胡以懷, 袁春旺

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

船舶在海上航行時(shí)可借助風(fēng)帆助航技術(shù)直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輔助推進(jìn)力。從歷史上看，風(fēng)帆船舶對(duì)世界的發(fā)展有著極大的推進(jìn)作用，是水上運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ?，是?shí)現(xiàn)貨物流通、促進(jìn)各地區(qū)間經(jīng)濟(jì)文化交流的重要保障。近代以來(lái)，隨著科技高速發(fā)展，機(jī)械動(dòng)力慢慢取代風(fēng)帆，蒸汽機(jī)和柴油機(jī)動(dòng)力裝置成為船舶主要的推進(jìn)裝置。20世紀(jì)后半葉之后，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視及全球能源日益枯竭，借助風(fēng)力的風(fēng)帆助航技術(shù)重新受到人們的關(guān)注，各種帆船不斷涌現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，能源和環(huán)境的迫切要求使得國(guó)內(nèi)外風(fēng)能助航研究呈現(xiàn)出新的活力，風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)、形式和應(yīng)用對(duì)象出現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新和突破。[1]

但是，全球海上風(fēng)能資源的分布并不均勻:赤道附近海域?qū)儆诔嗟罒o(wú)風(fēng)帶，風(fēng)速最?。荒媳被貧w線附近海域?qū)儆谛棚L(fēng)帶，風(fēng)速稍大；南北半球緯度30°左右的海域?qū)儆诟睙釒o(wú)風(fēng)帶，風(fēng)速相對(duì)較小。緯度更高一點(diǎn)的區(qū)域?qū)儆谑⑿形黠L(fēng)帶，風(fēng)速普遍很大，如:歐洲北海地區(qū)風(fēng)速較大，盛行西風(fēng)；南半球緯度40°～60°的區(qū)域?qū)儆谂叵黠L(fēng)帶，常年刮極強(qiáng)的西風(fēng)；兩極地區(qū)屬于極地東風(fēng)帶，風(fēng)速也比較大。[2]從大氣環(huán)流的角度看，全球海上風(fēng)能資源的分布與全球氣壓帶和風(fēng)帶的分布密切相關(guān)，一般越往赤道風(fēng)越小，越往兩極風(fēng)越大，同時(shí)有區(qū)域氣候和特殊地形形成的區(qū)域性風(fēng)資源。[2]此外，風(fēng)向?qū)︼L(fēng)帆助航技術(shù)的應(yīng)用也有很大影響，逆風(fēng)航行不僅不會(huì)產(chǎn)生助航效果，還會(huì)產(chǎn)生航行阻力。

因此，全球海域不同航線上風(fēng)能資源的分布是船舶風(fēng)帆助航技術(shù)應(yīng)用的主要依據(jù)，是風(fēng)帆助航技術(shù)的研究基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)全球海域不同航線上的風(fēng)能資源有多少、風(fēng)帆助航技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用有多大潛力、風(fēng)帆助航技術(shù)適用于哪些海上航線和如何衡量海上航線的風(fēng)能資源及有效性等問(wèn)題的研究還比較少。

1 海上風(fēng)能資源的調(diào)研

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2]介紹,在全球海上風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)海域中:歐洲的海上風(fēng)能資源最為豐富，其大部分區(qū)域的平均風(fēng)速介于9～12 m/s；其次為美國(guó)，平均風(fēng)速為8～10 m/s；我國(guó)的大部分近海區(qū)域平均風(fēng)速為7～9 m/s，局部區(qū)域平均風(fēng)速>9 m/s。但從海上運(yùn)輸?shù)慕嵌瓤?，全球航線分布在不同的海域，其風(fēng)力大小和方向隨著海域和季節(jié)的改變而改變。英國(guó)人蒲福平1805年根據(jù)風(fēng)對(duì)地面(或海面)物體的影響制定出蒲氏風(fēng)級(jí),不同風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速大小見(jiàn)表1。

根據(jù)英國(guó)水文局發(fā)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(fēng)力、不同風(fēng)向的概率數(shù)據(jù)，這9條航線分別為

1) 東海:上?！愀邸?/p>

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(yùn)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(fēng)能數(shù)據(jù)為例，其不同風(fēng)力、不同風(fēng)向出現(xiàn)的概率見(jiàn)表2，概率越大表示該風(fēng)級(jí)或風(fēng)向出現(xiàn)的概率越大，每個(gè)月不同風(fēng)力、不同風(fēng)向出現(xiàn)的概率總和為1.0。這里的風(fēng)向角表示風(fēng)向Vb與船舶航向Vs的夾角θ，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)(見(jiàn)圖1,此時(shí)θ=-40°)。對(duì)于表2中的上?！愀酆骄€，順風(fēng)時(shí)的風(fēng)向角為順風(fēng)角，在90°～0°～-90°之間;當(dāng)風(fēng)向與航向一致時(shí),順風(fēng)角為0°。逆風(fēng)時(shí)的風(fēng)向角為逆風(fēng)角，在- 90°～0°～90°之間;當(dāng)風(fēng)向與航向完全相反時(shí),逆風(fēng)角為0°。這里的逆風(fēng)是相對(duì)的，對(duì)香港→上海航線就成了順風(fēng)。

表1 蒲氏風(fēng)級(jí)和對(duì)應(yīng)的風(fēng)速

表2 東海:上?！愀酆骄€1—3月份的風(fēng)能數(shù)據(jù)

2 海上風(fēng)能資源的強(qiáng)度分析

考慮到3級(jí)以下的風(fēng)資源對(duì)船舶風(fēng)帆助航的作用不大，本文只統(tǒng)計(jì)4級(jí)風(fēng)以上的數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)月順風(fēng)和逆風(fēng)(或逆航向)的4級(jí)風(fēng)以上的概率數(shù)據(jù)求和，乘以每個(gè)月的天數(shù)，獲得不同航線上往返航線的可用風(fēng)天數(shù)見(jiàn)表3，其中10 d以上的數(shù)據(jù)用黑體標(biāo)出。

從表3中可看出，不同的航線都有一定的風(fēng)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?！愀鄣臇|海航線和畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線的風(fēng)能資源最豐富，但各航線上往返航程的順風(fēng)天數(shù)不同，因此要根據(jù)不同的情況使用風(fēng)帆。

若只統(tǒng)計(jì)5級(jí)風(fēng)以上的數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)月順風(fēng)和逆風(fēng)(或逆航向)的5級(jí)風(fēng)以上的概率數(shù)據(jù)求和，乘以每個(gè)月的天數(shù)，獲得不同航線上往返航線的5級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)順風(fēng)天數(shù)見(jiàn)表4。

從表4中可看出：與表3相比，各航線上5級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)順風(fēng)的天數(shù)略有減少;上?！愀鄣臇|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(fēng)能資源，是未來(lái)運(yùn)用風(fēng)帆助航技術(shù)的重點(diǎn)航線。當(dāng)然，當(dāng)風(fēng)力超過(guò)10級(jí)時(shí)，為安全起見(jiàn)，一般會(huì)收起風(fēng)帆裝置。由于概率較小，這里不再考慮。

3 海上風(fēng)能資源的有效性分析

在利用風(fēng)帆助航技術(shù)時(shí)，風(fēng)向角90°左右方向的橫風(fēng)對(duì)船舶的助推作用不大。為此，在表4中數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上減去風(fēng)向角90°方向的風(fēng)力數(shù)據(jù)，得到不同航線上往返航線的5級(jí)以上有效助推強(qiáng)風(fēng)的順風(fēng)天數(shù)見(jiàn)表5。

對(duì)比表4和表5可知，雖然順風(fēng)天數(shù)有所減少，但影響不大，其中仍以上?！愀鄣臇|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(fēng)能資源最豐富。但是，為更好地利用海上風(fēng)能資源，建議采用滾筒帆、抽氣式渦輪帆等特種風(fēng)帆，或采用船載風(fēng)力發(fā)電裝置，這樣不僅可充分利用橫風(fēng)，還可利用逆風(fēng)，從而大大提高海上風(fēng)能資源的利用率。

考慮到不同的風(fēng)級(jí)所含的能量不同，對(duì)不同風(fēng)級(jí)的概率數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的權(quán)重處理。設(shè)不同風(fēng)級(jí)和不同風(fēng)向下的概率為xi(如表2所示)，不同風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)λj見(jiàn)表6。這里的權(quán)重系數(shù)主要是根據(jù)不同風(fēng)級(jí)的風(fēng)速大小確定的(如表1所示)，則不同航線每個(gè)月順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)的風(fēng)能資源強(qiáng)度指數(shù)E順及E逆的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,這里

(1)

(2)

若將同一條航線上往返航程風(fēng)能資源的強(qiáng)度指數(shù)E順和E逆加到一起，得到每條航線風(fēng)能資源的綜合強(qiáng)度指數(shù)Es見(jiàn)圖2,這里有

Es=E順+E逆

(3)

可見(jiàn)，在9條航線中，洛杉磯→橫濱的北太平洋航線②風(fēng)能資源的綜合強(qiáng)度指數(shù)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(shuō)明這些航線上的風(fēng)能資源最豐富，最有利于船舶風(fēng)能的應(yīng)用。

若再考慮不同風(fēng)向?qū)︼L(fēng)帆助航的效果，則在表7的基礎(chǔ)上對(duì)不同風(fēng)向進(jìn)行加權(quán)處理，得到不同航線上的綜合有效強(qiáng)度指數(shù)Et的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。這里的風(fēng)向加權(quán)系數(shù)ηk主要是依據(jù)ηk=cosθk確定的，具體權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表8。

表5 海上航線5級(jí)以上有效強(qiáng)風(fēng)的順風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

表6 不同風(fēng)級(jí)的權(quán)重系數(shù)

(4)

可見(jiàn)，上海→香港的東海航線風(fēng)能資源的綜合有效強(qiáng)度指數(shù)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(shuō)明這些航線最適于普通翼型風(fēng)帆助航船舶。這里的航線風(fēng)能資源綜合有效強(qiáng)度指數(shù)是一種相對(duì)參量，主要用來(lái)衡量不同航線風(fēng)能資源的有效性，可作為風(fēng)帆助航船舶航線優(yōu)化的重要參考指標(biāo)。

表7 海上航線風(fēng)能資源的強(qiáng)度指數(shù)

表8 不同風(fēng)向的權(quán)重系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 9條航線都有一定的風(fēng)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?！愀鄣臇|海航線和畢曉普巖→努瓦迪布的北大西洋航線的風(fēng)能資源最豐富，但各航線上往返航程的順風(fēng)天數(shù)不同，因此要根據(jù)不同的情況使用風(fēng)帆。

2) 從5級(jí)以上風(fēng)級(jí)的角度看，上?！愀鄣臇|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(fēng)能資源，是未來(lái)風(fēng)帆助航船舶的重點(diǎn)應(yīng)用航線。

3) 在刪除橫向風(fēng)數(shù)據(jù)之后，雖然順風(fēng)天數(shù)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(fēng)能資源最豐富。建議采用滾筒帆、抽氣式渦輪帆等特種風(fēng)帆，或船載風(fēng)力發(fā)電裝置，這樣不僅可充分利用橫風(fēng)，還可利用逆風(fēng)，從而大大提高海上風(fēng)能資源的利用率。

4) 從綜合風(fēng)能資源強(qiáng)度指數(shù)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?！愀鄣臇|海航線，說(shuō)明這些航線上的風(fēng)能資源最豐富，最有利于船舶風(fēng)能的應(yīng)用。若再考慮不同風(fēng)向?qū)︼L(fēng)帆助航的效果，則上?！愀鄣臇|海航線的風(fēng)能資源的綜合有效強(qiáng)度指數(shù)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(shuō)明這些航線最適于普通翼型風(fēng)帆助航船舶。

5) 本文提出的航線風(fēng)能資源的綜合強(qiáng)度指數(shù)和綜合有效強(qiáng)度指數(shù)可用來(lái)衡量不同航線風(fēng)能資源的有效性，可作為風(fēng)帆助航船舶航線優(yōu)化的重要參考指標(biāo)。

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