Электрификация - Electrification
Электрификация - это процесс питания от электричества и, во многих контекстах, введение такой энергии путем перехода от более раннего источника питания.
Широкое значение этого термина, например, в истории технологий , экономической истории и экономического развития , обычно применяется к региону или национальной экономике. Вообще говоря, электрификация была расширением систем производства и распределения электроэнергии, которые произошли в Великобритании, Соединенных Штатах и других ныне развитых странах с середины 1880-х годов примерно до 1950 года и все еще продолжаются в сельских районах в некоторые развивающиеся страны . Это включало переход в производстве от линейного вала и ременной передачи с использованием паровых двигателей и гидроэнергии к электродвигателям .
Электрификацию отдельных отраслей экономики называют такие терминами, как фабричная электрификация , электрификация бытовой , электрификация сельской местности или электрификация железных дорог . Это также может применяться к изменению промышленных процессов, таких как плавка, плавление, отделение или рафинирование угля или кокса, или химических процессов к некоторым типам электрических процессов, таких как электродуговая печь , электрическая индукция или резистивный нагрев, или электролиз или электролитическое разделение.
Электрификация была названа Национальной инженерной академией «величайшим инженерным достижением 20 века» .
История электрификации
Самыми ранними коммерческими применениями электричества были гальваника и телеграф .
Разработка магнето, динамо-машин и генераторов
В 1831–1832 годах Майкл Фарадей открыл принцип действия электромагнитных генераторов. Принцип, позже названный законом Фарадея , заключается в том, что электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, который подвергается изменяющемуся магнитному потоку , как, например, провод, движущийся через магнитное поле. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея , тип униполярного генератора , использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита . Он производил небольшое постоянное напряжение.
Примерно в 1832 году Ипполит Пиксий усовершенствовал магнето, применив подкову с проволочной намоткой , с дополнительными катушками проводника, генерирующими больший ток, но это был переменный ток. Андре-Мари Ампер предложил способ преобразования тока из магнето Pixii в постоянный ток с помощью качающегося переключателя. Позже сегментированные коммутаторы использовались для производства постоянного тока.
Уильям Фотергилл Кук и Чарльз Уитстон разработали телеграф примерно в 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. Динамо-машина с самовозбуждающимся магнитным полем отказалась от батареи для питания электромагнитов. Этот тип динамо-машины был изготовлен несколькими людьми в 1866 году.
Первый практический генератор, машина Gramme , был изготовлен ZT Gramme, который продал многие из этих машин в 1870-х годах. Британский инженер REB Crompton улучшил генератор, чтобы обеспечить лучшее охлаждение воздуха, и внес другие механические улучшения. Составная обмотка, дававшая более стабильное напряжение с нагрузкой, улучшала рабочие характеристики генераторов.
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 самый высокий КПД превышал 90%.
Электрическое освещение
Дуговое освещение
Сэр Хамфри Дэви изобрел угольную дуговую лампу в 1802 году, когда обнаружил, что электричество может производить легкую дугу 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 уголь после зажигания дуги, а второй управлял тормозом подачи под действием силы тяжести.
Дуговые лампы того времени имели очень интенсивный световой поток - в диапазоне 4000 свечей (кандел) - и выделяли много тепла, и они были опасными для возгорания, что делало их непригодными для освещения домов.
В 1850-х годах многие из этих проблем были решены с помощью дуговых ламп, изобретенных Уильямом Петри и Уильямом Стэйтом. В лампе использовался магнитоэлектрический генератор и саморегулирующийся механизм для регулирования зазора между двумя угольными стержнями. Их свет использовался для освещения Национальной галереи в Лондоне и был большой новинкой в то время. Эти дуговые лампы и подобные им конструкции, работающие от больших магнето, были впервые установлены на английских маяках в середине 1850-х годов, но ограничения мощности помешали этим моделям добиться должного успеха.
Первая удачная дуговая лампа была разработана русским инженером Павлом Яблочковым и использовала генератор Грамма . Его преимущество заключалось в том, что он не требовал использования механического регулятора, как его предшественники. Впервые он был выставлен на Парижской выставке 1878 года и активно продвигался Граммом. В 1878 году дуговая лампа была установлена вдоль авеню де л'Опера , площади Французского театра и вокруг площади Оперы длиной в полмили.
Британский инженер РЭБ Кромптон разработал в 1878 году более сложную конструкцию, которая давала гораздо более яркий и устойчивый свет, чем свеча Яблочкова. В 1878 году он основал Crompton & Co. и начал производить, продавать и устанавливать лампы Crompton. Его концерн был одной из первых электротехнических фирм в мире.
Лампы накаливания
У различных форм ламп накаливания были многочисленные изобретатели; однако наиболее успешными из первых ламп были те, в которых использовалась углеродная нить, запаянная в высоком вакууме. Они были изобретены Джозефом Своном в 1878 году в Великобритании и Томасом Эдисоном в 1879 году в США. Лампа Эдисона была более успешной, чем лампа Свона, 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.
Дом Суона в Лоу-Фелле , Гейтсхед, был первым в мире, в котором были установлены работающие лампочки. Библиотека Lit & Phil в Ньюкасле была первым общественным залом, освещенным электрическим светом, а театр Савой - первым общественным зданием в мире, полностью освещенным электричеством.
Центральные электростанции и изолированные системы
Первой центральной станцией, обеспечивающей общественное энергоснабжение, считается, что это станция в Годалминге , графство Суррей, Великобритания, осенью 1881 года. Система была предложена после того, как городские власти не смогли 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.
Первый крупномасштабный центральный распределительный завод был открыт на Виадуке Холборн в Лондоне в 1882 году. Оснащенный 1000 лампами накаливания, которые заменили старое газовое освещение, станция освещала Холборн-Цирк, включая офисы Главпочтамта и знаменитую церковь Городского Храма. . 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 была станция Эдисона на Перл-стрит в Нью-Йорке, которая начала 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.
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 Великобритании, Thomson-Houston Electric Company и Westinghouse в США и Siemens в Германии . К 1890 г. действовало 1000 центральных станций. В переписи 1902 года было зарегистрировано 3620 центральных станций. К 1925 году половину электроэнергии обеспечивали центральные станции.
Коэффициент нагрузки и изолированные системы
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. Как следствие, большинство ранних электрических компаний не предоставляли услуги в дневное время, при этом две трети не обеспечивали дневное обслуживание в 1897 году.
Отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке центральной станции называется коэффициентом загрузки. Чтобы электроэнергетические компании увеличили рентабельность и снизили тарифы, необходимо было увеличить коэффициент загрузки. В конечном итоге это было достигнуто за счет моторной нагрузки. Моторы используются больше в дневное время и многие работают непрерывно. (См .: 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.
К началу ХХ века коэффициент загрузки увеличился - на Перл-стрит 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 двигателя. нагрузка.
До широкого распространения электроэнергии от центральных станций многие фабрики, крупные 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 процессов, </ref> что сегодня известно как когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Большая часть электроэнергии, генерируемой собственными силами, стала нерентабельной из-за падения цен на электроэнергию. Еще в начале 20 века количество изолированных энергосистем значительно превосходило число центральных станций. Когенерация по-прежнему 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 микрогенерацией .
Электродвигатели постоянного тока
Первый коммутаторный электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы, был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. Решающим достижением, которое он представлял по сравнению с двигателем, продемонстрированным Майклом Фарадеем, было включение коммутатора . Это позволило двигателю Sturgeon быть первым, способным обеспечивать непрерывное вращательное движение.
Фрэнк Дж. Спраг усовершенствовал двигатель постоянного тока в 1884 году, решив проблему поддержания постоянной скорости при переменной нагрузке и уменьшив искрение от щеток. Спраг продал свой двигатель через Edison Co.. 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.
Переменный ток
Хотя первые электростанции поставляли постоянный ток , распределение переменного тока вскоре стало наиболее предпочтительным вариантом. Основные преимущества переменного тока заключались в том, что его можно было преобразовать в высокое напряжение для уменьшения потерь при передаче и что двигатели переменного тока могли легко работать с постоянной скоростью.
Технология переменного тока уходит корнями в открытие Майклом Фарадеем 1830–1831 гг., Согласно которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи .
Первым, кто придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который 28 июня 1879 года представил Лондонскому физическому обществу работающую демонстрацию своего многофазного двигателя с батарейным питанием и коммутатора . Практически идентичный аппарату Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депре в 1880 году опубликовал статью, в которой определил принцип вращающегося магнитного поля и двухфазную систему переменного тока для его создания. В 1886 году английский инженер Элиху Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукции-отталкивания и свой ваттметр .
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 , работавший в компании Siemens, сотрудничал с выдающимся физиком лордом Кельвином, чтобы разработать технологию питания переменного тока, включая ранний трансформатор.
Силовой трансформатор , разработанный Люсьен Гаулард и Джона Диксона Гиббс был продемонстрирован в Лондоне в 1881 году и привлекла к себе интерес Westinghouse . Они также выставили изобретение в Турине в 1884 году, где оно было применено для системы электрического освещения. Многие из их проектов были адаптированы к конкретным законам, регулирующим распределение электроэнергии в Великобритании.
Себастьян Зиани де Ферранти занялся этим бизнесом в 1882 году, когда он 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 лорда Кельвина Ферранти первым изобрел первый генератор переменного тока и трансформатор в 1882 году. Джон Хопкинсон , британский физик , изобрел трехпроводную ( трехфазную ) систему распределения электроэнергии, за что ему была предоставлена патент 1882 г.
Итальянский изобретатель Галилео Феррарис изобрел многофазный асинхронный двигатель переменного тока в 1885 году. Идея заключалась в том, что два противофазных, но синхронизированных тока можно было использовать для создания двух магнитных полей, которые можно было бы объединить для создания вращающегося поля без какой-либо необходимости переключение или для движущихся частей. Другими изобретателями были американские инженеры Чарльз С. Брэдли и Никола Тесла , а также немецкий техник Фридрих Август Хазельвандер . Они смогли решить проблему запуска двигателя переменного тока с помощью вращающегося магнитного поля, создаваемого многофазным током. Михаил Доливо-Добровольский представил первый трехфазный асинхронный двигатель в 1890 году, гораздо более функциональная конструкция, которая стала прототипом, используемым в Европе и США. К 1895 году GE и Westinghouse выпустили на рынок электродвигатели переменного тока. При однофазном токе конденсатор или катушка (создающая индуктивность) могут использоваться в части цепи внутри двигателя для создания вращающегося магнитного поля. Многоскоростные двигатели переменного тока с раздельно подключенными полюсами существуют уже давно, 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 построил английский инженер-электрик Себастьян де Ферранти . В 1887 году Лондонская корпорация электроснабжения наняла Ферранти для проектирования своей электростанции в Дептфорде . Он спроектировал здание, электростанцию и систему распределения. Он был построен в Стоуэдж, участке к западу от устья Дептфорд-Крик, когда-то использовавшемся Ост-Индской компанией . Построенный 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, вырабатывающая высоковольтный переменный ток, который затем был «урезан» трансформаторами для использования потребителями на каждой улице. Эта базовая система по-прежнему используется во всем мире.
В Америке Джордж Вестингауз, который заинтересовался силовым трансформатором, разработанным Голларом 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 Уильяма Томсона (лорд Кельвин), было принято решение построить систему переменного тока, которая была предложена как Westinghouse, так и General Electric. В октябре 1893 года Westinghouse получил контракт на поставку первых трех двухфазных генераторов мощностью 5000 л.с., 250 об / мин, 25 Гц. Гидроэлектростанция была введена в эксплуатацию в 1895 году и на тот момент была крупнейшей из них.
К 1890-м годам однофазный и многофазный переменный ток быстро внедрялся. В США к 1902 году 61% генерирующих мощностей составлял переменный ток, а в 1917 году он увеличился до 95%. 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
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 использовались поршневые паровые двигатели , работающие на относительно низких скоростях. Внедрение паровой турбины коренным образом изменило 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 ленточный редуктор. Было дорого и, в конечном счете, невозможно было обеспечить ременную передачу между тихоходным двигателем и высокоскоростным генератором с очень большими номиналами, необходимыми для обслуживания центральной станции.
Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году британцем сэром Чарльзом Парсонсом , первая модель которого была подключена к динамо-машине , вырабатывающей 7,5 кВт (10 л.с.) электроэнергии. Изобретение паровой турбины Парсона сделало возможным дешевое и обильное электричество. К 1894 году турбины Парсонса были широко представлены на английских центральных станциях; Первой электроснабжающей компанией в мире, которая вырабатывала электроэнергию с помощью турбогенераторов, была собственная электроснабжающая компания Парсонса Newcastle and District Electric Lighting Company , созданная в 1894 году. За время существования Парсона генерирующая мощность блока была увеличена примерно в 10 000 раз. .
Первыми американскими турбинами были две установки De Leval на Edison Co. в Нью-Йорке в 1895 году. Первая американская турбина Parsons была на Westinghouse Air Brake Co. недалеко от Питтсбурга .
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 в разы 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 значительную экономию на масштабе .
Паровые турбины могут быть построены для работы на паре с более высоким давлением и температурой. Фундаментальный принцип термодинамики состоит в том, что чем выше температура пара, поступающего в двигатель, тем выше его КПД. Внедрение паровых турбин стимулировало ряд улучшений в температурах и давлениях. В результате повышенная эффективность преобразования снизила цены на электроэнергию.
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.
Электрическая сеть
С реализацией передачи электроэнергии на большие расстояния стало возможным соединить между собой различные центральные станции для балансировки нагрузок и улучшения коэффициентов нагрузки. Межсетевые соединения становились все более востребованными по мере быстрого роста электрификации в первые годы 20-го века.
Чарльз Мерц из консалтингового партнерства Merz & McLellan построил электростанцию Neptune Bank возле Ньюкасл-апон-Тайн в 1901 году и к 1912 году превратился в крупнейшую интегрированную энергосистему в Европе. В 1905 году он попытался повлиять на парламент, чтобы унифицировать различные напряжения и частоты в электроэнергетической отрасли страны, но только после Первой мировой войны 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 Отчету Уильямсона 1918 года, который, в свою очередь, создал законопроект о поставках электроэнергии 1919 года. Этот закон стал первым шагом на пути к интегрированной электроэнергетической системе в Великобритании.
Более важный Закон об электроэнергии (поставке) 1926 года привел к созданию Национальной сети. Электричество Совет Центрального стандартизированы нации электроснабжения и установил первый синхронизированные сети переменного тока, работающие на 132 киловольт и 50 Гц . Он начал работать как национальная система, National Grid , в 1938 году.
В Соединенных Штатах после энергетического кризиса летом 1918 года в разгар Первой мировой войны стало национальной задачей консолидация поставок. В 1934 году Закон о холдинговых компаниях коммунального обслуживания признал электроэнергетические компании важным общественным достоянием наряду с газовыми, водопроводными и телефонными компаниями и, таким образом, получил определенные ограничения и регулирующий надзор за их деятельностью.
Электрификация домохозяйств
Электрификация домашних хозяйств в Европе и Северной Америке началась в начале 20 века в крупных городах и в 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 Управление электроснабжения сельских районов , созданное в 1935 году, ввело электрификацию в сельские районы.
Историческая стоимость электроэнергии
Электроэнергетика на центральных станциях обеспечивала электроэнергию более эффективно и с меньшими затратами, чем небольшие генераторы. Капитальные и эксплуатационные расходы на единицу мощности также были дешевле с центральными станциями. Стоимость электроэнергии резко упала в первые десятилетия двадцатого века из-за внедрения паровых турбин и повышения коэффициента 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. Историческую стоимость см. Ayres-Warr (2002), рис. 7.
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 оплачивать электричество за счет страховых сбережений.
Предварительно электрическая мощность
"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, а также 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.
Чтобы паровые двигатели были эффективными, они должны были иметь мощность в 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 половину лошадиных сил, стоила 20 долларов или меньше. Машины для использования лошадей для мощности стоят 300 долларов или меньше.
Многие требования к мощности были меньше, чем у лошади. Цеховые станки, такие как токарные станки по дереву, часто приводились в действие ручкой для одного или двух человек. Бытовые швейные машины приводились в действие ножным педалью; однако фабричные швейные машины приводились в движение паром от линейного вала . Иногда собак использовали на таких машинах, как беговая дорожка, которую можно было приспособить для сбивания масла.
В конце 19 века специально спроектированные здания энергетики сдавали помещения в аренду небольшим магазинчикам. Это здание снабжало жильцов электроэнергией от паровой машины через линейные шахты .
Электродвигатели были в несколько раз более эффективными, чем небольшие паровые двигатели, 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.
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.
Экономические последствия электрификации
Электрификация и экономический рост сильно взаимосвязаны. В экономике было показано, что эффективность производства электроэнергии коррелирует с техническим прогрессом .
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. Период электрификации фабрик и домашних хозяйств с 1900 по 1940 год был периодом высокой производительности и экономического роста.
Большинство исследований электрификации и электрических сетей было сосредоточено на основных промышленных странах Европы и США. В других местах проводное электричество часто передавалось через цепи колониального правления. Некоторые историки и социологи рассматривали взаимодействие колониальной политики и развития электрических сетей: в Индии Рао показал, что региональная политика, основанная на лингвистике, а не на техно-географических соображениях, привела к созданию двух отдельных сетей; в колониальном Зимбабве (Родезия) Чиковеро показал, что электрификация была основана на расовом признаке и служила сообществу белых поселенцев, исключая африканцев; а в «Подмандатной Палестине» Шамир утверждал, что британские концессии на электроэнергию компании, принадлежащей сионистам, усугубили экономическое неравенство между арабами и евреями.
Текущая степень электрификации
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.
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. Недавние приросты были более скромными - к началу 2010-х годов от 81 до 83 процентов населения мира имели доступ к электричеству.
Электрификация для устойчивой энергетики
Поскольку чистая энергия в основном вырабатывается в виде электроэнергии, такой как возобновляемая энергия или ядерная энергия , переход на эти источники энергии требует электрификации конечных пользователей, таких как транспорт и отопление, чтобы мировые энергетические системы были устойчивыми.
Электрификация транспорта
Устойчиво производить электроэнергию легче, чем устойчиво производить жидкое топливо. Таким образом, внедрение электромобилей - это способ сделать транспорт более экологичным. Транспортные средства, работающие на водороде, могут быть вариантом для более крупных транспортных средств, которые еще не получили широкой электрификации, таких как грузовики дальнего следования. Многие методы, необходимые для снижения выбросов от судоходства и авиации, все еще находятся на ранней стадии разработки.
Электрификация отопления
Большая часть населения мира не может позволить себе достаточное охлаждение своих домов. В дополнение к кондиционированию воздуха , которое требует электрификации и дополнительного энергопотребления, потребуются пассивное проектирование зданий и городское планирование для обеспечения устойчивого удовлетворения потребностей в охлаждении. Точно так же многие домохозяйства в развивающихся и развитых странах страдают от нехватки топлива и не могут достаточно обогреть свои дома. Существующие методы отопления часто загрязняют окружающую среду.
Ключевым экологически безопасным решением для отопления является электрификация (тепловые насосы или менее эффективный электрический обогреватель ). По оценкам МЭА, тепловые насосы в настоящее время обеспечивают только 5% потребностей в отоплении помещений и воды во всем мире, но могут обеспечить более 90%. Использование геотермальных тепловых насосов не только снижает общие годовые энергетические нагрузки, связанные с отоплением и охлаждением, но также сглаживает кривую спроса на электроэнергию, устраняя экстремальные пиковые потребности в электроэнергии в летний период.
Переход с природного газа
Чтобы сократить выбросы парниковых газов, защитники окружающей среды предлагают полностью отказаться от природного газа для приготовления пищи и отопления, заменив его электричеством, вырабатываемым из возобновляемых источников. В некоторых городах США начали запрещать подключение газа к новым домам, при этом приняты и находятся на рассмотрении государственные законы, требующие электрификации или запрещающие местные требования. Правительство Великобритании экспериментирует с электрификацией систем отопления домов для достижения своих климатических целей. Керамический и индукционный нагрев для варочных панелей, а также для промышленного применения (например, паровые крекинг-установки) являются примерами технологий, которые можно использовать для перехода от природного газа.
Энергетическая устойчивость
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 нехватку, электроэнергия может производиться из других источников, включая возобновляемые источники . В результате в долгосрочной перспективе это относительно устойчивое средство передачи энергии. 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 за счет хранения энергии в сети и распределенной генерации .
Управление переменными источниками энергии
Солнце и ветер - это переменные возобновляемые источники энергии, которые поставляют электроэнергию с перерывами в зависимости от погоды и времени суток. Большинство электрических сетей было построено для бесперебойных источников энергии, таких как угольные электростанции. Поскольку в сеть интегрируется большее количество солнечной и ветровой энергии, необходимо вносить изменения в энергосистему, чтобы обеспечить соответствие подачи электроэнергии спросу. В 2019 году эти источники произвели 8,5% мировой электроэнергии, и эта доля быстро растет.
Есть разные способы сделать систему электроснабжения более гибкой. Во многих местах ветровая и солнечная энергия дополняют друг друга в дневном и сезонном масштабе: ночью и зимой, когда производство солнечной энергии мало, ветра больше. Связывание различных географических регионов с помощью линий передачи на большие расстояния позволяет в дальнейшем исключить изменчивость. Спрос на энергию можно смещать во времени за счет управления спросом на энергию и использования интеллектуальных сетей , согласовывая время, когда производство переменной энергии является самым высоким. При хранении избыточная энергия может быть высвобождена при необходимости. Создание дополнительных мощностей для выработки энергии из ветра и солнца может помочь обеспечить производство достаточного количества электроэнергии даже в плохую погоду; в оптимальную погоду выработку энергии, возможно, придется сократить . Окончательное несоответствие может быть компенсировано использованием управляемых источников энергии, таких как гидроэлектроэнергия, биоэнергия или природный газ.
Хранилище энергии
.jpg)
Хранение энергии помогает преодолеть барьеры для прерывистой возобновляемой энергии и, следовательно, является важным аспектом устойчивой энергетической системы. Наиболее часто используемым методом хранения является гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия , для которой требуются места с большой разницей в высоте и доступом к воде. Батареи , особенно литий-ионные , также широко используются. Они содержат кобальт , который в основном добывается в Конго , политически нестабильном регионе. Более разнообразный географический выбор поставщиков может обеспечить стабильность цепочки поставок, а их воздействие на окружающую среду может быть уменьшено за счет вторичной переработки и вторичной переработки. Батареи обычно накапливают электричество на короткое время; ведутся исследования технологий, способных работать в течение всего сезона. В некоторых местах были реализованы гидроаккумуляторы и система преобразования электроэнергии в газ с возможностью использования в течение нескольких месяцев.
По состоянию на 2018 год хранение тепловой энергии обычно не так удобно, как сжигание ископаемого топлива. Высокие первоначальные затраты являются препятствием для внедрения. Сезонное хранение тепловой энергии требует большой емкости; он был реализован в некоторых высокоширотных регионах для отопления домов.
Смотрите также
- Электромобиль
- Тепловой носос
- План ГОЭЛРО
- Электроэнергия по странам - Вилки, напряжение и частота
- Система электрификации железной дороги
- Возобновляемая электроэнергия
- Развитие возобновляемой энергетики
- Электрификация сельской местности
использованная литература
Примечания
Библиография
- Хантер, Луи С .; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной энергетики в Соединенных Штатах, 1730–1930, Vol. 3: Передача власти . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0-262-08198-9.
- Холмы, Ричард Лесли (1993). Power from Steam: История стационарного парового двигателя (ред. В мягкой обложке). Издательство Кембриджского университета. п. 244. ISBN 0-521-45834-X.
- Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники . Лондон: Рутледж. ISBN 0-415-14792-1.
- Най, Дэвид Э. (1990). Электрификация Америки: социальные значения новой технологии . Кембридж, Массачусетс, США и Лондон, Англия: MIT Press.
внешние ссылки
-
Словарное определение электрификации в Викисловаре - 20190809 The Truth of Lightning 01 (английский) 2-An`s Safe Zone
- 20190809 The Truth of Lightning 01 (японский) 2-An`s Safe Zone
- 20190809 The Truth of Lightning 02 (английский) 2-An`s Safe Zone
- Zambesi Rapids - Электрификация сельской местности с помощью гидроэнергии. (На французском)
