论电能的传输

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1、论电能的传输姓名：李小龙学号：2011202070079专业：电力系统及其自动化研究方向：电能质量分析与控制1. 前言在我们很小的时候就知道：拿着玻璃棒在头发上摩擦之后，就能够吸起 很小的纸屑，这就是摩擦起电。而在电气信息化的当今社会中，电能己经成 为了当前人们必不可缺的一种能量形式。在目前，在绝大多数的场合中，电 能是通过线路传导的方式从电网传输到用电设备的。但是在某些场合电能通 过磁的耦合而进行无线传输。在接下來的文章中将对电能通过线路传输和经 过无线传输的原理和优缺点进行研究和分析。2. 电能的传输2.1.电学基本知识2. 1. 1.电压电压也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中

2、由于电势不同 所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移 动到B点所作的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。此概念 与水位高低所造成的“水压”相似。需要指出的是，“电压” 一词一般只用 于电路当中，“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。电压 是推动电荷定向移动形成电流的原因。电流之所以能够在导线中流动，也是 因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别。2.1.2. 电流电流是指电荷的定向移动。电源的电动势形成了电压，继而产生了电场 力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。电 流的大小称为电流强度（简称电流，符号为I）,是指单位

3、时间内通过导线某 一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1安培（A）。电流的产生有 三个条件：1、必须有能够自由移动的电荷。2、导体两端存在电压差。3、 电路必须为通路。2.1.3. 电能电能泛指与电相联系的能量，严格地应指电场能。普通的电能指的是在 一定时间内电路元件或者设备吸收或发出的电能量。电能的或者是由各种形 式的能量转化而來的，而这些能量般的的转化过程是由各样的发电厂和各种 各样的电池完成的。在一情形下，变化的磁场以波的形式传播，传播过程中 伴随着能量传递。2.2.导体中电磁能量传输电磁场是一种特殊运动形态物质，具有点擦能量就是一个很好的证明， 正是由于这种电磁能量在空间的传播，才

4、使人类赖以建立庞大的通信与电力 系统。在时变电磁场中，由于电场与磁场的不断变化，并由空间一点传到另 一点，因而形成传播于空间携带着电磁能量的电磁波，无论是通信还是电力 系统，它们的功率传输过程都是电磁能量在空间的传播过程。在空间某点的电磁能量密度设为：co = |e D + |h B (2-1)从麦克斯韦方程组出发，可以得到电磁现象中能量转换的规律：fffv jEdv =詈血ED + HB)dvg (ExH)-ds (2-2)上式(2-2)中，EXH为电磁场的能流密度矢量，亦称坡印廷矢量，记 作S,则有：S = E X H (2-3)上式(2-2)中表明，空间任意体积V内产生的电功率，等于单位

5、时间 内，体积V中电磁能的减少与通过体积V的界面S流入的能量之和。若空间 体积V中还有运动的电荷，则此式中的j包括传导电流密度和运流电流密度 两部分。能流密度矢量S是为描述电磁场能量的传播而引入的，引入时并未 附加任何限制条件。因此，它应具有一般意义，即不仅适用于变化的电磁场， 对稳恒场或静场亦应成立。在稳恒电流情况下，场不随时间而变，电磁能对时间的变化率 訓v i(E D + H B)dv=0,则式(2-2)变为:fffv jEdv=g (ExH)-ds (2-4)式(2-4)表明在稳恒条件下，空间任意体积V内产生的电功率等于单 位时间内穿过体积V的界面S流入的能量。而负号表示能量流入该闭合

6、面。下面以均匀单行传输线为例进行说明。单行传输线指的是电路的回线距其共远，影响可以忽略不计。设长直传输线半径为a，电导率为。(常数)，在线路中通以稳恒电流I,导线长度为1 (不含电源)，则该段导线内产生的电功率为：Pq =肚j-EdVo积分 区域V为该段导线的体积，即V = na2h应用欧姆定律并整理得到：PQhJffjEdgJffv dv = JJfv 乂占)2曲=(穆疋瓜 dv =(厶)2兀a21 =【2 亠=【2r(2-5)ira2/ ona2o在式(2-5)中，R为该段导线的电阻，2R即为该段导线电阻上消耗 的功率。下面來研究该功率是如何传输的。取电流I的方向为Z轴正向，则导线内E的方

7、向沿Z轴正向，磁场方 向沿环绕Z轴的同心圆的切线方向。由式S=EXH可知，能流密度矢量S 的方向沿径向指向导线轴心，如图(2-1)所示叭它表明电流通过导线时消耗的能量，是由导线外部空间进入，并沿径 向向轴线流动的，利用电磁学的公式可以求出离开轴线r(r a)处的E和H 分别为：v_) _ I(y Tiaa2 GzH =冷 f)则有：EXH矗(/牛)一卷ex由上式可见：在r二0处，S二0,在a处s =去5在以a为半径，长为1的圆柱面上，单位时间内进入该面的能量流则为：Pa = -J (ExH)-ds = I2 = I2R1由上式(2-6)可见，Pa与式(2-5)中该段导线电阻上消耗的功率PQ相

8、同，这表明该段导线上消耗的功率，是通过导线周围的电磁场传输的，且 等于从导线外部沿径向进入导线内的电磁功率。在导线外部，由于导线表面有电荷分布(导体电势比附近部分高)，因 此，E外除有切向分量外，还有法向分量。所以能流密度矢量S也有切向分 量和法向分量，其法向分量与导线内能流密度矢量方向一致，切向分量与 导线表面带电性质有关。可以证明的是：若导线表面有正电荷分布时，贝吧外 的切向分量跟导线中电流方向相同；若导线表面有负电荷分布时，贝吧外的 切向分量跟导线中电流方向相反。在导线外部，电磁能是由导线附近的电 磁场传输的，其中一部分进入导线内转化为焦耳热，另一部分沿着导线方 向向前传输，以供电路负载

9、所消耗121 131 O2. 3.无线电能传输2.3.1现有传输方式在当前的绝大多数场合中，电能是通过传导的方式从电网传输到用电 设备的，在传输的过程中乂往往用到了插座和插头，但是在某些场合，例 如化工，采矿等易燃易爆的环境中，由摩擦引起的火花足以引发安全事故。 另外，在大功率移动负载充电的电动汽车以及机车，一般采用滑动接触的 方式，在车辆运行时，由此引來的导线的滑动磨损，产生的火花以及裸露 的传输线等给安全营运带来了隐患。因此无线能量传输安全、可靠、寿命 长、使用方便、维修成本低等优点便发挥出來。现有的无线能量传输方式主要有以下3种：一、共振感应耦合技术该技术是一种全新的无线供电技术一一非辐

10、射电磁能谐振隧道效应。它的关键在于利用了非辐射性磁耦合一一两个相同频率的谐振物体产生很 强的相互耦合，釆用单层线圈，两端各放置一个平板电容器，共同组成谐 振回路，减少能量浪费。基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输，则是 利用数白圈紧密缠绕的线圈，但只能在数毫米的范围才得到60%以上的传 输效率，而该系统只是缠绕了 5圈粗铜线作为天线的线圈，在进行2m传输 时效率约为40%,距离为lm时效率竟高达90%o可见这种融合了电磁共振 的无线供电技术别具一格。二、微波能量传输技术微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波，目前己广泛应 用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。在目前己经有过相关的实验对

11、 该技术的可行性进行了验证，但是至于该技术如何实用化进行商业推广还 有待研究。三、激光能量传输技术激光方向性强、能量集中，利用激光可以携带大量的能量，可以用较 小的发射功率实现较远距离的书店，有关研究选择激光的优势在于其所需 的传输和接收设备是微波所需的1/10,不存在干扰通信卫星的风险一一使 用微波却存在这种问题。它的不足之处在于障碍物会影响激光与接收装置 之间的能量交换，使用激光不能像微波那样可以闯过云层，射束能量可能 会在中途丧失约一半。2. 3. 2新型感应耦合能量传输机理新型感应耦合能量传递机理与变压器传递功率有类似之处，即都是通 过电磁感应原理将能量由一次侧传递到二次能量接收侧。但

12、与传统变压器 不同的是：（1）变压器的原边线圈通常都是多匝线圈，而在新型能量传输模 式中，原边仅仅是一根载流体；（2）变压器原副边均采用紧密耦合且磁场介 质通常釆用具有高磁导特性的铁磁性材料，具有很高的传输效率，而新型 电能无线传输模式由于安全的需要或机械因素的限制，初次级之间有一定 的距离，致使磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段，其耦合程度 大大降低。新型感应耦合能量无线传输系统是通过使用特殊结构变压器的 电磁感应实现的，在这种变压器中，初级能量通过气隙或其他介质感应耦 合到次级，因此和传统变压器有很大的不同，较大气隙导致变压器具有较 大漏感，其储能降低变压器效率并增加器件应力。因此，

13、利用漏感的电路 拓扑如谐振或软开关拓扑是解决这一问题的较优选择。3 总结与展望在本文中，利用电磁学中坡印廷定理进行了线路中电磁能的传输研究， 并对无线能量传输进行了介绍。无线电能传输作为一种新型的电能传输方式, 在安全性、可靠性、维护成本以及使用寿命上具有传统的利用导线进行电能 传输无可比拟的优点，近年來受到国内外广泛的关注，在某些领域己经有了 研究和应用，在将來有着广泛的应用前景。参考文献：1 杨宪章，邹玲，樊亚东，工程电磁场M.北京：中国电力出版社。20072 孙绍信，坡印亭定理在稳恒电路中的应用J.阜阳师范学院学报（自然科 学版）。1995,33 贺金玉，谢星海，从电磁能量的传输看导体中的“导”字之含义J.聊城 师院学报（自然科学版）。1995,94 林宁，无接触电能传输系统的设计研究D.浙江大学。2011,1