано из оригинал (PDF) на 2019-04-12. Получено 2011-07-03.
  3. ^ Констебль, Джордж; Сомервилл, Боб (2003). Век инноваций: двадцать инженерных достижений, изменивших нашу жизнь. Вашингтон, округ Колумбия: Джозеф Генри Пресс. ISBN  0-309-08908-5.
  4. ^ а б Макнил 1990, п.[страница нужна ].
  5. ^ Макнил 1990, п. 359.
  6. ^ Макнил 1990, п. 360.
  7. ^ а б c d е ж грамм час Хантер и Брайант 1991, п.[страница нужна ].
  8. ^ Макнил 1990 С. 360–365.
  9. ^ Вудбери, Дэвид Оукс (1949). Мера величия: краткая биография Эдварда Уэстона. Макгроу-Хилл. п. 83. Получено 2009-01-04.
  10. ^ Барретт, Джон Патрик (1894). Электричество на Колумбийской выставке. Компания Р. Р. Доннелли и сыновья. п.1. Получено 2009-01-04.
  11. ^ Макнил 1990 С. 366–368.
  12. ^ Гловер, Эндрю (8 февраля 2011 г.). «Александр Армстронг в призыве спасти Лита и Фила». Журнал. Архивировано из оригинал 15 февраля 2011 г.. Получено 8 февраля 2011. Лекционный зал общества был первым общественным залом, освещенным электрическим светом во время лекции сэра Джозефа Суона 20 октября 1880 года.
  13. ^ История в картинках - The Lit & Phil BBC. Проверено 8 августа 2011 г.
  14. ^ Берджесс, Майкл. "Ричард Д'Ойли Карт", Савойя, Январь 1975 г., стр. 7–11.
  15. ^ Макнил 1990, п. 369.
  16. ^ «История общественного питания в Великобритании». Архивировано из оригинал на 01.12.2010.
  17. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 191.
  18. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 242.
  19. ^ а б c Хантер и Брайант 1991 С. 276–279.
  20. ^ Хантер и Брайант 1991, pp. 212, Note 53.
  21. ^ Хантер и Брайант 1991 С. 283–284.
  22. ^ Джи, Уильям (2004). «Осетр, Уильям (1783–1850)». Оксфордский национальный биографический словарь. Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета. Дои:10.1093 / ссылка: odnb / 26748. (Подписка или Членство в публичной библиотеке Великобритании требуется.)
  23. ^ "Двигатели постоянного тока".
  24. ^ Най 1990, п. 195.
  25. ^ Историческая энциклопедия естественных и математических наук, Том 1. Springer. 6 марта 2009 г. ISBN  9783540688310.
  26. ^ Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы: биография гения. Цитадель Пресс. 1998. стр. 24. ISBN  9780806519609.
  27. ^ Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока. Spon. 1895. с.87.
  28. ^ Инновации как социальный процесс. Издательство Кембриджского университета. 13 февраля 2003 г. с. 258. ISBN  9780521533126.
  29. ^ "Никола Тесла - гений электротехники". Архивировано из оригинал на 2015-09-09. Получено 2013-10-06.
  30. ^ «История и хронология питания переменного тока».
  31. ^ Оксфордский национальный биографический словарь: Хопкинсон, Джон Т. Х. Беар
  32. ^ Хьюз, Томас Парк (март 1993 г.). Сети власти. ISBN  9780801846144.
  33. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 248.
  34. ^ Арнольд Хертье; Марк Перлман, ред. (1990). Развитие технологий и структуры рынка: исследования по шумпетерианской экономике. п. 138. ISBN  0472101927.
  35. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 250.
  36. ^ Макнил 1990, п. 383.
  37. ^ Хантер и Брайант 1991 С. 285–286.
  38. ^ А. Мадригал (6 марта 2010 г.). "3 июня 1889 г .: энергия течет на большие расстояния". wired.com. В архиве из оригинала на 2017-07-01. Получено 2019-01-30.
  39. ^ «История электрификации: список важных ранних электростанций». edisontechcenter.org. В архиве из оригинала на 2018-08-25. Получено 2019-01-30.
  40. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 221.
  41. ^ Хантер и Брайант 1991, pp. 253, Note 18.
  42. ^ «Паровая турбина». Замок Бирр Демесне. Архивировано из оригинал 13 мая 2010 г.
  43. ^ Форбс, Росс (17 апреля 1997 г.). «На прошлой неделе состоялся брак, в котором две технологии объединились, возможно, на 120 лет позже». wiki-north-east.co.uk/. Журнал. Получено 2009-01-02.[мертвая ссылка ]
  44. ^ Парсонс, Чарльз А. «Паровая турбина». Архивировано из оригинал на 14.01.2011.
  45. ^ Хантер и Брайант 1991, п. 336.
  46. ^ Steam - его создание и использование. Бэбкок и Уилкокс.
  47. ^ Джером, Гарри (1934). Механизация в промышленности, Национальное бюро экономических исследований (PDF).
  48. ^ Шоу, Алан (29 сентября 2005 г.). «Кельвин к Вейру и далее к GB SYS 2005» (PDF). Королевское общество Эдинбурга.
  49. ^ "Обзор Белфорда 1995". Северный Нортумберленд Интернет.
  50. ^ «Освещение электричеством». Национальный фонд. Архивировано из оригинал на 29.06.2011.
  51. ^ Мазер, А. (2007). Планирование электроэнергетики на регулируемых и дерегулируемых рынках. John, Wiley, and Sons, Inc., Хобокен, Нью-Джерси. 313стр.
  52. ^ Мур, Стивен; Саймон, Джулиан (15 декабря 1999 г.). Величайший век, который когда-либо был: 25 чудесных тенденций за последние 100 лет (PDF). Политический анализ (Отчет). Институт Катона. п. 20 Рис. 16. № 364.
  53. ^ Смил, Вацлав (2006). Преобразование двадцатого века: технические инновации и их последствия. Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п.33. (Максимальный размер турбины вырос примерно до 200 МВт в 1920-х годах и снова примерно до 1000 МВт в 1960 году. С каждым увеличением масштаба происходило значительное повышение эффективности.)}}
  54. ^ а б Роберт У. Эйрес; Бенджамин Варр. «Две парадигмы производства и роста» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-05-02.
  55. ^ Кардуэлл, Д. С. Л. (1972). Технологии и история. Лондон: Хайнеманн. п.163.
  56. ^ Неквалифицированная рабочая сила зарабатывала примерно 1,25 доллара за 10–12-часовой рабочий день. Хантер и Брайант цитируют письмо от Бенджамин Латроб к Джон Стивенс ок. 1814 год - стоимость двух старых слепых лошадей, используемых для питания мельницы, в 20 и 14 долларов. Хорошая упряжная лошадь стоила 165 долларов.
  57. ^ Хантер и Брайант 1991 С. 29–30.
  58. ^ а б Ayres, R.U .; Ayres, L.W .; Уорр, Б. (2003). "Эксергия, власть и работа в экономике США 1900-1998 гг.". Энергия. 28 (3): 219–273. Дои:10.1016 / S0360-5442 (02) 00089-0.
  59. ^ а б Комитет по электроэнергии в экономическом росте Совет по энергетике Комиссия по инженерным и техническим системам Национальный исследовательский совет (1986). Электричество в условиях экономического роста. Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы. С. 16, 40. ISBN  0-309-03677-1 <Available as free .pdf download>
  60. ^ Кендрик, Джон В. (1980). Производительность в США: тенденции и циклы. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 97. ISBN  978-0-8018-2289-6.
  61. ^ Рао, Ю. Сриниваса (2010) «Электроэнергия, политика и региональный экономический дисбаланс в Мадрасе во время президентства, 1900–1947». Экономический и политический еженедельник 45 (23), 59–66
  62. ^ Чикауэро, Моисей (2007) «Субальтернирующие течения: электрификация и политика власти в Булавайо, колониальное Зимбабве, 1894–1939». Журнал южноафриканских исследований 33 (2), 287–306
  63. ^ Шамир, Ронен (2013) Текущий поток: электрификация Палестины. Стэнфорд: Издательство Стэнфордского университета
  64. ^ Ассоциация промышленной археологии (1987). Обзор промышленной археологии, Том 10-11. Издательство Оксфордского университета. п. 187.
  65. ^ «Гидроэнергетика - энергия падающей воды». Clara.net.
  66. ^ Хронология энергетики - гидроэнергетика
  67. ^ а б "Джеймс Блит". Оксфордский национальный биографический словарь. Oxford University Press. Получено 2009-10-09.
  68. ^ Tiwari, G.N .; Госал, М.К. Возобновляемые источники энергии: основные принципы и применение. Alpha Science Int'l Ltd., 2005 г. ISBN  1-84265-125-0
  69. ^ «Доступ к электричеству (% населения)». Данные. Всемирный банк. Получено 5 октября 2019.
  70. ^ Устранение разрыва в доступе к электроэнергии в странах Африки к югу от Сахары: почему города должны быть частью решения
  71. ^ «МЭА - Доступ к энергии». worldenergyoutlook.org.
  72. ^ Хишам Зерриффи (2008). «От ac¸aı´ к доступу: распределенная электрификация в сельских районах Бразилии» (PDF). Международный журнал управления энергетическим сектором. Изумруд Групп Издательство. 2 (1): 90–117. Дои:10.1108/17506220810859114. ISSN  1750-6220. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-06-10.
  73. ^ Фонд Thomson Reuters. «Рост населения подрывает устойчивые достижения в области энергетики - доклад ООН». trust.org.
  74. ^ "Наше электрическое будущее - американец, журнал идей". American.com. 2009-06-15. Архивировано из оригинал на 2014-08-25. Получено 2009-06-19.

Библиография

внешняя ссылка