風動力船舶研發動向

祁 斌

祁 斌

綠色環保這一永恒的主題，在資源越來越緊缺、環境破壞越來越嚴重的今天，顯得尤為重要。對于船舶的綠色環保，目前主要的手段就是優化動力系統和能效，控制排放，從而減少進入大氣中的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等物質。在各種減排方法里，風能無疑是目前所能想到的最環保的措施之一。

傳承幾個世紀的風能源

風帆在船上的應用已有數千年之久，約160年前，高速帆船（Clipper）是當之無愧的“海洋之星”，她們通常采用三桅、方形橫帆、三角前帆、斜桁后桅結構，最多可搭載750噸的人或物，以20節的航速日行450海里，航跡遍布全球，這些數據就算放到現在，也足以為人們所稱道。

到了近代，隨著人類科技的高速發展，機械動力慢慢取代了風帆，如蘇伊士或巴拿馬運河之類的運河也因不適合帆船而加速了風帆的落幕。不過，當時間之輪轉過21世紀，當節能環保越來越為人們所提倡時，世界又一次將目光緩緩移向了風動力這一沒有任何油耗和排放的綠色能源。

目前，世界各地出現了不少關于風動力船舶的項目研究，且亦已出現投入運營的實船，例如“Tres Hombres”號帆船。該船為一艘沒有安裝任何發動機的傳統橫帆帆船，自2009年春開始投入運營，主要用作雜貨船在大西洋中進行朗姆酒、葡萄酒、可可豆和醫藥品的運輸。從其4年的運營情況來看，還是值得肯定的。不過就現在已知的風動力船舶項目中，大部分采用的是結合了風能的混合動力概念，當其進行長距離航行時，可利用信風的風力降低最高80%～90%的油耗。

在設計時，由于風動力設備所占空間一般都較大，既要做到能提供理想的動力，又要保持船體穩定性和盡量不影響裝載能力等，因此如何將其以最佳方式結合到船體是難點之一。此外，風動力設備的控制也是關鍵之一，通常包括風帆的收放、角度的調整，以及和其他動力設備之間如何保持平衡等。

風動力船舶項目

歐洲“NSR Sail”項目：由于看到了風動力船的曙光，眾多北海區域的大學、研究機構等聯合到一起，開始了針對風動力或混合動力船舶商業化運營的可行性研究和技術開發，項目取名為“NSR Sail”。項目組中的專家來自歐洲各國，如德國、丹麥、瑞典、英國、比利時、法國、荷蘭等，他們將合作進行一系列研究，其中主要包括船型優化、帆裝、動力設備布置等方面的技術研究和設計，以實現風動力和發動機推進的最理想配置。其他任務還有經濟性研究和尋求政府支持等。

如今，“NSR Sail”項目已產出了一些成果，如GDNP（Gerard Dijkstra’s Office）的船舶工程師就開發了一型名為“Ecoliner”的概念船型。該型船為一艘長138米，寬18米的雜貨船，主要動力來源為一套革命性的DynaRig風帆系統。該新型風帆系統由Dykstra公司開發，包含4根獨立的可旋轉180°的桅桿，每根桅桿上配有5張安裝于曲桁上的橫帆。該型船的理論最大航速可達18節，不過實際上還是要取決于裝載的貨物、風速、風向等因素。設計航速為12節，當風動力不能滿足該航速時，一臺電動機將開始運作以補充動力，且該電動機單獨運作時也能滿足12節的航速要求。通過模擬計算，在同樣的航線、裝載以及航速的情況下，“Ecoliner”號不僅油耗和排放均顯著減少，運營成本同樣有所降低，且在較低航速時尤為明顯，詳見圖1。

圖1 相同環境下“Ecoliner”號與機動船運營成本對比

DynaRig系統的風帆為全自動化控制，操作非常簡便，只需按下按鈕，就可將桅桿旋轉到最佳角度以承受最大的風力推進，從而達到最大航速。當遇到必須收帆的情況時，也只要按一下按鈕就能實現，此時4根桅桿上的20張風帆將從頂部開始逐步收起。不過在使用時，這些風帆必須全部升起，而不是只張開一部分。

目前GDNP的工程師期望能得到“NSR Sail”項目的資金支持以完成“Ecoliner”帆船的風洞試驗，進而對其進行進一步研發。另外，Fair Transport Trading& Shipping公司正計劃建造首艘該型帆船，建成后將投入跨大西洋貿易，同時也是作為一種宣傳，但該公司并未公布確切的開工及下水時間。

圖2“Ecoliner”號概念圖

“Ecoliner”號總長138米，型寬18.2米，最大吃水6.5米，最大載重量8210噸，設計航速為12節，其他動力裝置柴電動力；裝機功率3000kW；緊急/港口發電機；直徑3.85米的螺旋槳；530kW船首推力器；鏟形舵。船上分別設置了9個艙室，其中3個貨艙，1個燃油艙、1個淡水艙、1個污水艙、1個滑油艙、1個液壓艙、1個壓載水艙。同時還能裝載476TEU集裝箱。

另外，DynaRig風帆系統還可用于其他多型船，如油船、散貨船、重貨運輸船、游艇等。Perini Navi公司在2006年推出的被譽為世界最豪華游艇之一的“馬耳他獵鷹”號采用的就是DynaRig風帆系統。當時該88米的游艇為3桅15帆結構，風帆總面積2400m2，最大航速18節，可于10天內跨越大西洋。

圖3 “馬耳他獵鷹”號豪華游艇

圖4“風之挑戰者”號概念圖

日本“風之挑戰者”項目：日本方面，東京大學也在主導進行一項大型風動力貨船項目“風之挑戰者”的研究。參與該項目的其他成員還包括日本郵船、商船三井、川崎汽船、大島造船、多田野公司和日本船級社。

“風之挑戰者”號是一艘18萬載重噸的好望角型散貨船，船上安裝有9張可旋轉的剛性翼帆，帆高50米，寬20米，采用曲面中空設計，帆布的材質為碳纖維強化塑料（CFRP）。每個帆均由5個連接的部分組成，因此在靠港時或惡劣天氣條件下可收縮以方便裝卸貨物和提升船舶安全性。同時，每個帆有單獨的電機控制，使得其都能以最好的角度捕捉風能，從而獲得最大的推進效率。除風帆提供動力以外，該船還將配備柴油機以供港內和海上風力較弱的情況下使用。

項目組的最終目標是要將該船CO2的排放量降至同尺寸采用傳統柴油機船舶的一半。通過以橫濱至西雅圖航線為例模擬實驗，預計該船每年至少可以減少約30%的平均燃料消耗。成本方面，每個帆的價格約為250萬美元，以每年節省30%的燃油為參考，約5～10年便可收回成本。不過據報道，目前該項目還沒有實船建造計劃。

“Greenheart”公益項目：Gavin Allwright公司牽頭的“Greenheart”項目是一個公益項目，旨在為波利尼西亞群島的貿易服務，降低該群島的運輸成本。由于波利尼西亞群島資源有限，貿易運輸量不大，而各島互相之間距離又較遠，加之油價高企，從而使運輸成本非常高，相對貿易利潤就變得較低。“Greenheart”項目所研發的船型擁有堅固的船體，加上舭龍骨的設置，使該型船不僅可以裝卸大型貨物，更可在各島海灘上任意停靠，甚至不需要碼頭。船上的動力主要由風帆和太陽能板提供。此外，船上安裝風帆的桅桿還擁有起重機功能，可處理較重的貨物。由于不使用昂貴的燃油，因此該型船可大大降低運輸成本，從而有利于波利尼西亞群島的貿易并促進該地區的發展。

圖5“Greenheart”效果圖

據報道，首艘“Greenheart”船將在孟加拉國建造。若按照最新的版本，該船總長31.5米，寬7.8米，排水量220t，風帆面積300m2，太陽能板面積125m2，主機為2臺200kW的直流電動機，采用鉛酸電池，貨物裝載能力為3 TEU/50t，航速10～11節。

值得一提的是，該項目的設計資料均是公開的。參與項目設計的每一個人，不論是專家還是業余愛好者，均為免費服務，類似于公益活動，因此任何人都可以得到該型船的設計資料以進行建造，就像開放源代碼的軟件一樣。

圖6“E-Max”型PCTC概念圖

SCOD公 司“E-Max Ultra Green Pure Car Carrier” 項 目：Sauter Carbon Offsets Design公 司（SCOD） 的“E-Max Ultra Green Pure Care Carrier”項目是一艘為Wallenius & Wilhelmsen公司（W&W）設計的新一代純汽車卡車運輸船，其最大的特點就是混合動力及巨大的尺度。混合動力的最大功效就是節能減排，大尺度則是為了除規模效益外，還能更方便地安裝各類節能裝置，如太陽能板和風帆。結合這兩個特點后，“E-Max”型PCTC有望降低50%的油耗，運營20年所節省的燃油成本就將超過船本身的建造費用，同時運營期內還可減少1000000t溫室氣體排放。“E-Max”船型的節能減排措施可分為5個方面。

一是規模經濟。鑒于巴拿馬運河2014年將從32米拓寬到54米，因此所能通過的船體尺度也將上升50%。目前世界最大的PCTC為三菱重工建造的“T nsberg”號，船東同樣為W&W公司，船長265米，寬32米，而“E-Max”型PCTC的船長雖與之相同，但船寬卻增加到50米。根據瓦錫蘭的計算，船體尺度每增加10%，油耗就可降低4%～5%。

二是最大化水動力效能。船上采用了三菱重工的“空氣潤滑系統”（MALS），可在船體底部產生氣泡以減少阻力，再加上對轉螺旋槳，從而有效提升了推進效能，最高可達15%。

圖7“E-Ship 1”號RoLo船

三是全方位利用太陽能。根據近期的研究，科學家們發現太陽能電池板在海上所能發揮的效率比陸地上高出40%。該型船不僅在頂部安裝了Solbian太陽能電池板，船側面同樣有覆蓋以利用水面反射的陽光，最多能降低10%的油耗，被設計者稱為目前市場中最高效的太陽能板應用。值得一提的是，該型船的太陽能發電系統沒有任何運動部件且不需要維護。

四是高效的風帆。該型船所安裝的10塊風帆均采用全自動控制，可全方位旋轉和完全回收，從而有效利用各個方向的風，能減少約15%的油耗。此外，這些風帆基本為透明，其上還配有太陽光放大膜，可將透過膜照射到甲板太陽能電池板的光放大。

五是先進的發動機。船上發動機采用的是先進的瓦錫蘭雙燃料發動機，使用柴油或LNG燃料，可降低20%的油耗和更高比例的溫室氣體。

據SCOD相關人員稱，之所以稱該型船為“E-Max”，是因為在該型船上利用現有技術實現了效率、能源、生態和經濟（Efficiency、Energy、Ecology、Economy）的最大化。當然，“E-Max”概念不僅可以用于PCTC，一些其他船型也同樣適用。

經典的風動力船型

風動力設備除了人們所熟知的風帆外，還存在著一些獨特的設計，比如采用馬格努斯效應的風筒和類似風箏的風帆。

圖8 正在工作的“天帆”系統

圖9 收起時的“天帆”系統

“E-Ship 1”號旋筒風力貨船：采用Flettner風力旋筒的混合動力貨船，由位于德國基爾的Lindenau船廠建造，船東為著名的德國Enercon公司，該公司同時也是Flettner旋筒的開發者。2010年投入運營后，“E-Ship 1”號主要用來為該公司在全球范圍內運輸風機組件。該船長130米，寬22.5米，主機總輸出功率3500kW。其推進主要依靠汽輪機和Flettner風力旋筒，從漢堡航行至都柏林所消耗的燃料只有同尺度船的50%。該型旋筒高27米、直徑4米，利用馬格納斯效應，在運動的氣流中旋筒通過旋轉產生一個垂直于氣流方向的橫向力，引導風力產生向上的舉力，通過調整旋筒的轉速，舉力的大小和方向可調，從而產生向前的推力。“E-Ship 1”號上總計設有4個該型旋筒，2個布置在橋樓后方，2個布置在船尾。

Flettner旋筒最早出現于上世紀20年代，當時雖較有希望繼續應用于常規航海，但到了上世紀30年代，柴油機和蒸汽輪機的出現卻大大限制了其發展。Enercon公司認為油價的高位運行正是旋筒式風力推進船回歸市場的契機。

Sky Sails公司“天帆”系統：德國Sky Sails公司在風動力研究上提出了另一種獨特的理念，即在傳統動力船舶上安裝一個特別的類似于風箏的“天帆”系統。“天帆”的工作原理就是結合風箏的空氣動力學，飛艇的平穩和可靠性，以及現代通訊等技術，為大型商船提供額外動能，一般情況下可降低10%～15%的油耗。當然，具體能節省多少燃油，還是要看當時的天氣情況，理論上最大可達到50%。

該型風帆設置在船首位置，布置于一根撐桿之上，有8種運作姿態，采用自動控制，為獲得較強的風動力，風帆主體離水面的高度在100～300米之間。首個“天帆”系統已在2007年成功安裝于6300t的“Beluga Sky Sails”號上。該船于2008年橫渡大西洋后，宣稱該型風帆能提供20%的推進動力，從而顯著減少了油耗。當時船上所采用的是160m2的“天帆”，之后將替換成320m2的。Sky Sails公司稱，該型風帆是目前效率最高的風動力設備，每平方米的帆所能提供的推進力是傳統風帆的5～25倍。據報道，當前全球已有4艘船舶安裝了Skysail風帆，另外還有4個項目正在進行中。另外，美國KiteShip公司也有相類似產品。

記者觀點

風動力的優點就是節能減排、綠色環保，正符合當今世界船舶發展理念。除了上述船型外，還有不少風動力船舶，或已有實船，或仍在概念開發，如STX歐洲公司提出的5體豪華旅游船（5根船桅，風帆總面積12440m2），烏斯坦公司的LNG/客貨兩用運輸船（船體安裝4臺覆有集光板的風帆）。

不過事物都是具有兩面性的，風動力同樣存在著不少缺憾，如對風的依賴，若風速風向不穩定，則船舶航行也將受到較大影響。因此為保證基本的航行能力，混合動力是目前風動力船舶發展的趨勢之一，上述船型基本均采用混合動力。其次是受地理位置影響，并不是所有海域都適用風動力的。再者就是技術的不成熟，傳統的風帆操作肯定已不適用于現代，而新的技術剛剛起步。此外，也并不是所有船型均適用風動力。就目前技術情況來看，若將風動力作為主要動力，大噸位的船型將較難應用，且由于風動力設備對空間有一定要求，因此集裝箱船的應用也較少。風動力設備的控制，以及與船舶的有效結合是開發風動力船舶的關鍵。

雖然風動力船在世界航運界的應用還很少，離真正的崛起還有很長一段路要走，但其潛力和未來需求卻是值得肯定的。