KURZUS: Különleges ellátási rendszerek

MODUL: A villamos energia ellátás vizsgálata a vezeték-logisztikai elvek szerint

1. lecke: A villamos energia ellátás technikatörténete

| Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje a villamos energia ellátás kialakulásának és fejlődésének történetét, valamint a villamos energia rendszer és a fogyasztói igények változásainak okait, következményeit, és jövőbeli távlatait.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes:
felsorolni az elektromos elvű világítás legalább 3, a leckében említett módját indokolni, miért és miben volt áttörő jelentőségű a transzformátor megalkotása megfogalmazni a különböző történelmi korok villamos energia fogyasztóinak igényeit és elvárásait
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak: egyenfeszültség, váltakozó feszültség, transzformátor, hidrogén-gazdaság
Jegyzetfüzetébe gyűjtse ki a világításban használt, elektromosság használatán alapuló találmányokat, majd jegyzetei alapján határozzon meg hasonlóságokat és a különbségeket a találmányok és a táplálásukra alkalmas rendszerek között.
A világítás az emberiség hajnala óta része életünknek - a villamos energia ellátó rendszerek megjelenését is a megbízható, biztonságos fényforrás iránti igény hívta életre. A transzformátor feltalálását megelőzően, a modern villamos energia rendszer megszületése előtt három versenytárs határozta meg a világító készülékek piacát: bár még mindig a gázvilágítás volt az uralkodó, számos eredményes kísérlet folyt a nagy fényerejű villamos ívlámpák és izzólámpák, illetve az ezeket tápláló hálózatok kialakítására.
Az ívlámpát az angol H. Davy találta fel 1808-ban, de a gyakorlatban nem tudta hasznosítani, mert a szénrudak túl gyorsan elégtek, a közöttük lévő rés megnőtt, és az ív kialudt. 1840-ben W. Grove brit mérnök alkotott meg egy vákuum-izzólámpát. A benne lévő platinaspirál az ellenállás következtében fellépő hő hatására fehér izzásig hevül - az izzólámpa rövid élettartama miatt még nem tarthat számot komolyabb alkalmazásokra. 1848-ban J. B. L. Foucault és Duboscq megszerkesztik és elkészítik az első használható szénrudas ívlámpát. Hosszabb szénpálcákkal dolgoznak, és a folyamatba belekalkulálják a szén elégését is - a hézag növekedésének megakadályozására, az ív megszakadásának megelőzésére az egyik szénelektródot mereven rögzítik, miközben a másikat egy óraművel pontosan közelítik hozzá. A szénpálca a saját fogyásának ütemében gondoskodik az előtolásról. 1854-ben H. Goebel német műszerész javított izzót állított elő, és műhelye megvilágítására használta. A találmány nem vált be, mert hiányzott hozzá a megbízható, olcsó áramforrás.
A villamos világítás térnyerésében a következő állomás a dinamóelvet ipari célokra elsőként alkalmazó (1867) W. Siemens nevéhez kapcsolódik: "Jelenleg a technikának megvannak az eszközei arra, hogy elektromos áramot határtalan erősségben, olcsón és kényelmesen bárhol előállítson, ahol csak szükség van rá."
1878-79. Szilveszter este gyulladtak ki New Yersey-ben, a Menlo Parkban Th. A. Edison izzólámpái. Edison érdeme, hogy az izzólámpát nem önmagában mutatta be a nyilvánosságnak, hanem egy minden apró részletében kidolgozott egyenáramú elosztóhálózat elemeként, amelyben a lámpák mind párhuzamosan kapcsolva, tehát egymás üzemét nem befolyásolva égtek.
A villamos izzólámpa fejlesztésében, szabadalmaztatásában és gyártásában nagy versenyfutás zajlott az angol J. Swan és az amerikai Edison között - mindketten ismerték az elődök kísérleteit, és ki is fejlesztették kb. 40 óra élettartamú izzóikat (Swan légtelenített, hosszúkás üvegbúrát használ elszenesített nitrocellulóz szállal, Edison lámpája szintén légtelenített, gömbölyű, keskeny nyakú, a hevítés hatására szénszállá váló pamuthurok izzószállal). A vetélkedésnek közös vállalat alapítása vetett véget, melyben a vezető szerep Edisoné. A gázfénytársaságok részvényeinek árfolyama azonnal világszerte zuhanni kezdett.
Az izzólámpa megjelenése új lehetőségeket teremtett a villamos világítás terén. Mivel fénye kisebb, lakószobák megvilágítására alkalmas, ellentétben az ívlámpával, amely erős, vakító fénye miatt csak utcák, terek, esetleg nagy termek megvilágítására használható.
Az izzólámpát, mint villamos fogyasztót viszonylag nagy, néhány száz ohmos ellenállása teszi előnyössé. Másrészt, fénye nem olyan nyugtalan, mint az ívlámpáé és az áramfelvétele is egyenletes. Ezek együttesen tették az izzólámpát alkalmassá arra, amire a gázvilágítást akkor már ötven éve használták: szolgáltatás jellegű világító hálózatok kialakítására.
Az akkori lehetőségek szerint 100-150V-os kétvezetékes egyenáramú elosztórendszernek hátránya volt a jelentős szállítási veszteségek miatt korlátos, 600-700 méteres kiterjedés.
1878-ban számos szabadalmat bejelentettek villamos világítást tápláló indukciós készülékekkel kapcsolatban - mind nyitott vasmagúak és a primer oldalon soros kapcsolásúak voltak. Hogy a lámpák a primer oldali soros kapcsolás miatt egymás fényereje megzavarása nélkül nem kapcsolhatók ki-be, a feltalálóknak esetleg fel sem tűnt. Ám lehet, hogy ebben az időben - az izzólámpa megjelenése előtt - még senki sem gondolt arra, hogy egy világítási rendszerrel szemben éppen ez a legfőbb követelmény.
Az 1881. évi párizsi kiállítás alkalmával Deprez előadásban fejtette ki nézetét, hogy a villamos energia bármilyen távolságra átvihető kellőképpen nagy feszültséggel, ezt az 1882-es müncheni nemzetközi villamossági kiállításon berendezésével igazolta (Egy 57 km hosszú távíróvonal egyik végét egy 2 lóerős gőzgéppel meghajtott dinamó táplálta, 1400 volt feszültséggel. A vonal másik végén, a kiállításon, egy ugyanilyen dinamó, motorként üzemeltetve, szivattyút hajtott, amely kis mesterséges vízesést táplált. A rendszer működött ugyan, de a nagyfeszültségű egyenáramú átvitel villamos hatásfoka csak 46% volt).
Látványos eredményeket ért el Gaulard és Gibbs az általuk szekunder generátornak nevezett elosztórendszer fejlesztésében. 1884 őszén Olaszországban, Torinóban is bemutatták rendszerüket az ottani villamossági kiállításon. Az áramfejlesztő (2000 V, 133 Hz) a kiállítás területén állt és innen látta el a fogyasztóit, különféle típusú lámpákat, amelyek részben a kiállításon voltak helyben, részben a Torino - Lanzo vasútvonal egyes állomlásain, egészen 40 km távolságig. Mivel a Gaulard-Gibbs rendszer nem volt önszabályozó (ezt a feltalálók a vasmag ki-be tologatásával ellensúlyozták), és ezért készülékeik üzemszerű bemutatására minden esetben közvilágítás jellegű fogyasztókörzeteket (vasútállomásokat) választottak, ahol az összes lámpát egyszerre kapcsolják ki és be, nem pedig véletlenszerűen, mint a magánfogyasztókat ellátó hálózatok esetében.
A gazdaságos és célszerű elosztás és a kielégítő szabályozás megvalósítását a Ganz és Társa cég elektrotechnikai osztályán a párhuzamos kapcsolású és zárt vasmagú transzformátorokat alkalmazó elosztórendszer kidolgozásával sikerült megoldani (részletesen lásd az elektronikus mellékletben található olvasmányban). A feltalálók Déry Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly voltak, 1883-ban.
A transzformátoros elosztórendszer egyik legnagyobb sikerű korai alkalmazása a Róma városát ellátó Tivoli Erőmű és távvezeték volt 1892-ben. A vízenergiával működő erőműből 5100 V feszültségű, 28 km hosszú távvezetéket építettek a római Porta Pia városkapu közelében levő állomásig. Ebben 32, egyenként 25 kW teljesítőképességű transzformátor 2000 V-ra, a már működő gőzerőműhöz csatlakozó hálózat szintjére csökkentette a feszültséget, amit onnan koncentrikus kábeleken vezettek tovább. A római hálózat először csak világítási fogyasztókat látott el és teljesítőképessége nem volt kihasználva, de néhány év múlva rákapcsolták a városi villamos vasút akkor létesült első szakaszát. A Porta Pia állomáson napközben forgó átalakítók egyenfeszültséggel táplálták a vasúti munkavezetéket, az esti csúcsterhelés két óráját pedig akkumulátorokkal hidalták át. Ez volt az első eset, hogy váltakozóáramú világítási rendszert és egyenáramú villamos vasutat nagyfeszültségű vezetéken ugyanabból az erőműből láttak el.
A váltakozó áramú, párhuzamos kapcsolású, transzformátoros villamosenergia-elosztó rendszer feltalálásával lehetőség nyílt kiterjedt villamosenergia-rendszerek létesítésére, a villamosenergia-szolgáltatás biztosítására. Az ekkor már rendelkezésre álló és a következő években születő találmányok és fejlesztések sokaságának köszönhetően rövidesen már nemcsak kizárólag a világítási igények kielégítésében, hanem egyre szélesebb körben (ipari célokra és háztartási eszközök működtetésére, mechanikai-, kémiai-, és hőenergiává átalakításra, stb.) elterjedt a villamos energia hasznosítása.
Napjainkra a villamos energia szolgáltatással kapcsolatos fogyasztói igények szerkezete alapvetően megváltozott. Míg kezdetben a világítás biztosítása volt a cél, a váltakozó áramú ellátó rendszer megjelenésével a villamos energia hajtás a legtöbb helyhez kötött, korábban gőzgéppel vagy belső égésű motorral megvalósított alkalmazásban teret nyert. A kötött pályás villamos vontatás megjelenése is hatalmas lökést adott a fejlődésnek. A modern gazdaságban nélkülözhetetlen informatikai és telekommunikációs eszközök mind villamos energiával működnek. Ahogyan az áramszünetek megbéníthatnak egy gazdaságot, az informatikai rendszerek üzemzavara is hatalmas károkat okoz.
A következő lépést (a mobil hírközlés analóg példája szerint) a közúti közlekedés villamosítása jelentheti - az infrastruktúra fejlődésének gátja a széles körű használatra megfelelő fedélzeti (on-board) raktározási technika hiánya. Ezen a téren jelentős előrelépést jelentettek a sorozatgyártású villamos hibrid (HEV - Hybrid Electric Vehicles) és tisztán elektromos (PEV - Pure Electric Vehicles) járművek. Az elektromos járművek nem csupán fogyasztói, de a hálózatra visszatáplálásra alkalmas kialakítás elterjedésével termelő egységei is lehetnek a rendszernek. (A V2G technológia ígéretével, a vezeték-logisztikai modellben elfoglalt szerepével az értekezés további részeiben kiemelt helyen foglalkozom).
A hidrogén-hajtású közúti járművek hasonló szerepet tölthetnek be, bár a sokszoros átalakítás nagy veszteségei miatt megfontolandó, milyen infrastruktúra létesítése biztosíthat fenntartható rendszer-üzemeltetést.
Az elmúlt évtizedben világszerte nagymértékben növekedett a hűtési célú villamos energia felhasználás - ebben a légkondícionálás mellett a logisztikai célú igények is jelentősek, a hűtési láncok, a hűtött szállítás és raktározás energia-igénye és szerepe sem elhanyagolható.

| Önellenőrző kérdések
1. Mikor gyulladtak ki először New Yersey-ben, a Menlo Parkban Th. A. Edison izzólámpái? Válassza ki a helyes megoldást!
| 1878-1879 Szilveszter este
| 1848-1849 Szilveszter este
| 1899-1900 Szilveszter este
| 1900-1901 Szilveszter este
2. Az 1881. évi párizsi kiállítás alkalmával egy neves feltaláló előadásban fejtette ki nézetét, hogy a villamos energia bármilyen távolságra átvihető kellőképpen nagy feszültséggel. Ezt az 1882-es müncheni nemzetközi villamossági kiállításon berendezésével igazolta is. Ki volt ő? Válassza ki a helyes választ!
| Deprez
| Gaulard
| Zipernowsky
| Edison
3. Mikor szabadalmaztatta a feltaláló Déry-Bláthy-Zipernowsky triász az első transzformátort? Válassza ki a helyes megoldást!
| 1883
| 1879
| 1878
| 1891
4. A transzformátoros ellátó rendszer egyik első sikeres alkalmazása a Tivoli erőmű és távvezeték megvalósítása volt, 1892-ben? Válassza ki, melyik város villamos energia ellátásáról gondoskodtak a Ganz gyár mérnökei?
| Milánó
| Róma
| München
| Graz