基于潮流能水平轴发电设备造型设计的影响因素研究

摘 要：中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，目前，只有潮汐能发电技术比较成熟，其他形式海洋能的应用大都还停留在探索阶段。[1]与国外相比，技术相对落后，外观简单裸露，在造型设计方面有欠缺。潮流能水平轴发电设备的造型设计影响着整体设备的总工作效率。通过对现有设备的总结与归纳，总体从设备的功能，结构，材料等方面研究分析了其对整体设计的影响并由此提出了新的設计方案。

关键词：潮流能；发电设备；造型设计；功能；材料

0 前言

能源日益枯竭以及环境污染严重的当下，海洋能作为一种具有战略意义的新能源正被开发和利用。

潮流能水平轴发电设备的造型设计是保证海洋能发电设备工作能力以及外观美观的重要前提。对于研究潮流能水平轴发电设备造型设计的影响因素主要从以下几个方面进行：首先从发电设备功能本身出发，对各部分功能进行分析总结从而得出优化的结论。其次，依次从结构、材料使用等方面分析其对造型设计所带来的影响并得出优化结论。

本文通过对潮流能水平轴发电设备的造型设计进行市场调查和分析后，为避免设计过程中的不合理存在，从功能，结构，材料等方面进行造型设计，从而达到设计最优化，有助于提高整个设备的工作效率。

1 目前潮流能水平轴发电设备国内外发展现状的分析

1.1 水平轴海斯壮潮流能发电装置

图1 水平轴海斯壮潮流能发电装置

如图1所示，该装置的工作原理为其是自主研发的新一代永磁直驱式潮流发电装置，是将成熟的空气动力发电机构造应用到潮流发电机上，吸收先进风力发电技术进行潮流发电技术创新，从而提高潮流发电装置能量转化效率，并实现延长潮流发电装置无故障运行时间等关键技术的突破。该潮流发电装置具有长时效10kW额定功率的发电能力。

1.2 水平轴自变距潮流能发电装置

图2 水平轴自变距潮流能发电装置

如图2所示，该装置的工作原理是，采用无源自变矩潮流能发电装置解决了发电机水下密封与防腐难题，通过叶片无源自变矩解决了发电装置适应双向流的难题，大大提高了水平轴潮流能发电装置在海水浸泡下密封、防腐及整体工作可靠性，整个变距装置结构简单，变距过程无须额外能量，故可在海水环境中长时间持续工作。

1.3 水平轴seagen发电装置

图3 水平轴Seagen发电装置

如图3所示，该装置的工作原理为，Seagen是一个建设在海里的“大风车”，一半在海平面下，一半露出海面，海平面下的部分，装有两组直径为16米的叶片，也称轴向流转子。流转子利用水流使其转动产生动能，再将动能传给“大风车”里面安装的发电设备。

其特点是，正式投入使用之后，工作人员将每隔5年对Seagen施行一次检修。Seagen 使用寿命长达25年。

2 功能因素对潮流能水平轴发电设备造型设计的影响

从功能方面来说，工业设计师首先考虑的问题是发现用户的需要，从职业道德出发而适当规划他们的需要。为此，要了解用户把什么看作需要。从50年代出现了若干需要理论。这些理论都是受一定价值观念指导、在一定文化环境、一定时代、针对一定问题而提出的。[2]所以说针对海洋能发电设备的造型设计同样需要了解用户对于功能上的更多需求。

2.1 水轮机转子的功能分析

水轮机转子是整个海洋能发电设备的重要组成部分，它的运作效率直接影响到海洋能发电设备的整体工作效率，所以提高水轮机的工作效率是必要的前提。

2.2 操作空间的功能分析

操作空间总体是用于设备日常维护，海上操作，以及放置物资的场所。操作室同时需要有露台功能

3 结构因素对潮流能水平轴发电设备造型设计的影响

设计结构方面属于专业领域的技术问题，也就是一个产品的核心，在做造型设计时，我必须尽可能多地了解和掌握其结构方面的知识，只有这样才能设计出完美的造型与它结合。

3.1 水轮机结构分析

水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。[3]定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。

3.2 操作空间结构分析

操作空间裸露在海面上，与海下部件相对比，呈现出一种上大下小的态势。所以操作空间的结构形态的设计首先需要考虑稳定性。

4 材料因素对潮流能水平轴发电设备造型设计的影响

由于不论在沿岸近海还是在外海深海，开发海洋能资源都存在风、浪、流等动力作用。海水腐蚀，海生物附着以及能量密度低等问题致使转换装置设备庞大、要求材料强度高、防腐好、设计施工技术复杂、投资大造价高。总之，材料的防腐蚀就成为重大、亟待解决的问题。

4.1 操作空间使用材料分析

操作空间是用于设备日常维护，海上操作，以及放置物资的场所。需要预防海风盐卤长时间的侵蚀。同时还需要考虑到操作空间的重量问题。我们在选择材料的时候不得不考虑到它的耐腐年限，耐候性，耐人工老化性，材料的硬度，附着力，耐盐雾性。从两方面进行保护分析：

表1 常见材料的密度和抗侵蚀能力

材料 不锈钢 有机玻璃 UPVC 低合金钢 碳钢

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

抗侵蚀能力 不锈钢的耐腐蚀性能一般随铬含量的增加而提高。 耐较低的无机酸，但不耐浓的 经常用于水电管道，抗腐蚀性强

在不同腐蚀环境中的耐蚀性能明显优于碳素钢和其他普通低合金钢 耐腐蚀性能随含量不同而改变

4.2 主体支撑杆

主体支撑杆有一半在海面上，另一半在海下，在海面下的支撑杆每日会受到不同种类的恶劣条件的腐蚀和侵蚀。例如，海浪的不斷冲刷，海水溅射，海水侵蚀。同时，还有诸如贝类、软体类及大型海洋生物等附着腐蚀作用。在不同海域会面临不同海水成分海洋生物种类也不同。不同深度不同含氧量不同光照不同流速等都会造成差异。支撑杆需要强大的支撑力。

目前可以从两方面进行防腐措施。除了材料本身防腐以外，通过给设备穿“防腐蚀衣”下手，普通金属（如碳钢）涂装保护性覆盖层（涂层、涂料、内衬、耐腐蚀金属膜等），即碳钢+保护性覆盖层——这是金属防腐蚀的“外因”、“治标”；成本低，易上马，立竿见影，目前普及率极高。[4]

表2 低合金钢和碳钢的抗侵蚀能力在环境中的对比

腐蚀速度（mm/y）

环境 低合金钢 碳钢

海洋大气区 0.04～0.05 0.2～0.5

飞溅区 0.1～0.15 0.3～0.5

潮差区 ～0.1 ～0.1

全浸区 0.15～0.2 0.2～0.25

海泥区 ～0.06 ～0.1

4.3 水轮机转子

水轮机转子作为一种潮流能量转换装置，其对海洋环境的危害性极小。与整体支柱不同，其经常处于旋转运动状态。海水对其的冲击力相对更加猛烈。

5 潮流能水平轴发电设备造型创新设计

5.1 在结构上实行中国式“对称美”

对称美在人民生活和生产中的广泛存在，对称美在各个领域的不同表现，对称美是秩序美的一种形式，是人对美的感受，是普遍规律和永恒的主题。运用在潮流能水平轴发电设备上就体现在对其海上操作室的改造，将其原来只突出一面的平台做成对称，不仅增加了美感也增强了功能性。

5.2 拓宽视野

将在海上的操作室，其本来的设计是全封闭式的，只留一个安全门。为了开拓海上视野，增强安全性。操作空间，采用空间最大化使用的圆柱体，中间的部分用玻璃做成透明的状态。方便观察海面情况和进行设备检修等海上作业等。

5.3 材质分布

主体材料使用海洋防腐蚀类材料。海洋防腐蚀的方法有很多。第一，从筛选设备制造材料下手，筛选耐腐性优异、性价比又高的材料加工海洋设备。第二，从给设备穿“防腐蚀衣”下手，普通金属（如：碳钢）涂装保护性覆盖层（涂层、涂料、内衬、耐腐蚀金属膜等），也即：碳钢+保护性覆盖层——这是金属防腐蚀的“外因”、“治标”；成本低，易上马，立竿见影，目前普及率极高。第三，从处理介质下手，如钙镁沉积法等。第四，胜用防腐蚀添加剂，如缓蚀剂等。我们可以任选一种进行使用。

5.4 “红、黄、黑”中国色

对seagen的配色设计不仅要考虑它的醒目性更要考虑它在海上的安全性。我们选择红色，还有具有警示作用的黄和黑。同时这三种颜色也是自古以来深受中国老百姓喜欢的中国颜色。

6 结束语

人类社会的发展离不开能源、资源的开采和利用。如何合理科学地开发和

使用获取能源的设备显得尤为关键。对于海洋能发电设备的造型设计，我们在运用现代化理论、物质、技术手段来实现设计任务的同时，更要注重对该设备所使用的海洋环境做出保护和研究继承等。我们在获取海洋能源，得到自然馈赠的同时，也要考虑到是否会对海洋环境造成影响或破坏。

参考文献：

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

[2] 卢道英.环境能源发电——太阳能风能和海洋能[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 王仁超.关于水电站机电安装工程中虚拟装配技术的若干问题研究[D].天津：天津大学，2003.

[4] 董志勇.偏流作用下海流能转换器的技术研究[D].浙江：浙江工业大学，2011.

作者简介：偶萍萍，天津工业大研究生院设计学专业，研究方向：工业设计。