电能的输送

无论走到哪里，都可以接触到电能.电灯泡将电能转化为光能，为我们照明；电动机将电能转化为机械能，使电风扇旋转、电力机车飞驰；电脑、电视依靠电能给我们传递信息；电热水器、电磁炉等依靠电能为我们服务.今天的人类已经离不开电了.在我们周围有各种各样的发电厂，如水力发电厂、火力发电厂、风力发电厂、太阳能发电厂等，还有各种各样的电池，它们将各种各样的能量转化成我们所用的电能.那么，这些电能又是怎样被输送到用电单位的呢？

一、远距离输电的简要流程

图1是电能从发电厂输送至用户的示意图.

发电机将机械能转化而成的电能经过升压变压器，使电压升高为高压电，经过高压输电线输送到用户的附近，在用户使用之前再经过降压变压器降低为用户使用的低压电.

二、远距离高压输电

我们都知道，高压对人体是很危险的，那为什么还要将发电机的电变成高压后再输送呢？

1.线路损耗

因为无论导线的性质如何好，它总是有电阻的，只是平时实验室里的实验电路，包括家庭电路，所用导线都不长，所以电阻很小.如横截面积1mm2的1m长的铝导线，电阻只有0.029Ω.相同长度和粗细的铜导线电阻更小.因此，导线的电阻比用电器的电阻要小很多，可以略去不计.可在进行高压输电时，实际的输电线很长.例如从河南平顶山至湖北武昌的高压输电线路长达600多千米，而一条长600km、横截面积1cm2的铝导线，电阻约为170kΩ.这么长的输电线，它的电阻就不能不考虑了.若此时电路中的输电电流为100A，则电路中160Ω导线每一秒就会因发热损耗电能Q=I2Rt=（100A）2×160Ω×1s=1.6×106J.一根导线一年就会损失电能4.98×1014J.这些损耗的电能可以提供给1000W的空调正常工作1.6×104年.因此，如何输电才能减少在导线上的损耗，就成了一个十分有实际意义的问题.

2.减小线损

由焦耳定律Q=I2Rt可知，减小线路热量损失Q有以下三种方法：一是减小输电时间t；二是减小输电线电阻R；三是减小输电电流I.第一种办法等同于停电，没有任何意义.第二种办法可以从影响导线电阻的因素来考虑.我们知道，导线的电阻由导线的材料、横截面积、长度来共同决定，在实际使用时材料往往用的是铜或铝，虽然超导材料零电阻的优越性非常诱人，但实际应用却受到很多因素的影响，想用于远距离输电现在还没有可能.所以，我们只能通过增大导线的横截面积来减小它的电阻，远距离输电时输电线往往都选择横截面积比较大的粗导线，但横截面积太大，会导致输电线路材料的重力增加，使线路架设困难.第三种方法，因为Q正比于I2，如果电流减小到原来的百分之一，功率损失P=I2R就减小到原来的万分之一，所以减小导线的电流对减小线损还是比较有效的.例如：若某发电机发出的电是100kV，就用100kV直接输送，若此时输电电流是100A，输送的功率就是10000kW.若将电流减小为10A，则1s内导线因发热损耗的电能就减小为原来的1/100.但与此同时，输电功率也变成了原来的1/10，线损虽然减小了，但输电的任务却没有完成.因此，这样的方法也是不可行的.要使减小电流的同时不改变输送功率，由P=UI可知，只有在减小电流的同时增大输电电压.

有同学可能会提出这样的问题：提高输电电压，而导线的电阻是一定的，那么根据欧姆定律I=U／r可知，电流应该增大呀，这两种分析不是矛盾了吗？

其实这里并不矛盾，因为输电电压和输电导线两端的电压并不是同一个物理量，如图2所示，高压输电的高压指的是U2.

3.升（降）压变压器

实际输送时，根据输送电能距离的远近，采用不同的高电压.从我国现在的电力情况来看，送电距离在200～300km时采用220kV的电压输电；在100km左右时采用110kV；50km左右采用35kV；在15km～20km时采用10kV，有的则用6600V.输电电压在110kV以上的线路，称为超高压输电线路.在远距离输电时，我国还有500kV的超高压输电线路.国外还建有1150kV的试验性超高压输电线路.

虽然提高电压可以减小线损，但也不能盲目提高输电电压.因为电压越高，输电架空线的建设，对所用各种材料的要求愈严格，线路的造价就愈高.所以，要从具体的实际情况出发，做到输电线路既能减少电能损耗，又能节约建设投资.

发电厂发出的电经高压输送到用户附近时，不能直接供给用户.因为各种用电设备的适用电压为220V或380V，所以得先经过一系列的降压变压器，将高压电降成适合于用户使用的低压电.如沿途也需用电，则设有中间变电站和变压亭.在变电站里，可以由电力变压器把高压输送线上几百千伏的高压降为较低的电压（例如3kV），然后再输送给附近的小型变压亭，再由变压亭把高压降低到用户所需要的380V或220V的低电压.

4.输电是一种优质高效的能量传递方式

也许有同学会提出这样的疑问，既然远距离输电总会有损耗，那能不能将发电厂建在需要大量用电的发达城市的周边呢?输送电能与输送煤炭到底哪个更方便呢？

发电厂往往建在有着丰富水力、风力、太阳能或煤资源等的地区，但并不是所有的发达城市周围都有这样的资源.对于风力、水力、太阳能等这些有着地区限制的资源，只能就地利用，无法转移.而对于煤资源，虽然可以向各地输送，但输送电能比输送这些资源要便利得多.

当然，对于有可利用资源的地区，要尽可能在住处和工作地点附近利用风能和太阳能发电，做到自给自足.例如，可以利用地热系统给建筑物供暖和降温，利用屋顶上的太阳能电池提供电力等.

三、无线输电

远距离无线输电技术的研究一直在进行着.特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果.2007年6月18日，美国麻省理工学院研究人员宣布，他们通过无线传送电能的方式，在2m远的距离点亮了一盏60W的灯泡.麻省理工学院物理学教授马林・索尔加希奇发现，使用特殊的调谐波无线可以传送能量.其原理是使充电装置与便携式小电器在相同的频率下产生共振.

就目前情况而论，该项技术还处于探索阶段，虽然已有一些初级产品，但在实用化、普及化方面，还有大量的工作要做.可以预见，如果该技术能够投入实际应用，至少许多用电装置可以不再需要电池.人们正期待着无线供电技术有新的突破.