Первые попытки полезного применения электричества были предприняты во второй половине XIX века, а основными направлениями стали электромагнитный телеграф, гальванотехника, военная техника (мины с электрическим взрывателем).
Источниками электричества вначале служили гальванические элементы, состоявшие из двух электродов, в которых энергия химических реакций превращается в электрическую. Их КПД довольно высок (до 90%), так как превращение одного вида энергии в другой совершается без промежуточной тепловой стадии, а электродные процессы в некоторых случаях близки к обратимым. Однако они создают слишком малые электродвижущие силы (1-2 В), которых совершенно недостаточно для производства электроэнергии в значительных объемах.
В 1832 году француз Ипполит Пикси построил динамо-машину, основанную на принципе электромагнитной индукции, открытом в 1821 году англичанином Майклом Фарадеем. В машине Пикси имелся статор, создающий магнитное поле и несколько обмоток, которые в нем вращались. Ток (индуцированное переменное напряжение) снимался с помощью механического коммутатора. По сути, это был первый электрогенератор, наиболее знаменательными датами усовершенствования которого, согласно традиции русской электротехнической школы, являются следущие:
1856 год - изобретение немцем Вернером Сименсом, так называемого двойного Т-образного якоря.
1860 год - изобретение итальянцем Антонио Пачинотти кольцевого якоря с коллектором.
1867 год - открытие В. Сименсом динамометрического принципа.
1870 год - изобретение (вторичное) бельгийцем Теофилом Граммом кольцевого якоря.
1872 год - изобретение немцем Фридрихом Хефнер-Альтенеком барабанного якоря.
1885 год - создание венграми К. Циперновским, М. Дери и О. Блати первого технического трансформатора.
1888 год - открытие итальянцем Галилео Феррарисом и сербом Никола Тесла принципа вращающихся магнитных полей.
1891 год - создание Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским трехфазного ассинхронного двигателя и трехфазного трансформатора.
1882-1888 годах русскими инженерами-технологами Н.Н. Берандосом и Н.Г. Славяновым была изобретена дуговая электросварка. На этот способ электросварки были выданы патенты не только в России, но и во Франции, Великобритании, Германии, США, Австро-Венгрии, Бельгии, Швеции и Италии.
После появления практически применимых генераторов в 80-х годах 19 века в ряде стран (США, Германии и др.) начали строиться первые электрические станции постоянного тока.
Более раннее развитие электротехнических устройств на основе постоянного тока, вызвано тем, что постоянный электрический ток был раньше открыт и изучен.
Для появления промышленного производства электроэнергии и первых электроснабжающих предприятий существенное значение имели открытия в области электропередачи электричества на расстоянии и его "дробления".
На Венской международной выставке 1873 года французским электротехником И. Фонтеном демонстрировались две одинаковые машины Грамма, отстоящие друг от друга на расстоянии 1 км и соединенные проводами. Одна из машин приводилась в движение от газового двигателя 1 л.с. и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос.
В течение 1877-1881 годов во Франции, России, Германии, Англии и США были осуществлены передачи энергии постоянным током на расстояние 1,5 км и была решена задача "дробления электроэнергии", то есть одновременного подключения многих мелких токоприемников к одной сравнительно мощной электроустановке.
В 1880-1881 годах русский инженер Дмитрий Лачинов и французский инженер Марсель Депре, независимо друг от друга, пришли к выводу, что для сохранения КПД при увеличении дальности электропередачи (т.е. сопротивления проводов) нужно увеличить скорости вращения (т.е. напряжение) генератора и двигателя пропорционально корню квадратному их сопротивления.
Наибольших успехов в осуществлении электропередач постоянного тока высокого напряжения с использованием нескольких последовательно соединенных динамо-машин удалось добиться швейцарскому инженеру Р. Тюри. Первая электропередача по "системе Тюри" была осуществлена в Генуе (1889 году) напряжение достигало 14кВ, мощность 325 кВт длина линии 60 км.
Усовершенствование трансформаторов позволило создавать электрические сети более высоких напряжений и уменьшить сечение проводов. Вследствие этого появилась система постоянного тока с 3-мя проводами и, наконец, с 5-ю проводами; отсюда также перешли к системе непрямых распределений при помощи вторичных генераторов, а также аккумуляторами. Как показала практика, основным недостатком высоковольтной ЛЭП постоянного тока является необходимость применения дорогостоящих преобразователей тока (ртутные вентили и тиристоры) с ограниченной перегрузочной способностью.
Первые электростанции постоянного тока во всем мире использовались преимущественно для освещения. Это объяснялось тем, что в области электроосвещения раньше, чем в промышленности и на транспорте, был решен вопрос о создании конструкции технически совершенных и сравнительно экономичных приборов.
Первоначально электростанции были временными, мобильными, модульными, сборно-разборными и предназначались для обеспечения освещением различных мероприятий. Позже появились стационарные электростанции, снабжавшие электроэнергией осветительные установки отдельных зданий и других объектов. Такие станции назывались - "блок-станциями", потому, что представляли единое целое с объектами, для освещения которых предназначались. Особенностью таких станций было то, что они сразу проектировались под конкретно запланированную нагрузку. Обычно блок-станции, оборудованались двигателями внутреннего сгорания или паровыми машинами, которые приводили в движение электрогенераторы.
Мощность таких электростанций редко превышала 500 кВТ, агрегаты обычно имели мощность до 100 квт.
В конце XIX века основным средством освещения были: масляные (жировые) лампы, свечи и керосиновые лампы. До пояления и начала распространения электрических ламп накаливания наиболее распространеным источником освещения жилья - были свечи: восковые, стеариновые и парафиновые. Свечное освещение стоило дорого. Восковые свечи были самыми дорогими. Освещение парафиновыми свечами было - в 22 раза дороже, а стеариновыми - почти в 30 раз дороже, чем керосиновыми лампами.
Освещение масляными, жировыми и керосиновыми лампами обходилось дешевле. Керосиновые лампы были экономичнее масляных и жировых, по конструкции и требовали меньшего ухода. По стоимости эксплуатации керосиновая лампа долгое время оставалась самой экономичной. Освещение 25 ваттной электрической лампой обходилось в 8 раз дороже, чем 10-линейной керосиновой.
Первые электроосветительные приборы - дуговые лампы и лампы с угольной нитью накаливания - были далеки от совершенства, но зато, в отличие от других осветительных приборов, давали более ровный и яркий свет, не чадили и не коптили. Кроме того они были более пожаробезопасны.
В дуговых лампах источником света служит так называемая "вольтова дуга", возникающая в электрической цепи при прикосновении или близком расположении угольных стержней; по истечении 6-10- часов непрерывного горения угольные стержни заменялись на новые.
Дуговые лампы благодаря яркости свечения, нашли применение для уличного освещения и освещения больших помещений, например, торговых залов или мастерских.
Калильные лампы (лампы накаливания) использовались в домах для освещения бытовых помещений. Освещение происходило за счет свечения "нити накаливания" - угольные или металлизированные нити накаливания присоединялись к изолированным друг от друга проволочкам, сделанным из платины. Почти 20 лет, начиная с 1881 года, электролампа с угольным волоском, подвергавшаяся постепенно различным усовершенствованиям, не имела соперников.
Полный переворот в области электрического освещения произвели выпущенные в 1906 году в США и Германии лампы с металлической нитью накаливания из вольфрама и других тугоплавких металлов. Лампы эти служили вдвое дольше, чем угольные, и горели в среднем около 1000 часов.
Таким образом, на начальном этапе развитии электроэнергетики, даже в случае устройства одной блок-станции для обеспечения электричеством нескольких соседних зданий, электрическое освещение было доступно только самой богатой части населения, проживающей преимущественно в городах.
Совсем по другому складывалась ситуация на промышленных предприятиях.
Дело в том, что важнейшей частью любой паровой машины, используемой в фабрично-заводском производстве, является "коренной вал", который лежит в двух или более подшипниках, и на нем насажены части, от которых производится дальнейшая отдача работы - на зубчатые колеса, ременные или канатные шкивы. Присоединить к "коренному валу" посредством ремня динамо-машину постоянного тока для питания дюжины другой дуговых или калильных ламп - это, даже не технологическая операция, а совершенно рутинное дело.
После первых же удачных опытов применения электроосвещения в быту, владельцы фабрик и заводов признали, что электрическое освещение дает более качественный свет и более пажаробезопасно по сравнению с другими видами искусственного освещения, благодаря чему позволяет увеличивать рабочий день за счет темного времени суток. Кроме того расходы по проведению такого освещения не значительны и многократно перекрываются его преимуществами.
Поэтому в 1880-е годы все кому это было необходимо, устроили на своих предприятиях электрическое освещение. В первую очередь это произошло на пожаро- и взрывоопасных производствах: лесопильных, винокуренных, пороховых и артиллерийских заводах; ткацких. ситценабивных, отделочно-красильных и спичечных фабриках, где традиционное керосиновое освещение, при неосторожном с ним обращении, очень часто становилось причиной возгораний или не могло применятся по причине возможного взрыва.
Кроме того в это время часть крупных предприятий использующих в производстве гальванотехнику и электродуговую сварку завели у себя собственные блок-станции.
Близкими, к указаным предприятиям, по характеру использования электроэнергии, были железнодорожные и почтово-телеграфные станции, поэтому наиболее крупные из них в это время тоже обзаводились собственными блок-станциями.
Еще одним направлением применения электроэнергии в фабрично-заводском производстве в это время стало электролитическое и электротермическое производство. Применяющие его предприятия тоже не могли обойтись без собственных блок-станций.
При средних условиях на добычу одной тонны свинцово-цинковых руд требуется затратить 10-17 кВт-час. Далее следует обогащение этих руд и разделение их на концентраты. Эта операция требует более значительных затрат электроэнергии: от 15 до 38 кВт-часов на тонну обрабатываемой руды. В случае электротермической переработки свинцово-цинковых шлаков расход электроэнергии возрастает до 1000-1200 кВт-час на тонну.
В конце XIX века в Европе действовало более 60 предприятий по производству электротермическим способом карбида кальция, использовавшегося для получения ацетилена, который, в свою очередь, широко применялся при сварочных работах в судостроительной промышленности.
Электроэнергия составляет главную часть (66%) себестоимости кислорода, получаемого методом электролиза. Полученный таким образом кислород применялся главным образом, для резания и сварки металла. В среднем, на получение 1 куб.метра кислорода расходовалось 12-15 кВт-час электроэнергии.
В это же время появляются первые блок-станции использующие для производства электроэнергии силу воды. По сути дела это были обычные водяные колеса водяных мельниц, соединенные с генераторами постоянного тока. Производство электроэнергии на них было очень дешевым, но большинство из них находилось на предприятиях, которые ранее уже использовали гидропривод в своем производстве.
Дальнейшее развитие электроэнергетики связано с появлением "центральных станций общественного пользования". Идея центральной станции общественного пользования заключалась в том, чтобы собрав в одном месте производство электроэнергии при помощи нескольких котлов и динамо-машин, продавать электроэнергию большому количеству мелких потребителей, которые не могли себе позволить устройство собственной блок-станции.
Первая в мире центральная электростанция общего пользования для удовлетворения этой потребности была построена фирмой "Edison Electric Light" в 1882 году в Нью-Йорке. Предназначалась она для питания 7000 ламп накаливания, и её совокупная мощность составляла 500 кВт.
Система подачи электроэнергии, предложенная Эдисоном, была похожа на систему распределения светильного газа: по улицам прокладывались подземные провода, а от них - ответвления в каждый дом; питание же сети велось от центральной станции. Подземная канализация состояла из большого числа коротких железных труб, в которых помещена медная жила, отделенная от железной оболочки изолирующим веществом. Напряжение тока в сети было ограничено напряжением тока в самих лампах, и практикою скоро определилось в 110 вольт. Радиус распределения энергии не превышал 500 метров.
Основные технические решения своей системы освещения Эдисон получил в результате оптимизационных экономических расчетов, в которых фигурировали количество потенциальных потребителей, мощность генераторов, сила тока, сопротивление и сечение проводника, потребность в меди и цены на соответствующие работы. Два года станция, в строительство которой Эдисон вложил всё своё состояние (300 тысяч долларов), не приносила никакого дохода, и только в 1884 году вышла на самоокупаемость.
По типу собственности "центральные электростанции" могли быть частными, акционерными и муниципальными.
У всех цетральных станций постоянного тока, построенных в 1880-е годы, имелось два существенных недостатка:
1. Центральная станция должна располагаться посреди снабжаемой местности, и, как правило в цетре города, где земля стоит дорого. Приходится через весь город, загораживая улицы, завозить топливо и вывозить золу и мусор. Трудно достать воду для паровых машин с охлаждением, точно также как найти место для выпуска той воды, которой пользовались.
Дым из труб котельной и шум, производимый помповыми насосами, делает соседство с центральной станцией невыносимым. Чрезвычайную опасность для окружающих представляет возможность взрыва котлов: тепловой энергии, накопленной в простом цилиндрическом паровом котле, работающем при давлении 7 атмосфер, вполне достаточно, чтобы подбросить такой котел на высоту 50 м.
2. Радиус распределения электроэнергии - ограничен 1,5 км, при том, что возможность его увеличения посредством трансформации тока и применения 5-ти проводной системы ведет к удорожанию развития сети и эксплуатации станции.
Появление водотрубных котлов снизило взрывоопасность паровых котлов и подняло их мощность.
Но несмотря на это в 1880-90-е годы в составе первичных двигателей фабрично-заводской промышленности около 85% по мощности занимала паровая поршневая машина, которую при необходимости соединяли ременной передачей с динамо-машинами (средняя мощность 60 л.с.) для выработки электроэнергии. В котельных использовалось низкое давление (8-10 атмосфер) и ручная топка.
Основным типом котла был жаротрубный (водотрубные котлы были исключением). Максимальный съём пара был около 20-25 кг/кв.метр. Максимальная поверхность нагрева котлов на крупных электростанциях не превышала 300-400 кв. метров. Максимальный КПД котлов был не выше 65-70%. Твердое топливо сжигалось на колосниковых решетках, жидкое топливо вдувалось в топку при помощи парового распыливания. Никаких средств механизации на большинстве электростанций не было, и все трудоемкие процессы (подача топлива на решетки топок котлов, обслуживание топок, золо- и шлакоудаление и т.п.) осуществлялось за счет тяжелого физического труда обслуживающего персонала.
Из всей силовой энергии, потребляемой на заводах и фабриках для питания рабочих машин, до 65% бесполезно терялось при передаче. Отработанный пар либо сливался в канализацию, и затем в ближайший водоем, либо выпускался в атмосферу, выдавая своими клубами вид фабрики или завода, особенно в зимнее время.
Основным недостатком всех электростанций расчитанных на освещение была неполная и не постоянная их загрузка. По определению потребность в освещении была не равномерной в течении суток, и разной в течении года. Кроме того она еще зависела и от географического положения станции. Если владельцев блок-станций этот вопрос волновал не сильно, то для многих "центральных станций общественного пользования" он определял их эффективность. Так как для успешной работы "центральных станций общественного пользования" им в отличие от блок-станций приходилось искать своих клиентов.
Тем не менее в 1894 году из общей мощности в 35 984 киловатт, присоединенной к электростанциям Германии, на долю электрического освещения приходилось 30 869 киловатт или 86% всего потребления электроэнергии.
Однако главной проблемой устройства центральных электростанций в начале "эры электричества" была достаточно высокая цена обзаведения жителями городов и поселков собственной электростанцией и распределительной сетью для электрического освещения. Вот, что писали на эту тему в издании 1908 года французские инженеры-электрики:
"Устройство центральных станций обходится дорого; оно требует особого здания или помещения и весьма дорогой канализации; мощность машин должна быть расчитанна на все число потребителей, тогда как в большинстве случаев одновременно работают лишь две трети из них. Наконец, расходы на служащий персонал, для наблюдения за установкой, очевидно, больше расходов подобного рода в отдельных установках. Следовательно, не удивительно, если электрический свет, обходящийся дешево в последних, становится дорогим, когда дело идет об его распределении из центральной станции. Если, с другой стороны подвести итог всем расходам, неизбежным при подобного рода предприятии: погашение капитала, проценты с него, ремонт, двигательная сила, служащий персонал, общие расходы и прочее, - то сразу придешь к убеждению, что центральная электрическая станция должна работать на небольшую зону, в которой было бы собрано достаточное число крупных потребителей света. Между тем, такие условия редко встречаются в действительности".
Проблемы "центральных станций общественного пользования" не были связаны только с низкой и не постоянной загрузкой.
Экономические характеристики производства электроэнергии зависят от типа электростанции и вида технологического топлива, от степени ее загрузки и режима работы. При прочих равных условиях в наибольшей степени востребуются электроэнергия тех станций, которые генерируют ее в нужное время и в нужном объеме с наименьшими издержками.
Отсюда появилась необходимость резервирования электрической мощности на случай аварии, пиковой нагрузки и планового ремонта.
Принцип выбора числа и мощности агрегатов (паровых котлов, паровых машин и динамо-машин) заключается в том, что при выбытии из эксплуатации любого из них, его можно было заменить резервной единицей. Величина резерва, таким образом, определялась не процентом от общей мощности, а величиной единиц. Резервная машина должна равняться мощнейшей из работающих. Так, при наличии на станции одной паровой машины необходимо 100% резерва, при двух машинах - 50%, при трех 33%. Для паровых котлов считалось нрмальным, чтобы в резерве в чистке находилось римерно 20% рабочей поверхности нагрева. Появились понятия "горячего" и "холодного" резерва, в зависимости от его предназначния при выводе системы под "нагрузку".
В ранней стадии развития, когда предприятия и компании электроэнергетики в основном обслуживали световую нагрузку, они в своих экономических расчетах до известной степени применяли принципы, установившиеся в газосвещении. Однако, в отличие от газовых предприятий, электрическая отрасль не могла в особо благоприятные экономические периоды производить электроэнергию, накапливая её на складе. Ток нужно было подавать немедленно и в том количестве, которое требует потребитель.
Некоторое облегчение приносили аккумуляторные батареи, игравшие в ранней электроэнергетике ту же роль, что и газгольдеры в компаниях газового освещения. Но они имели небольшую емкость и не давали сколько-нибудь существенной экономии в расходах на содержание котельного оборудования, электроустановок и рабочего персонала.
Экономно поставить производство электроэнергии оказалось невозможно без учета пиковой нагрузки, или критического момента в работе электростанций. Таким образом, "коэффициент использования", или процент времени, в течении которого употреблен максимум нагрузки, стал той базой, на которой начала строиться система продаж.
В 1879 году Вернер фон Сименс представил на Берлинской выставке первую в мире электрическую железную дорогу - "электролокомотив с вагонами". Это изобретение стало сенсацией года. Поезд из трех вагончиков вмещал 18 пассажиров и двигался со скоростью 7 км.час.
Первая трамвайная линия с регулярным движением появилась в 1881 году в Берлине. Она имела протяженность 2,5 км и проходила от вокзала Лихтерфельде до улицы Целендорфер Штрассе (сейчас Финкенштайналлее). Мощный по тем временам пятикиловаттный мотор трамвайного вагона получал питание, подаваемое на оба рельса.
В 1882 году Вернер фон Сименс изобрел систему питания "электрических вагонов" через воздушный провод, что сделало трпмваи безопасными для пешеходов и подкованных лошадей. В процессе совершенствования воздушной контактной сети в Европе и США получил распространение бугельный или штанговый токосъемник - "трамвайная дуга".
Электрификация городского общественого транспорта подняла не только спрос на электроэнергию, но и повысила интерес городских властей к обладанию собственными "центральными станциями общественного пользования", которые должны были удовлетворить потребности в электричестве городского коммунального хозяйства (водопровод, трамвай, уличное освещение).
С технической точки зрения, большинство реализованных, в начальный период развития электроэнергетики, проектов электрификации городского транспорта имели существенный недостаток, обусловленный питанием трамвайных сетей от источников постоянного тока. При обслуживании постоянным током каждая трамвайная подстанция заключала в себе, кроме трансформаторов и конвертеров, батареи аккумуляторов.
Потери электроэнергии в этих подстанциях составляли от 15 до 30%, в то время как расходы по надзору за ними тяжело ложились на общий экономический итог. Исправление наиболее сложной части двигателей постоянного тока - коллектора, обходилось во много раз дороже исправления простых колец трехфазных двигателей.
Как бы там ни было потребности "центральных станций общественного пользования" стимулировали развитие мощности электроустановок.
В 1890-е годы техническая мысль сначала обратилась на усовершенствование первичных двигателей - паровых машин и водяных колес, заменяя их турбинами (паровыми и гидравлическими) и двигателями внутреннего сгорания.
Развитию электростанций малой и средней мощности способствовал двигатель Дизеля (1898 год), благодаря высокому коэффициенту полезного действия и малого расхода жидкого топлива (280 грамм) на выработанный кВт-час.
Новые веяния в технике котлостроения значительно изменили к этому времени понятие о нормальной напряженности поверхности нагрева и создали новые типы котлов высокой паропроизводительности при малой поверхности нагрева и небольшой площади, занятой котельным оборудованием.
Усовершенствования в конструкции паровых котлов привели к более высоким давлениям и к перегретому пару; следующее, и может быть, наиболее важное усовершенствование - более полное сжигание угля. Ручная топка сменилась механической, а эта последняя в свою очередь, сжиганием пылевидного топлива, причем, получалось настолько полное сгорание, что тепловой коэффициент полезного действия получался намного выше.
Для создания центральных станций большой мощности исключительную роль сыграло изобретение в 1884-1889 годах шведским инженером Карлом де Лавалем и английским инженером Чарльзом Парсонсом паровой турбины. В данном устройстве сила пара передается турбинному колесу через посредство лопаток, образующих ряд каналов по окружности колеса. При движении по каналам пар испытывает противодействие лопаток, и со своей стороны оказывает на них действие равное и прямопротивоположное.
Паровые турбины, объединенные на одном валу с электрогенератором, называются турбогенераторами. Первый такой агрегат заработал в 1890 году на Эльберфельдской электростанции в Германии. Удобство "сочленения" с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач оказалось исключительноважным техническим достоинством. Кроме того, турбина легко переносила перегрузки, практически не замасливала пар (в отличие от паровой машины), легко регулировалась по частоте вращения.
Средняя мощность турбинного агрегата европейского производства (данные за 1908 год) была 2440 кВт, тогда как средняя мощность паровой машины всего 446 к Вт. В начале XX века получили распространение многоступенчатые турбогенераторы О. Рато и Ч. Кертиса.
Первые образцы горизонтальных осевых гидротурбин появились в конце 40-х годов XIX века. Это были турбины Жонваля мощностью порядка 140 лошадиных сил (чуть больше 100 кВт). К 1890 году их максимальная единичная мощность поднялась до 500 кВт. После 1891 года, когда стала возможной передача энергии трехфазным током, мощности турбин Жонваля стремительно возросли и приблизились в 1900 году к 1200 кВт. Единичная мощность радиально-осевой турбины Френсиса в 1903-1913 годах выросла с 8 тысяч кВт до 20 тысяч кВт. Еще более стремительно происходило укрупнение единичной мощности генерации тепловых электростанций. С 1900 по 1930 годы максимальная мощность паровых турбин в одном агрегате возросла в 40 раз: с 5 тысяч кВт до 200 тысяч кВт.
Себестоимость вырабатываемой ГЭС (на раннем этапе развития электроэнергетики их называли "водоэнергетическими установками") электроэнергии, а также эксплуатационные расходы в 5-6 раз ниже, чем на тепловых станциях. Гидроэлектростанции не требуют подвоза топлива, обладают высокой надёжностью и мобильностью (в части изменения мощности) и являются исключительно дешёвым источником энергии.
Однако для своей работы ГЭС предполагает сооружение плотины - искусственной массивной перемычки для удержания водного потока, основной гидротехнический объект при регулировании водных ресурсов. Шлюз служит для обеспечения перехода судов из одного водного басейна (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них. Под бьефом подразумевается часть реки, примыкающая к гидротехническому сооружению. Поэтому верхний бьеф располагается выше по течению, а нижний - ниже. Верхним бьефом является водохранилище - искусственный водоем, образованный в русле реки плотиной для накопления и хранения воды в целях её использования. Необходимость устройства всех этих сооружений сильно увеличивает стоимость строительства ГЭС по сравнению с тепловыми станциями.
К началу XX века в мире использовались два типа гидротурбин: ковшовые на сверхвысоких напорах и радиально-осевые во всех остальных случаях. Поисками более эффективных турбин занимались многие ученные, но успех пришел к австрийскому инженеру Виктору Каплану, запатентовавшему в 1912 году поворотно-лопастную турбину реактивного типа.
Чтобы развитие гидроэнергерики было возможным, на местности должны быть горы и быстрые реки, или сильные осадки. Тремя самыми крупными ГЭС, построенными в конце XIX - начале XX века, являлись:
- Рейнфельдская гидроэлектростанция (Германия, 1898 год) мощностью 16 800 кВт при напоре воды 3,2 м;
- Ниагарская №1 (США, 1895 год) мощностью 50 тысяч л.с. (примерно 36,8 тысяч кВт) при напоре воды 41,2 м;
- Жонажская (Франция, 1901 год) мощностью 11 200 л.с. (примерно 8 235 кВт)
Лидирующие позиции в Европе по производству электроэнергии на гидроэлектростанциях занимали Норвегия и Швейцария. В 1 901 году суммарная мощность всех норвежских ГЭС составляла 166 456 л.с. (примерно 122 394 кВт). В Швейцарии установленная мощность гидротурбин в 1901 году измерялась 128 780 лошадиными силами (примерно 94 691 кВт). В Германии на долю ГЭС приходилось 6% генерирующей мощности (16 920 л.с. или примерно 12 441 кВт).
Вплоть до 1900 года развитие отрасли шло по нескольким конкурирующим направлениям, что было обусловленно несовершенством техники генерации, передачи и трансформации постоянного и переменного тока. Не сразу появились первичные двигатели наиболее экономные для производства электроэнергии, и не одно десятилетие ушло на усовершенствование электирических ламп и электромоторов. Ни один инвестор не мог быть уверен в том, что оборудование и патенты, в которые он вложил свои средства, выгоднее других, с производственно-технической и экономической точки зрения.
В это время у каждой электростанции была собственная электросеть для питания дуговых и калильных ламп, вентиляторов, насосов и подъемных механизмов. Кроме того уровень, и тип (постоянное и переменное) напряжения, и частота (20,40 или 50 Гц) в разных сетях были различными.
Первоначально во всём мире, преобладающей формой дробления и распределения электрической энергии, поступающей от электрических станций к фабрично-заводским рабочим машинам (станки, подъемные краны, насосы и т.д.) являлся групповой электрический привод. Данный привод имел много общего с механической трансмисией с помощью долгого вала, который располагался преимущественно под потолком и от которого через ременные передачи получали движение отдельные рабочие машины.
Эксплуатационные расходы на групповой привод в общем, обходились дешевле, чем на одиночные приводы, так как в этом случае на несколько рабочих машин приходился всего один, сравнительно мощный двигатель.
Главные недостатки группового привода - неэкономичность, ненадежность, повышенная опасность для работников, сложность в эксплуатации.
Существо проблемы заключается в том, что механическая трансмиссия, не могла обслуживать разветвленную систему рабочих машин в соответствии с требованиями массового механизированного производства. Организация поточного производства поставила, с одной стороны, задачу дробимости единичных мощностей агрегатов до самых малых размеров, а с другой стороны, задачу концентрации больших мощностей в одной двигательной единице.
Переход от механической к электрической передаче силы привел к увеличению числа заводских блок-станций.
С появлением моторной нагрузки - в отличие от осветительной - и с применением электричества в промышленности, потребление электроэнергии распределилось более равномерно на весь рабочий день, и даже на ночное время суток.
Укрупнение единичной мощности генерации сопровождалось снижением удельных расходов используемого топлива и удешевлением себестоимости производства электроэнергии.
В то же время, чем большую мощность электрической энергии производит электростанция, тем ниже её коэффициент использования, а следовательно более высокие убытки от простоев и недогрузки.
Вот, почему центральные станции стремились привлечь в дневное время суток разного рода дополнительную нагрузку, особенно моторную, и с целью её увеличения, "дневным" абонентам предлагалась более низкая цена присоединения и почасовой оплаты.
При назначении тарифа принимались во внимание, как мощность установки, так и количество энергии, отпускаемой в год на каждый установленный киловатт. Соответственно с этим тарифы понижались настолько, чтобы можно было конкурировать с неэлектрическими двигателями, работающими в аналогичных условиях.
Возможность понижения тарифа всецело зависела от продолжительности использования присоединенной мощности моторов, аппаратов и ламп в месяц. Чем выше продолжительность использования присоединенного киловата, тем ниже тариф.
Появляются понятия: установленная, резервная, присоединенная, свободная и отпущенная мощность.
Низкий тариф привёл к тому, что мелкие и средние производства при переходе на электросиловые установки отказались от строительства своих блок-станций, а покупали электроэнергию у "центральных станций общественного пользования". А новые "центральные станции общественного пользования" стали строится в заводских районах.
В некоторых случаях, при расширении производства крупные и средние предприятия, при сохранении собственного производства электроэнергии совмещали её с покупкой электроэнергии на стороне таким образом, чтобы основная нагрузка лежала на собственной силовой станции, а "центральная станция общественного пользования" восполняла её недостаток. Кроме того, иногда было выгодно использовать часть своей электрической мощности, как резервную, на случай снижения собственной выработки электроэнергии в результате аварий, планового ремонта или пиковых нагрузок.
В начале XX века во всем мире, наблюдается тенденция к увеличению продажи энергии электрическими станциями общественного пользования на производственно-технические цели.
Не забывали поставщики электроэнергии и о бытовых нуждах населения, усиленно и с успехом пропагандируя применение нагревательных приборов, электроплит, кондиционеров, пылесосов и холодильников. Все это также повышало общий коэффициент нагрузки и удешевляло себестоимость выработки электроэнергии.
В сборнике "Электричество в домашнем обиходе и промышленности", выпущенном "Всеобщей компанией электричества" (AEG) в 1913 году, содержится описание 200 наименований электробытовых приборов, в том числе, например, "электрических волососушилок" - фенов мощностью 500 ватт и весом 700 грамм. Почтеннейшей публике объясняли, что "сушилки" могут помочь не только парикмахерам, но и при мытье домашних животных, для согревания постели, сушки обуви, белья, фотопластинок, а также при лечении ревматизма и подагры.
Благодаря электричеству во многих городах появились синематографы - они поначалу так и назывались "электро-театрами".
В 1890-е годы получил дальнейшее усовершенствование генератор переменного тока, или альтернатор. Переменный ток непрерывно изменяется по величине и направлению в равные промежутки времени, и поэтому легче поддается трансформации и его можно передавать на большие расстояния дешевле, чем постоянный.
Генераторы трехфазного тока по конструкции практически ничем не отличаются от генераторов обычного однофазного переменного тока, за исключением того, что в них обмотка, в которой индуцируется электродвижущая сила, разбивается на три группы, так называемые "фазы".
Единственный недостаток системы трехфазного тока, по сравнению с двухфазным и однофазным, заключается в большей сложности проводки для освещения и моторной нагрузки, и в большей трудности регулирования напряжения при неравномерной нагрузке фаз. Источники света и электродвигатели должны быть поровну распределены между тремя фазами и притом, так, чтобы нагрузка всех трех фаз была в разное время одинаковой. При значительной разнице в нагрузке необходимо регулировать напряжение различных фаз цепи при помощи регуляторов тока.
Первая демонстрация возможностей передачи электроэнергии трехфазным переменным током высокого напряжения произошла 25 августа 1891 года не электрической выставке во Франкфурте -на-Майне. Поздним вечером к восторгу публики на выставке забил фонтан и загорелась тысяча ламп накаливания от тока, полученного на электростанции в Лауффене на Неккаре, отстоящем от Франкфурта на 175 км.
Выработка и передача электроэнергии от самой крупной в США, да и во всем мире, электростанции Ниагарских водопадов, построенной в 1889 году фирмой "Вестингауз Электрик", осуществлялась по четырехпроходной системе двухфазного переменного тока. В то время, как "Всеобщая компания электричества", в противовес своему главному конкуренту на мировом рынке успешно внедряла систему трехфазного переменного тока по трехпроводной системе.
Система переменного тока позволяла избавиться от неудобства привязки центральных станций к месту постройки на главной улице (районе) города, и, в целом, существенно снижала капитальные вложения в устройство электроснабжения.
Но она создавала затруднения для применения электромоторного движения в промышленности и на транспорте (трамвай). Электродвигатели однофазного переменного тока либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо запускались с большим трудом из-за сложных условий коммутации тока (коллекторные двигатели).
Создание в 1891 году трехфазного ассинхроного двигателя и трансформатора сняло основные проблемы с использования переменного тока для электромоторного движения, и в последующие 10 лет произошел новый промышленный переворот - не менее важный, чем механическая революция XVIII века и революция произведенная паром.
Первую центральную электростанцию переменного однофазного тока в Европе построил Себастьян Ферранти в 1890 году в Дептфорде - предместье Лондона, для обеспечения электроэнергией Лондонского Сити. На станции были установлены самые мощные для того времени генераторы - по 1000 л.с., соединенные на одном валу с быстроходными паровыми машинами. На четырех городских подстанциях напряжение в магистральной кабельной сети с 10 000 вольт снижалось до 2 400 вольт, а затем уже у потребителей (в домах) напряжение через трансформаторы меньшей мощности понижалось до 100 вольт.
Пик "Войны токов" - постоянного и переменного - пришелся на конец XIX - начало XX века. У каждой системы обнаруживалось свое достоинство и обособленная область применения, где её превосходство не подлежало сомнению. На электрическом транспорте почти исключительное применение получил постоянный ток. Моторы постоянного тока с последовательной обмоткой обладают свойством развивать больший крутящий момент при трогании с места; при увеличении нагрузки число их оборотов падает, - свойство весьма удобное для тяги вагонов.
В США и Европе долгое время существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация. Каждая электротехническая фирма, владея определенными патентами, стремилась как можно дольше сохранить возможность производить машины, аппараты, приборы и арматуру, предназначенные для соответствующего рода тока.
В скандинавских странах от системы постоянного тока отказались в 1940-1960 годы. Американцы систему снабжения постоянным током перестали развивать в 1928 году, а еще через 70 лет приступили к её демонтажу. Окончательный переход Нью-Йорка с постоянного тока на переменный завершился совсем недавно - в конце ноября 2007 года.
Переход от механической к электрической передаче силы вел к постепенной замене паровой машины паровой турбиной, непосредственно соединенной с генератором. На старых фабриках этот переход совершался чаще всего введением электрической передачи силы в новых производственных корпусах и постепенным частичным переходом к электроприводу в старых помещениях.
Начало массового применения турбин и двигателей внутреннего сгорания совпадает по времени с распространением системы трехфазного тока, как наиболее простой и экономичной.
По мере развития массового производства асинхронных двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором - наиболее простых по устройству и обслуживанию - появилась возможность замены группового привода индивидуальным.
Впервые в крупном масштабе это произошло в 1897-1898 годах на новых предприятиях "Всеобщей электрической компании" (AEG) в Германии. Трехфазные двигатели сначала в количестве 300 штук, а затем и 500 были пущены в работу - каждый отдельно для своего станка.
В конце XIX-начале XX века новым мировым трендом в энергостроительстве становится концентрация производства электроэнергии в крупных энергопредприятия, расположенных на месте добычи топлива или вблизи источников водной энергии. Вырабатываемое ими электричество передавалось по линиям высокого напряжения в промышленные районы и города. Такой тип энергопредприятий получил название "районых электростанций".
В 1900 году немецкий предприниматель Гуго Стиннес разработал комплекс мероприятий, показывающий, что промышленным предприятиям экономически выгоднее отказаться от использования в рабочих процессах (в том числе - генерации электроэнергии) паровых машин, работающих на энергии сжигаемого угля.
Предложенная им новая технология электроснабжения исключила целую технологическую ветвь - транспортировку угля на предприятия, его складирование, сжигание и производство тепло- и электроэнергии.
Концентрация производства электроэнергии на больших районных электростанциях с блоками крупных электрогенераторов позволяла резко снизить удельные издержки топлива. В результате такого удешевления рентабельной становилась и передача электроэнергии по проводам высокого напряжения к местам наибольшего сосредоточения обрабатывающей промышленности.
В 1905 году Стиннес разрабатывает схему обмена дневными и ночными нагрузками между разными станциями, соединенными в систему, и применяет её для электроснабжения мощностями одной компании промышленных потребителей (угольных шахт Рура) и густонаселенных городов (Рейнская область и Нижний Рейн).
Реальной движущей силой процесса концентрации производства и распределения электроэнергии в немногих крупных энергопредприятиях являлось непрерывное совершенствование энергетического оборудования, которое развивалось в пользу крупных агрегатов гидросилового (гидравлические турбины) и паросилового (турбогенераторы) и электрохозяйства.
В Германии 246 электрических станций произвели произвели в 1930 году 21,2 миллиарда кВт-час электроэнергии, что составляло 73,4% всего производства. Коэффициент централизации, то есть удельный вес производства электроэнергии на центральных станциях общего пользования, достиг 53,5%. Наибольшая мощность отдельной станции доходила до 440 и 550 тысяч кВт (Гольпа, Гольденберг). В США коэффициент централизации был еще выше - 77%. Наибольшая мощность отдельной станции доходила до 1 миллиона кВт (Истривер).
Развитие городских сетей сделало экономически нецелесообразным существование в одном городе многих мелких станций. Сети разных станций начали объединяться, формируя районные и межрайонные энергетические системы.
С начала XX века производство и потребление электроэнергии является фундаментом индустриальной цивилизации и условием существования современной материальной культуры.
Рост потребления электроэнергии является интегральным показателеи роста ВВП и корреспондирует с уровнем жизни населения.