風動力船舶發(fā)展新動向

祁 斌

在目前燃油成本高企、運力供大于求，以及排放控制區(qū)越來越多，環(huán)保法規(guī)更趨嚴格的背景下，風能，作為船舶的一種“原始”動力，逐漸回歸人們的視野。得益于過去的風帆動力船舶都是跟隨信風航行，因此主要的航運港口均建在了信風最強的地方，這對風動力的發(fā)展稱得上是一種利好。近年來，已有不少公司和研究機構(gòu)對船舶風動力技術(shù)進行了深入研究，并誕生了多項創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)了風能的現(xiàn)代化利用。

曼徹斯特大學(xué)的Michael Traut博士目前正在逐步完善一系列模型以評估各種風力推進系統(tǒng)在商船航運領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，包括Flettner旋筒、風箏和風帆。主要目的就是為船東提供必要信息以助其作出是否值得更換成風動力的決定。到目前為止，各種評估工作表明風動力在某些情況下可以降低船舶50%的油耗。

Traut博士表示，先期能打開市場、展現(xiàn)風動力特色的應(yīng)該是較小船型。因為越小的船型，從風動力技術(shù)上獲得的收益越大。而對于大型船，即使增加船上使用的風動力裝置，其增長的推進功率也不會成比例增加。不過，雖然較小船型會首先應(yīng)用風動力是普遍共識，但很明顯，船東最關(guān)心的肯定還是大噸位船型應(yīng)用風動力技術(shù)的經(jīng)濟性。

Oceanfoil公司翼帆系統(tǒng)

Oceanfoil公司的翼帆系統(tǒng)是一型可用于大型商船的風動力系統(tǒng)，目前該公司正在和兩位船東進行最后階段的商談，主要內(nèi)容就是讓其數(shù)艘新加坡籍貨船試驗該公司的Oceanfoil翼帆系統(tǒng)。這些船包括2艘101000載重噸的散貨船，1艘20萬載重噸級散貨船，以及1艘油船。

每一個Oceanfoil翼帆由3塊與尾鰭或舵相關(guān)聯(lián)的風板組成，看起來就像是3張豎著的機翼。之所以采用機翼的形狀，是由于機翼的曲率最適合產(chǎn)生推力，因此稱得上是一種理想的捕獲風力用以推進的形態(tài)。

每個翼帆可自由地安裝于一根中心軸上，不使用時就處于一種“羽毛”模式。安裝方式主要分兩種，一種可以產(chǎn)生向前的推力，另一種是可用于船舶減速的尾向推力。翼帆由艦橋中的電腦實現(xiàn)自動控制，無需船員。當啟動時，電腦會根據(jù)風向自動優(yōu)化翼帆的方位以實現(xiàn)最大效能。

圖2 Oceanfoil翼帆系統(tǒng)近距離效果圖

該翼帆系統(tǒng)的主要特點為：為船東和運營者節(jié)省雙倍的燃油；可使船舶以較低的發(fā)動機輸出功率達到所需要的航速；降低發(fā)動機負荷，從而減少維護需求；省下的成本可用于在排放控制區(qū)（ECA）使用更昂貴的蒸餾燃油；補足其他一些有效降耗措施和技術(shù)，如低速航行、減阻涂料，以及按氣候優(yōu)化航線等。

通過CFD和水池試驗，Oceanfoil公司證明該風動力系統(tǒng)可以降低15%～20%的油耗，15 ～18個月就可以收回安裝成本，船東也因此對其產(chǎn)生了更濃厚的興趣。目前該公司正與倫敦大學(xué)的研究員一起開發(fā)相關(guān)軟件，以幫助船東確定最優(yōu)航線，優(yōu)化基于船東需要在什么時間用船以及多少天的航程。另外，系統(tǒng)在經(jīng)過修改后，可適用于特殊船舶需求，例如需要同時打開貨艙艙口蓋的情況。此時翼帆可往下折疊，而且和標準版的Oceanfoil系統(tǒng)一樣，無需船員介入，也不需要對船員進行特別訓(xùn)練。

經(jīng)過專家組計算，一艘船最多可安裝6組Oceanfoil翼帆，其中較小船型的適用數(shù)為2 ～3個。

圖3 正在進行模型試驗的Oceanfoil翼帆系統(tǒng)

Solar Sailor折疊式風帆系統(tǒng)

Solar Sailor公司對于風帆影響散貨船空間和可達性的解決方案同樣也是折疊翼帆，當風帆張開時，面積將擴展至2倍或4倍。該設(shè)計中，船桅可向下折疊至甲板，與貨艙口齊平。該公司稱，這是一種理想的解決方案，船舶只要經(jīng)過簡單改裝就能實現(xiàn)，并不會對貨物處理設(shè)備產(chǎn)生重大影響。所有該風動力系統(tǒng)設(shè)備均能巧妙地、輕松地安裝，只需要對船體進行最小限度的穿透操作，甚至有些情況下幾乎不需要。

圖4 Solar Sailor公司折疊式太陽能風帆系統(tǒng)

Innovative Marine Technology公司Cargoproa系統(tǒng)

Innovative Marine Technology公司的Cargoproa系統(tǒng)是一型適用范圍較廣的風動力系統(tǒng)，集裝箱船和油船均適用。將Cargoproa系統(tǒng)結(jié)合到船上后，就成為了快速帆船結(jié)構(gòu)，看起來就像是一條獨木舟加上弦外支架。弦外支架的帆航空間結(jié)構(gòu)可使船擁有比起單體時大得多的風帆，借助這樣的大型風帆，船舶航行時就不必再一直使用發(fā)動機進行推進了。

圖5 Cargoproa系統(tǒng)效果圖

Cargoproa 系統(tǒng)的空間構(gòu)架采用剛性結(jié)構(gòu)，設(shè)有2 根船桅和1 根前帆桁，加上該3 根桅/桁之間的結(jié)構(gòu)，就組成了一個四面體。這樣的配置就避免了只能依賴船桅的情況。該系統(tǒng)的兩根船桅很高，可使船利用到海平面上100 ～150m 的風力，這個高度的風速要遠大于海平面風速，可以媲美風箏型的風動力推進系統(tǒng)。高船桅還可提供足夠大的風帆面積以獲得能代替柴油發(fā)動機所產(chǎn)生的推進力。此外，借助Cargoproa 系統(tǒng)的弦外支架，集裝箱船在航行時產(chǎn)生的橫搖將被最小化，且在高海況下還可降低貨損概率。由于Cargoproa 系統(tǒng)使船擁有了更好的穩(wěn)性，因此對于壓載水的依賴也將變得更小。當然，更重要的是該系統(tǒng)可讓船舶擁有高效的帆行能力，包括后弦風駛帆、前舷側(cè)風駛帆，以及順風駛帆，可謂是對風的全方位利用。若環(huán)境合適，最高可降低遠洋航行的船舶100%的油耗（不包括港口操作）。

Cargoproa系統(tǒng)在連接時非常便捷，哪怕是在集裝箱船關(guān)閉發(fā)動機并由于波浪和風產(chǎn)生橫搖和縱傾的情況下，這是由于該系統(tǒng)的組合機構(gòu)可以確保安全和可控的連接過程。連接裝置安裝在集裝箱區(qū)域之間，并與固定在舷緣上的簡單裝置相連。當船舶位于出發(fā)港或到達港時，Cargoproa部分將停留在限制區(qū)域之外，其與船舶組合或分離也將在這類海域進行。圖6為Cargoproa系統(tǒng)的連接過程示意圖，左上為初始狀態(tài)，右上為系統(tǒng)在調(diào)整好形態(tài)后駛向目標船，左下為連接中，右下為完成狀態(tài)。

圖6 Cargoproa系統(tǒng)的連接過程示意圖

Lade公司Vindskip設(shè)計

Vindskip是由Lade公司設(shè)計的一型混合動力遠洋商船，采用介于在水上帆行和飛行的風動力系統(tǒng)以及LNG動力。其風動力系統(tǒng)的靈感來自于航空和航天工業(yè)以及帆船界等高度受到風況影響的領(lǐng)域。1艘以平均航速17 ～18節(jié)航行的商船，無論選擇什么航線，其在逆風狀態(tài)下的航行時間都將超過50%，這就意味著會產(chǎn)生可觀的拖曳力。Vindskip的風動力技術(shù)就是利用這些相對風產(chǎn)生一個向上的正引力，從而減小航行阻力，降低能耗。

對于一艘商船來說，將風所產(chǎn)生的反作用力轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У恼蛄Ρ厝粫樵O(shè)計工作帶來一些挑戰(zhàn)。這就造成了Vindskip擁有一型獨特的船體，包括水下和水上部分，整體外形看起來就像是一對機翼航行于海上。雖然擁有類似對稱翼型的船形在航行中可利用相對風產(chǎn)生空氣動力升力，但若要追求產(chǎn)生航行方向的正引力，那所付出的代價實在讓人覺得沒必要，該公司首次風洞試驗已經(jīng)證實這點。

圖7 Vindskip型設(shè)計效果圖

圖8 Vindskip型設(shè)計利用相對風示意圖

近期Lade公司在克蘭菲爾德大學(xué)進行的風洞試驗以及CFD最優(yōu)化測試對提升性能起到了很大幫助，使該型設(shè)計有望實現(xiàn)在18°～180°相對風迎角的范圍內(nèi)生成正引力，這可謂是一項令人難以置信的成果。再結(jié)合可根據(jù)風向風速進行自動調(diào)節(jié)的電腦控制系統(tǒng)，使該型設(shè)計最高可降低約60%的能耗以及80%的排放。今年Lade公司計劃對水下船體進行更多CFD最優(yōu)化測試，并且在準備好的模型水池中進行可能有船東參與的后繼測試。據(jù)報道，目前Vindskip型設(shè)計可應(yīng)用于滾裝船、客滾船、PCTC、客船和集裝箱船。

圖9 模擬Vindskip和PCTC日本—智利航線的油耗對比

Norsepower公司旋筒風帆系統(tǒng)

Norsepower公司目前正在研發(fā)一種以旋筒風帆（Rotor Sail）作為輔助推進動力的方案。該型應(yīng)用馬格努斯效應(yīng)的旋筒風帆可以稱得上是Flettner旋筒的全新版本，主要應(yīng)用對象為油船、散貨船和滾裝船。Norsepower旋筒風帆方案采用了新技術(shù)、高級材料，以及尖端控制系統(tǒng)以降低油耗，既可用于新船，也可用于舊船改裝，甲板上的貨物操作設(shè)備和起重機并不會對安裝產(chǎn)生影響。為了應(yīng)對不同的船體尺度、航速、運行情況，Norsepower旋筒風帆設(shè)有3種尺寸，分別高18米、24米、30米。

圖10 Norsepower旋筒風帆系統(tǒng)的散貨船（左）和油船應(yīng)用實例

Norsepower旋筒風帆系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：旋筒風帆：提供正向推進力，安裝于甲板上，安裝數(shù)量至少為2個；風和GPS傳感器：為自動控制裝置提供實時風速、風向，以及航速、航向信息；控制面板：船長可在控制面板上進行所有該系統(tǒng)的操作控制；自動控制裝置：優(yōu)化旋筒風帆的正向推力；電動機：從船上電網(wǎng)獲取電力以供給旋筒風帆。

圖11 Norsepower旋筒風帆系統(tǒng)應(yīng)用于阿芙拉型油船示意圖

該方案的樣本已在公司位于芬蘭楠塔利的試驗基地進行了評估，在不降低航速的前提下，可節(jié)省燃油成本5%～30%，晚些時候?qū)⒃贐ore公司的“Estraden”號上進行海試。Norsepower公司的目標是成為業(yè)內(nèi)首家擁有先進的、有保證的輔助風動力推進產(chǎn)品（作為現(xiàn)成方案交付）。

圖12 Norsepower旋筒風帆工作原理

Windship公司輔助風帆推進系統(tǒng)

根據(jù)英國Windship Technology公司報道，目前運營的散貨船中，有40%的船齡小于5年。新一代散貨船的油耗普遍要比老舊散貨船低15%左右，這就降低了老齡散貨船的競爭力。該公司目前正在開發(fā)一型固定式翼帆系統(tǒng)輔助風帆推進系統(tǒng)（ASPS），據(jù)稱該系統(tǒng)若用于改裝項目可降低約30%的油耗，新建船應(yīng)用該系統(tǒng)則效果更佳。該系統(tǒng)采用固定式翼帆，安裝于2根35米高的船桅上，每根3張翼帆，可根據(jù)盛行風風向和風速自動旋轉(zhuǎn)以最大限度利用風力，從而減少發(fā)動機功率輸出、降低油耗。

根據(jù)勞氏船級社基于Supramax型散貨船的CFD測試，該系統(tǒng)在不同環(huán)境中，最多可提供50%以上船舶所需的動力，在合適的環(huán)境中可降低典型散貨船30%的燃油成本。Windship公司計劃于明年早期在其新加坡基地建造并測試樣本。

圖13 Windship公司ASPS系統(tǒng)工作原理圖

圖14 Windship公司ASPS系統(tǒng)效果圖

從上述這些新近出現(xiàn)的風動力推進系統(tǒng)中可以看出，無論是風帆還是旋筒或者其他技術(shù)，它們是具有一定共性的。首先就是可以為船舶提供一定的推進力，有效降低船舶能耗，上文所介紹的某些技術(shù)甚至可以降低60%以上的油耗，這是吸引船東的最關(guān)鍵因素。其次，這些新技術(shù)基本都能用于舊船改裝，且對船體結(jié)構(gòu)或者甲板布置的影響不大，這樣一來就可擴大應(yīng)用面并進一步提升船東的興趣。第三就是成本回收快，或者說是建造成本低，如Oceanfoil公司翼帆系統(tǒng)只要15 ～18個月就能收回成本。還有就是可應(yīng)用于大型船舶，在這類船上使用風能是大部分船東最感興趣的。這些共性也是船舶風動力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

然而，目前仍存在一些對于商船使用風動力的質(zhì)疑，如DNV GL就認為風是一種相對不穩(wěn)定的能源，因此不適用于遠洋運輸或那些有季節(jié)性氣候變化的區(qū)域。不過這并不是說風動力沒有生存空間，DNV GL肯定了采用電池的混合系統(tǒng)的優(yōu)勢。既然這樣，那么使用岸基風能系統(tǒng)為電池充電也不失為一種有效利用風能的方法。

DNV GL對于風動力的顧慮確屬事實。風動力系統(tǒng)并不是所有船型、所有航線都適合，給人一種“看天吃飯”的感覺，由于大部分系統(tǒng)的實際應(yīng)用案例較少，其穩(wěn)定性、安全性及實際效果有待進一步考證。不過可以肯定的是，某些情況下，風動力系統(tǒng)確實具有較大的節(jié)能減排優(yōu)勢。再退一步講，就算不考慮經(jīng)濟性，風動力的環(huán)保性還是無容置疑的。而隨著技術(shù)的發(fā)展，相信這些優(yōu)勢將得到鞏固并擴大。