論電能的傳輸

1、. .論電能的傳輸*：李小龍學(xué)號(hào)：79專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究方向：電能質(zhì)量分析與控制1. 前言在我們很小的時(shí)候就知道：拿著玻璃棒在頭發(fā)上摩擦之后，就能夠吸起很小的紙屑，這就是摩擦起電。而在電氣信息化的當(dāng)今社會(huì)中，電能已經(jīng)成為了當(dāng)前人們必不可缺的一種能量形式。在目前，在絕大多數(shù)的場(chǎng)合中，電能是通過(guò)線路傳導(dǎo)的方式從電網(wǎng)傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的。但是在某些場(chǎng)合電能通過(guò)磁的耦合而進(jìn)展無(wú)線傳輸。在接下來(lái)的文章中將對(duì)電能通過(guò)線路傳輸和經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)展研究和分析1。2. 電能的傳輸2.1. 電學(xué)根本知識(shí)2.1.1. 電壓電壓也稱作電勢(shì)差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場(chǎng)中由于電勢(shì)不同所產(chǎn)生的能量差

2、的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場(chǎng)力作用從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所作的功，電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。此概念與水位上下所造成的“水壓相似。需要指出的是，“電壓一詞一般只用于電路當(dāng)中，“電勢(shì)差和“電位差那么普遍應(yīng)用于一切電現(xiàn)象當(dāng)中。電壓是推動(dòng)電荷定向移動(dòng)形成電流的原因。電流之所以能夠在導(dǎo)線中流動(dòng)，也是因?yàn)樵陔娏髦杏兄唠妱?shì)和低電勢(shì)之間的差異。2.1.2. 電流電流是指電荷的定向移動(dòng)。電源的電動(dòng)勢(shì)形成了電壓，繼而產(chǎn)生了電場(chǎng)力，在電場(chǎng)力的作用下，處于電場(chǎng)內(nèi)的電荷發(fā)生定向移動(dòng)，形成了電流。電流的大小稱為電流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱電流，符號(hào)為I，是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線某一截面的電荷量，每秒通過(guò)1庫(kù)侖的電量稱

3、為1安培A。電流的產(chǎn)生有三個(gè)條件：1、必須有能夠自由移動(dòng)的電荷。2、導(dǎo)體兩端存在電壓差。3、電路必須為通路。2.1.3. 電能電能泛指與電相聯(lián)系的能量，嚴(yán)格地應(yīng)指電場(chǎng)能。普通的電能指的是在一定時(shí)間內(nèi)電路元件或者設(shè)備吸收或發(fā)出的電能量。電能的或者是由各種形式的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，而這些能量般的的轉(zhuǎn)化過(guò)程是由各樣的發(fā)電廠和各種各樣的電池完成的。在一情形下，變化的磁場(chǎng)以波的形式傳播，傳播過(guò)程中伴隨著能量傳遞。2.2. 導(dǎo)體中電磁能量傳輸電磁場(chǎng)是一種特殊運(yùn)動(dòng)形態(tài)物質(zhì)，具有點(diǎn)擦能量就是一個(gè)很好的證明，正是由于這種電磁能量在空間的傳播，才使人類賴以建立龐大的通信與電力系統(tǒng)。在時(shí)變電磁場(chǎng)中，由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)的不斷

4、變化，并由空間一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)，因而形成傳播于空間攜帶著電磁能量的電磁波，無(wú)論是通信還是電力系統(tǒng)，它們的功率傳輸過(guò)程都是電磁能量在空間的傳播過(guò)程2。在空間某點(diǎn)的電磁能量密度設(shè)為1：=12D+12HB (2-1)從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以得到電磁現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律：vjEdv=-tv12D+HBdv-s(E×H)ds2-2上式2-2中，E×H為電磁場(chǎng)的能流密度矢量，亦稱坡印廷矢量，記作S,那么有：S=E×H(2-3)上式2-2中說(shuō)明，空間任意體積V內(nèi)產(chǎn)生的電功率，等于單位時(shí)間內(nèi)，體積V中電磁能的減少與通過(guò)體積V的界面S流入的能量之和。假設(shè)空間體積V中還有運(yùn)動(dòng)的電荷，

5、那么此式中的j包括傳導(dǎo)電流密度和運(yùn)流電流密度兩局部。能流密度矢量S是為描述電磁場(chǎng)能量的傳播而引入的，引入時(shí)并未附加任何限制條件。因此，它應(yīng)具有一般意義，即不僅適用于變化的電磁場(chǎng)，對(duì)穩(wěn)恒場(chǎng)或靜場(chǎng)亦應(yīng)成立。在穩(wěn)恒電流情況下，場(chǎng)不隨時(shí)間而變，電磁能對(duì)時(shí)間的變化率tv12D+HBdv=0，那么式2-2變?yōu)椋簐jEdv=-s(E×H)ds2-4式2-4說(shuō)明在穩(wěn)恒條件下，空間任意體積V內(nèi)產(chǎn)生的電功率等于單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)體積V的界面S流入的能量。而負(fù)號(hào)表示能量流入該閉合面。下面以均勻單行傳輸線為例進(jìn)展說(shuō)明。單行傳輸線指的是電路的回線距其甚遠(yuǎn)，影響可以忽略不計(jì)。設(shè)長(zhǎng)直傳輸線半徑為，電導(dǎo)率為常數(shù)，在線路

6、中通以穩(wěn)恒電流，導(dǎo)線長(zhǎng)度為l不含電源，那么該段導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的電功率為：PQ=vjEdv。積分區(qū)域V為該段導(dǎo)線的體積，即V=2l。應(yīng)用歐姆定律并整理得到：PQ=vjEdv=vj2dv=v1(2)2dv=(2)21vdv=2212l=2l2=2Rl (2-5)在式2-5中，Rl為該段導(dǎo)線的電阻，2Rl即為該段導(dǎo)線電阻上消耗的功率。下面來(lái)研究該功率是如何傳輸?shù)?。取電流I的方向?yàn)閆軸正向，那么導(dǎo)線內(nèi)E的方向沿Z軸正向，磁場(chǎng)方向沿環(huán)繞Z軸的同心圓的切線方向。由式S=E×H可知，能流密度矢量S的方向沿徑向指向?qū)Ь€軸心，如圖2-1所示2。它說(shuō)明電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)消耗的能量，是由導(dǎo)線外部空間進(jìn)入，并沿徑向

7、向軸線流動(dòng)的，利用電磁學(xué)的公式可以求出離開(kāi)軸線r(r<a)處的E和H分別為：E=j=I2ezH=Ir22(-ey)那么有：S=E×H=-I2r224ez×ey=-I2r224ex由上式可見(jiàn)：在r=0處，S=0，在r=a處，S=-I2223ex在以a為半徑，長(zhǎng)為l的圓柱面上，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入該面的能量流那么為：Pa=-s(E×H)ds=I2l2=I2Rl2-6由上式2-6可見(jiàn)，Pa與式2-5中該段導(dǎo)線電阻上消耗的功率PQ一樣，這說(shuō)明該段導(dǎo)線上消耗的功率，是通過(guò)導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)傳輸?shù)?，且等于從?dǎo)線外部沿徑向進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)的電磁功率。在導(dǎo)線外部，由于導(dǎo)線外表有電荷分布導(dǎo)

8、體電勢(shì)比附近局部高，因此，E外除有切向分量外，還有法向分量。所以能流密度矢量S也有切向分量和法向分量，其法向分量與導(dǎo)線內(nèi)能流密度矢量方向一致，切向分量與導(dǎo)線外表帶電性質(zhì)有關(guān)?？梢宰C明的是：假設(shè)導(dǎo)線外表有正電荷分布時(shí)，那么S外的切向分量跟導(dǎo)線中電流方向一樣；假設(shè)導(dǎo)線外表有負(fù)電荷分布時(shí)，那么S外的切向分量跟導(dǎo)線中電流方向相反。在導(dǎo)線外部，電磁能是由導(dǎo)線附近的電磁場(chǎng)傳輸?shù)?，其中一局部進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)轉(zhuǎn)化為焦耳熱，另一局部沿著導(dǎo)線方向向前傳輸，以供電路負(fù)載所消耗23。2.3. 無(wú)線電能傳輸2.3.1 現(xiàn)有傳輸方式在當(dāng)前的絕大多數(shù)場(chǎng)合中，電能是通過(guò)傳導(dǎo)的方式從電網(wǎng)傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的，在傳輸?shù)倪^(guò)程中又往往用到了插

9、座和插頭，但是在某些場(chǎng)合，例如化工，采礦等易燃易爆的環(huán)境中，由摩擦引起的火花足以引發(fā)平安事故。另外，在大功率移動(dòng)負(fù)載充電的電動(dòng)汽車以及機(jī)車，一般采用滑動(dòng)接觸的方式，在車輛運(yùn)行時(shí)，由此引來(lái)的導(dǎo)線的滑動(dòng)磨損，產(chǎn)生的火花以及裸露的傳輸線等給平安營(yíng)運(yùn)帶來(lái)了隱患。因此無(wú)線能量傳輸平安、可靠、壽命長(zhǎng)、使用方便、維修本錢低等優(yōu)點(diǎn)便發(fā)揮出來(lái)4?，F(xiàn)有的無(wú)線能量傳輸方式主要有以下3種：一、共振感應(yīng)耦合技術(shù)該技術(shù)是一種全新的無(wú)線供電技術(shù)非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)。它的關(guān)鍵在于利用了非輻射性磁耦合兩個(gè)一樣頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，采用單層線圈，兩端各放置一個(gè)平板電容器，共同組成諧振回路，減少能量浪費(fèi)。基于普通電

10、磁感應(yīng)耦合的非接觸電力傳輸，那么是利用數(shù)百圈嚴(yán)密纏繞的線圈，但只能在數(shù)毫米的范圍才得到60%以上的傳輸效率，而該系統(tǒng)只是纏繞了5圈粗銅線作為天線的線圈，在進(jìn)展2m傳輸時(shí)效率約為40%，距離為1m時(shí)效率竟高達(dá)90%?？梢?jiàn)這種融合了電磁共振的無(wú)線供電技術(shù)別具一格。二、微波能量傳輸技術(shù)微波是波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線輻射之間的電磁波，目前已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動(dòng)通信。在目前已經(jīng)有過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)該技術(shù)的可行性進(jìn)展了驗(yàn)證，但是至于該技術(shù)如何實(shí)用化進(jìn)展商業(yè)推廣還有待研究。三、激光能量傳輸技術(shù)激光方向性強(qiáng)、能量集中，利用激光可以攜帶大量的能量，可以用較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的書店，有關(guān)研究選

11、擇激光的優(yōu)勢(shì)在于其所需的傳輸和接收設(shè)備是微波所需的1/10，不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)使用微波卻存在這種問(wèn)題。它的缺乏之處在于障礙物會(huì)影響激光與接收裝置之間的能量交換，使用激光不能像微波那樣可以闖過(guò)云層，射束能量可能會(huì)在中途喪失約一半。2.3.2新型感應(yīng)耦合能量傳輸機(jī)理新型感應(yīng)耦合能量傳遞機(jī)理與變壓器傳遞功率有類似之處，即都是通過(guò)電磁感應(yīng)原理將能量由一次側(cè)傳遞到二次能量接收側(cè)。但與傳統(tǒng)變壓器不同的是：(1)變壓器的原邊線圈通常都是多匝線圈，而在新型能量傳輸模式中，原邊僅僅是一根載流體；(2)變壓器原副邊均采用嚴(yán)密耦合且磁場(chǎng)介質(zhì)通常采用具有高磁導(dǎo)特性的鐵磁性材料，具有很高的傳輸效率，而新型電能無(wú)線

12、傳輸模式由于平安的需要或機(jī)械因素的限制，初次級(jí)之間有一定的距離，致使磁場(chǎng)傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，其耦合程度大大降低。新型感應(yīng)耦合能量無(wú)線傳輸系統(tǒng)是通過(guò)使用特殊構(gòu)造變壓器的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在這種變壓器中，初級(jí)能量通過(guò)氣隙或其他介質(zhì)感應(yīng)耦合到次級(jí)，因此和傳統(tǒng)變壓器有很大的不同，較大氣隙導(dǎo)致變壓器具有較大漏感，其儲(chǔ)能降低變壓器效率并增加器件應(yīng)力。因此，利用漏感的電路拓?fù)淙缰C振或軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涫墙鉀Q這一問(wèn)題的較優(yōu)選擇。3. 總結(jié)與展望在本文中，利用電磁學(xué)中坡印廷定理進(jìn)展了線路中電磁能的傳輸研究，并對(duì)無(wú)線能量傳輸進(jìn)展了介紹。無(wú)線電能傳輸作為一種新型的電能傳輸方式，在平安性、可靠性、維護(hù)本錢以及使用壽命上具有傳統(tǒng)的利用導(dǎo)線進(jìn)展電能傳輸無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛的