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對船舶風動力技術進行了深入研究，并誕生了多項創(chuàng)新技術，實現了風能的現代化利用。

曼徹斯特大學的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在商船航運領域應用的潛力，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、展現風動力特色的應該是較小船型。因為越小的船型，從風動力技術上獲得的收益越大。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用風動力是普遍共識，但很明顯，船東最關心的肯定還是大噸位船型應用風動力技術的經濟性。

Oceanfoil公司翼帆系統

Oceanfoil公司的翼帆系統是一型可用于大型商船的風動力系統，目前該公司正在和兩位船東進行最后階段的商談，主要內容就是讓其數艘新加坡籍貨船試驗該公司的Oceanfoil翼帆系統。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塊與尾鰭或舵相關聯的風板組成，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自動控制，無需船員。當啟動時，電腦會根據風向自動優(yōu)化翼帆的方位以實現最大效能。

圖2 Oceanfoil翼帆系統近距離效果圖

該翼帆系統的主要特點為：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，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，船東也因此對其產生了更濃厚的興趣。目前該公司正與倫敦大學的研究員一起開發(fā)相關軟件，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，系統在經過修改后，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系統一樣，無需船員介入，也不需要對船員進行特別訓練。

經過專家組計算，一艘船最多可安裝6組Oceanfoil翼帆，其中較小船型的適用數為2 ～3個。

圖3 正在進行模型試驗的Oceanfoil翼帆系統

Solar Sailor折疊式風帆系統

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，船舶只要經過簡單改裝就能實現，并不會對貨物處理設備產生重大影響。所有該風動力系統設備均能巧妙地、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

Innovative Marine Technology公司Cargoproa系統

Innovative Marine Technology公司的Cargoproa系統是一型適用范圍較廣的風動力系統，集裝箱船和油船均適用。將Cargoproa系統結合到船上后，就成為了快速帆船結構，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構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系統效果圖

Cargoproa 系統的空間構架采用剛性結構，設有2 根船桅和1 根前帆桁，加上該3 根桅/桁之間的結構，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。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)動機所產生的推進力。此外，借助Cargoproa 系統的弦外支架，集裝箱船在航行時產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，更重要的是該系統可讓船舶擁有高效的帆行能力，包括后弦風駛帆、前舷側風駛帆，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系統在連接時非常便捷，哪怕是在集裝箱船關閉發(fā)動機并由于波浪和風產生橫搖和縱傾的情況下，這是由于該系統的組合機構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系統的連接過程示意圖，左上為初始狀態(tài)，右上為系統在調整好形態(tài)后駛向目標船，左下為連接中，右下為完成狀態(tài)。

圖6 Cargoproa系統的連接過程示意圖

Lade公司Vindskip設計

Vindskip是由Lade公司設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以及LNG動力。其風動力系統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%，這就意味著會產生可觀的拖曳力。Vindskip的風動力技術就是利用這些相對風產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，將風所產生的反作用力轉變?yōu)橛行У恼蛄Ρ厝粫樵O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生空氣動力升力，但若要追求產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證實這點。

圖7 Vindskip型設計效果圖

圖8 Vindskip型設計利用相對風示意圖

近期Lade公司在克蘭菲爾德大學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，使該型設計有望實現在18°～180°相對風迎角的范圍內生成正引力，這可謂是一項令人難以置信的成果。再結合可根據風向風速進行自動調節(jié)的電腦控制系統，使該型設計最高可降低約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。據報道，目前Vindskip型設計可應用于滾裝船、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

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。該型應用馬格努斯效應的旋筒風帆可以稱得上是Flettner旋筒的全新版本，主要應用對象為油船、散貨船和滾裝船。Norsepower旋筒風帆方案采用了新技術、高級材料，以及尖端控制系統以降低油耗，既可用于新船，也可用于舊船改裝，甲板上的貨物操作設備和起重機并不會對安裝產生影響。為了應對不同的船體尺度、航速、運行情況，Norsepower旋筒風帆設有3種尺寸，分別高18米、24米、30米。

圖10 Norsepower旋筒風帆系統的散貨船（左）和油船應用實例

Norsepower旋筒風帆系統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：從船上電網獲取電力以供給旋筒風帆。

圖11 Norsepower旋筒風帆系統應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%，晚些時候將在Bore公司的“Estraden”號上進行海試。Norsepower公司的目標是成為業(yè)內首家擁有先進的、有保證的輔助風動力推進產品（作為現成方案交付）。

圖12 Norsepower旋筒風帆工作原理

Windship公司輔助風帆推進系統

根據英國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輔助風帆推進系統（ASPS），據稱該系統若用于改裝項目可降低約30%的油耗，新建船應用該系統則效果更佳。該系統采用固定式翼帆，安裝于2根35米高的船桅上，每根3張翼帆，可根據盛行風風向和風速自動旋轉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。

根據勞氏船級社基于Supramax型散貨船的CFD測試，該系統在不同環(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系統工作原理圖

圖14 Windship公司ASPS系統效果圖

從上述這些新近出現的風動力推進系統中可以看出，無論是風帆還是旋筒或者其他技術，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甚至可以降低60%以上的油耗，這是吸引船東的最關鍵因素。其次，這些新技術基本都能用于舊船改裝，且對船體結構或者甲板布置的影響不大，這樣一來就可擴大應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公司翼帆系統只要15 ～18個月就能收回成本。還有就是可應用于大型船舶，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的優(yōu)勢。既然這樣，那么使用岸基風能系統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，由于大部分系統的實際應用案例較少，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，就算不考慮經濟性，風動力的環(huán)保性還是無容置疑的。而隨著技術的發(fā)展，相信這些優(yōu)勢將得到鞏固并擴大。