风动力船舶研发动向

祁 斌

祁 斌

绿色环保这一永恒的主题，在资源越来越紧缺、环境破坏越来越严重的今天，显得尤为重要。对于船舶的绿色环保，目前主要的手段就是优化动力系统和能效，控制排放，从而减少进入大气中的氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等物质。在各种减排方法里，风能无疑是目前所能想到的最环保的措施之一。

传承几个世纪的风能源

风帆在船上的应用已有数千年之久，约160年前，高速帆船（Clipper）是当之无愧的“海洋之星”，她们通常采用三桅、方形横帆、三角前帆、斜桁后桅结构，最多可搭载750吨的人或物，以20节的航速日行450海里，航迹遍布全球，这些数据就算放到现在，也足以为人们所称道。

到了近代，随着人类科技的高速发展，机械动力慢慢取代了风帆，如苏伊士或巴拿马运河之类的运河也因不适合帆船而加速了风帆的落幕。不过，当时间之轮转过21世纪，当节能环保越来越为人们所提倡时，世界又一次将目光缓缓移向了风动力这一没有任何油耗和排放的绿色能源。

目前，世界各地出现了不少关于风动力船舶的项目研究，且亦已出现投入运营的实船，例如“Tres Hombres”号帆船。该船为一艘没有安装任何发动机的传统横帆帆船，自2009年春开始投入运营，主要用作杂货船在大西洋中进行朗姆酒、葡萄酒、可可豆和医药品的运输。从其4年的运营情况来看，还是值得肯定的。不过就现在已知的风动力船舶项目中，大部分采用的是结合了风能的混合动力概念，当其进行长距离航行时，可利用信风的风力降低最高80%～90%的油耗。

在设计时，由于风动力设备所占空间一般都较大，既要做到能提供理想的动力，又要保持船体稳定性和尽量不影响装载能力等，因此如何将其以最佳方式结合到船体是难点之一。此外，风动力设备的控制也是关键之一，通常包括风帆的收放、角度的调整，以及和其他动力设备之间如何保持平衡等。

风动力船舶项目

欧洲“NSR Sail”项目：由于看到了风动力船的曙光，众多北海区域的大学、研究机构等联合到一起，开始了针对风动力或混合动力船舶商业化运营的可行性研究和技术开发，项目取名为“NSR Sail”。项目组中的专家来自欧洲各国，如德国、丹麦、瑞典、英国、比利时、法国、荷兰等，他们将合作进行一系列研究，其中主要包括船型优化、帆装、动力设备布置等方面的技术研究和设计，以实现风动力和发动机推进的最理想配置。其他任务还有经济性研究和寻求政府支持等。

如今，“NSR Sail”项目已产出了一些成果，如GDNP（Gerard Dijkstra’s Office）的船舶工程师就开发了一型名为“Ecoliner”的概念船型。该型船为一艘长138米，宽18米的杂货船，主要动力来源为一套革命性的DynaRig风帆系统。该新型风帆系统由Dykstra公司开发，包含4根独立的可旋转180°的桅杆，每根桅杆上配有5张安装于曲桁上的横帆。该型船的理论最大航速可达18节，不过实际上还是要取决于装载的货物、风速、风向等因素。设计航速为12节，当风动力不能满足该航速时，一台电动机将开始运作以补充动力，且该电动机单独运作时也能满足12节的航速要求。通过模拟计算，在同样的航线、装载以及航速的情况下，“Ecoliner”号不仅油耗和排放均显著减少，运营成本同样有所降低，且在较低航速时尤为明显，详见图1。

图1 相同环境下“Ecoliner”号与机动船运营成本对比

DynaRig系统的风帆为全自动化控制，操作非常简便，只需按下按钮，就可将桅杆旋转到最佳角度以承受最大的风力推进，从而达到最大航速。当遇到必须收帆的情况时，也只要按一下按钮就能实现，此时4根桅杆上的20张风帆将从顶部开始逐步收起。不过在使用时，这些风帆必须全部升起，而不是只张开一部分。

目前GDNP的工程师期望能得到“NSR Sail”项目的资金支持以完成“Ecoliner”帆船的风洞试验，进而对其进行进一步研发。另外，Fair Transport Trading& Shipping公司正计划建造首艘该型帆船，建成后将投入跨大西洋贸易，同时也是作为一种宣传，但该公司并未公布确切的开工及下水时间。

图2“Ecoliner”号概念图

“Ecoliner”号总长138米，型宽18.2米，最大吃水6.5米，最大载重量8210吨，设计航速为12节，其他动力装置柴电动力；装机功率3000kW；紧急/港口发电机；直径3.85米的螺旋桨；530kW船首推力器；铲形舵。船上分别设置了9个舱室，其中3个货舱，1个燃油舱、1个淡水舱、1个污水舱、1个滑油舱、1个液压舱、1个压载水舱。同时还能装载476TEU集装箱。

另外，DynaRig风帆系统还可用于其他多型船，如油船、散货船、重货运输船、游艇等。Perini Navi公司在2006年推出的被誉为世界最豪华游艇之一的“马耳他猎鹰”号采用的就是DynaRig风帆系统。当时该88米的游艇为3桅15帆结构，风帆总面积2400m2，最大航速18节，可于10天内跨越大西洋。

图3 “马耳他猎鹰”号豪华游艇

图4“风之挑战者”号概念图

日本“风之挑战者”项目：日本方面，东京大学也在主导进行一项大型风动力货船项目“风之挑战者”的研究。参与该项目的其他成员还包括日本邮船、商船三井、川崎汽船、大岛造船、多田野公司和日本船级社。

“风之挑战者”号是一艘18万载重吨的好望角型散货船，船上安装有9张可旋转的刚性翼帆，帆高50米，宽20米，采用曲面中空设计，帆布的材质为碳纤维强化塑料（CFRP）。每个帆均由5个连接的部分组成，因此在靠港时或恶劣天气条件下可收缩以方便装卸货物和提升船舶安全性。同时，每个帆有单独的电机控制，使得其都能以最好的角度捕捉风能，从而获得最大的推进效率。除风帆提供动力以外，该船还将配备柴油机以供港内和海上风力较弱的情况下使用。

项目组的最终目标是要将该船CO2的排放量降至同尺寸采用传统柴油机船舶的一半。通过以横滨至西雅图航线为例模拟实验，预计该船每年至少可以减少约30%的平均燃料消耗。成本方面，每个帆的价格约为250万美元，以每年节省30%的燃油为参考，约5～10年便可收回成本。不过据报道，目前该项目还没有实船建造计划。

“Greenheart”公益项目：Gavin Allwright公司牵头的“Greenheart”项目是一个公益项目，旨在为波利尼西亚群岛的贸易服务，降低该群岛的运输成本。由于波利尼西亚群岛资源有限，贸易运输量不大，而各岛互相之间距离又较远，加之油价高企，从而使运输成本非常高，相对贸易利润就变得较低。“Greenheart”项目所研发的船型拥有坚固的船体，加上舭龙骨的设置，使该型船不仅可以装卸大型货物，更可在各岛海滩上任意停靠，甚至不需要码头。船上的动力主要由风帆和太阳能板提供。此外，船上安装风帆的桅杆还拥有起重机功能，可处理较重的货物。由于不使用昂贵的燃油，因此该型船可大大降低运输成本，从而有利于波利尼西亚群岛的贸易并促进该地区的发展。

图5“Greenheart”效果图

据报道，首艘“Greenheart”船将在孟加拉国建造。若按照最新的版本，该船总长31.5米，宽7.8米，排水量220t，风帆面积300m2，太阳能板面积125m2，主机为2台200kW的直流电动机，采用铅酸电池，货物装载能力为3 TEU/50t，航速10～11节。

值得一提的是，该项目的设计资料均是公开的。参与项目设计的每一个人，不论是专家还是业余爱好者，均为免费服务，类似于公益活动，因此任何人都可以得到该型船的设计资料以进行建造，就像开放源代码的软件一样。

图6“E-Max”型PCTC概念图

SCOD公 司“E-Max Ultra Green Pure Car Carrier” 项 目：Sauter Carbon Offsets Design公 司（SCOD） 的“E-Max Ultra Green Pure Care Carrier”项目是一艘为Wallenius & Wilhelmsen公司（W&W）设计的新一代纯汽车卡车运输船，其最大的特点就是混合动力及巨大的尺度。混合动力的最大功效就是节能减排，大尺度则是为了除规模效益外，还能更方便地安装各类节能装置，如太阳能板和风帆。结合这两个特点后，“E-Max”型PCTC有望降低50%的油耗，运营20年所节省的燃油成本就将超过船本身的建造费用，同时运营期内还可减少1000000t温室气体排放。“E-Max”船型的节能减排措施可分为5个方面。

一是规模经济。鉴于巴拿马运河2014年将从32米拓宽到54米，因此所能通过的船体尺度也将上升50%。目前世界最大的PCTC为三菱重工建造的“T nsberg”号，船东同样为W&W公司，船长265米，宽32米，而“E-Max”型PCTC的船长虽与之相同，但船宽却增加到50米。根据瓦锡兰的计算，船体尺度每增加10%，油耗就可降低4%～5%。

二是最大化水动力效能。船上采用了三菱重工的“空气润滑系统”（MALS），可在船体底部产生气泡以减少阻力，再加上对转螺旋桨，从而有效提升了推进效能，最高可达15%。

图7“E-Ship 1”号RoLo船

三是全方位利用太阳能。根据近期的研究，科学家们发现太阳能电池板在海上所能发挥的效率比陆地上高出40%。该型船不仅在顶部安装了Solbian太阳能电池板，船侧面同样有覆盖以利用水面反射的阳光，最多能降低10%的油耗，被设计者称为目前市场中最高效的太阳能板应用。值得一提的是，该型船的太阳能发电系统没有任何运动部件且不需要维护。

四是高效的风帆。该型船所安装的10块风帆均采用全自动控制，可全方位旋转和完全回收，从而有效利用各个方向的风，能减少约15%的油耗。此外，这些风帆基本为透明，其上还配有太阳光放大膜，可将透过膜照射到甲板太阳能电池板的光放大。

五是先进的发动机。船上发动机采用的是先进的瓦锡兰双燃料发动机，使用柴油或LNG燃料，可降低20%的油耗和更高比例的温室气体。

据SCOD相关人员称，之所以称该型船为“E-Max”，是因为在该型船上利用现有技术实现了效率、能源、生态和经济（Efficiency、Energy、Ecology、Economy）的最大化。当然，“E-Max”概念不仅可以用于PCTC，一些其他船型也同样适用。

经典的风动力船型

风动力设备除了人们所熟知的风帆外，还存在着一些独特的设计，比如采用马格努斯效应的风筒和类似风筝的风帆。

图8 正在工作的“天帆”系统

图9 收起时的“天帆”系统

“E-Ship 1”号旋筒风力货船：采用Flettner风力旋筒的混合动力货船，由位于德国基尔的Lindenau船厂建造，船东为著名的德国Enercon公司，该公司同时也是Flettner旋筒的开发者。2010年投入运营后，“E-Ship 1”号主要用来为该公司在全球范围内运输风机组件。该船长130米，宽22.5米，主机总输出功率3500kW。其推进主要依靠汽轮机和Flettner风力旋筒，从汉堡航行至都柏林所消耗的燃料只有同尺度船的50%。该型旋筒高27米、直径4米，利用马格纳斯效应，在运动的气流中旋筒通过旋转产生一个垂直于气流方向的横向力，引导风力产生向上的举力，通过调整旋筒的转速，举力的大小和方向可调，从而产生向前的推力。“E-Ship 1”号上总计设有4个该型旋筒，2个布置在桥楼后方，2个布置在船尾。

Flettner旋筒最早出现于上世纪20年代，当时虽较有希望继续应用于常规航海，但到了上世纪30年代，柴油机和蒸汽轮机的出现却大大限制了其发展。Enercon公司认为油价的高位运行正是旋筒式风力推进船回归市场的契机。

Sky Sails公司“天帆”系统：德国Sky Sails公司在风动力研究上提出了另一种独特的理念，即在传统动力船舶上安装一个特别的类似于风筝的“天帆”系统。“天帆”的工作原理就是结合风筝的空气动力学，飞艇的平稳和可靠性，以及现代通讯等技术，为大型商船提供额外动能，一般情况下可降低10%～15%的油耗。当然，具体能节省多少燃油，还是要看当时的天气情况，理论上最大可达到50%。

该型风帆设置在船首位置，布置于一根撑杆之上，有8种运作姿态，采用自动控制，为获得较强的风动力，风帆主体离水面的高度在100～300米之间。首个“天帆”系统已在2007年成功安装于6300t的“Beluga Sky Sails”号上。该船于2008年横渡大西洋后，宣称该型风帆能提供20%的推进动力，从而显著减少了油耗。当时船上所采用的是160m2的“天帆”，之后将替换成320m2的。Sky Sails公司称，该型风帆是目前效率最高的风动力设备，每平方米的帆所能提供的推进力是传统风帆的5～25倍。据报道，当前全球已有4艘船舶安装了Skysail风帆，另外还有4个项目正在进行中。另外，美国KiteShip公司也有相类似产品。

记者观点

风动力的优点就是节能减排、绿色环保，正符合当今世界船舶发展理念。除了上述船型外，还有不少风动力船舶，或已有实船，或仍在概念开发，如STX欧洲公司提出的5体豪华旅游船（5根船桅，风帆总面积12440m2），乌斯坦公司的LNG/客货两用运输船（船体安装4台覆有集光板的风帆）。

不过事物都是具有两面性的，风动力同样存在着不少缺憾，如对风的依赖，若风速风向不稳定，则船舶航行也将受到较大影响。因此为保证基本的航行能力，混合动力是目前风动力船舶发展的趋势之一，上述船型基本均采用混合动力。其次是受地理位置影响，并不是所有海域都适用风动力的。再者就是技术的不成熟，传统的风帆操作肯定已不适用于现代，而新的技术刚刚起步。此外，也并不是所有船型均适用风动力。就目前技术情况来看，若将风动力作为主要动力，大吨位的船型将较难应用，且由于风动力设备对空间有一定要求，因此集装箱船的应用也较少。风动力设备的控制，以及与船舶的有效结合是开发风动力船舶的关键。

虽然风动力船在世界航运界的应用还很少，离真正的崛起还有很长一段路要走，但其潜力和未来需求却是值得肯定的。