基于潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型設(shè)計(jì)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(fā)電技術(shù)比較成熟，其他形式海洋能的應(yīng)用大都還停留在探索階段。[1]與國外相比，技術(shù)相對(duì)落后，外觀簡單裸露，在造型設(shè)計(jì)方面有欠缺。潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備的造型設(shè)計(jì)影響著整體設(shè)備的總工作效率。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的總結(jié)與歸納，總體從設(shè)備的功能，結(jié)構(gòu)，材料等方面研究分析了其對(duì)整體設(shè)計(jì)的影響并由此提出了新的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：潮流能；發(fā)電設(shè)備；造型設(shè)計(jì)；功能；材料

0 前言

能源日益枯竭以及環(huán)境污染嚴(yán)重的當(dāng)下，海洋能作為一種具有戰(zhàn)略意義的新能源正被開發(fā)和利用。

潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備的造型設(shè)計(jì)是保證海洋能發(fā)電設(shè)備工作能力以及外觀美觀的重要前提。對(duì)于研究潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型設(shè)計(jì)的影響因素主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先從發(fā)電設(shè)備功能本身出發(fā)，對(duì)各部分功能進(jìn)行分析總結(jié)從而得出優(yōu)化的結(jié)論。其次，依次從結(jié)構(gòu)、材料使用等方面分析其對(duì)造型設(shè)計(jì)所帶來的影響并得出優(yōu)化結(jié)論。

本文通過對(duì)潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查和分析后，為避免設(shè)計(jì)過程中的不合理存在，從功能，結(jié)構(gòu)，材料等方面進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化，有助于提高整個(gè)設(shè)備的工作效率。

1 目前潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的分析

1.1 水平軸海斯壯潮流能發(fā)電裝置

圖1 水平軸海斯壯潮流能發(fā)電裝置

如圖1所示，該裝置的工作原理為其是自主研發(fā)的新一代永磁直驅(qū)式潮流發(fā)電裝置，是將成熟的空氣動(dòng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)造應(yīng)用到潮流發(fā)電機(jī)上，吸收先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行潮流發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新，從而提高潮流發(fā)電裝置能量轉(zhuǎn)化效率，并實(shí)現(xiàn)延長潮流發(fā)電裝置無故障運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)的突破。該潮流發(fā)電裝置具有長時(shí)效10kW額定功率的發(fā)電能力。

1.2 水平軸自變距潮流能發(fā)電裝置

圖2 水平軸自變距潮流能發(fā)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(fā)電裝置解決了發(fā)電機(jī)水下密封與防腐難題，通過葉片無源自變矩解決了發(fā)電裝置適應(yīng)雙向流的難題，大大提高了水平軸潮流能發(fā)電裝置在海水浸泡下密封、防腐及整體工作可靠性，整個(gè)變距裝置結(jié)構(gòu)簡單，變距過程無須額外能量，故可在海水環(huán)境中長時(shí)間持續(xù)工作。

1.3 水平軸seagen發(fā)電裝置

圖3 水平軸Seagen發(fā)電裝置

如圖3所示，該裝置的工作原理為，Seagen是一個(gè)建設(shè)在海里的“大風(fēng)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(zhuǎn)子。流轉(zhuǎn)子利用水流使其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，再將動(dòng)能傳給“大風(fēng)車”里面安裝的發(fā)電設(shè)備。

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

2 功能因素對(duì)潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型設(shè)計(jì)的影響

從功能方面來說，工業(yè)設(shè)計(jì)師首先考慮的問題是發(fā)現(xiàn)用戶的需要，從職業(yè)道德出發(fā)而適當(dāng)規(guī)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(xiàn)了若干需要理論。這些理論都是受一定價(jià)值觀念指導(dǎo)、在一定文化環(huán)境、一定時(shí)代、針對(duì)一定問題而提出的。[2]所以說針對(duì)海洋能發(fā)電設(shè)備的造型設(shè)計(jì)同樣需要了解用戶對(duì)于功能上的更多需求。

2.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的功能分析

水輪機(jī)轉(zhuǎn)子是整個(gè)海洋能發(fā)電設(shè)備的重要組成部分，它的運(yùn)作效率直接影響到海洋能發(fā)電設(shè)備的整體工作效率，所以提高水輪機(jī)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(shè)備日常維護(hù)，海上操作，以及放置物資的場(chǎng)所。操作室同時(shí)需要有露臺(tái)功能

3 結(jié)構(gòu)因素對(duì)潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型設(shè)計(jì)的影響

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面屬于專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)問題，也就是一個(gè)產(chǎn)品的核心，在做造型設(shè)計(jì)時(shí)，我必須盡可能多地了解和掌握其結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，只有這樣才能設(shè)計(jì)出完美的造型與它結(jié)合。

3.1 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)分析

水輪發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等主要部件組成。[3]定子主要由機(jī)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(yùn)輸條件可做成整體和分瓣結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式一般采用密閉循環(huán)空氣冷卻。特大容量機(jī)組傾向于以水作為冷卻介質(zhì)，直接冷卻定子。如同時(shí)冷卻定子和轉(zhuǎn)子則為雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)組。

3.2 操作空間結(jié)構(gòu)分析

操作空間裸露在海面上，與海下部件相對(duì)比，呈現(xiàn)出一種上大下小的態(tài)勢(shì)。所以操作空間的結(jié)構(gòu)形態(tài)的設(shè)計(jì)首先需要考慮穩(wěn)定性。

4 材料因素對(duì)潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型設(shè)計(jì)的影響

由于不論在沿岸近海還是在外海深海，開發(fā)海洋能資源都存在風(fēng)、浪、流等動(dòng)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(zhuǎn)換裝置設(shè)備龐大、要求材料強(qiáng)度高、防腐好、設(shè)計(jì)施工技術(shù)復(fù)雜、投資大造價(jià)高?？傊牧系姆栏g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(shè)備日常維護(hù)，海上操作，以及放置物資的場(chǎng)所。需要預(yù)防海風(fēng)鹽鹵長時(shí)間的侵蝕。同時(shí)還需要考慮到操作空間的重量問題。我們?cè)谶x擇材料的時(shí)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(jìn)行保護(hù)分析：

表1 常見材料的密度和抗侵蝕能力

材料 不銹鋼 有機(jī)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(jī)酸，但不耐濃的 經(jīng)常用于水電管道，抗腐蝕性強(qiáng)

在不同腐蝕環(huán)境中的耐蝕性能明顯優(yōu)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(huì)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(shí)，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(huì)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(huì)造成差異。支撐桿需要強(qiáng)大的支撐力。

目前可以從兩方面進(jìn)行防腐措施。除了材料本身防腐以外，通過給設(shè)備穿“防腐蝕衣”下手，普通金屬（如碳鋼）涂裝保護(hù)性覆蓋層（涂層、涂料、內(nèi)襯、耐腐蝕金屬膜等），即碳鋼+保護(hù)性覆蓋層——這是金屬防腐蝕的“外因”、“治標(biāo)”；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(huán)境中的對(duì)比

腐蝕速度（mm/y）

環(huán)境 低合金鋼 碳鋼

海洋大氣區(qū) 0.04～0.05 0.2～0.5

飛濺區(qū) 0.1～0.15 0.3～0.5

潮差區(qū) ～0.1 ～0.1

全浸區(qū) 0.15～0.2 0.2～0.25

海泥區(qū) ～0.06 ～0.1

4.3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子

水輪機(jī)轉(zhuǎn)子作為一種潮流能量轉(zhuǎn)換裝置，其對(duì)海洋環(huán)境的危害性極小。與整體支柱不同，其經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。海水對(duì)其的沖擊力相對(duì)更加猛烈。

5 潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)

5.1 在結(jié)構(gòu)上實(shí)行中國式“對(duì)稱美”

對(duì)稱美在人民生活和生產(chǎn)中的廣泛存在，對(duì)稱美在各個(gè)領(lǐng)域的不同表現(xiàn)，對(duì)稱美是秩序美的一種形式，是人對(duì)美的感受，是普遍規(guī)律和永恒的主題。運(yùn)用在潮流能水平軸發(fā)電設(shè)備上就體現(xiàn)在對(duì)其海上操作室的改造，將其原來只突出一面的平臺(tái)做成對(duì)稱，不僅增加了美感也增強(qiáng)了功能性。

5.2 拓寬視野

將在海上的操作室，其本來的設(shè)計(jì)是全封閉式的，只留一個(gè)安全門。為了開拓海上視野，增強(qiáng)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(tài)。方便觀察海面情況和進(jìn)行設(shè)備檢修等海上作業(yè)等。

5.3 材質(zhì)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(shè)備制造材料下手，篩選耐腐性優(yōu)異、性價(jià)比又高的材料加工海洋設(shè)備。第二，從給設(shè)備穿“防腐蝕衣”下手，普通金屬（如：碳鋼）涂裝保護(hù)性覆蓋層（涂層、涂料、內(nèi)襯、耐腐蝕金屬膜等），也即：碳鋼+保護(hù)性覆蓋層——這是金屬防腐蝕的“外因”、“治標(biāo)”；成本低，易上馬，立竿見影，目前普及率極高。第三，從處理介質(zhì)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(jìn)行使用。

5.4 “紅、黃、黑”中國色

對(duì)seagen的配色設(shè)計(jì)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(shí)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(jié)束語

人類社會(huì)的發(fā)展離不開能源、資源的開采和利用。如何合理科學(xué)地開發(fā)和

使用獲取能源的設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵。對(duì)于海洋能發(fā)電設(shè)備的造型設(shè)計(jì)，我們?cè)谶\(yùn)用現(xiàn)代化理論、物質(zhì)、技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)，更要注重對(duì)該設(shè)備所使用的海洋環(huán)境做出保護(hù)和研究繼承等。我們?cè)讷@取海洋能源，得到自然饋贈(zèng)的同時(shí)，也要考慮到是否會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響或破壞。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 盧道英.環(huán)境能源發(fā)電——太陽能風(fēng)能和海洋能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 王仁超.關(guān)于水電站機(jī)電安裝工程中虛擬裝配技術(shù)的若干問題研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[4] 董志勇.偏流作用下海流能轉(zhuǎn)換器的技術(shù)研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡介：偶萍萍，天津工業(yè)大研究生院設(shè)計(jì)學(xué)專業(yè)，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。