海上航線風能資源的調查與分析

胡以懷, 袁春旺

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

船舶在海上航行時可借助風帆助航技術直接將風能轉化為輔助推進力。從歷史上看，風帆船舶對世界的發展有著極大的推進作用，是水上運輸的重要交通工具，是實現貨物流通、促進各地區間經濟文化交流的重要保障。近代以來，隨著科技高速發展，機械動力慢慢取代風帆，蒸汽機和柴油機動力裝置成為船舶主要的推進裝置。20世紀后半葉之后，隨著人們對環境保護日益重視及全球能源日益枯竭，借助風力的風帆助航技術重新受到人們的關注，各種帆船不斷涌現。進入21世紀之后，能源和環境的迫切要求使得國內外風能助航研究呈現出新的活力，風帆的結構、形式和應用對象出現前所未有的創新和突破。[1]

但是，全球海上風能資源的分布并不均勻:赤道附近海域屬于赤道無風帶，風速最小；南北回歸線附近海域屬于信風帶，風速稍大；南北半球緯度30°左右的海域屬于副熱帶無風帶，風速相對較小。緯度更高一點的區域屬于盛行西風帶，風速普遍很大，如:歐洲北海地區風速較大，盛行西風；南半球緯度40°～60°的區域屬于咆哮西風帶，常年刮極強的西風；兩極地區屬于極地東風帶，風速也比較大。[2]從大氣環流的角度看，全球海上風能資源的分布與全球氣壓帶和風帶的分布密切相關，一般越往赤道風越小，越往兩極風越大，同時有區域氣候和特殊地形形成的區域性風資源。[2]此外，風向對風帆助航技術的應用也有很大影響，逆風航行不僅不會產生助航效果，還會產生航行阻力。

因此，全球海域不同航線上風能資源的分布是船舶風帆助航技術應用的主要依據，是風帆助航技術的研究基礎。目前國內對全球海域不同航線上的風能資源有多少、風帆助航技術在遠洋船舶上的應用有多大潛力、風帆助航技術適用于哪些海上航線和如何衡量海上航線的風能資源及有效性等問題的研究還比較少。

1 海上風能資源的調研

據有關文獻[2]介紹,在全球海上風電發展的重點海域中:歐洲的海上風能資源最為豐富，其大部分區域的平均風速介于9～12 m/s；其次為美國，平均風速為8～10 m/s；我國的大部分近海區域平均風速為7～9 m/s，局部區域平均風速>9 m/s。但從海上運輸的角度看，全球航線分布在不同的海域，其風力大小和方向隨著海域和季節的改變而改變。英國人蒲福平1805年根據風對地面(或海面)物體的影響制定出蒲氏風級,不同風級對應的風速大小見表1。

根據英國水文局發布的2016年海圖資料，整理出2016年全球9條典型航線上不同風力、不同風向的概率數據，這9條航線分別為

1) 東海:上海→香港。

2) 南海：香港→新加坡。

3) 馬六甲海峽,孟加拉灣：新加坡→科倫坡。

4) 印度洋，阿拉伯海：科倫坡→亞丁灣。

5) 紅海：亞丁灣→蘇伊士運河。

6) 印度洋，好望角：科倫坡→開普敦。

7) 南大西洋：開普敦→努瓦迪布。

8) 北大西洋：努瓦迪布→畢曉普巖。

9) 北太平洋：橫濱→洛杉磯。

以上海→香港航線1—3月份的風能數據為例，其不同風力、不同風向出現的概率見表2，概率越大表示該風級或風向出現的概率越大，每個月不同風力、不同風向出現的概率總和為1.0。這里的風向角表示風向Vb與船舶航向Vs的夾角θ，順時針為正，逆時針為負(見圖1,此時θ=-40°)。對于表2中的上海→香港航線，順風時的風向角為順風角，在90°～0°～-90°之間;當風向與航向一致時,順風角為0°。逆風時的風向角為逆風角，在- 90°～0°～90°之間;當風向與航向完全相反時,逆風角為0°。這里的逆風是相對的，對香港→上海航線就成了順風。

表1 蒲氏風級和對應的風速

表2 東海:上海→香港航線1—3月份的風能數據

2 海上風能資源的強度分析

考慮到3級以下的風資源對船舶風帆助航的作用不大，本文只統計4級風以上的數據。對每個月順風和逆風(或逆航向)的4級風以上的概率數據求和，乘以每個月的天數，獲得不同航線上往返航線的可用風天數見表3，其中10 d以上的數據用黑體標出。

從表3中可看出，不同的航線都有一定的風能資源，大部分集中在冬、春、秋三季，其中以橫濱→洛杉磯的北太平洋航線②、上海→香港的東海航線和畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線的風能資源最豐富，但各航線上往返航程的順風天數不同，因此要根據不同的情況使用風帆。

若只統計5級風以上的數據,對每個月順風和逆風(或逆航向)的5級風以上的概率數據求和，乘以每個月的天數，獲得不同航線上往返航線的5級以上強風順風天數見表4。

從表4中可看出：與表3相比，各航線上5級以上強風順風的天數略有減少;上海→香港的東海航線、香港→新加坡的南海航線、科倫坡→新加坡的馬六甲海峽孟加拉灣航線、亞丁灣→科倫坡的印度洋阿拉伯海航線、畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線都有較好的風能資源，是未來運用風帆助航技術的重點航線。當然，當風力超過10級時，為安全起見，一般會收起風帆裝置。由于概率較小，這里不再考慮。

3 海上風能資源的有效性分析

在利用風帆助航技術時，風向角90°左右方向的橫風對船舶的助推作用不大。為此，在表4中數據的基礎上減去風向角90°方向的風力數據，得到不同航線上往返航線的5級以上有效助推強風的順風天數見表5。

對比表4和表5可知，雖然順風天數有所減少，但影響不大，其中仍以上海→香港的東海航線、畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線的風能資源最豐富。但是，為更好地利用海上風能資源，建議采用滾筒帆、抽氣式渦輪帆等特種風帆，或采用船載風力發電裝置，這樣不僅可充分利用橫風，還可利用逆風，從而大大提高海上風能資源的利用率。

考慮到不同的風級所含的能量不同，對不同風級的概率數據進行不同的權重處理。設不同風級和不同風向下的概率為xi(如表2所示)，不同風級對應的加權系數λj見表6。這里的權重系數主要是根據不同風級的風速大小確定的(如表1所示)，則不同航線每個月順風和逆風時的風能資源強度指數E順及E逆的計算結果見表7,這里

(1)

(2)

若將同一條航線上往返航程風能資源的強度指數E順和E逆加到一起，得到每條航線風能資源的綜合強度指數Es見圖2,這里有

Es=E順+E逆

(3)

可見，在9條航線中，洛杉磯→橫濱的北太平洋航線②風能資源的綜合強度指數最高，其次是洛杉磯→橫濱的北太平洋航線①和上海→香港的東海航線，說明這些航線上的風能資源最豐富，最有利于船舶風能的應用。

若再考慮不同風向對風帆助航的效果，則在表7的基礎上對不同風向進行加權處理，得到不同航線上的綜合有效強度指數Et的計算結果見圖3。這里的風向加權系數ηk主要是依據ηk=cosθk確定的，具體權重系數見表8。

表5 海上航線5級以上有效強風的順風天數統計

表6 不同風級的權重系數

(4)

可見，上海→香港的東海航線風能資源的綜合有效強度指數最高，其次是畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線②，說明這些航線最適于普通翼型風帆助航船舶。這里的航線風能資源綜合有效強度指數是一種相對參量，主要用來衡量不同航線風能資源的有效性，可作為風帆助航船舶航線優化的重要參考指標。

表7 海上航線風能資源的強度指數

表8 不同風向的權重系數

4 結束語

1) 9條航線都有一定的風能資源，大部分集中在冬、春、秋三季，其中以橫濱→洛杉磯的北太平洋航線②、上海→香港的東海航線和畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線的風能資源最豐富，但各航線上往返航程的順風天數不同，因此要根據不同的情況使用風帆。

2) 從5級以上風級的角度看，上海→香港的東海航線、香港→新加坡的南海航線、科倫坡→新加坡的馬六甲海峽孟加拉灣航線、亞丁灣→科倫坡的印度洋阿拉伯海航線、畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線都有較好的風能資源，是未來風帆助航船舶的重點應用航線。

3) 在刪除橫向風數據之后，雖然順風天數有所減少，但影響不大，仍以上海→香港的東海航線、畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線的風能資源最豐富。建議采用滾筒帆、抽氣式渦輪帆等特種風帆，或船載風力發電裝置，這樣不僅可充分利用橫風，還可利用逆風，從而大大提高海上風能資源的利用率。

4) 從綜合風能資源強度指數的角度看，洛杉磯→橫濱的北太平洋航線②最高，其次是洛杉磯→橫濱的北太平洋航線①和上海→香港的東海航線，說明這些航線上的風能資源最豐富，最有利于船舶風能的應用。若再考慮不同風向對風帆助航的效果，則上海→香港的東海航線的風能資源的綜合有效強度指數最高，其次是畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線和橫濱→洛杉磯的北太平洋航線②，說明這些航線最適于普通翼型風帆助航船舶。

5) 本文提出的航線風能資源的綜合強度指數和綜合有效強度指數可用來衡量不同航線風能資源的有效性，可作為風帆助航船舶航線優化的重要參考指標。

[1] 胡以懷.新能源與船舶節能技術[M].北京:科學出版社,2015:478-486.

[2] 宋軍.海上風能資源分布綜述[J].中國科技縱橫,2015(5):5.

[3] 鄭崇偉，胡秋良，蘇勤，等.國內外海上風能資源研究進展[J].海洋開發與管理,2014,31(6):25-32.

[4] 李元奎，張英俊，岳興旺，等.面向風帆助航的海洋風力資源分析方法[J].中國航海,2013,36(3):90-94.