基于潮流能水平軸發電設備造型設計的影響因素研究

摘 要：中國是世界上建造潮汐電站最多的國家，目前，只有潮汐能發電技術比較成熟，其他形式海洋能的應用大都還停留在探索階段。[1]與國外相比，技術相對落后，外觀簡單裸露，在造型設計方面有欠缺。潮流能水平軸發電設備的造型設計影響著整體設備的總工作效率。通過對現有設備的總結與歸納，總體從設備的功能，結構，材料等方面研究分析了其對整體設計的影響并由此提出了新的設計方案。

關鍵詞：潮流能；發電設備；造型設計；功能；材料

0 前言

能源日益枯竭以及環境污染嚴重的當下，海洋能作為一種具有戰略意義的新能源正被開發和利用。

潮流能水平軸發電設備的造型設計是保證海洋能發電設備工作能力以及外觀美觀的重要前提。對于研究潮流能水平軸發電設備造型設計的影響因素主要從以下幾個方面進行：首先從發電設備功能本身出發，對各部分功能進行分析總結從而得出優化的結論。其次，依次從結構、材料使用等方面分析其對造型設計所帶來的影響并得出優化結論。

本文通過對潮流能水平軸發電設備的造型設計進行市場調查和分析后，為避免設計過程中的不合理存在，從功能，結構，材料等方面進行造型設計，從而達到設計最優化，有助于提高整個設備的工作效率。

1 目前潮流能水平軸發電設備國內外發展現狀的分析

1.1 水平軸海斯壯潮流能發電裝置

圖1 水平軸海斯壯潮流能發電裝置

如圖1所示，該裝置的工作原理為其是自主研發的新一代永磁直驅式潮流發電裝置，是將成熟的空氣動力發電機構造應用到潮流發電機上，吸收先進風力發電技術進行潮流發電技術創新，從而提高潮流發電裝置能量轉化效率，并實現延長潮流發電裝置無故障運行時間等關鍵技術的突破。該潮流發電裝置具有長時效10kW額定功率的發電能力。

1.2 水平軸自變距潮流能發電裝置

圖2 水平軸自變距潮流能發電裝置

如圖2所示，該裝置的工作原理是，采用無源自變矩潮流能發電裝置解決了發電機水下密封與防腐難題，通過葉片無源自變矩解決了發電裝置適應雙向流的難題，大大提高了水平軸潮流能發電裝置在海水浸泡下密封、防腐及整體工作可靠性，整個變距裝置結構簡單，變距過程無須額外能量，故可在海水環境中長時間持續工作。

1.3 水平軸seagen發電裝置

圖3 水平軸Seagen發電裝置

如圖3所示，該裝置的工作原理為，Seagen是一個建設在海里的“大風車”，一半在海平面下，一半露出海面，海平面下的部分，裝有兩組直徑為16米的葉片，也稱軸向流轉子。流轉子利用水流使其轉動產生動能，再將動能傳給“大風車”里面安裝的發電設備。

其特點是，正式投入使用之后，工作人員將每隔5年對Seagen施行一次檢修。Seagen 使用壽命長達25年。

2 功能因素對潮流能水平軸發電設備造型設計的影響

從功能方面來說，工業設計師首先考慮的問題是發現用戶的需要，從職業道德出發而適當規劃他們的需要。為此，要了解用戶把什么看作需要。從50年代出現了若干需要理論。這些理論都是受一定價值觀念指導、在一定文化環境、一定時代、針對一定問題而提出的。[2]所以說針對海洋能發電設備的造型設計同樣需要了解用戶對于功能上的更多需求。

2.1 水輪機轉子的功能分析

水輪機轉子是整個海洋能發電設備的重要組成部分，它的運作效率直接影響到海洋能發電設備的整體工作效率，所以提高水輪機的工作效率是必要的前提。

2.2 操作空間的功能分析

操作空間總體是用于設備日常維護，海上操作，以及放置物資的場所。操作室同時需要有露臺功能

3 結構因素對潮流能水平軸發電設備造型設計的影響

設計結構方面屬于專業領域的技術問題，也就是一個產品的核心，在做造型設計時，我必須盡可能多地了解和掌握其結構方面的知識，只有這樣才能設計出完美的造型與它結合。

3.1 水輪機結構分析

水輪發電機由轉子、定子、機架、推力軸承、導軸承、冷卻器、制動器等主要部件組成。[3]定子主要由機座、鐵芯和繞組等部件組成。定子鐵芯用冷軋硅鋼片疊成，按制造和運輸條件可做成整體和分瓣結構。水輪發電機冷卻方式一般采用密閉循環空氣冷卻。特大容量機組傾向于以水作為冷卻介質，直接冷卻定子。如同時冷卻定子和轉子則為雙水內冷水輪發電機組。

3.2 操作空間結構分析

操作空間裸露在海面上，與海下部件相對比，呈現出一種上大下小的態勢。所以操作空間的結構形態的設計首先需要考慮穩定性。

4 材料因素對潮流能水平軸發電設備造型設計的影響

由于不論在沿岸近海還是在外海深海，開發海洋能資源都存在風、浪、流等動力作用。海水腐蝕，海生物附著以及能量密度低等問題致使轉換裝置設備龐大、要求材料強度高、防腐好、設計施工技術復雜、投資大造價高。總之，材料的防腐蝕就成為重大、亟待解決的問題。

4.1 操作空間使用材料分析

操作空間是用于設備日常維護，海上操作，以及放置物資的場所。需要預防海風鹽鹵長時間的侵蝕。同時還需要考慮到操作空間的重量問題。我們在選擇材料的時候不得不考慮到它的耐腐年限，耐候性，耐人工老化性，材料的硬度，附著力，耐鹽霧性。從兩方面進行保護分析：

表1 常見材料的密度和抗侵蝕能力

材料 不銹鋼 有機玻璃 UPVC 低合金鋼 碳鋼

密度（千克/立方米） 7.75～8 1.19～1.2 1.2～1.4 7.85 7.81～7.85

抗侵蝕能力 不銹鋼的耐腐蝕性能一般隨鉻含量的增加而提高。 耐較低的無機酸，但不耐濃的 經常用于水電管道，抗腐蝕性強

在不同腐蝕環境中的耐蝕性能明顯優于碳素鋼和其他普通低合金鋼 耐腐蝕性能隨含量不同而改變

4.2 主體支撐桿

主體支撐桿有一半在海面上，另一半在海下，在海面下的支撐桿每日會受到不同種類的惡劣條件的腐蝕和侵蝕。例如，海浪的不斷沖刷，海水濺射，海水侵蝕。同時，還有諸如貝類、軟體類及大型海洋生物等附著腐蝕作用。在不同海域會面臨不同海水成分海洋生物種類也不同。不同深度不同含氧量不同光照不同流速等都會造成差異。支撐桿需要強大的支撐力。

目前可以從兩方面進行防腐措施。除了材料本身防腐以外，通過給設備穿“防腐蝕衣”下手，普通金屬（如碳鋼）涂裝保護性覆蓋層（涂層、涂料、內襯、耐腐蝕金屬膜等），即碳鋼+保護性覆蓋層——這是金屬防腐蝕的“外因”、“治標”；成本低，易上馬，立竿見影，目前普及率極高。[4]

表2 低合金鋼和碳鋼的抗侵蝕能力在環境中的對比

腐蝕速度（mm/y）

環境 低合金鋼 碳鋼

海洋大氣區 0.04～0.05 0.2～0.5

飛濺區 0.1～0.15 0.3～0.5

潮差區 ～0.1 ～0.1

全浸區 0.15～0.2 0.2～0.25

海泥區 ～0.06 ～0.1

4.3 水輪機轉子

水輪機轉子作為一種潮流能量轉換裝置，其對海洋環境的危害性極小。與整體支柱不同，其經常處于旋轉運動狀態。海水對其的沖擊力相對更加猛烈。

5 潮流能水平軸發電設備造型創新設計

5.1 在結構上實行中國式“對稱美”

對稱美在人民生活和生產中的廣泛存在，對稱美在各個領域的不同表現，對稱美是秩序美的一種形式，是人對美的感受，是普遍規律和永恒的主題。運用在潮流能水平軸發電設備上就體現在對其海上操作室的改造，將其原來只突出一面的平臺做成對稱，不僅增加了美感也增強了功能性。

5.2 拓寬視野

將在海上的操作室，其本來的設計是全封閉式的，只留一個安全門。為了開拓海上視野，增強安全性。操作空間，采用空間最大化使用的圓柱體，中間的部分用玻璃做成透明的狀態。方便觀察海面情況和進行設備檢修等海上作業等。

5.3 材質分布

主體材料使用海洋防腐蝕類材料。海洋防腐蝕的方法有很多。第一，從篩選設備制造材料下手，篩選耐腐性優異、性價比又高的材料加工海洋設備。第二，從給設備穿“防腐蝕衣”下手，普通金屬（如：碳鋼）涂裝保護性覆蓋層（涂層、涂料、內襯、耐腐蝕金屬膜等），也即：碳鋼+保護性覆蓋層——這是金屬防腐蝕的“外因”、“治標”；成本低，易上馬，立竿見影，目前普及率極高。第三，從處理介質下手，如鈣鎂沉積法等。第四，勝用防腐蝕添加劑，如緩蝕劑等。我們可以任選一種進行使用。

5.4 “紅、黃、黑”中國色

對seagen的配色設計不僅要考慮它的醒目性更要考慮它在海上的安全性。我們選擇紅色，還有具有警示作用的黃和黑。同時這三種顏色也是自古以來深受中國老百姓喜歡的中國顏色。

6 結束語

人類社會的發展離不開能源、資源的開采和利用。如何合理科學地開發和

使用獲取能源的設備顯得尤為關鍵。對于海洋能發電設備的造型設計，我們在運用現代化理論、物質、技術手段來實現設計任務的同時，更要注重對該設備所使用的海洋環境做出保護和研究繼承等。我們在獲取海洋能源，得到自然饋贈的同時，也要考慮到是否會對海洋環境造成影響或破壞。

參考文獻：

[1] 周善元. 21世紀的新能源——海洋能[J].江西能源，2002（1）：4.

[2] 盧道英.環境能源發電——太陽能風能和海洋能[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3] 王仁超.關于水電站機電安裝工程中虛擬裝配技術的若干問題研究[D].天津：天津大學，2003.

[4] 董志勇.偏流作用下海流能轉換器的技術研究[D].浙江：浙江工業大學，2011.

作者簡介：偶萍萍，天津工業大研究生院設計學專業，研究方向：工業設計。