论电能的传输

2.3. 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，在传输的过程中又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，由此引来的导线的滑动磨损，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来[4]。 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——非辐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——两个相同频率的谐振物体产生很 强的相互耦合，采用单层线圈，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 利用数百圈紧密缠绕的线圈，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 1m 时效率竟高达 90%。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，目前已广泛应
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[2]。 在空间某点的电磁能量密度设为[1]： ω = 2 ������ ∙ ������ + 2 ������ ∙ ������
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
式的能量转化而来的，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。
1 1
(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：
v
������ ∙ ������ dv = − ∂ t
∂
1 v 2
������ ∙ ������ + ������ ∙ ������ dv −
s
(������ × ������) ∙ ds
（2-2）
上式（2-2）中，������ × ������为电磁场的能流密度矢量，亦称坡印廷矢量，记 作 S,则有： ������ = ������ × ������ (2-3)
v
������ ∙ ������ dv =
Ι πα 2 21 σ
j2 v
dv = σ
l
1 Ι ( )2 dv v σ πα 2
= (πα 2 )2 σ
Ι
1 v
dv =
πα2 l = Ι2 πα 2 σ = Ι2 R l
(2-5)
在式（2-5）中，R l 为该段导线的电阻，Ι2 R l 即为该段导线电阻上消耗 的功率。下面来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������ = ������ × ������ 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[2]。 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 < ������)处的 E 和 H 分别为： ������ = j I = ������ σ πσα2 ������ Ir ������ = (−������������ ) 2πα2
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，电能已经成 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。在接下来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[1]。
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，近年来受到国内外广泛的关注，在某些领域已经有了 研究和应用，在将来有着广泛的应用前景。
I2
在以 a 为半径，长为 l 的圆柱面上，单位时间内进 入该面的能量流则为： Pa = −
s
(������ × ������) ∙ ds = I2 πα 2 σ = I2 R l
l
（2-6）
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 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
单行传输线指的是电路的回线距其甚远，影响可以忽略不计。设长直 传输线半径为α，电导率为σ（常数） ，在线路中通以稳恒电流 Ι，导线长度 为 l（不含电源） ，则该段导线内产生的电功率为：PQ =
v
������ ∙ ������ dv。积分
区域 V 为该段导线的体积，即V = πα2 l。应用欧姆定律并整理得到： PQ =
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。2007 [2] 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） 。1995,3 [3] 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） 。1995,9 [4] 林宁，无接触电能传输系统的设计研究[D].浙江大学。2011,1
用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。在目前已经有过相关的实验对 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——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 质通常采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，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。
∂ ∂t 1 v 2
������ ∙ ������ + ������ ∙ ������ dv = 0，则式（2-2）变为：
v
������ ∙ ������ dv = −
s
(������ × ������) ∙ 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面。 下面以均匀单行传输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. 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。
I2 r I2 r
则有：������ = ������ × ������ = − 2π 2 α 4 σ ������������ × ������������ = − 2π 2 α 4 σ ������������ 由上式可见：在 r=0 处，S=0， 在 r=a 处， ������ = − 2π 2 α 3 σ ������������