1891 - Wystawa we Frankfurcie

 

Międzynarodowa Wystawa Elektrotechniczna 1891 była dużym wydarzeniem, wzorowanym na paryskiej Wystawie Światowej, dającym wielu producentom dopiero raczkującego przemysłu elektrotechnicznego okazję do pokazania światu tych wszystkich wynalazków. Chciano zachwycać zwiedzających i pokazać choćby w zabawkowej formie wszystkie ewentualne możliwości urządzeń elektrycznych, jakie potencjalnie mogłyby nabrać znaczenia w przyszłości. Czego więc tam nie było - goście mogli objechać teren wystawy elektryczną kolejką wąskotorową, popłynąć elektryczną łodzią, pościgać na torze z poruszanymi elektrycznie figurami koni. Ze wszystkich stron migały różnego typu żarówki i lampy próżniowe. Centralnym punktem wystawy był natomiast zasilany elektryczną pompą dziesięciometrowy wodospad. Rzeczą mniej oczywistą dla zwiedzających było natomiast zaprezentowanie przez europejskie firmy sposobów przesyłu i generowania prądu, co stawało się w tym czasie problemem coraz bardziej palącym.

Dotychczas znane prądnice produkowały prąd stały, którym zasilano jednobiegunowe silniki i który przechowywano w stałoprądowych akumulatorach. Głównym problemem prądu stałego były natomiast straty podczas przesyłu. Aby nie spalić urządzeń trzeba było używać niezbyt wysokich napięć. Dla odmiany jednak prąd o niskim napięciu dużo silniej odczuwał opór przewodnika. Lepiej było przesyłać prąd wysokonapięciowy z elektrowni i potem obniżać jego napięcie dzielnikami, co dawało jednak kolejne straty energii. Z kolei elektrownie miały problem z wydajnym energetycznie generowaniem prądu o bardzo wysokich napięciach. Przesłanie prądu na odległość większą niż kilometr czy dwa stawało się kłopotliwe i bardzo stratne, elektrownie musiały być więc tworzone dosłownie w centrach miast, będąc jednak dość uciążliwe dla sąsiedztwa. *

Znany był już w tym czasie prąd przemienny i prądnice umożliwiające jego produkcję. Gdy odkryto także transformatory, w głowach co lepszych inżynierów zaczęło migać, że może jednak przesył prądu przemiennego będzie lepszy. Można prąd o niskim napięciu, produkowany w elektrowni, przetransformować na prąd o bardzo wysokim napięciu, który doznaje w trakcie transportu bardzo małych strat. Po dotarciu do miejsca przeznaczenia prąd zostaje przetransformowany ponownie na niskie napięcie bez generowania dużej straty na zmniejszenie napięcia. I tu pojawiał się problem, bo silniki prądu przemiennego nie były wtedy zbyt dobrze opracowane technicznie. Wydawało się, że bez prostowania prądu znów na stały, taka przesłana daleko elektryczność zasili najwyżej żarówki albo lampy łukowe.

I faktycznie początkowy rozwój elektryczności przemiennej był dość powolny. Na małą skalę tworzono sieci przesyłu prądu jednofazowego i dwufazowego. Teoretycznie opisano, że zwiększenie ilości faz powinno polepszyć właściwości prądu i wykorzystanie energii przez silniki.  Przełom nastąpił w momencie wymyślenia trójfazowych prądnic z indukowanym wirującym polem magnetycznym. To, kto był tym odkrywcą, nie jest jasne. Pierwszą publikację na ten temat przedstawił Galileo Ferraris z Włoch z 1888 roku; wkrótce potem patent na urządzenie działające na tej zasadzie dostał w USA Nikola Tesla, wniosek patentowy złożył jednak wcześniej, więc na pewno oboje pracowali nad tym równolegle nie wiedząc o sobie. Ferraris twierdził, że eksperymentował nad swoim alternatorem od 1885 roku, gdy to pierwszy raz zbudował eksperymentalny model. Na wieść o tym Tesla rozgłaszał, że on eksperymentował z trójfazową prądnicą od 1884 roku, tylko nikomu nie mówił. Idąc dalej, gdy jasne stało się, że system przesyłu prądu trzema przewodami z różnymi fazami opisał pierwszy Hopkinson z 1882 roku, który łączył ze sobą kilka prądnic, Tesla zaczął twierdzić, że on projektował takie systemy jeszcze wcześniej - tylko nikomu nie mówił.

W tym czasie technologią opanowania prądu przemiennego w Niemczech zajmował się Michał Doliwo-Dobrowolski. Urodzony w Rosji syn polskiego włościanina, który z powodu represji wobec obcego (polskiego) pochodzenia studentów po zamachu bombowym na Cara musiał wyjechać do Prus, gdzie dał się poznać jako pojętny student. Zaczął pracować dla firmy AEG, która w tym czasie produkowała urządzenia elektryczne prądu stałego. Zainteresował się wykorzystaniem prądu przemiennego i silnika asymetrycznego i dostał od zarządu wolną rękę do prac w tym kierunku. Szybko zaczął ogłaszać kolejne wynalazki dotyczące prądnic i silników. Jednym z opatentowanych pomysłów był silnik z pierścieniem ślizgowym, umożliwiającym przekazanie prądu do części wirującej.

Gdy już technologia zarówno wytwarzania trójfazowego prądu jak i jego wykorzystania w silnikach wydawała się opracowana, AEG wpadła na pomysł pokazania wszystkim jak dobry jest to system. Akurat w tym czasie miała odbyć się wystawa elektrotechniczna. Plan był taki - prądnica oparta o układ trójfazowy zostanie zamontowana na odpowiednio silnej turbinie w zaporze wodnej, następnie powstały prąd zostanie przesłany na dużą odległość do Frankfurtu, aby tam zasilić jakieś urządzenie oparte o trójfazowy silnik. Równocześnie miano więc zaprezentować zarówno zalety elektrowni trójfazowej, trójfazowego przesyłu prądu na duże odległości i trójfazowych silników. 

Prądnica w Laffer

Prądnica została zamontowana w turbinie wodnej cementowni w Laffer, koło Heilbronn, miała moc 300 koni mechanicznych. Wytworzony prąd o napięciu 55 V przetransformowano na 25 kV i przesłano do linii przesyłowej o długości 170 km prowadzącej do Frankfurtu. Na miejscu transformator obniżał napięcie wedle potrzeb, zaś przesłany prąd zasilał silnik elektryczny 100 KM napędzający pompę sztucznego wodospadu, trzy mniejsze silniki pokazowe i tysiąc żarówek.

Straty energii podczas przesyłu oceniono na 25%, co było w tym czasie wartością wyjątkowo małą. 

Wystawa okazała się wielkim sukcesem. Trwała od 16 maja do 19 października i przez tych kilka miesięcy obejrzało ją 1,2 mln zwiedzających.
We Frankfurcie planowano w tym czasie budowę elektrowni na lokalne potrzeby i należało zdecydować na jaki właściwie prąd będzie działać. Prezentacja AIG i wynalazków Dobrowolskiego przeważyła szalę i ostatecznie nowa elektrownia działała od początku w układzie trójfazowym. Przyczyniło się to też do zaakceptowania takiej metody przesyłu w innych krajach i dziś ostatecznie prąd trójfazowy to najpopularniejszy system w sieciach krajowych.

W międzyczasie Tesla najpierw wpadł w łapy Edisona, który nie widział przyszłości dla prądu przemiennego, a zwłaszcza takiego trójfazowego (ponoć jego zdolności matematyczne były niskie i dlatego nie ogarniał jak to działa fizycznie), potem po kłótniach i sporach o temat badań, finanse i kwestie umieszczania nazwisk w patentach odszedł. Zaczął szukać współpracy z inwestorami i udało mu się znaleźć współpracę z firmą techniczną. Jako jeden z inżynierów opracował dynama do elektrowni wodnej na rzece Niagara, która zaczęła pracę w 1896 roku. Od tego czasu przestawianie sieci z prądu stałego na przemienny trójfazowy bardzo przyspieszyło. 

Dziś Tesla i jego udział w stworzeniu tej elektrowni stały się tak bardzo znane, że błędnie twierdzi się nie tylko, że jego elektrownia wodna była pierwszą w ogóle, ale też że wymyślił on prąd trójfazowy w genialnym przebłysku, na co nikt wcześniej nie wpadł, pierwszy przesłał prąd trójfazowy z elektrowni na dużą odległość, i że wszystko co trójfazowe to amerykańskie osiągnięcia. Wygląda na to, że akurat w kwestii elektrowni wodnej i linii dalekiego przesyłu wyprzedził go Dobrowolski.

-----
* Dziś znamy już bardzo wydajne metody obniżania napięcia i zamiany prądu stałego w zmienny, dlatego do przesyłu dużego prądu na duże odległości używany jest przesył prądem stałym o gigantycznym natężeniu, który w takim zastosowaniu jest bardziej wydajny. Tym sposobem przesyła się prąd ze Szwecji do Polski przy pomocy kabla na dnie morza.

1913 - Pierwsza w Polsce śmiertelna katastrofa lotnicza

Począwszy od roku 1903 gdy bracia Wright wykonali pierwsze loty samolotem napędzanym silnikiem, lotnictwo rozwijało się bardzo szybko. Była to nowinka techniczna, zarazem jednak nie na tyle skomplikowana aby odpowiedniej konstrukcji nie dało się stworzyć w dobrze wyposażonym warsztacie, dlatego zaczęły pojawiać się modele różnej konstrukcji, a kolejne kraje zaczęły sprowadzać do siebie maszyny choćby tylko po to aby, pochwalić się ich posiadaniem. W tych pierwszych latach prawdziwym potentatem konstrukcji lotniczych stała się Francja, która już pod koniec dekady produkowała seryjnie kilka modeli.

W Polsce już w 1910 roku powstało lotnisko na Polu Mokotowskim pod Warszawą, zaczęły się tam odbywać loty ćwiczebne zarówno cywilne i sportowe, za sprawą towarzystwa lotniczego Aviata. I nie było długo czekać aby pojawiły się pierwsze poważne katastrofy - takie jak ta z 28 marca 1913 opisana przez ówczesne gazety:

"Katastrofa lotnika.
Wczoraj, o godz. 10-ej z rana na polu Mokotowskiem
wydarzyła się katastrofa lotnicza, która spowodowała śmierć lotnika.
Korzystając z ładnej pogody przedpołudniowej, sprzyjającej wzlotom, kilku lotników wojskowych urządziło ćwiczenia na aeroplanach. Wzniósł się również na aparacie „Nieuport" lotnik Aleksander Perłowski, podporucznik szkoły awiacyjnej wojskowej w Warszawie. Kiedy aeroplan znajdował się już na dość znacznej wysokości, nagle, motor przestał działać i dwupłatowiec spadł, zdruzgotany w kawałki. Lotnik Perłowski zabił się na miejscu. Katastrofa ta wydarzyła się w pobliżu koszar pułku petersburskiego.

Perłowski pochodził z Żytomierza. Najpierw służył w oddziale saperów na Syberji, a kiedy pułk, w którym służył, przeniesiono do Brześcia Litewskiego, pozostał on tam niedługo, zapragnął kształcić się wyżej i udał się do Petersburga, gdzie wstąpił na uniwersytet. Studja wyższe uprzykrzyły mu się wkrótce, zaczęło go pociągać lotnictwo i Perłowski zapisał się do szkoły lotniczej, którą chlubnie ukończył. Młody lotnik w randze podporucznika, 24 lata liczący, uchodził za zdolnego pilota. Perłowski, przejechawszy do Warszawy, zamieszkał przy ul. Polnej No 50.
Przed wzlotem zauważono, że Perłowski był zdenerwowany; aeroplanu dosiadł on w stanie bardzo podnieconym. Opowiadają, że Perłowski wyraził się do jednego z kolegów, że wzlot, który odbędzie, będzie ostatnim.

Zmiażdżone zwłoki zabitego lotnika przewieziono do
kostnicy szpitala Ujazdowskiego. Kiedy rzeczy Perłowskiego w mieszkaniu opieczętowywano, znaleziono podobno na stole kartkę, w której zmarły zawiadamiał, że uprzykrzywszy sobie życie, popełni samobójstwo i do mieszkania tego już nic wróci.
Aparat, z którym spadł Perłowski, kosztował 8,000 rubli. Śmierć Perłowskiego jednak nie wpłynęła na przerwanie wczoraj ćwiczeń lotniczych, które trwały jeszcze przez pewien czas.

Zaznaczyć należy, że katastrofa lotnicza wczorajsza jest pierwszą w Warszawie i wogóle w kraju naszym. [1]

 Nie dowiedziałem się jaki konkretnie był to model samolotu. Na poniższym zdjęciu samolot Nieuport IV, produkowany we Francji, z roku 1911:

Pierwsze pokazowe loty samolotów w Polsce odbyły się w roku 1909 na torze wyścigowym na terenie Pola Mokotowskiego. Miejsce to było w tym czasie łąką na obrzeżach miasta, między właściwą Warszawą a miejscowością Mokotów, funkcjonującą jako błonia, i stanowiącą teren ćwiczebny wojska z położonych w pobliżu koszar. Na części północno-wschodniej, między placem Unii Lubelskiej a Nowowiejską, założono tor wyścigów konnych, dopiero w 1939 roku przeniesiony na Służewiec. Tor o dobrej, gładkiej nawierzchni, mający w pobliżu rozległy niezabudowany teren Pola, idealnie nadawał się do prób, pokazów lotniczych i zawodów.
W 1910 roku postanowiono w pobliżu toru założyć regularne lotnisko, przy którym odbywały się szkolenia pilotów, zawody oraz prace nad konstrukcją własnych samolotów. Przez pierwsze dwa lata funkcjonowało jako lotnisko cywilne prowadzone przez Aviatę, potem wykorzystywane głownie na potrzeby wojska.

Bleriot XI

Czy wypadek Perłowskiego był pierwszą katastrofą lotniczą na terenie Polski? Innej, starszej, która wywołała ofiary śmiertelne, nie znalazłem. Nie była natomiast pierwszą katastrofą w ogóle.
W kwietniu 1910 roku na pokazy lotnicze przyjechał do Warszawy kierowca wyścigowy Albert Guyot, który zajmował się też lotnictwem, z własnym monoplanem Breliot XI . Odbył on kilka prób na terenie wyścigowym. Podczas drugiego lotu, nad środkiem toru zgasł mu silnik. Samolot obniżył się szybko, uderzając czubkiem o wilgotną ziemię i przewracając na plecy. Pilot został jednak tylko lekko ranny.[2] Po tym wypadku maszyna została w dużym stopniu zniszczona, lecz nie zrażony lotnik przy pomocy paru dodatkowych części montował drugi, wobec czego dziennikarze szybko zauważyli, że to pierwszy samolot zbudowany w Polsce. Na odbudowanym samolocie odbył jeszcze kilkanaście lotów.
Pierwszy polski samolot zbudowany od podstaw, na oryginalnym projekcie, wzleciał już wkrótce bo w czerwcu 1910 - zbudował go mechanik samochodowy z Warszawy Stanisław Kozłowski. Wykonał kilkanaście krótkich lotów, a w zasadzie przedłużonych skoków. Chciał zaprezentować swoją konstrukcję na pokazach lotniczych, lecz 16 czerwca podczas jednego z najdalszych lotów lądując trafił w dołek, zawadził skrzydłem o ziemię i rozbił maszynę, sam zostając tylko lekko ranny[3]

W następnych latach zdarzały się jeszcze drobne wypadki. W starej prasie znalazłem opis poważnego wypadku z lipca 1911. Młody, dziewiętnastoletni pilot podczas lotu popisywał się przed widzami. W wyniku błędnego ustawienia steru samolot obrócił się pionowo, wytracił prędkość i spadł z wysokości około 30 metrów na teren lotniska. Kierujący został ciężko ranny, ale nie doszukałem się informacji aby zmarł.[4]

Czy jednak ten pierwszy śmiertelny wypadek z 1913 roku był, jak to podawała początkowo prasa, samobójstwem? Wedle późniejszych informacji, komisja badająca wypadek nie znalazła potwierdzenia tej wieści, w papierach po pilocie nie znaleziono owej kartki z pożegnalnym listem, zaś wstępnie uznano że przyczyną wypadku mógł być błąd podczas pilotażu, pilot bowiem po raz pierwszy leciał maszyną tego modelu.[5]
----------
* Lotnisko Mokotów - Pole Mokotowskie.

[1]  Kurjer Warszawski 29 marca 1913 EBUW
[2] Kurjer Warszawski 7 kwietnia 1910 EBUW
[3] http://www.samolotypolskie.pl/samoloty/1585/126/Kozlowski-samolot2
[4] Kurjer Wileński 19.07.1911 EBUW
[5] Gazeta Lwowska 04.04.1913 JBC UJ

Na ile jest oszczędna żarówka energooszczędna?

Niedawna akcja Godzina dla Ziemi symbolicznie przypomniała to, co i tak było nam wiadome - że prąd dobrze jest oszczędzać. I podobnie jak inne antykonsumpcyjne akcje, ta zyskuje duże poparcie i prawie zerową skuteczność. Każdy wie, że prąd trzeba oszczędzać, więc niech to robią inni.

Jest jednak kwestia wiążąca się z oszczędzaniem, wokół której narosło wiele mitów - a jak bardzo są oszczędne żarówki energooszczędne? Bo mówi się, że częste włączanie i wyłączanie tylko bardziej szkodzi niż pożytkuje...

Żarówka klasyczna zgodnie ze swoją nazwą żarzy się. Składa się ze szklanej banieczki wypełnionej rozrzedzonym gazem obojętnym, i drucika z trudnotopliwego materiału - w pierwszych żarówkach Edisona było to przewodzące włókno węglowe, potem Auer wprowadził osm a dziś używa się stopów wolframu.  Drucik przewodzący jest bardzo cienki i zgodnie z prawem oporności, mając mały przekrój wykazuje duży opór elektryczny i silnie się nagrzewa, aż do świecenia.
Problemem takiej żarówki jest jednak to, iż podgrzanie stanowi wyjątkowo nieefektywną metodę wytwarzania światła - spośród energii zużytej przez żarówkę na wytworzenie światła przypada tylko 1-5%, reszta jest uwalniana jako podczerwień lub przekazywana jako ciepło. Wydajność tą można zwiększyć podwyższając temperaturę, lecz wtedy obniża się żywotność żarówki wywołana parowaniem wolframu.
Dodatek halogenu do gazu pozwala zmniejszyć te straty i podwyższyć temperaturę, dzięki czemu lampy halogenowe zużywają mniej energii na wydzielenie światła tak samo jasnego.

A jak działają kompaktówki?
Są to świetlówki składające się z rurki wypełnionej oparami rtęci. Przyłożenie wysokiego napięcia do końców rurki powoduje jonizację par pierwiastka - wzbudzone za sprawą zderzenia z elektronami atomy rtęci powracają do stanu podstawowego, wypromieniowując energię w formie ultrafioletu. Ultrafiolet pada na luminofor pokrywający wnętrze rurki, który naświetlony ultrafioletem zaczyna fluoryzować światłem białym. Bardzo niewiele energii jest przekształcane na ciepło, dlatego świetlówki nie nagrzewają się tak jak żarówki. Wydajność energetyczna przekształcenia pracy w światło wynosi zależnie od rodzaju 8 do 12 %, niektóre typy do 15%. Oznacza to, że na wytworzenie światła o takim samym natężeniu, świetlówka zużywa 4-5 razy mniej energii. Świetlówka o jasności opowiadającej żarówce 60 W zużywa 12-15 W.
Ich podstawową wadą jest zawartość rtęci, przez co nie powinno się ich wyrzucać do zwykłych śmietników, a w razie rozbicia w domu zebrać resztki do szczelnego woreczka i przewietrzyć mieszkanie. Z drugiej strony ilość potrzebnej rtęci została w ostatnich latach zminimalizowana do kilku miligramów - kiedyś czytałem książkę o doświadczeniach fizycznych z lat 70., w której fizyk jako przykład obserwacji bezwładności podawał ruch... kropel rtęci w świetlówkach oświetlających wagoniki metra, czyli że dawniej musiało jej być w świetlówce na tyle dużo że było naocznie zauważalna.

Prąd rozruchu (inrush current)
Tym co wzbudza największe kontrowersje i co stało się źródłem mitu o włączaniu, jest dla świetlówek prąd rozruchu. Jest to prąd pobierany w momencie włączenia, potrzebny do rozruchu urządzenia, mający postać nagłego ale chwilowego skoku natężenia pobieranego prądu. Jest to związane z koniecznością zainicjowania odpowiednich procesów w urządzeniu - w kondensatorach jest to prąd ładowania, czyli rozkładanie ładunku na powierzchni okładki. Wysoki prąd rozruchu mają na przykład żarówki - w pierwszym momencie, gdy włókno jest jeszcze zimne, ma dosyć wysoką przewodność elektryczną, toteż przez chwilę następuje duży przepływ energii  a prąd może osiągać wartość do kilkunastu amperów; potem włókno rozgrzewa się i zaczyna wykazywać duży opór.

Podobna sytuacja występuje w świetlówkach. Prąd rozruchu dla świetlówek kompaktowych to ok. 7-10 A. Ile jest to energii? Cóż, możemy to przeliczyć na moc, czyli waty. Moc P to napięcie U razy prąd I czyli:

P= U*I

Wiedząc że prąd w gniazdku to w Polsce 230 V i przyjmując wartość prądu rozruchu za 10A, możemy policzyć:

230V*10A=2300 W = 2,3 kW

Jak więc widzicie, pobór prądu jest gigantyczny. Z tego też powodu często się mówi że gdy świetlówka jest często włączana i wyłączana, to zżera więcej prądu niż zaoszczędza, przez co lepiej jest ją zostawić zapaloną niż włączać na krótko.

Jednak tym co dla nas jest najważniejsze, to nie pobór prądu, tylko koszty, a liczniki zliczają prąd w kilowatogodzinach, a więc liczą w ilość prądu pobraną w czasie. To ile kWh zużyje świetlówka na rozruchu,. zależy więc od tego jak długo ten rozruch trwa. Wraz z przestrogami przed częstym włączaniem po świecie krążą różne czasy - jedni mówią o kilku sekundach, inni o minucie a parę razy słyszałem że zwiększony pobór trwa całe pięć minut. Wystarczy jednak dobrze poszukać aby przekonać się, że jest to czas bardzo krótki. Nie minuta, nie sekunda ale zaledwie kilka milisekund. Zwykle, zależnie od typu świetlówki, jest to od 1 do 5 milisekund.[1] Impuls rozruchowy to nie jest to samo co czas rozgrzewania się świetlówki, w którym stopniowo osiąga ona właściwą jasność - w momencie pojawienia się pierwszego światła rozruch już ustał, teraz jedynie musi odparować więcej rtęci aby natężenie ultrafioletu było odpowiednie.

Jak łatwo się domyśleć, nawet gigantyczny pobór prądu w ciągu ułamku sekundy przełoży się ostatecznie na małe zużycie, liczone przez liczniki w kilowatogodzinach. Przyjmijmy wyliczoną wartość prądu rozruchu i przyjmijmy że impuls ten trwa 5 ms. 

5 ms = 0,005 s = 0,000083 h

2,3 kW * 0,000083 h = 0,00019 kWh

Oznacza to że świetlówka z bardzo dużym prądem rozruchu, ale trwającym ułamek sekundy, wywoła zużycie prądu obciążające naszą kieszeń o setne części grosza. To zupełnie niezauważalne. Tak na prawdę nawet jeśli świetlówka jest w miejscu, w którym co chwila się ją zapala i gasi, to zgaszenie jej na sekundę wywoła większą oszczędność energii, niż zużycie w momencie zapalenia.
Internetowe porady, mówiące, że lepiej żeby się długo paliła, niż żeby była kilka razy włączana są zatem szkodliwe.

Jeszcze wyższe prądy rozruchu mają lampy LED, sięgające w impulsie do 100-200 A. Przy tak wysokich skokach trzeba brać pod uwagę skoki poboru przy włączaniu na raz większej ilości lamp, bo automatyczne bezpieczniki mogą się wyłączać biorąc to za zwarcie.

Tak więc świetlówka energooszczędna naprawdę oszczędza.
------
*  http://www.wmae.pl/userfiles/file/Baza%20wiedzy/Publikacje/swietlowki_generatorem_oszczednosci.pdf
[1] http://www.electrical-installation.org/enwiki/Electrical_characteristics_of_lamps