Politechnika łÓdzka

Rysunek 1.5 Fotografia przedstawiająca słynną żarówkę Edisona.
Aby ta żarówka była zasilana, Edison utworzył pierwszą na świecie elektrownię miejską należącą do przedsiębiorstwa Edison Electric Light Company, która zaczęła zaopatrywać w energię elektryczną pojedynczych odbiorców. Elektrownia Edisona wytwarzała moc prądu stałego (którego był zwolennikiem) do odbiorników oświetleniowych, którego przesyłanie przy niskim napięciu wiązało się z ogromnymi zapotrzebowaniami na duże przekroje czynne przewodów!

Prócz tego okazało się, że wartość napięcia zasilającego odbiorniki rozmieszczone w różnych odległościach jest zależna od długości (oprócz przekroju) linii zasilającej, skąd wynikała potrzeba wybudowania elektrowni co kilka kilometrów. Przeciwnie – wiązało by się to np. z różną jaskrawością świecenia żarówek oświetlających – i tak najjaśniej świeciły żarówki będące w pobliżu elektrowni, a najsłabiej – żarówki znacznie oddalone od niej. Zaobserwowano więc istotny wpływ oporności przewodów sieci zasilającej rzutujący na sprawność systemu przesyłowego energii. Rozwiązanie tego problemu pociągało za sobą konieczność zasilania różnych odbiorców indywidualnymi liniami przesyłowymi, co przyczyniło się w efekcie do znaczącego ograniczania przestrzeni miejskich, wzrostu smogu i zanieczyszczenia środowiska, oraz innych niedostrzegalnych wcześniej zjawisk. Pojawiły się również różnorodne problemy związane z utrzymaniem w sprawności sieci przesyłowych, zarówno energetycznych jak i teletechnicznych. Na rys. 1.6 przedstawiono słynny szkic jednej z ulic w Nowym Yorku, ukazujący problem elektryfikacji teletechnicznej z 1890 roku.

Rysunek 1.6 Szkic ukazujący problematykę elektryfikacji pod koniec XIX w.
Okazało się również, że bardziej wydajniejszym do przesyłu na duże odległości jest prąd przemienny⁶ (oznaczany AC), którego promotorem był genialny serbski inżynier Nicola Tesla. Tesla przedstawił dowody na to, że prąd przemienny można łatwo transformować na inne napięcia przy pomocy transformatorów, co umożliwia przesyłanie wytworzonej mocy na znaczne odległości. Mimo to Edison twierdził, że jeśli tyle wynalazków korzysta z prądu stałego, to nie potrzeba stosowania innego rodzaju prądu do zasilania odbiorników. Dzisiaj wiemy, jak bardzo się mylił...

W następstwie przeciwstawiających się sobie dwóch różnych poglądów Tesli oraz Edisona, utworzono dwa przedsiębiorstwa rywalizujące ze sobą o klientów. Rywalizacja ta została nazwana dzisiaj jako tzw. wojna o prąd. Był to toczący się spór dotyczący metody wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej, pomiędzy Edison Electric Light Company, a konkurencyjną kompanią Georga Westinghouse’a, który wraz z Nikolą Teslą promowali eksploatację systemu prądu przemiennego. Edison przegrał tę wojnę z powodów niewydolnego systemu zasilania jaki dawał prąd stały przy niskim napięciu. Ponadto jak przedstawiono wcześniej, prąd przemienny umożliwiał zasilanie odbiorców rozmieszczonych w różnych odległościach za pomocą jednej linii przesyłowej, zasilanej z jednej elektrowni.

Dziś jednak wiemy, że prąd stały DC stanowi końcowy sposób zasilania wielu urządzeń i układów (zwłaszcza elektronicznych), bowiem do zasilania wszystkich odbiorników położonych lokalnie wykorzystuje się właśnie prąd stały, zaś prąd przemienny AC wykorzystuje się do regionalnego jak i globalnego przesyłu energii.

Obecnie praktycznie wszystkie odbiorniki niskonapięciowe są zasilane za pomocą prądu stałego DC, zaś niskonapięciowe odbiorniki prądu przemiennego występują nielicznie, stanowiąc klasę tzw. odbiorników specjalnych.

W latach 30-tych XX w. szwedzka firma ASEA wprowadziła wysokie napięcie stałe HVDC, które obecnie stosuje się również do globalnego międzysystemowego przesyłu mocy – co umożliwia przesył mocy między państwami mającymi różne systemy zasilania elektroenergetycznego (różne napięcia robocze sieci o różnych częstotliwościach) – i tak jest to realizowane np. między np. Europą, mającą 230V AC 50Hz, a Japonią mającą 115V AC 60Hz. W 2000 roku została wybudowana linia przesyłowa HVDC łącząca systemy energetyczne Polski i Szwecji, a w 2015 roku linia łącząca Polskę i Litwę; przedsięwzięcia te przyczyniły się do powstania tzw. „elektroenergetycznego pierścienia bałtyckiego” – jednolitego systemu niezależnego od współczesnej problematyki tzw. synchronizacji sieci.

Rozwój sposobów wytwarzania energii, jej przesyłu, rozdziału i użytkowania wymusił wytwarzanie materiałów o określonych własnościach technicznych, stanowiących grupę nazywaną materiałami elektrotechnicznymi.

Wraz z początkiem energetyki zawodowej i obserwacji zjawisk związanych z przepływem mocy prądu elektrycznego, niezależnie od siebie rozwijały się cztery grupy produkcji i technologii tych materiałów, a były to:

1. 
   materiały przewodzące,
   
2. 
   materiały oporowe,
   
3. 
   materiały elektroizolacyjne,
   
4. 
   materiały magnetyczne,
   
5. 
   materiały konstrukcyjne.
   

Materiały te wyróżniały określone cechy, przydatne z punktu widzenia zakresu ich zastosowania. Przykładowo – tam gdzie trzeba było uzyskać możliwie nieskończenie bardzo duży opór elektryczny, stosowano znane materiały uniemożliwiające przepływ prądu elektrycznego, zaś do budowy torów prądowych – których celem było zapewnienie przeniesienia mocy zasilającej, stosowano materiały posiadające jak najmniejszy opór elektryczny.

Prócz materiałów przewodzących i materiałów elektroizolacyjnych, wytwarzanie mocy elektrycznej za pomocą prądnic – czyli generatorów energii, jak i jej przetwarzanie przy użyciu transformatorów, wymusiło również rozwój technologii obróbki materiałów magnetycznych (jarzma prądnic i silników elektrycznych, blach transformatorowych), czy materiałów konstrukcyjnych – począwszy od kowalstwa, obróbkę skrawaniem, aż do nowoczesnego hutnictwa. Opanowanie dziedziny wytwarzania materiałów o różnorodnych własnościach elektrycznych jak i technologii z nią związanych było przyczyną powstania nowej dziedziny wiedzy nazywanej materiałoznawstwem elektrotechnicznym.

Opanowanie technologii procesów wytwarzania materiałów o różnorodnych własnościach elektrycznych, umożliwiło wytwarzanie na szeroką skalę oraz sprzedaż pierwszych elementów elektrotechnicznych. Z początkiem XX w. na Świecie było co najmniej kilkuset (o ile nie więcej) producentów elementów i urządzeń związanych z wykorzystaniem energii elektrycznej. W związku z tym upowszechniła się nowa dziedzina, nazywana dziś dziedziną aparatów elektrycznych.

Wytwarzanie różnorodnych produktów sprzedażowych przez różnych producentów, sprzyjało początkowo powstawaniu ogromnego chaosu handlowego i informacyjnego, bowiem firmy w walce o klienta prowadziły brudną kampanię reklamową nakłaniając do słuszności wyboru produktów swojej firmy. Jednakże cechy użytkowe produktu już przez klienta wybranego, pozbawiały go możliwości użytkowania produktów innych firm, bowiem były względem siebie niekompatybilne, przykładowo – najczęściej były zasilane innymi napięciami, co pozbawiało go możliwości łączenia tych elementów we wspólny obwód.

Aby temu zapobiec, utworzono na Świecie Pierwszy Światowy Standard Elektrotechniczny, wprowadzono w nim jako obowiązujące podstawowe jednostki Si, oraz podpisano obowiązujące akty prawne w krajach które go podpisały, mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji użytkowników, wszystkich sieci, urządzeń i systemów. Standard ten nazwano Standardem Zachodnim i oznaczono jako „WEST ON STANDARD”, krótko „WESTON”.

Sprzeciwiała się temu standardowi Rosja, która jeszcze w czasach z przed rewolucji komunistycznej zdecydowała się na własny standard (obecnie nazywany GOST) z ros. Государственный Cтандарт).

Z początkiem XX w., wszystkie pracujące elektrownie były zasilane paliwami pochodzenia mineralnego, w tym węglem kamiennym. Pod koniec pierwszej połowy XX w. włoski fizyk Enrico Fermi, zaprojektował i uruchomił w Chicago w USA pierwszy na świecie reaktor atomowy. Zasada działania tego reaktora polegała na samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej rozszczepiania się jąder pierwiastków ciężkich. W drugiej połowie XX w. upowszechniła się w wyniku tego energetyka jądrowa, która była przyczyną powstania krajów tzw. wysoko rozwiniętych.

W dzisiejszych czasach ważną alternatywą są odnawialne i alternatywne źródła energii (oznaczane skrótem OZE). Stają się one ważną gałęzią wytwarzania energii uzyskiwanej z biomasy, promieniowania słonecznego, siły wiatru i wody, gdyż szacuje się iż przy obecnych zapotrzebowaniach globalno-konsumpcyjnych, złoża paliw konwencjonalnych (kopalnych) wkrótce się wyczerpią, a już obecnie stają się coraz bardziej deficytowe. Przykładowo w Chinach złoża węgla brunatnego wyczerpały się całkowicie, a przemysł wydobywczy w tym kraju zatrzymał się.

W 2018 wskaźnik globalnej konsumpcji Światowej ze źródeł OZE, został oszacowany na 18% i stale się rozwija.

Również rozwija się nieprzerwanie technologia wytwórcza, która umożliwia wytwarzanie układów elektronicznych ultra niskiej mocy, szczególnie mikroprocesorów, w których osiągnięto znamionowy pobór mocy, rzędu kilkunastu nanowatów. Proces ten sprzyja powstawaniu kolejnych dóbr konsumpcyjnych rozwijających gospodarkę Światową. Również obecnie wszystko sprowadza się do opracowywania procesów wytwarzania, technologii, tworzenia metod oraz narzędzi wytwarzania energii.

Ludzkość i jej technologia rozwija się bezustannie coraz szybciej. Choć są i tacy którzy dziś uważają, że rysunki sporządzone przez Azteków, czy piramidy na pustyni Egiptu są zbyt precyzyjne aby mogły być wykonywane nieprecyzyjnymi narzędziami. Owi sądzą, że Ziemia jako planeta musiała być zasiedlona wcześniej przez inne cywilizacje... Dzisiaj wiemy, że cywilizacyjne zdobycze nauki i techniki, są dziełem rozwoju myśli człowieka.

Zdobycze cywilizacji ludzi i ich technologii takich jak komputery, łączność komórkowa, środki umożliwiające podróżowanie, czy ogniwa solarne oparte są na dwutlenku krzemu, stanowiącym „piasek” – prawie takim sam, jak ten na pustyni w Egipcie przed tysiącami lat, a energia dzisiaj oznacza samodzielność i niezależność.

Rola energii elektrycznej jest więc dzisiaj więc nie do przecenienia. Nie wyobrażamy sobie życia bez energii. Bezawaryjność sieci przesyłowej staje się celem niemal militarnym, gdyż umożliwia nie tylko przekaz informacji.

Łączność człowieka przez współczesne media takie jak Internet, zmieniła się co do sposobu czy realizacji (technologii). Mamy dziś inne sposoby wytwarzania przewodów elektrycznych niż 100 lat wcześniej, choć transport informacji czy przesył energii odbywa się według tych samych zasad fizyki co wtedy.

Współcześnie energia prądu stałego DC jest stosowana urządzeniach końcowych i wywołuje najczęściej oddziaływania takie jak magnetoelektryczne, cieplne, luminescencyjne, bądź też komutacyjne. Energia prądu przemiennego AC służy do napędu maszyn i urządzeń, oraz jest stosowana do celów przesyłowych (przy czym rozróżnia się tu odbiorniki jednofazowe oraz trójfazowe).

Wykorzystaniu energii DC sprzyja łatwa możliwość jej magazynowania w elektrochemicznych źródłach energii – którymi są najczęściej akumulatory, bowiem obecnie – nie istnieją możliwości magazynowania energii prądu przemiennego. Doświadczenia zebrane z ostatnich 100 lat, pozwoliły na wynalezienie najbardziej wydajnych źródeł energii – akumulatorów litowo – jonowych, oznaczane krótko LiION, które stanowią obecnie najliczniejszą grupę elementów składowych mobilnych urządzeń elektronicznych.

W 2016 r. po raz pierwszy zastosowano baterie litowe do celów trakcyjnych (pojazdy elektryczne). Akumulatory LiION po raz pierwszy w pojazdach zostały zastosowane przez firmę NISSAN, a obecnie są wykorzystywane w samochodach i motocyklach firmy HONDA. Akumulatory LiION są coraz częściej wykorzystywane w autobusach komunikacji miejskiej.

Również akumulatory LiION ze względu na doskonałe własności energetyczno – użytkowe wyróżnia możliwość zastosowania ich w robotyce, do urządzeń takich jak tzw. drony, urządzeń militarnych, oraz podczas eksploracji kosmosu.

Na rys. 1.7 przedstawiono robota „psa” – zwiadowcę przyszłości firmy BOSTON DYNAMICS – zasilanego baterią akumulatorów LiION, źródło:

{
https://www.somagnews.com/boston-dynamics-shared-robot-dogs-software-development-kit/
}.