Электрлендіру процесі және тарихы

Электрификация: электр қуатына көшу, тарихы, экономикасы, жасыл энергетикадағы рөлі. Электр көліктері, жылытқыштар сияқты салалардағы қолданысы туралы ақпарат.

25 мин оқу

100%

Дереккөз: Electrification — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Электр энергиясын пайдалану үшін бір нәрсені өзгерту процесі. Электрлендіру – электр энергиясымен қуаттандыру процесі және көп жағдайда бұрынғы қуат көзінен электр энергиясына көшу арқылы осы қуатты енгізу. Технология және экономикалық даму тарихында электрлендіру дегеніміз – 1880 жылдардың ортасынан 1950 жылға дейін Ұлыбритания, АҚШ және басқа да дамыған елдерде электр энергиясын өндіру және тарату жүйелерін құру. Тұрақты энергия тұрғысынан электрлендіру – энергияны жаңартылатын энергия көзіне ауыстыру және соңғы тұтынуды электр энергиясына көшіру үшін энергия сақтағыштарымен жабдықталған супер желілерді құру. Экономиканың нақты салаларын электрлендіру, әсіресе контексттен тыс қарағанда, зауыттарды электрлендіру, үй шаруашылықтарын электрлендіру, ауылдық жерлерді электрлендіру және теміржолдарды электрлендіру сияқты түрлендірілген терминдермен аталады. Тұрақты энергия тұрғысынан көлікті электрлендіру (электр көліктерге қатысты) немесе жылуды электрлендіру (жылу сорғыларына қатысты) сияқты терминдер қолданылады. Бұл сондай-ақ өнеркәсіптік процестерді, мысалы, көмір немесе кокспен қыздыру арқылы балқыту, қорыту, бөлу немесе тазарту сияқтыларын, немесе химиялық процестерді электрлік доғалық пештер, электрлік индукциялық немесе кедергілік қыздыру, электролиз немесе электролиттік бөлу сияқты электр процестеріне ауыстыруды қамтиды.

Электрлендіру тарихы

Электр энергиясын коммерциялық түрде қолданудың ең алғашқы мысалдары - электроқаптау және телеграф болды.

Магнето, динамо және генераторларды әзірлеу

1831–1832 жылдары Майкл Фарадей электромагниттік генераторлардың жұмыс істеу принципін ашты. Кейін Фарадей заңы деп аталған бұл принцип, электр өткізгішінде пайда болатын электродвигутельдік күшке негізделген, ол өзгеріп отыратын магнит ағынына ұшырайды, мысалы, магнит өрісі арқылы қозғалатын сым. Фарадей бірінші электромагниттік генераторды, Фарадей дискісін жасады – ол магниттің полюстері арасында айналатын мыс дискісі болып табылатын гомополярлық генератордың бір түрі. Фарадейдің алғашқы электромагниттік генераторы шағын тұрақты ток кернеуін өндірді. 1832 жыл шамасында Гипполит Пикси сыммен оралған ат ілгісін пайдаланып генераторды жетілдірді, қосымша өткізгіш орамдар тоқтың күшін арттырды, бірақ ол айнымалы ток болды. Андре Мари Ампер Пикси генераторының тогын тұрақты токқа түрлендіру үшін иіліп-қисайтын қосқышты пайдалануды ұсынды. Кейін тұрақты ток өндіру үшін сегменттелген коммутаторлар қолданылды. 1838–1840 жылдары Уильям Фотэргилл Кук пен Чарльз Уиттстон телеграфты ойлап тапты. 1840 жылы Уиттстон телеграфты қуаттандыру үшін өзі жасаған магнитті пайдаланды. Уиттстон мен Кук тұрақты магниттің орнына батареямен қуатталатын электромагнитті пайдаланып, электр қуатын өндіруде маңызды жаңарулар жасады, олар 1845 жылы патенттеді. Өзін-өзі қоздыратын магниттік өріс динамосы электромагниттерді қуаттандыру үшін батареяны қажет етпейтін болды. Осындай динамоны 1866 жылы бірнеше адам жасады. Бірінші практикалық генератор – Грамм машинасы З.Т. Грамм жасады, ол 1870 жылдары осы машиналардың көптерін сатты. Британдық инженер Р.Э.Б. Кромптон генераторды жақсырақ ауамен салқындату үшін жетілдірді және басқа да механикалық жақсартулар жасады. Жүктеме кезінде кернеуді тұрақтандыратын қосымша орау генераторлардың жұмыс сипаттамаларын жақсартты. 19 ғасырда электр қуатын өндіру технологиясының жетістіктері оның тиімділігі мен сенімділігін едәуір арттырды. Алғашқы магниттер механикалық энергияның тек бірнеше пайызын ғана электр энергиясына айналдырды. 19 ғасырдың соңына қарай ең жоғары тиімділік 90% -дан асты.

In the years 1831–1832, Michael Faraday discovered the operating principle of electromagnetic generators. The principle, later called Faraday's law, is based on an electromotive force generated in an electrical conductor that is subjected to a varying magnetic flux as, for example, a wire moving through a magnetic field. Faraday built the first electromagnetic generator, called the Faraday disk, a type of homopolar generator, using a copper disc rotating between the poles of a horseshoe magnet. Faraday's first electromagnetic generator produced a small DC voltage. Around 1832, Hippolyte Pixii improved the magneto by using a wire wound horseshoe, with the extra coils of conductor generating more current, but it was AC. André Marie Ampère suggested a means of converting current from Pixii's magneto to DC using a rocking switch. Later segmented commutators were used to produce direct current. Around 1838 40, William Fothergill Cooke and Charles Wheatstone developed a telegraph. In 1840 Wheatstone was using a magneto that he developed to power the telegraph. Wheatstone and Cooke made an important improvement in electrical generation by using a battery powered electromagnet in place of a permanent magnet, which they patented in 1845. The self excited magnetic field dynamo did away with the battery to power electromagnets. This type of dynamo was made by several people in 1866. The first practical generator, the Gramme machine, was made by Z. T. Gramme, who sold many of these machines in the 1870s. British engineer R. E. B. Crompton improved the generator to allow better air cooling and made other mechanical improvements. Compound winding, which gave more stable voltage with load, improved the operating characteristics of generators. The improvements in electrical generation technology in the 19th century increased its efficiency and reliability greatly. The first magnetos only converted a few percent of mechanical energy to electricity. By the end of the 19th century the highest efficiencies were over 90%.

Аркалық жарықтандыру

Сэр Хамфри Дэви 1802 жылы электр тогының көміртек электродтарында жарық доғасын тудыра алатынын ашқаннан кейін көміртекті аркалы шамды ойлап тапты. Дегенмен, электр энергиясын өндірудің практикалық тәсілі әзірленгенге дейін ол кеңінен қолданылған жоқ. Көміртекті аркалы шамдар екі көміртек электродты қосу арқылы іске қосылды, содан кейін олардың арасы тар саңылауға дейін ажыратылды. Көміртектің өртелуіне байланысты, саңылауды үнемі реттеу қажет болды. Арканы реттеу үшін бірнеше механизмдер құрастырылды. Бір әдіс бойынша, көміртек электроды гравитация күшімен беріліп, саңылауды екі электромагнитпен сақтау қарастырылды. Олардың біреуі арка іске қосылғаннан кейін жоғарғы көміртекті кері тартып, екіншісі гравитациялық берілістегі тежегішті басқарды. Сол кездегі аркалы шамдар өте жарық беретін – шамамен 4000 кандела (шам) – және көп мөлшерде жылу шығаратын, сонымен қатар өрт қаупін тудыратын, бұл оларды үйлерді жарықтандыру үшін қолайсыз етті. 1850 жылдары Уильям Петри мен Уильям Стайт ойлап тапқан аркалы шам бұл мәселелердің көп бөлігін шешті. Шамдағы магниттік электр генераторы екі көміртекті таяқша арасындағы саңылауды басқару үшін өзін-өзі реттейтін механизммен жабдықталған. Оның жарығы Лондонның Ұлттық галереясын жарықтандыру үшін қолданылды және сол кезде үлкен жаңалық саналды. Бұл аркалы шамдар мен оған ұқсас конструкциялар, үлкен магниттермен қуаттандырылып, 1850 жылдардың ортасында алғаш рет ағылшын маяктарына орнатылды, бірақ қуат шектеулері бұл үлгілердің толыққанды табысқа жете алмай кедергі келтірді. Бірінші сәтті аркалы шамды (Яблочков шам) ресейлік инженер Павел Яблочков Грамм генераторын пайдалана отырып жасады. Оның артықшылығы алдыңғы үлгілердегідей механикалық реттегішті қажет етпеуі болды. Ол алғаш рет 1878 жылы Париж көрмесінде көрсетілді және Грамм оны белсенді түрде насихаттады. 1878 жылы аркалы жарық Авеню де л’Операның жарты мильге созылған бөлігінде, Франция Театры алаңында және Опера алаңының айналасында орнатылды. Р.Э.Б. Кромптон 1878 жылы Яблочков шамнан гөрі әлдеқайда жарық және тұрақты жарық беретін жетілдірілген конструкцияны жасады. 1878 жылы ол Crompton & Co. компаниясын құрып, Crompton шамдарын өндіруге, сатуға және орнатуға кірісті. Оның компаниясы әлемдегі алғашқы электротехникалық фирмалардың бірі болды.

Sir Humphry Davy invented the carbon arc lamp in 1802 upon discovering that electricity could produce a light arc with carbon electrodes. However, it was not used to any great extent until a practical means of generating electricity was developed. Carbon arc lamps were started by making contact between two carbon electrodes, which were then separated to within a narrow gap. Because the carbon burned away, the gap had to be constantly readjusted. Several mechanisms were developed to regulate the arc. A common approach was to feed a carbon electrode by gravity and maintain the gap with a pair of electromagnets, one of which retracted the upper carbon after the arc was started and the second controlled a brake on the gravity feed. Arc lamps of the time had very intense light output – in the range of 4,000 candlepower (candelas) – and released a lot of heat, and they were a fire hazard, all of which made them inappropriate for lighting homes. In the 1850s, many of these problems were solved by the arc lamp invented by William Petrie and William Staite. The lamp used a magneto electric generator and had a self regulating mechanism to control the gap between the two carbon rods. Their light was used to light up the National Gallery in London and was a great novelty at the time. These arc lamps and designs similar to it, powered by large magnetos, were first installed on English lighthouses in the mid 1850s, but the power limitations prevented these models from being a proper success. The first successful arc lamp (the Yablochkov candle) was developed by Russian engineer Pavel Yablochkov using the Gramme generator. Its advantage lay in the fact that it did not require the use of a mechanical regulator like its predecessors. It was first exhibited at the Paris Exposition of 1878 and was heavily promoted by Gramme. The arc light was installed along the half mile length of Avenue de l'Opéra, Place du Theatre Francais and around the Place de l'Opéra in 1878. R. E. B. Crompton developed a more sophisticated design in 1878 which gave a much brighter and steadier light than the Yablochkov candle. In 1878, he formed Crompton & Co. and began to manufacture, sell and install the Crompton lamp. His concern was one of the first electrical engineering firms in the world.

Жарық шамдары

Жарық шамдарының әртүрлі түрлері көптеген өнертапқыштарға тиесілі болды; алайда, ең сәтті ерте шамдар жоғары вакуумда мөрленген көміртекті жіпше қолданған. Бұларды 1878 жылы Ұлыбританияда Джозеф Суон, ал 1879 жылы АҚШ-та Томас Эдисон ойлап тапты. Эдисонның шамдары Суанның шамдарынан артық сәттілікке жетті, себебі Эдисон жұқарақ жіпшелерді қолданды, бұл оған жоғары кедергі берді де, сол арқылы ток өтімділігін айтарлықтай азайтты. Эдисон 1880 жылы көміртекті жіпшелі шамдарды коммерциялық өндіріске енгізді. Суанның шамдары 1881 жылы коммерциялық өндіріске түсті. Гейтсхед қаласының Лоу-Фелл аймағындағы Суанның үйі – жарық шамдары орнатылған әлемдегі алғашқы үй болды. Ньюкасл қаласындағы Lit & Phil кітапханасы электр жарығымен жарықтандырылған алғашқы қоғамдық орын, ал Савой театры – электр қуатымен толығымен жарықтандырылған әлемдегі алғашқы қоғамдық ғимарат.

Орталық электр станциялары мен оқшауланған жүйелер

Халыққа электр қуатын беретін алғашқы орталық станция 1881 жылдың күзінде Ұлыбританияның Суррей округіндегі Годалминг қаласында орналасқан деп саналады. Қала газ компаниясының тарифтері бойынша келісімге келе алмағандықтан, қалалық кеңес электр қуатын пайдалануға шешім қабылдады. Жүйе негізгі көшелерде доғалық шамдармен, ал кейбір жанама көшелерде гидроэлектр қуатымен жарықтандырылған шамдармен жарықтандырылды. 1882 жылға қарай 8-ден 10-ға дейін үй қосылып, барлығы 57 шам орнатылды. Жүйе коммерциялық сәттілікке жете алмады және қала газға қайта оралды. 1882 жылы Лондондағы Холборн виадугында алғашқы ірі масштабты орталық тарату электр станциясы ашылды. 1000 қыздырылған шамдармен жабдықталған, бұл станция ескі газ шамдарын алмастырып, Холборн циркін, соның ішінде Бас пошта кеңсесі мен танымал Қалалық ғибадатхана шіркеуін жарықтандырды. Электр қуаты 110 В тұрақты токпен берілді; мыс сымдарындағы қуат жоғалуына байланысты, тұтынушыға 100 В жетті. Бірнеше апта ішінде парламенттік комиссия 1882 жылғы Электр жарығы туралы маңызды заңды қабылдауды ұсынды, ол жеке тұлғаларға, компанияларға немесе жергілікті билік органдарына кез келген мемлекеттік немесе жеке мақсаттар үшін электр қуатын беруге лицензия алуға мүмкіндік берді. Америкадағы алғашқы ірі орталық электр станциясы – Нью-Йорктегі Эдисонның Перл-стрит станциясы, ол 1882 жылдың қыркүйегінде жұмыс істей бастады. Станцияда 200 ат күші бар алты Эдисон динамосы болды, олардың әрқайсысы жеке бу машинасымен қозғалды. Ол бизнес және коммерциялық ауданда орналасқан және 85 тұтынушыға 400 шаммен 110 вольт тұрақты токпен қамтамасыз етті. 1884 жылға қарай Перл-стрит 508 тұтынушыға 10 164 шаммен қамтамасыз етті. 1880-ші жылдардың ортасына қарай басқа электр компаниялары орталық электр станцияларын құрып, электр қуатын таратуды бастады, оның ішінде Ұлыбританиядағы Crompton & Co. және Swan Electric Light Company, АҚШ-тағы Thomson Houston Electric Company және Westinghouse, ал Германияда Siemens. 1890 жылға қарай 1000 орталық станция жұмыс істеді. 1902 жылғы халық санауы бойынша 3620 орталық станция тіркелген. 1925 жылға қарай қуаттың жартысы орталық станциялар арқылы қамтамасыз етілді.

The first central station providing public power is believed to be one at Godalming, Surrey, UK, in autumn 1881. The system was proposed after the town failed to reach an agreement on the rate charged by the gas company, so the town council decided to use electricity. The system lit up arc lamps on the main streets and incandescent lamps on a few side streets with hydroelectric power. By 1882 between 8 and 10 households were connected, with a total of 57 lights. The system was not a commercial success and the town reverted to gas. The first large scale central distribution supply plant was opened at Holborn Viaduct in London in 1882. Equipped with 1000 incandescent lightbulbs that replaced the older gas lighting, the station lit up Holborn Circus including the offices of the General Post Office and the famous City Temple church. The supply was a direct current at 110 V; due to power loss in the copper wires, this amounted to 100 V for the customer. Within weeks, a parliamentary committee recommended passage of the landmark 1882 Electric Lighting Act, which allowed the licensing of persons, companies or local authorities to supply electricity for any public or private purposes. The first large scale central power station in America was Edison's Pearl Street Station in New York, which began operating in September 1882. The station had six 200 horsepower Edison dynamos, each powered by a separate steam engine. It was located in a business and commercial district and supplied 110 volt direct current to 85 customers with 400 lamps. By 1884 Pearl Street was supplying 508 customers with 10,164 lamps. By the mid 1880s, other electric companies were establishing central power stations and distributing electricity, including Crompton & Co. and the Swan Electric Light Company in the UK, Thomson Houston Electric Company and Westinghouse in the US and Siemens in Germany. By 1890 there were 1000 central stations in operation. The 1902 census listed 3,620 central stations. By 1925 half of power was provided by central stations.

Жүктік фактор және оқшауланған жүйелер

Электр энергиясын өндіруші алғашқы компаниялардың алдындағы ең үлкен мәселелердің бірі – сағаттық өзгеретін сұраныс болды. Электр энергиясы негізінен жарықтандыру үшін қолданылған кезде, жұмыс күніне дейінгі алғашқы сағаттарда және сұраныс шарына жеткен кешкі уақытта сұраныс жоғары болды. Осының салдарынан, алғашқы электр компанияларының көпшілігі күндізгі қызмет көрсетпеді, 1897 жылы үштен екісі күндізгі қызмет көрсетпеді. Орталық станцияның орташа жүктемесі мен ең жоғары жүктемесі арақатынасы жүктеме коэффициенті деп аталады. Электр компанияларының тиімділігін арттыру және тарифтерді төмендету үшін жүктеме коэффициентін арттыру қажет болды. Бұл моторлық жүктеме арқылы іске асырылды. Моторлар күндіз көбірек пайдаланылады және олардың көпшілігі үздіксіз жұмыс істейді. Электрлік теміржолдар жүктемені теңгерту үшін өте қолайлы болды. Көптеген электр теміржолдары өздерінің электр қуатын өндірді, сонымен қатар электр қуатын сатып, тарату жүйелерін пайдаланды. 20 ғасырдың басында жүктеме коэффициенті жоғарылады – Перл-стритте жүктеме коэффициенті 1884 жылы 19,3% болса, 1908 жылы 29,4% -қа дейін өсті. 1929 жылға қарай, әлем бойынша жүктеме коэффициенті 50% -дан асты, негізінен моторлық жүктемеге байланысты. Орталық станциялардан кеңінен электр энергиясын таратуға дейін көптеген зауыттар, ірі қонақүйлер, пәтерлер мен кеңсе ғимараттары өздерінің электр қуатын өндірді. Бұл көбінесе экономикалық тұрғыдан тиімді болды, өйткені шығарылған бу ғимараттар мен өнеркәсіптік процестерде жылу үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл бүгінде біріктірілген жылу-электр станциясы (ЖЭС) немесе когенерация деп аталады. Өздігінен өндірілетін электр қуатының көп бөлігі электр бағасының төмендеуіне байланысты экономикалық тұрғыдан тиімсіз болып шықты. 20 ғасырдың басында оқшауланған электр жүйелері орталық станциялардан әлдеқайда көп болды. Когенерация әлі де көптеген өнеркәсіптерде қолданылады, олар үлкен мөлшерде буды және электр қуатын пайдаланады, мысалы, қағаз және целлюлоза, химия және мұнай өңдеу. Жеке электр генераторларын пайдалануды микрогенерация деп атайды.

Тік ток электр қозғалтқыштары

Бірінші коммутаторлы тұрақты ток электр қозғалтқышын 1832 жылы британдық ғалым Уильям Стерджен ойлап тапты, ол машиналарды қозғалатуға қабілетті болды. Майкл Фарадей көрсеткен қозғалтқышқа қарағанда, бұл маңызды жетістік коммутатордың енгізілуі болды. Бұл Стердженнің қозғалтқышына үздіксіз айналмалы қозғалысты қамтамасыз ететін алғашқы қозғалтқыш болуға мүмкіндік берді. Франк Дж. Спраг 1884 жылы тұрақты ток қозғалтқышын өзгермелі жүктеме кезінде тұрақты жылдамдықты сақтап тұру және щеткалардан шығатын ұшқынды азайту мәселесін шешіп, жақсартты. Спраг өзінің моторын Эдисон компаниясы арқылы сатты. Тұрақты ток қозғалтқыштарымен жылдамдықты өзгерту оңай, бұл оларды электрлік көше теміржолдары, станоктар және жылдамдықты басқару қажет болған басқа да өнеркәсіптік қолданулар сияқты көптеген салаларда пайдалануға ыңғайлы етті. Өндіріс бу машиналары мен су энергиясын пайдаланатын желілік вал және белдік жетегінен электр қозғалтқыштарына көшірілді.

Айнымалы ток

Алғашқы электр станциялары тұрақты токпен жабдықталғанмен, көп ұзамай ауыспалы ток тарату ең қолайлы нұсқаға айналды. Ауыспалы ток (АЖ) таратудың басты артықшылығы – оны берудегі шығындарды азайту үшін жоғары кернеуге түрлендіру мүмкіндігі және АЖ қозғалтқыштарының тұрақты жылдамдықпен жұмыс істеуге қабілеттілігі болды. Ауыспалы ток технологиясының бастауы 1830-31 жылдары Фарадейдің магнит өрісінің өзгеруі тізбекте электр тогын тудыратынын ашқандығына тікелей байланысты. Айналмалы магнит өрісін тұжырымдаған алғашқы адам – Уолтер Бейли. Ол 1879 жылғы 28 маусымда Лондон физикалық қоғамына батареямен жұмыс істейтін көп фазалы моторының жұмыс істейтін үлгісін коммутатордың көмегімен көрсетті. Бейлидің құрылғысына ұқсас, француз инженер-электригі Марсель Депрез 1880 жылы айналмалы магнит өрісінің принципін және оны жасау үшін екі фазалы АЖ тоқ жүйесін сипаттаған мақала жариялады. 1886 жылы ағылшын инженері Элиу Томсон индукциялық кері әсер принципін және ваттметрді пайдаланып АЖ қозғалтқышын құрастырды. 1880-ші жылдарда осы технология кең ауқымды электр энергиясын өндіру және тарату үшін коммерциялық түрде дамыды. 1882 жылы Siemens компаниясында жұмыс істеген британдық өнертапқыш және электр инженері Себастьян де Ферранти, танымал физик Лорд Кельвинмен бірлесіп, алғашқы трансформаторды қоса алғанда, АЖ қуат технологиясын дамытуға үлкен үлес қосты. Люсьен Гаулард пен Джон Диксон Гиббс жасаған қуат трансформаторы 1881 жылы Лондонда көрсетілді және Вестингхаус компаниясының қызығушылығын тудырды. Олар бұл өнертабысты 1884 жылы Туринде де көрсетті, онда ол электр жарықтандыру жүйесінде пайдаланылды. Олардың көптеген жобалары Ұлыбританиядағы электр таратуды реттейтін ерекше заңдарға бейімделді. Себастьян Зиани де Ферранти 1882 жылы Лондонда түрлі электр құрылғыларын жобалайтын шеберхана ашқанда осы бизнеске кірісті. Ферранти ауыспалы токпен қуат таратудың табысқа жететініне ерте сенді және Ұлыбританиядағы осы жүйедегі сарапшылардың санатында болды. Лорд Кельвиннің көмегімен Ферранти 1882 жылы алғашқы АЖ генераторы мен трансформаторын жасады. Британдық физик Джон Хопкинсон электр қуатын тарату үшін үш сымды (үш фазалы) жүйені ойлап тапты, оған 1882 жылы патент алынды. Итальяндық өнертапқыш Галилео Феррарис 1885 жылы көп фазалы АЖ индукциялық қозғалтқышын ойлап тапты. Оның идеясы екі фазадан тыс, бірақ синхронды токтарды қолдану арқылы екі магнит өрісін жасауға болады, олар айналмалы өріс құру үшін біріктіріледі, бұл үшін ауыстыруға немесе жылдамдатылатын бөліктерге мұқтаждык болмайды. Басқа да өнертапқыштардың қатарында американдық инженерлер Чарльз С. Брэдли және Никола Тесла, сондай-ақ неміс техникалық маманы Фридрих Август Хасельвандер болды. Олар полифазалық токпен туындаған айналмалы магнит өрісін пайдалану арқылы АЖ қозғалтқышын іске қосу мәселесін шеше алды. Михаил Доливо Добровольский 1890 жылы алғашқы үш фазалы индукциялық қозғалтқышты ұсынды, бұл Еуропа мен АҚШ-та қолданылатын прототипке айналған, әлдеқайда тиімді конструкция болды. 1895 жылға қарай GE және Westinghouse екеуі де нарықта АЖ қозғалтқыштарын ұсынды. Бір фазалы ток үшін конденсатор немесе катушка (индуктивтілік жасау) қозғалтқыштың ішіндегі тізбектің бір бөлігінде айналмалы магнит өрісін жасау үшін қолданылуы мүмкін. Көп жылдамдықты АЖ қозғалтқыштары, жеке сымдармен қосылған полюстері бар, көптен бері қолжетімді, ең көп таралғаны – екі жылдамдықты. Бұл қозғалтқыштардың жылдамдығы полюстер жиынтығын қосу немесе өшіру арқылы өзгертіледі, бұл үлкен қозғалтқыштар үшін арнайы қозғалтқыш стартерімен немесе шағын қуатты қозғалтқыштар үшін қарапайым көп жылдамдықты ауыстырғышпен жасалды.

Although the first power stations supplied direct current, the distribution of alternating current soon became the most favored option. The main advantages of AC were that it could be transformed to high voltage to reduce transmission losses and that AC motors could easily run at constant speeds. Alternating current technology was rooted in Faraday's 1830–31 discovery that a changing magnetic field can induce an electric current in a circuit. The first person to conceive of a rotating magnetic field was Walter Baily who gave a workable demonstration of his battery operated polyphase motor aided by a commutator on June 28, 1879, to the Physical Society of London. Nearly identical to Baily’s apparatus, French electrical engineer Marcel Deprez in 1880 published a paper that identified the rotating magnetic field principle and that of a two phase AC system of currents to produce it. In 1886, English engineer Elihu Thomson built an AC motor by expanding upon the induction repulsion principle and his wattmeter. It was in the 1880s that the technology was commercially developed for large scale electricity generation and transmission. In 1882 the British inventor and electrical engineer Sebastian de Ferranti, working for the company Siemens collaborated with the distinguished physicist Lord Kelvin to pioneer AC power technology including an early transformer. A power transformer developed by Lucien Gaulard and John Dixon Gibbs was demonstrated in London in 1881, and attracted the interest of Westinghouse. They also exhibited the invention in Turin in 1884, where it was adopted for an electric lighting system. Many of their designs were adapted to the particular laws governing electrical distribution in the UK. Sebastian Ziani de Ferranti went into this business in 1882 when he set up a shop in London designing various electrical devices. Ferranti believed in the success of alternating current power distribution early on, and was one of the few experts in this system in the UK. With the help of Lord Kelvin, Ferranti pioneered the first AC power generator and transformer in 1882. John Hopkinson, a British physicist, invented the three wire (three phase) system for the distribution of electrical power, for which he was granted a patent in 1882. The Italian inventor Galileo Ferraris invented a polyphase AC induction motor in 1885. The idea was that two out of phase, but synchronized, currents might be used to produce two magnetic fields that could be combined to produce a rotating field without any need for switching or for moving parts. Other inventors were the American engineers Charles S. Bradley and Nikola Tesla, and the German technician Friedrich August Haselwander. They were able to overcome the problem of starting up the AC motor by using a rotating magnetic field produced by a poly phase current. Mikhail Dolivo Dobrovolsky introduced the first three phase induction motor in 1890, a much more capable design that became the prototype used in Europe and the U. S. By 1895 GE and Westinghouse both had AC motors on the market. With single phase current either a capacitor or coil (creating inductance) can be used on part of the circuit inside the motor to create a rotating magnetic field. Multi speed AC motors that have separately wired poles have long been available, the most common being two speed. Speed of these motors is changed by switching sets of poles on or off, which was done with a special motor starter for larger motors, or a simple multiple speed switch for fractional horsepower motors.

Ауа-күйі ауыспалы электр станциялары

Бірінші ауыспалы ток стансасын ағылшын инженер-электригі Себастьян де Ферранти салған. 1887 жылы Лондон электрмен жабдықтау корпорациясы Феррантиді Депфордтағы стансасын жобалау үшін жалдады. Ол ғимаратты, генерациялық қондырғыны және тарату жүйесін жобалады. Ол Депфорд өзенінің сағасының батысындағы, бұрынғыдағы Шығыс Индия компаниясы қолданған Стоуэдж деген жерде салынды. Бұрын-соңды болмаған көлемде салынған және жоғары кернеулі (10 000 В) ауыспалы токты пайдалануды алғаш рет енгізген ол 800 киловатт қуат өндірді және Лондонның орталық бөлігін қуатпен қамтамасыз етті. 1891 жылы аяқталуымен ол бірінші толыққанды заманауи станса болды, ол жоғары кернеулі ауыспалы токпен жабдықталды, содан кейін әр көшедегі тұтынушылар үшін трансформаторлармен кернеуі төмендетілді. Бұл негізгі жүйе бүгінгі күнге дейін әлем бойынша қолданылып келеді. АҚШ-та Гаулард пен Гиббс жасаған қуат трансформаторына қызығушылық танытқан Джордж Вестингхаус өзінің ауыспалы ток жарықтандыру жүйесін жасады, ол 20:1 қатынамында кернеуді көтеріп, төмендету жүйесін қолданды. 1890 жылы Вестингхаус пен Стэнли Колорадодағы шахтаға бірнеше шақырымға қуат жеткізу жүйесін құрды. Ниагарадан алынған қуатты Нью-Йорк штатының Буффало қаласына ауыспалы ток арқылы жеткізу туралы шешім қабылданды. 1890 жылы жеткізушілер ұсынған ұсыныстарда тұрақты ток және қысылған ауа жүйелері де болды. Тұрақты ток пен қысылған ауаның біріктірілген жүйесі жоспардың соңына дейін қарастырылды. Ниагара комиссары Уильям Томсонның (Лорд Келвин) наразылығына қарамастан, Вестингхаус пен General Electric ұсынған ауыспалы ток жүйесін салу туралы шешім қабылданды. 1893 жылдың қазан айында Westinghouse компаниясына алғашқы үш 5,000 а.к., 250 айналым/мин, 25 Гц, екі фазалы генераторларды жеткізу келісімшарты берілді. Гидроэлектростанция 1895 жылы іске қосылды және сол кезге дейін ең ірісі болды. 1890 жылдарға қарай, бір және көп фазалы ауыспалы ток кеңінен енгізіле бастады. АҚШ-та 1902 жылы электр қуатының 61% ауыспалы токтан алынса, 1917 жылы бұл көрсеткіш 95% -қа жетті. Көптеген қолданыстар үшін ауыспалы токтың артықшылығына қарамастан, ауыспалы ток жаңа жүйелер үшін стандартқа айналғаннан кейін бірнеше он жылдар бойы тұрақты ток жүйелері жұмыс істей берді.

The first AC power station was built by the English electrical engineer Sebastian de Ferranti. In 1887 the London Electric Supply Corporation hired Ferranti for the design of their power station at Deptford. He designed the building, the generating plant and the distribution system. It was built at the Stowage, a site to the west of the mouth of Deptford Creek once used by the East India Company. Built on an unprecedented scale and pioneering the use of high voltage (10,000 V) AC current, it generated 800 kilowatts and supplied central London. On its completion in 1891 it was the first truly modern power station, supplying high voltage AC power that was then "stepped down" with transformers for consumer use on each street. This basic system remains in use today around the world. In the U. S., George Westinghouse, who had become interested in the power transformer developed by Gaulard and Gibbs, began to develop his AC lighting system, using a transmission system with a 20:1 step up voltage with step down. In 1890 Westinghouse and Stanley built a system to transmit power several miles to a mine in Colorado. A decision was taken to use AC for power transmission from the Niagara Power Project to Buffalo, New York. Proposals submitted by vendors in 1890 included DC and compressed air systems. A combination DC and compressed air system remained under consideration until late in the schedule. Despite the protestations of the Niagara commissioner William Thomson (Lord Kelvin) the decision was taken to build an AC system, which had been proposed by both Westinghouse and General Electric. In October 1893 Westinghouse was awarded the contract to provide the first three 5,000 hp, 250 rpm, 25 Hz, two phase generators. The hydro power plant went online in 1895, and it was the largest one until that date. By the 1890s, single and poly phase AC was undergoing rapid introduction. In the U. S. by 1902, 61% of generating capacity was AC, increasing to 95% in 1917. Despite the superiority of alternating current for most applications, a few existing DC systems continued to operate for several decades after AC became the standard for new systems.

Бу турбиналары

Бумен жұмыс істейтін қозғалтқыштардың отынның жылу энергиясын механикалық жұмысқа айналдыру тиімділігі, бу орталық электр станцияларының экономикалық жұмыс істеуінде маңызды фактор болды. Алғашқы жобаларда салыстырмалы түрде төмен жылдамдықпен жұмыс істейтін, поршенді бу машиналары қолданылды. Бу турбинасының енгізілуі орталық станциялар экономикасын түбегейлі өзгертті. Бу турбиналарын поршенді машиналарынан гөрі үлкен қуаттылықпен жасауға болады және олардың тиімділігі көбінесе жоғары болды. Бу турбиналарының жылдамдығы әрбір айналым кезінде циклдік түрде өзгermеді. Бұл АЖ генераторларын параллель жұмыс істеуге мүмкіндік берді және тартымдылық пен өнеркәсіптік қолдану үшін тұрақты ток өндіруге арналған ротациялық түрлендіргіштердің тұрақтылығын арттырды. Бу турбиналары поршенді машиналарына қарағанда жоғары жылдамдықпен жұмыс істеді, өйткені олар цилиндрдегі поршеннің рұқсат етілген жылдамдығымен шектелмеді. Бұл оларды екі немесе төрт полюсті АЖ генераторларымен үйлесімді етті; қозғалтқыш пен генератор арасында қосымша беріліс қорабы немесе белдікпен жылдамдық көтеру қажет болмады. Өте үлкен қуаттылықтағы орталық станциялар үшін қажет болатын төмен жылдамдықты қозғалтқыш пен жоғары жылдамдықты генератор арасында белдік жетегін жасау қымбатқа түсетін және ақырында мүмкін емес еді. Қазіргі заманғы бу турбинасын 1884 жылы британдық инженер сэр Чарльз Парсонс ойлап тапты, оның алғашқы үлгісі 7,5 кВт (10 а.к.) электр қуатын өндіретін динамомен қосылды. Парсонс бу турбинасын ойлап тапқаннан кейін, арзан және көп электр энергиясын алу мүмкін болды. Парсонс турбиналары 1894 жылға қарай ағылшын орталық станцияларында кеңінен қолданысқа енді; әлемдегі электр энергиясын бу турбиналарын пайдаланып өндіретін алғашқы компания 1894 жылы құрылған Парсонстың өз компаниясы – «Ньюкасл және аудандық электр жарық компаниясы» болды. Парсонстың өмірінде бірліктің электр энергиясын өндіру қабілеті шамамен 10 000 есеге артты. АҚШ-тағы алғашқы турбиналар 1895 жылы Нью-Йорктегі Эдисон компаниясында орнатылған екі De Leval агрегаты болды. АҚШ-тағы алғашқы Парсонс турбинасы Питтсбург маңындағы Westinghouse Air Brake Co. компаниясында пайда болды. Бу турбиналары поршенді машиналарына қарағанда капиталдық шығындар мен жұмыс істеу бойынша да артықшылықтарға ие болды. Бу машиналарының конденсаты маймен ластанғандықтан қайта пайдалануға болмайтын, ал турбинадан шыққан конденсат таза болып, әдетте қайта қолданылады. Бу турбиналарының мөлшері мен салмағы бірдей қуаттылықтағы поршенді бу машиналарынан әлдеқайда аз болды. Бу турбиналары жылдар бойы дерлік тозусыз жұмыс істей алады. Поршенді бу машиналарына үнемі күтім қажет болды. Бу турбиналарын кез келген бу машиналарынан әлдеқайда үлкен қуаттылықпен жасауға болады, бұл ауқымды экономиканы қамтамасыз етеді. Бу турбиналарын жоғары қысымды және температуралы бумен жұмыс істеуге болады. Термодинамиканың негізгі принципі – қозғалтқышқа кіретін будың температурасы жоғары болған сайын, тиімділігі де жоғары болады. Бу турбиналарын енгізу температура мен қысымды жақсартуға қадамдар жасауға ықпал етті. Нәтижесінде айқындылықтың артуы электр энергиясының бағасын төмендетті. Қазандардың қуат тығыздығы мәжбүрлі жану ауасын пайдалану және ұнтақталған көмірді беру үшін қысылған ауаны қолдану арқылы арттырылды. Сонымен қатар, көмірді өңдеу механикаландырылып, автоматтандырылды.

The efficiency of steam prime movers in converting the heat energy of fuel into mechanical work was a critical factor in the economic operation of steam central generating stations. Early projects used reciprocating steam engines, operating at relatively low speeds. The introduction of the steam turbine fundamentally changed the economics of central station operations. Steam turbines could be made in larger ratings than reciprocating engines, and generally had higher efficiency. The speed of steam turbines did not fluctuate cyclically during each revolution. This made parallel operation of AC generators feasible, and improved the stability of rotary converters for production of direct current for traction and industrial uses. Steam turbines ran at higher speed than reciprocating engines, not being limited by the allowable speed of a piston in a cylinder. This made them more compatible with AC generators with only two or four poles; no gearbox or belted speed increaser was needed between the engine and the generator. It was costly and ultimately impossible to provide a belt drive between a low speed engine and a high speed generator in the very large ratings required for central station service. The modern steam turbine was invented in 1884 by British engineer Sir Charles Parsons, whose first model was connected to a dynamo that generated 7.5 kW (10 hp) of electricity. The invention of Parsons's steam turbine made cheap and plentiful electricity possible. Parsons turbines were widely introduced in English central stations by 1894; the first electric supply company in the world to generate electricity using turbo generators was Parsons's own electricity supply company Newcastle and District Electric Lighting Company, set up in 1894. Within Parsons's lifetime, the generating capacity of a unit was scaled up by about 10,000 times. The first U. S. turbines were two De Leval units at Edison Co. in New York in 1895. The first U. S. Parsons turbine was at Westinghouse Air Brake Co. near Pittsburgh. Steam turbines also had capital cost and operating advantages over reciprocating engines. The condensate from steam engines was contaminated with oil and could not be reused, while condensate from a turbine is clean and typically reused. Steam turbines were a fraction of the size and weight of comparably rated reciprocating steam engine. Steam turbines can operate for years with almost no wear. Reciprocating steam engines required high maintenance. Steam turbines can be manufactured with capacities far larger than any steam engines ever made, giving important economies of scale. Steam turbines could be built to operate on higher pressure and temperature steam. A fundamental principle of thermodynamics is that the higher the temperature of the steam entering an engine, the higher the efficiency. The introduction of steam turbines motivated a series of improvements in temperatures and pressures. The resulting increased conversion efficiency lowered electricity prices. The power density of boilers was increased by using forced combustion air and by using compressed air to feed pulverized coal. Also, coal handling was mechanized and automated.

Электр желісі

Ұзақ қашықтыққа электр қуатын беруді іске асыру арқылы жүктемені теңестіру және жүктеме коэффициенттерін жақсарту үшін әртүрлі электр станцияларын біріктіру мүмкін болды. Электрлендіру 20 ғасырдың басында қарқынды дамығандықтан, жүйелерді біріктіруге деген қажеттілік артты. Мерц & McLellan консалтингтік серіктестігінің Чарльз Мерц 1901 жылы Ньюкасл-апон-Тайн қаласының жанында Нептун Банк электр стансасын салды, ал 1912 жылға қарай ол Еуропадағы ең ірі біріктірілген электр жүйесіне айналды. 1905 жылы ол Парламентті елдің электрмен жабдықтау саласындағы әртүрлі кернеулер мен жиіліктерді біріктіруге ықпал етуге тырысты, бірақ Бірінші дүниежүзілік соғысқа дейін Парламент бұл идеяны жеке қарастырмады, оны мәселені шешу үшін Парламенттік комитеттің төрағасы етіп тағайындады. 1916 жылы Мерц Ұлыбританияның кішкентай аумағын тиімді пайдалануға болатынын, өнеркәсібін тиімді қуатпен қамтамасыз ету үшін тығыз тарату желісін құру арқылы екенін көрсетті. Оның тұжырымдары 1918 жылғы Уильямсон есебіне әкелді, ол өз кезегінде 1919 жылғы Электрмен жабдықтау туралы заң жобасын жасады. Бұл заң жобасы Ұлыбританияда біріктірілген электр жүйесіне жасалған алғашқы қадам болды. 1926 жылғы Электрмен (жабдықтау) туралы заң Ұлттық желінің құрылуына әкелді. Орталық Электр Кеңесі елдің электрмен жабдықтауын стандарттады және 132 киловольт және 50 Герц жиілігінде жұмыс істейтін алғашқы синхронды айнымалы ток желісін құрды. Бұл 1938 жылы ұлттық жүйе ретінде, Ұлттық желі ретінде жұмыс істей бастады. АҚШ-та Бірінші дүниежүзілік соғыстың кезегінде 1918 жылдың жазындағы қуат дағдарысынан кейін, жабдықты консолидациялау ұлттық мақсатқа айналды. 1934 жылы "Қоғамдық пайдалы холдингтік компаниялар туралы" заң электрмен жабдықтау кәсіпорындарын газ, су және телефон компанияларымен қатар маңызды қоғамдық игіліктер ретінде мойындады, соның салдарынан олардың қызметіне шектеулер мен реттеуші бақылау белгіленді.

Тұрғын үйлерді электрмен жабдықтау

Еуропа мен Солтүстік Америкадағы үй шаруашылықтарын электрлендіру 20 ғасырдың басында ірі қалаларда және электр теміржолдары бар аймақтарда басталды, ал 1930 жылға дейін қарқынды дамыды, АҚШ-тағы үй шаруашылықтарының 70% электрленді.

Еуропада ауылдық аймақтарды бірінші болып электрлендірді, ал АҚШ-та 1935 жылы құрылған Ауылдық Электрлендіру басқармасы (Rural Electric Administration) ауылдық жерлерге электр жеткізді.

Электр энергиясының тарихи құны

Орталық станцияларда электр энергиясын өндіру шағын генераторларға қарағанда тиімдірек және төмен құнмен қамтамасыз етілді. Электр қуатының бір бірлігіне жұмсалатын капиталдық және пайдалану шығындары да орталық станцияларда арзан болды. Тарихи құн туралы мәліметтер үшін Айрес Уорр (2002) Сұлба 7-ге қараңыз.

Электрлендірудің пайдасы

Ұлттық инженерлік академиясы электрлендіруді "ХХ ғасырдағы ең зор инженерлік жетістік" деп атады, және ол бай және кедей елдерде де жалғасуда.

Электр жарығының пайдасы

Электр жарығы өте қажет. Бұл жарық мұнай немесе газ шамдарынан әлдеқайда жарық, және қара күйе түспейді. Алғашқы электр энергиясы қазіргіге қарағанда қымбат болғанымен, мұнай немесе газ жарығынан әлдеқайда арзан әрі ыңғайлы болды. Электр жарығы мұнай мен газға қарағанда соншалықты қауіпсіз болғандықтан, кейбір компаниялар сақтандыру ақшасының арқасында электр энергиясын төлей алды.

Электр алдындағы қуат

1851 жылы Чарльз Бэббидж былай деді: Жоғары білікті жұмысшылар (инженерлер) үшін ең маңызды өнертабыстардың бірі – жарты адамнан екі жылқыға дейінгі күшті қозғаушы күш болар еді, ол бірден басталып, тоқтатылуы мүмкін, басқаруға уақыт кетірмейді және бастапқы және күнделікті шығындары арзан болады. Тиімді жұмыс істеу үшін бу машиналарына бірнеше жүз ат күші қажет еді. Бу машиналары мен қазандықтарды пайдалану мен күтіп ұстау да қажет болды. Осы себептерге байланысты ең кішкентай коммерциялық бу машиналарының қуаты шамамен 2 ат күшіне тең болды. Бұл көптеген шағын шеберханалардың қажеттілігінен асып түсті. Сондай-ақ, кішкентай бу машинасы мен қазандықтың құны шамамен 7000 долларға бағаланып, ал 1/2 ат күшіне жұмыс істейтін ескі соқыр жылқының құны 20 доллар немесе одан да аз болды. Жылқыны пайдалануға арналған жабдықтар 300 доллардан кем тұратын. Көптеген жағдайларда қажетті қуат жылқы қуатынан төмен болды. Мысалы, ағаш өңдеу станоктары бір немесе екі адаммен қолмен айналдырылатын болды. Үйде қолданылатын тігін машиналары аяқпен иіскететін педальмен жұмыс істесе, фабрикадағы тігін машиналары бу машинасынан желілік вал арқылы қуат алатын. Иттер кейде май соруға арналған жүгіру тетігі сияқты машиналарда қолданылатын. XIX ғасырдың соңында арнайы салынған электр ғимараттары шағын шеберханаларға жалданып берілді. Бұл ғимараттар желілік валдар арқылы бу машинасынан қуат беру арқылы жалдаушыларға электр қуатын ұсынып отырды. Электр машиналары кішкентай бу машиналарынан бірнеше есе тиімді болды, себебі орталық станцияда қуат өндіру кішкентай бу машиналарынан тиімдірек болды, ал желілік валдар мен белбеулерде үлкен шығындар болды. АҚШ-та 1870 жылдан 1880 жылға дейін әрбір адам сағатына 0,55 ат күші берілді. 1950 жылы бұл көрсеткіш 5 ат күшіне жетіп, жылына 2,8% өсімді көрсетті, ал 1930 жылдан 1950 жылға дейін 1,5% құрады. 1900 жылдан 1940 жылға дейінгі кезеңде фабрикалар мен үйлерді электрлендіру өнімділіктің өсуіне және экономикалық дамуға ықпал етті. Электрлендіру және электр желілерін зерттеудің көп бөлігі Еуропа мен АҚШ-тағы өнеркәсіптік дамыған елдерге бағытталған. Басқа аймақтарда электр қуаты колониялық басқару жүйесі арқылы жеткізілді. Кейбір тарихшылар мен әлеуметтанушылар отаршылдық саясат пен электр желілерінің дамуы арасындағы байланысты қарастырды: Үндістанда Рао лингвистикалық факторларға негізделген аймақтық саясаттың екі жеке желінің құрылуына әкелгенін көрсетті; отаршылдық Зимбабведе (Родезия) Чиковерро электрлендірудің нәсілдік сипатқа ие болғанын және африкалықтарды есепке алмағанда, ақ қоныс аударушылардың қауымдастығына қызмет еткенін көрсетті; ал Палестинада Шамир британдық электр концессияларының сионистік компанияға берілуінің арабтар мен еврейлер арасындағы экономикалық теңсіздікті күшейткенін мәлімдеді.

In 1851, Charles Babbage stated:One of the inventions most important to a class of highly skilled workers (engineers) would be a small motive power ranging perhaps from the force of from half a man to that of two horses, which might commence as well as cease its action at a moment's notice, require no expense of time for its management and be of modest cost both in original cost and in daily expense. To be efficient steam engines needed to be several hundred horsepower. Steam engines and boilers also required operators and maintenance. For these reasons the smallest commercial steam engines were about 2 horsepower. This was above the need for many small shops. Also, a small steam engine and boiler cost about $7,000 while an old blind horse that could develop 1/2 horsepower cost $20 or less. Machinery to use horses for power cost $300 or less. Many power requirements were less than that of a horse. Shop machines, such as woodworking lathes, were often powered with a one or two man crank. Household sewing machines were powered with a foot treadle; however, factory sewing machines were steam powered from a line shaft. Dogs were sometimes used on machines such as a treadmill, which could be adapted to churn butter. In the late 19th century specially designed power buildings leased space to small shops. These building supplied power to the tenants from a steam engine through line shafts. Electric motors were several times more efficient than small steam engines because central station generation was more efficient than small steam engines and because line shafts and belts had high friction losses. In the U. S. from 1870 to 1880 each man hour was provided with .55 hp. In 1950 each man hour was provided with 5 hp, or a 2.8% annual increase, declining to 1.5% from 1930 to 1950. The period of electrification of factories and households from 1900 to 1940, was one of high productivity and economic growth. Most studies of electrification and electric grids focused on industrial core countries in Europe and the United States. Elsewhere, wired electricity was often carried on and through the circuits of colonial rule. Some historians and sociologists considered the interplay of colonial politics and the development of electric grids: in India, Rao showed that linguistics based regional politics—not techno geographical considerations—led to the creation of two separate grids; in colonial Zimbabwe (Rhodesia), Chikowero showed that electrification was racially based and served the white settler community while excluding Africans; and in Mandate Palestine, Shamir claimed that British electric concessions to a Zionist owned company deepened the economic disparities between Arabs and Jews.

Автоматтандырудың электрлендіруге қатысы

Электрлендіру, жүйелерді электр энергиясымен қуаттандыру процесі, өнеркәсіптік автоматтандыруды дамытуда шешуші роль атқарды. Бұл ескі Бағдарламаланатын логикалық контроллерлердің (PLC) және Жүйелі логикалық контроллерлердің (SLC) қолданылуында ерекше байқалады, олар өндірістік процестерді басқаруға қолданылатын компьютерлердің түрлері. Жарты ғасырдан астам бұрын енгізілген бұл контроллерлер заводтар мен автоматтандыру орталарындағы күрделі міндеттерді басқаруда маңызды болды. Индустрия 4.0 арқылы автоматтандырудың дамуы PLC және SLC-тің маңыздылығын одан әрі арттырды. Қазіргі заманғы автоматтандырылған жүйелерде назар тек механикалық басқаруға ғана емес, сонымен қатар деректерді басқару мен талдауға да аударылады. Бұл контроллерлер осы өзгеріске бейімделіп, жаңа цифрлық жүйелермен тығыз интеграцияланды. Мысалы, қазіргі заманғы PLC-лерде бұлтты байланыс мүмкіндігі бар, ол оларға интернет арқылы деректерді жіберуге және қабылдауға мүмкіндік береді, сондай-ақ деректерді олар пайда болған жерге жақын өңдейтін шеттік есептеу мүмкіндігі де бар. Бұл технологиялық жетістік, әсіресе, шалғайдағы өнеркәсіптік объектілер сияқты қиын жағдайларда өте маңызды. Мұнда жаңа технологиялармен жабдықталған PLC-лер тіпті қиын жағдайларда да сенімді жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. Олар машиналарды бақылау және деректер ағынын басқару сияқты күрделі міндеттерді орындай алады, бұл ескі автоматтандыру технологияларының да бүгінгі тамиды дамып жатқан өнеркәсіптік ландшафтта өзектілігін сақтайтынын көрсетеді. Жалпы алғанда, PLC және SLC-тің үздірлісіз дамуы автоматтандыру технологиясының динамикалық сипатын көрсетеді, ол өнеркәсіптің өзгеретін қажеттіліктеріне бейімделіп, заманауи өндірістік процестердегі маңызды рөлін сақтайды.

Электрлендірудің қазіргі деңгейі

Қалалар мен үйлерді электрлендіру 19 ғасырдың соңынан бері жүзеге асырылып келе жатса да, 2017 жылы шамамен 840 миллион адам (көбінесе Африкада) желілік электр қуатына қол жеткізе алмады, бұл көрсеткіш 2010 жылы 1,2 миллиардтан төмен болған. Электрлендірудегі соңғы үлкен прогресс 1950-1980 жылдар аралығында тіркелді. 1970 жылдар мен 1980 жылдардағы өсім зор болды – 1970 жылы әлем халқының 49%-ы электр қуатына қол жеткізсе, 1990 жылы бұл көрсеткіш 76%-ға жетті. Соңғы жылдарығы прогресс салыстырмалы түрде шамалы болды; 2010 жылдардың басында әлем халқының 81-83%-ы электр қуатына қол жеткізді.

Тұрақты энергияны электрмен қамтамасыз ету

Таза энергия көбінесе электр энергиясы түрінде өндіріледі, мысалы, жаңартылатын энергия немесе ядролық энергия. Осы энергия көздеріне көшу үшін әлемдік энергия жүйелерінің тұрақты болуына көлік және жылу сияқты соңғы пайдаланулардың электрлендірілуі қажет. Жақындағы зерттеулер АҚШ және Канадада күн сәулелі фотоэлектрлік (ПВ) құрылғыларымен қуаттандырылған жылу сорғыларын (ЖС) пайдаланудың ауылдық жерлерде пропанды, ал қалаларда табиғи газды жылытуды алмастыру арқылы экономикалық тиімді екенін көрсетті. 2023 жылғы зерттеуде: (1) тұрғын үйлердегі табиғи газға негіделген жылу жүйесі және желілік электр энергиясы, (2) электр жүктемесін қамтамасыз ету үшін ПВ жүйесімен жабдықталған табиғи газға негіделген жылу жүйесі, (3) желілік электр энергиясымен жұмыс істейтін тұрғын үйге арналған ЖС жүйесі және (4) ЖС+ПВ жүйесі қарастырылды. Зерттеу көрсеткендей, қалыпты инфляция жағдайында табиғи газ бен кері айналмалы, ауадан жылу алатын жылу сорғыларының өмірлік цикл құны шамамен бірдей, бұл АҚШ-та жоғары инфляция кезеңінде жылу сорғыларының сатылымы алғаш рет газ пештерінен басып өтуінің себебін түсіндіреді. Инфляция деңгейі жоғары болғанда немесе ПВ құрылғыларының бастапқы құны төмендегенде, ПВ бағаның өсуіне қарсы тиімді қорғаныс болып табылады және электр энергиясы мен жылу шығындарының өсуін тежей отырып, жылу сорғыларын пайдалануға ынталандырады. Зерттеу…

Көлікті электрмен жабдықтау

Электр энергиясын тұрақты өндіру сұйық отынды тұрақты өндіруден оңай. Сондықтан электр көліктерін пайдалану көліктің тұрақтылығын арттырудың бір жолы. Сутекті көліктер әлі кеңінен электрленбеген ірі көліктер үшін, мысалы, қашықтыққа жүретін жүк көліктері үшін балама болуы мүмкін. Кеме және авиациядан шығарындыларды азайтуға қажетті көптеген технологиялар әлі де дамудың бастапқы сатысында.

Жылуды электрмен жабдықтау

Әлем халқының үлкен бөлігі үйлерін жеткілікті түрде салқындата алмайды. Ауа баптау жүйесіне қоса, ол электрлендіруді және қосымша қуат талап етуді қажет етеді, тұрақты салқындату қажеттіліктерін қамтамасыз ету үшін пассивті үйлерді жобалау және қала құрылысын дамыту қажет. Сол сияқты, дамыған және дамушы елдерде көптеген үй шаруашылықтары отын жетіспеушілігінен зардап шегеді және үйлерін жеткілікті түрде жылыта алмайды. Қазіргі жылыту тәжірибелері көбінесе қоршаған ортаны ластайды. Жылыту мәселесін шешудің маңызды тұрақты жолы – электрлендіру (жылу сорғылары немесе тиімділігі төмен электр жылытқыштары). IEA бағалауынша, жылу сорғылары қазіргі уақытта әлемдегі кеңістік және суды жылыту қажеттіліктерінің барлық 5% ғана қамтамасыз етеді, бірақ 90% астам қамтамасыз етуге қабілетті. Жер бетінен жылу алатын жылу сорғыларын пайдалану жылыту және салқындатумен байланысты жылдық энергия жүктемесін азайтуға ғана емес, сонымен қатар электр сұранысын тегістеуге және жазғы маусымдағы электр қуатының ең жоғары деңгейін жоюға көмектеседі. Дегенмен, жылу сорғылары мен кедергілік жылыту өнеркәсіптік жылуды электрлендіру үшін жеткіліксіз. Себебі, кейбір процестерде осы типтегі жабдықтармен қол жеткізе алмайтын жоғары температуралар қажет. Мысалы, бу арқылы крекинг әдісімен этилен өндіру үшін 900°C дейін температура қажет. Сондықтан, мүлдем жаңа процестер қажет. Дегенмен, жылуға электр энергиясын түрлендіру химия өнеркәсібін электрлендірудің бірінші қадамы болады деп күтілуде, және 2025 жылға қарай кең ауқымды енгізілуі күтілуде. АҚШ-тың кейбір қалалары жаңа үйлерге газ құбырларын қосуға тыйым салды, ал штаттардың заңдары электрлендіруді талап ету немесе жергілікті талаптарды тыйым салу мақсатында қабылданды немесе қарастырылуда. Ұлыбритания үкіметі климаттық мақсаттарына жету үшін үйді жылытуды электрлендіруді тәжірибеден өткізуде. Керамикалық және индукциялық жылыту, сондай-ақ өнеркәсіптік қолданыстар (мысалы, бу крекерлері) табиғи газды пайдаланудан бас тартуға көмектесетін технологиялардың мысалдары болып табылады.

Энергиялық тұрақтылық

Электр энергиясы – энергияның "жабысқақ" түрі, себебі ол өндірілген континентте немесе аралда қалуға бейім. Ол сонымен қатар көптеген көздерден алынады; егер бір көз тапшылыққа ұшыраса, электр энергиясын басқа көздерден, оның ішінде жаңартылатын көздерден де өндіруге болады. Осының нәтижесінде, ұзақ мерзімде ол энергия берудің салыстырмалы түрде төзімді құралы болып табылады. Ал қысқа мерзімде, электр энергиясы тұтылатын сәтте берілуі керек болғандықтан, оны жерде сақтауға және жеткізіп пайдалануға болатын отынға қарағанда тұрақсызрақ. Дегенмен, бұл мәселені электр желісінде энергия сақтау және таратылған генерация арқылы шектеуге болады.

Өзгермелі энергия көздерін басқару

Күн және жел – ауа райы мен күннің уақытына байланысты электр энергиясын үзілістермен беретін өзгермелі жаңартылатын энергия көздері. Көптеген электр желілері үздірілмейтін энергия көздері, мысалы, көмірмен жұмыс істейтін электр станциялары үшін салынған. Күн және жел энергиясының желіге интеграциясы арта келе, электр энергиясының сұранысқа сай болуын қамтамасыз ету үшін энергия жүйесіне өзгерістер енгізу қажет. 2019 жылы осы көздер әлемдік электр энергиясының 8,5%-ын өндірді, бұл үлес жылдам өсуде. Электр жүйесін икемдеудің әртүрлі жолдары бар. Көптеген аймақтарда күн мен жел энергиясы өндірісі күндізгі және маусымдық деңгейде бір-бірін толықтырады: түнде және қыста жел көбірек соғады, ал күн энергиясы өндірісі төмен болады. Ең көп қолданылатын сақтау әдісі – суды сорғылау арқылы гидроэлектр энергиясын жинақтау, ол биіктікте үлкен айырмашылықтары бар және суға қол жеткізілетін жерлерді қажет етеді. Олардың құрамында көбінесе кобальт болады, ол көбінесе саяси тұрақсыз Конго аймағында өндіріледі. Географиялық көздердің әртүрлілігі жеткізу тізбегінің тұрақтылығын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді, ал олардың қоршаған ортаға тигізетін әсері төмендету және қайта өңдеу арқылы азайтылуы мүмкін. Батареялар әдетте электр энергиясын қысқа мерзімге сақтайды; маусымдар бойы жеткілікті қуатты қамтамасыз ететін технологиялар бойынша зерттеулер жалғасуда. Кейбір аймақтарда бірнеше айға дейін қуатты сақтауға арналған гидроаккумуляциялық және газға электр қуатын түрлендіру жүйелері іске асырылды. 2018 жылдың мәліметтері бойынша, жылу энергиясын сақтау әдетте табиғи отынды өртеудей ыңғайлы емес. Жоғары бастапқы шығындар іске асыруға кедергі келтіреді. Маусымдық жылу энергиясын сақтау үшін үлкен сыйымдылық қажет; ол кейбір жоғары ендік аймақтарда үй шаруалықтарын жылумен қамтамасыз ету үшін қолданылған.