日本風力助航船舶的研究進展

胡以懷　王友聰

摘 要:介紹了日本風力助航船舶的研究背景,總結了日本風力助航兩個主要階段的研究內容和成果,包括風帆控制設計、伸子帆性能試驗、次世代型風帆助航、矩形復合風帆和多帆干涉風洞試驗,以及船用風力發電裝置的開發研究,對我國開展相應的研究有很大的借鑒作用。

關鍵詞:風力助航;風力發電;新能源

中圖分類號:TK89

文獻標識碼: A

文章編號:1005-569X(2009)07-0103-03

1研究背景

日本地處亞歐大陸東端,是一個四面臨海的島國,自然資源異常缺乏,逐漸形成資源輸入、來料加工、產品輸出的經濟發展模式。作為承擔產品輸出工具的船舶運輸業,在日本經濟發展的同時也形成了節能高效的特色。

1973年10月第四次中東戰爭爆發,包括非洲產油國在內的阿拉伯石油輸出組織成員國同海灣阿拉伯國家一起,形成了一股強大的以石油為武器的統一戰線,采取獨自的石油政策,不僅紛紛將西方國家石油公司實行國有,大幅度提高石油價格,同時對親以色列的美國及盟友采取中斷或減少石油供應的措施,形成第一次國際石油危機。石油資源極端依靠外來進口的日本面對石油危機深感焦慮,積極采取應對措施。在此期間,日本造船業和航運界眾多學者發表大量學術論文研究船舶節能措施,并開始風力助航的研究。

船舶風力助航就是在現代船舶中通過計算機控制風力利用裝置進行一次能源以及二次能源的開發利用,達到節能減排的一種船舶助航技術。其中風帆助航為一次能源助航研究的通用思路,而船用風車發電則屬于二次能源助航研究的后起之秀。

2 研究階段

2.1 第一個階段:

上世紀70年代中期至上世紀末。該階段集中研究風帆助航的可行性,比較著名的學者及其觀點如表1所示(以下論文發表在《日本舶用機關學會志》上):

他們的主要研究是通過大量船模試驗,選擇風帆結構、類型和截面形狀,其突出成果是1980年8月日本建成世界上第一艘不需要人工操帆的現代風帆助航商用油輪――“新愛德丸”號。在日本船舶振興會財團法人的援助下,日本船用設備開發協會在“新愛德丸”號上進行了以操帆自動化為主,兼及船型、螺旋槳、船用主機的改進工作。“新愛德丸”號裝有2個高12.15m、寬8m的風帆,風帆用鋼骨架和聚酯纖維制成硬質風帆。風帆的最佳角度、收攏和展開由電子計算機控制,通過液壓系統操作。如果風速超過20m/s,風帆自動收折以確保航行安全。除來自船首左右兩側20o方向范圍內的風力外,其它320o角度內來的風力均可利用作為推進動力。在充分利用風力推進的前提下,電子計算機自動調節船舶主機的輸出功率,達到帆、機的匹配。實際航行證明,“新愛德丸”號與同型傳統的船舶相比可綜合節油50%左右。

由于風帆助航的船舶的節能、安全效益十分明顯,日本隨后又相繼建造了多艘風帆助航船舶,如表2所示。

總的來說,風力助航第一階段的研究,是以降低燃油消耗量,提高經濟性為主要目的。

2.2 第二個階段:

上世紀末期至今。近十幾年來,日本航運和造船業為順應國際防污染公約的要求,進行了大量船舶風帆助航的基礎研究。本世紀初又提出次世代型風帆助航船舶的研發計劃,同時進行了世界首次船用風力發電裝置的航行搭載試驗。具體研究內容包括:

2.2.1伸子帆的性能試驗

伸子帆為不等邊四邊形縱帆,同時風帆橫向裝有一定數量的被稱為板條的竹竿。該類風帆的收帆、順風以及逆風操帆的性能優良。從明治末期到昭和初期,以日本西部為主的運輸船舶廣泛應用伸子帆,但這類帆的航行性能一直不清楚。

研究者針對空氣動力試驗船“風神”號使用的伸子帆,先通過模型的風洞試驗測量風帆的流體動力特點,再通過風帆測力計測量到升力系數與阻力系數,以及通過CCD相機拍攝到的伸子帆的外形參數,確定了伸子帆的特征,取得成果如下:

(1) 確定了風帆形狀與流體動力系數CL以及CD之間的關系;

(2) 對于伸子帆來講,即使迎風角增大,但由于風帆的中上部變深,張角范圍變小,也不會出現升力系數急劇減少的情況;

(3) 由于伸子帆設置在桅桿右端,因此左舷受風時的性能優于右舷受風。

2.2.2 次世代型風帆助航研究

首先,日本專家對高升力風帆進行了相關的風洞試驗,確認了影響升力系數的主要因素,成功開發出單只風帆最大升力系數2.58、推進系數2.73、縱橫比2.63的矩形復合風帆。在矩形以及三角形等高升力風帆的風洞試驗中,研究了風帆之間以及風帆與船體之間的干涉關系。風洞試驗結果表明,相比于單只風帆的性能參數為依據進行船舶風帆的配置,在干涉影響作用下風帆的性能會下降25%左右。同時發現,將風帆傾斜排列可將干涉影響造成的性能下降減至18%。

其次,對水中翼的相關性能進行了水槽試驗,通過改變水中翼的面積與安裝位置,求出其流體特性表達式。船模試驗表明,水中翼能夠在較小的面積上產生較大的橫向力,取得首尾方向的壓力位置向后移動的效果,實現風帆助航的穩定性與高效性。

隨后,日本專家研究了起重機兼用型高升力復合風帆的性能。在風洞試驗過程中不斷調整帆桿、硬帆以及軟帆的相對位置,最后發現起重機兼用型高升力復合風帆的升力系數以及推進系數可分別達到2.15到2.46。

此外,日本學者還開發出風帆助航船舶專用航線氣象系統。傳統船舶基本是以避讓海浪以最短時間達到目標港口為目的來選擇航線的。但是,次世代型風帆助航船舶是以最大限度利用風能同時盡力降低二氧化碳的排量為目的航行。為此,日本學者開發了風帆助航船舶用航線氣象系統。實際航行證明,在減少二氧化碳排放量方面,裝備起重機兼用型高升力復合風帆船舶可減少11.7%,使用風帆助航用航線氣象系統可減少6.5%,綜合效果能夠達到17.4%。

2.2.3 船用風力發電裝置的開發

2004年日本學者進行了世界首次船舶搭載型風力發電裝置的實際航行試驗,并取得了很好的效果。船載的風力發電裝置包括直線翼垂直軸型風車、發電機、制動裝置、控制裝置、電池、控制用風向風速計、數據收集裝置以及作為負荷的空調器。該系統的額定輸出功率為3kW,輸出為100V/ 60Hz單相電壓,額定風速14m/s,額定旋轉速度250r/min,啟動風速2.5m/s,停止風速15m/s,陣風耐力22.5m/s,極限風速50m/s。風車采用定距直線翼垂直軸型風車,旋轉直徑2.5m,長度2m,系統組成如圖1所示。

試驗結果表明:

(1)系統整體運行高效可靠;

(2)直線翼垂直軸型風車發電系統的空氣動力學性能、結構、材料以及額定負荷控制滿足實船要求;

(3)高速運行期間可通過空氣斷路器防止超速運轉。

總的來講,日本的風力助航研究正處于第二階段,主要以降低溫室氣體排放,充分利用風能為主要目標。

3結語

二十世紀六十年代初德國就開始研究萬噸級大型風帆助推運輸船,他們設計了六桅風帆助推船“ DYNA” 號。1980年德國為印尼開發了一種風帆助推貨船來往于印尼各島之間。近幾年來法國地中海海運社也建造了一批風帆助航的客船,其后又建造了全長為187米,號稱世界最大級的風帆助航客船“La Fayette”號航行于加勒比海域。相比于歐洲同行,日本更注重于風帆特性的研究,特別是他們的“機主帆輔”的設計觀念比較符合實際,這是他們的成功之處,值得我們借鑒。我國的船舶風力助航研究起步于80年代初,突出成果是1986年研制成功的我國第一艘實用型120噸風帆助航機動船,其中“軸帶風帆”裝置是操帆方式的首創。但是,隨后的研究進展就變得相當緩慢。可以說,我國的風力助航研究僅處于日本第一階段的初期水平,差距很大。

當今世界石油短缺,溫室效應又日益顯著,國際社會對控制二氧化碳排放的呼聲日益高漲,研究船舶風力助航顯得尤為重要。我們應該借鑒日本同行“機主帆輔”的研究經驗,加強風帆助航的基礎試驗研究和實船應用研究,使節能環保的風力助航技術盡早運用到我國大型運輸船舶。

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