ГОЭЛРО: Фабрики электричества

http://energymuseum.ru/pics/1920-1928/goerlo_15.jpgОдновременно с развитием технологии генераторов решалась и еще одна важнейшая задача – передача электричества хоть на какое-то расстояние от генератора. Француз И. Фонтен в 1873 продемонстрировал невиданное чудо – сумел обеспечить передачу электроэнергии на целый 1 км.

Часть 1. ГОЭЛРО: Истоки

Часть 2

…Вот только сам Фонтен был уверен, что никакой практической пользы от его придумки быть не может – так, небольшие расстояния и минимальная мощность. Но от «заказа» промышленного производства отлынивать было нельзя – и в дело вступили теоретики.

В 1880 году, синхронно и независимо друг от друга расчеты, показывающие экономическую целесообразность электропередачи, рассчитали Д. А. Лачинов в России и М. Депрё во Франции.

К сожалению, у Лачинова найти мецената не получилось, а вот Депрё сумел уговорить профинансировать его работы самого Ротшильда, потому и результат не заставил себя долго ждать.

В 1882 году Депрё сумел построить уже не шуточную линию в 57 км от Мисбаха до Мюнхена. Ну, для того времени – не шуточную, а уж как оценить это с нашей точки зрения – решите сами, вот короткое описание этого эксперимента.  Да, стоит отметить,  что все перечисленные достижения касались все того же постоянного тока.

В Мисбахе был сооружен генератор постоянного тока, приводившийся в действие паровой машиной, и выдававший ток мощностью в целых 3 лошадиных силы (2,2 кВт) при напряжении в 2 000 вольт.

Ток шел по стальным телеграфным проводам диаметром 4.5 мм на выставку в Мюнхене, где такой же генератор в режиме электродвигателя приводил в действие насос, дававший, к восторгу публики, воду для искусственного водопада. Красиво, но КПД установки был всего 25%.

В дальнейшем Депрё сумел довести КПД до 75%, но практического применения его опыты так и не получили – слишком уж громоздкими оказались используемые им генераторы, слишком высокое требовалось напряжение, что вызывало аварии из-за нарушения изоляции.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/11/Power-plant-Replica.jpg

ГЭС The Vulcan Street (США), Фото: heritageparkway.org

После того, как были созданы  достаточно надежные генераторы, мгновенно  появились мысли о создании «фабрик электричества» – электростанций, которые могли бы подавать ток сразу для нескольких потребителей.

Сооружение первых в мире электростанций относится к 70-80м года XIX века, причем появились они практически одновременно сразу в нескольких странах. До перехода на переменный ток эти станции не отделялись географически от потребителей электроэнергии, потому и назывались блок-станциями. Если отказаться от использования иностранных слов, правильно называть такие электростанции попросту «домовыми».

К примеру, 30 сентября 1882 года была открыта ГЭС The Vulcan Street в штате Висконсин, проект которой был разработан Г.Д. Роджерсом – владельцем компании The Appleton Paper&Pump, которой принадлежали две бумажные фабрики.

Генератора этой ГЭС мощностью 12.5 кВт как раз и хватало на фабрики и дом Роджерса. Блок-станции стали появляться на многих производствах, но, разумеется, никакой осмысленной системы в этом не было – у кого из промышленников было понимание выгоды электричества и свободные средства для экспериментов, тот и вкладывался.

Борьба электростанций постоянного и переменного тока была достаточно долгой, победа тока переменного произошла далеко не сразу.

Удивительно то, что борьба эта имела не только сугубо технический, инженерный характер, но была еще и самым плотным образом связана с именами трех потрясающих изобретателей.

Имена двух из них наверняка известны – это Томас Алва Эдисон в США и Павел Николаевич Яблочков в России, а вот имя Александра Николаевича Лодыгина вспоминают куда как реже. Частенько приходится слышать, что Эдисон всего лишь присвоил изобретение Яблочкова, но это совершенно, полностью, абсолютно не соответствует истине!

Не касался Эдисон своими загребущими руками свечей Яблочкова, не верьте дезинформации! Никогда, ни при каких обстоятельствах Эдисон этого не делал. Знаете, почему? Потому, что «усовершенствовал» он лампочку накаливания Лодыгина.

Вот то, что светит у вас в настольной лампе возле вашего компьютера – это лампочка Лодыгина, а не свеча Яблочкова. Но наши журналисты и даже многие популяризаторы науки весьма плотно связали в нашем сознании имена Эдисона и Яблочкова, так что делать нечего, придется на этой удивительной истории, в которой воедино смешаны конкуренция и творческий симбиоз изобретателей остановиться поподробнее.

Кстати, есть и еще один занимательный факт: Александр Лодыгин родился в  Тамбовской губернии в 1847 году, Павел Яблочков родился в Саратовской губернии в 1847 году, Томас Эдисон проделал это в штате Огайо … в 1847 году. Три гиганта зари эры электричества были сверстниками, творили-изобретали абсолютно синхронно.

Начать придется вообще с 1802 года, поскольку именно в том году экстраординарный профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической (!) академии Василий Владимирович Петров пропустил электрический ток по двум стержням из древесного угля. Между ними дугой протянулось пламя – электрическая дуга впервые в истории дала свет и тепло.

Самое удивительное, что яркий свет Петрова не впечатлил от слова «никак»: его намного больше заинтересовала невероятно высокая температура горения – высокая настолько, что позволяла плавить металл.

Это изобретение сотрудника медико-хирургической академии через каких-то восемьдесят лет привлекло пристальное внимание студента-недоучку Петровской земледельческой и лесной академии Николая Бернадоса, который создал на этой основе метод электрической дуговой сварки. Впрочем, хватит – так недолго и совсем в сторону уйти…

Александр Лодыгин по семейной традиции закончил юнкерское училище, но военная карьера долгой не была: уже в 1870 он подал в отставку и переехал в Петербург, где и начал свои опыты с лампочками накаливания.

Для того, чтобы эксперименты были более продуманными, более теоретически подготовленными, Лодыгин стал вольным слушателем Технологического института. Начинал он с опытов с электрической дугой, но быстро пришел к выводу, что она, собственно говоря, ни к чему: концы раскаленных углей светят намного ярче, чем сама дуга.

Попробовал ставить между угольками металлическую нить – светила она ярко, но сгорала в считанные минуты. Попробовал ставить между медными контактами, на которые подавался ток, тонкий угольный стержень – он выдерживал уже полчаса. Именно Александр Лодыгин первым накрыл такую конструкцию стеклянным колпаком, первым экспериментально убедился, что «воздух тут лишний».

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/11/157_0001.png

Первоначальный вид ламп ламп Лодыгина, Фото: libma.ru

Он попробовал использовать два угольных стержня: первый быстро перегорал, но успевал выжечь почти весь кислород, и второй стержень горел значительно дольше – уже два часа. Чтобы исключить просачивание воздуха, провода Лодыгин стал пропускать провода через емкость с маслом, которую ставил снизу этой конструкции.

Посчитав, что этого вполне достаточно, в 1873 году Александр создал «Товарищество электрического освещения Лодыгин и компания», летом того же года в Петербурге был организован вечер, на котором были продемонстрированы фонарь для освещения комнаты, сигнальный фонарь для железных дорог, уличный фонарь, причем каждый из них мог включаться и выключаться отдельно от остальных.

Вот коротенькое описание лампы накаливания Лодыгина: стеклянный шарообразный сосуд, внутри которого на двух медных стержнях диаметром 6 мм был укреплен стерженек из ретортного угля диаметром 2 мм. Ток подавался по проводам, проходившим через оправу с налитым в нее маслом, внутрь сосуда.

Ток, обратите внимание – постоянный. Забавно? С нашей «горы» – конечно, но в 1874 году российская Академия наук присудила Лодыгину ломоносовскую премию в размере 1 тысячи рублей, а тогда это было целое состояние, с формулировкой «это изобретение приводит к полезным, новым и важным применениям». Деньги эти Лодыгин пустил не только на нужды своего товарищества, но и на получение патентов в России, во Франции, Великобритании, Бельгии, Испании и в целом ряде других стран.

А дальше? А дальше что-то пошло не так… Вместо того, чтобы расширять производство, продвигать изобретение, которое усилиями Александра Николаевича продолжало совершенствоваться, «Товарищество» догадалось пуститься в биржевые спекуляции. Итог – банкротство и нехватка средств на приобретение патента в США. Меценатов в России Александр Лодыгин найти не сумел, и внезапно бросился в другую крайность – сблизился с народниками, работая при этом простым слесарем на заводах Питера.

Одновременно развивалась и изобретательская деятельность Павла Яблочкова. Он тоже получил военное образование, но сразу с, так сказать, инженерным уклоном: по выпуску из Николаевского военного училища он получил звание инженер-подпоручика. Знания электротехники Яблочков получил дополнительно, прослужив с 1869 по 1872 в Техническом гальваническом заведении в Кронштадте, после чего и ушел в отставку.

Его сразу же приняли на работу на Московско-Курскую железную дорогу начальником телеграфа – поближе к электричеству. Свои первые попытки усовершенствования дуговой лампы Павел Николаевич начал в кружке электриков-изобретателей при Политехническом музее Москвы.

Весной 1874 года администрация железной дороги предложила Яблочкову обеспечить освещение царского поезда: Александр III намеревался совершить путешествие из Москвы в Крым, и в целях безопасности было решено, что поезд будет двигаться по ночам. Две ночи молодой инженер перебегал с одного локомотива на другой, перетаскивая гальванические батареи и свой прожектор.

Светила угольная дуга, сгорали угольные стержни, Павел регулировал их сближение по мере выгорания. В результате он не только устал, но и окончательно понял: такая система регуляции практически не удобна и большого распространения получить не может – регулятор нужно упрощать.

Уволившись с работы, Павел Яблочков открыл в Москве мастерскую физических приборов, которая, однако, прибыли не приносила. Для того чтобы продолжать свои опыты по усовершенствованию дуговой лампы, Яблочков уехал в Париж, где устроился на хорошо оплачиваемую работу в мастерскую Бреге.

Да, раз уж мы стали вспоминать разные имена, давайте напишем имя Бреге на родном для него языке – Breguet. Теперь узнали?..

Именно в Париже Павел Яблочков и сделал главное свое изобретение: расположить угольные стержни параллельно друг другу, разделив их слоем изолятора – каолина, фосфорной глины. Каолин тугоплавок, и в «свече Яблочкова» играл ту же роль, что воск в обычной: нагревался, плавился и обеспечивал равномерное сгорание угольных стержней.

После этого оставалось накрыть конструкцию стеклянным шаром и доделать систему зажигания, которая в исполнении Яблочкова была проста и практична: угольные стержни наверху соединялись угольной же нитью. При подаче тока нить вспыхивала и сгорала, чем и обеспечивала возникновение электрической дуги между стержнями.

В 1876 году русский изобретатель продемонстрировал свою свечу на Лондонской выставке, получив мгновенное признание всей Европы. «Русский свет» освещал магазины, улицы, парки Парижа, набережную Темзы, морские доки в Англии.

По статистике тех лет свечами Яблочкова в Европе были освещены 800 металлургических и металлообрабатывающих предприятий, 1240 текстильных и швейных фабрик, 425 магазинов, 2 500 парков и скверов, 125 шахт, 285 вокзалов и станций, 2 700 городских улиц и площадей. Павел Яблочков получил в 1876 году патент во Франции, затем в Англии, в Бельгии, Италии, скандинавских странах, в Испании…

Да что там – королевский дворец в Камбодже, и тот был освещен русским светом! Едва ли в истории есть хоть одно русское изобретение, которое с такой скоростью покоряло бы мир – ни до, ни после.

Благодаря тому, что свечи Яблочкова были рассчитаны на переменный ток, от одного источника питания горели сразу несколько ламп, их можно было включать по одной, группами – тоже ранее невиданное достижение для электрического освещения. Однако триумф был недолгим – всего через 20 лет мир окончательно и бесповоротно перешел на лампы накаливания. Отчего так? Да все из-за Эдисона, однако.

Смотрим еще раз на статистику использования свечей Яблочкова. Парки, улицы, вокзалы, предприятия –  тысячами, а вот магазины и шахты – только сотнями, заметили? Минимальная светосила у устройства – 300 свечей плюс нагревание помещения чуть ли не на десятки градусов.

В парках и на улицах – не проблема, но в закрытых помещениях такого счастья было слишком много. Нет, свечи Яблочкова не канули в Лету – они и сейчас «живут» в лампах маяков, в мощных прожекторах. Там, где света нужно много, а рост температуры не критичен. Однако в комнате, в настольной лампе стоят лампочки Лодыгина.

Конечно, не в их изначальном виде – давным-давно нет никаких угольных стержней, ванночек с маслом,  горят они не считанные минуты, а сотни часов. Ну, а в том давнишнем споре двух русских изобретателей победу одержал не Лодыгин и  не Яблочков, потому как «победителем» стал Томас Алва Эдисон.

Почему у слова победитель стоят кавычки? Да потому, что эти трое не сражались, а дополняли друг друга как изобретатели-новаторы, а спорить с прирожденным янки Эдисоном на предпринимательском поприще для Лодыгина и Яблочкова было просто бесполезно. На компании Edison General Electric, которая с 1892 года носит название General Electric, кто только не обламывал зубы, а она до сих пор живехонька.

Стоит заметить, что не так уж мало изобретателей XIX века по прежнему с нами – не только в названиях электрических характеристик, но еще и в привычных нашему уху названиях. Братья Сименсы, братья Вестингаузы – пожалуй, самые известные, но статья не об этих занимательных случаях.

Томас Эдисон – изобретатель и предприниматель, как глаголят нам всевозможные энциклопедии.

Два совершенно разных таланта в одном человеке – редчайшее совпадение, давшее результаты, которые вполне можно поверить алгеброй: компания GE и 1093 патента на изобретения в США, около 3 000 патентов – в других странах.

Изобретал он упорно, убивая на новые и новые свои изобретения все свое жалованье, меняя места работы, пока в 1869 году не поймал своего журавля в небе: телеграфная компания «Голд энд Стокк телеграф компани» купило его разработку – биржевой тиккер за 40 000 долларов.

На тот момент тройская унция стоила 20,67 доллара, сегодня за тройскую унцию на биржах просят 1 270 долларов, то есть в нынешних ценах разовое вознаграждение Эдисона составило бы 2,5 млн. долларов.

Этих денег вполне хватило на серьезную лабораторию в ставшей позже знаменитой деревушке Менло-Парк близ Нью-Йорка, куда Эдисон переселился с семьей в 1876 году. И в том же году телеграфная компания Western Union (да-да, именно так – в XIX веке это была одна из самых крупных в мире телеграфных компаний) выкупила у Эдисона два его новых изобретения: телефонный микрофон и индукционную катушку для усиления голоса.

Сумма – 100 тысяч долларов, что по курсу 2016 года – 6,25 миллиона долларов. К тому моменту, когда Эдисону довелось познакомиться с лампочкой накаливания Лодыгина, Edison General Electric была весьма солидной компанией, которая могла себе позволить решать проблему электрического освещения комплексно, в отличие от небольших мастерских что Лодыгина, что Яблочкова.

А уж изобретательность, энергия, напор самого Эдисона, который до 50-летнего возраста был способен работать по 19.5 часов в сутки многократно увеличивали возможности EGE.

По одной из версий, в 1877 году Эдисон побывал на судовой верфи, где строились корабли по заказам Российской Империи.

В составе приемной комиссии был и лейтенант русского флота А.Н. Хотинский, который привез с собой несколько лампочек Лодыгина: источников постоянного тока в доках уже хватало по многим странам, почему бы не изучить попристальнее качество работа американских корабелов?

Напомним, что к тому времени Николай Лодыгин получил патенты на свое изобретение во Франции, России, Бельгии, Великобритании, Австрии, но лампочки накаливания все еще оставались достаточно примитивными. Как знать, какой была бы судьба этого изобретения, если бы не Томас Эдисон?

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/11/AP070207054092.jpg

Томас Эдисон и его изобретение, Фото: share.america.gov

Заявку на патент лампы накаливания с угольным стержнем Эдисон подал в соответствующие органы США в 1880 году и ему «по привычке» его сразу и выдали, чтобы через год, ознакомившись с историей изобретения в Европе и в России, этот патент аннулировать. Вернули его Эдисону только в 1890 году, когда закончился срок действия патентов Лодыгина.

Но к тому времени Эдисон «докрутил»: систему откачки воздуха из колбы; цоколь с винтовой нарезкой; патрон; выключатель; предохранители; электросчетчик; систему подвода электричества в жилые помещения; усовершенствовал угольную нить накаливания. Уф, вроде бы, все.

Ах да, еще маленькая деталь: для того, чтобы обеспечить максимальный сбыт ламп накаливания, в 1882 году Эдисон построил и начал эксплуатировать первую в мире центральную электростанцию, на которой постоянный ток вырабатывали генераторы Эдисона, чтобы подать ток по кабелям, выпускаемым его же компанией.

Это – чисто изобретательский вклад Эдисона, но был еще и чисто коммерческий: несколько лет он упорно продавал лампочки своей усовершенствованной конструкции по 40 центов при себестоимости 1 доллар 10 центов.

Фирма терпела убытки, но уже через пару лет 3 из 4 лампочек накаливания, продававшихся в США, были произведены его EGE. С невероятным упорством, нещадно эксплуатируя всех своих помощников и, прежде всего – самого себя, Эдисон через пять лет смог снизить себестоимость до 22 центов, за 1 год вернув все свои убытки. Уникальный сплав ума изобретателя и изощренный ум дельца – это и есть Томас Эдисон.

Итак, победителем стал Эдисон и – постоянный ток, необходимый для теперь уже его ламп накаливания. Казалось бы – пора почивать на лаврах, но не таков был XIX век, чтобы позволить даже самым именитым изобретателям хоть немного расслабиться.

Сначала Николай Тесла доказал, что переменный ток может иметь практическое применение, а чуть позже мир узнал имя человека, «похоронившего» царство постоянного тока.

Хотя нет, такая формулировка была бы ошибочной: Михаил Осипович Доливо-Добровольский ничего не хоронил, он стал буревестником эпохи переменного тока, в которой мы с вами живем и сегодня.