风帆助航，下一个技术热点？

中国船舶信息中心 冯书桓

风能在船上的应用已有数千年的历史。如今船舶通过改善发动机技术实现节能减排几乎已达到极致，而利用清洁、可再生的风能或太阳能作为辅助能源推进船舶已成为各国新的研究方向，以在保持船舶航速不变的同时减小燃油消耗，达到节能减排的目的。

风帆船舶概述

古代船舶风帆主要为软质帆，按船舶桅杆数可分为单桅帆船、双桅帆船和多桅杆帆船等，通常为单体船，也有少数抗风浪能力较强的双体船，主要靠帆具借助风力航行，靠桨、橹和篙作为无风时起航、推进和靠泊的手段。20世纪，随着内燃机和蒸汽机在船舶上的大量使用，风帆在船舶货物运输领域逐渐退出了历史舞台，但却作为一种娱乐活动保留了下来。帆船运动起源于16～17世纪的荷兰，19世纪英美等国纷纷成立帆船俱乐部，1900年在第二届奥运会上被列为比赛项目。近年来，随着IMO限硫令与温室气体减排战略的实施，船东对新燃料、新能源技术兴趣不断提升。风帆助航技术经过了长时间的发展，目前船上应用的技术可分为以下几类：

一是翼型风帆。翼型风帆剖面与机翼相似，按其剖面形状可分为层流型、圆弧型、普通型、卧背型等。常见的包括矩形帆和三角形帆，可采用液压装置对风帆的展缩与角度进行控制，最早在竞争激烈的美洲杯帆船赛上应用，后逐步扩展到商船。由于翼型风帆会带来一定程度的视野遮挡，所以通常会设置一根带有摄像机的前桅保证船只的视野。

二是天帆。天帆形似风筝，由牵引绳索与船体相连，下挂控制吊舱，装有控制器件与驱动器件，以控制风帆飞行姿态，是专门为现代商船开发的技术，其优点在于可有效利用上层稳定而强劲的风力，且不占用甲板面积，不影响船舶主尺度。

三是转筒帆。转筒帆由可以旋转的转筒和转筒两端的端板构成，其原理为玛格努斯效应，即圆柱体在流动的气流中转动时，会产生一个垂直于气流方向的横向力，推动船舶前进。

图1 翼型风帆

图2 天帆

图3 转筒帆

风帆助航技术实船应用情况

自上世纪70年代末80年代初以来，受能源危机影响，日、美、英、法、荷兰等国相继开展了新型风帆船舶的研究和开发工作。欧美各国的研究主要侧重于“帆主机从”的方式，即以风帆作为主要动力来源，内燃机作为补充；日本则侧重于“机主帆从”，以风帆作为补充。

图4 “新爱德丸”号

图5 “海翼”风帆装置

日本于1980年建成世界上第一艘翼型风帆助航船舶“新爱德丸”号，该船由翼型风帆所节省的主机功率达11%～14%，效果非常显著。此后，日本又陆续建造了“扇蓉丸”“日产丸”“日德丸”等风帆助航货船，在千吨和万吨级远洋船舶上也进行了试验。上世纪90年代，日本还在一些吨位较小的远洋船舶上开展了硬质帆的实船试验，但因石油价格下跌，技术不完善和操作复杂等原因没有得到进一步推广。

近年来随着IMO温室气体减排战略的推进，日本再次加大了对风帆技术研发和应用的力度。2019年6月，日本航运巨头川崎汽船与法国船舶自动风帆动力研发商Airseas公司签署为期20年的协议，为川崎汽船的一艘船安装“海翼”（Seawing）风帆装置并提供服务，意向订购50套。该装置能实现超过20%的燃料节约和污染减排，以好望角船为例，每年可减少5200吨二氧化碳排放。

2019年10月，日本商船三井宣布与日本东北电力公司合作，在煤炭运输船上安装风帆动力装置，为东北电力公司的火力发电厂运输煤炭。据悉，装置将使用硬翼型帆，是商船三井与大岛造船主导的“Wind Challenger Project”的关键技术，2019年10月初获得日本船级社（NK）颁发的原则性批准。该技术能使每次航行的燃料消耗降低5%至8%，预计日本-澳大利亚航线上将能减少5%的温室气体排放，日本-北美西海岸航线上能够削减8%的温室气体排放。如果搭载4个风帆装置，船舶最多将能够减少30%的能源消耗。

2019年11月，欧盟启动了风帆助航船舶计划（Wind Assisted Ship Project， WASP项目），通过欧洲区域发展基金为相关技术发展提供540万欧元资金支持，项目团队成员包括船东、高校、科研机构等。据估计，直接将风力助航系统安装在现有船舶上可减少5%～20%的燃料和排放，若通过改装或优化新船设计，燃料消耗和温室气体排放减少可达30%。WASP项目将通过实船应用为市场和政策制定者提供相关运营参数、燃料节省和商业模式相关信息，以加速航运业去碳化进程。

我国自80年代开始在广东、浙江、上海、山东、武汉等地相继开展了翼型风帆的研究工作，1990年5月建成第一艘电子控制的全自动3000吨风帆货轮，但总体上研究主要集中于小型内河与沿海船舶。近年来受IMO政策影响，我国提高了对风帆助航船舶技术研发与实船应用的支持力度。2018年10月，由大连船舶重工集团为招商轮船建造的30万吨VLCC风帆样机完成实船试验，该试验是我国首次在大型远洋船舶上应用风帆，充分证明了翼型风帆在超大型船舶节能减排方面的有效性，不论从风帆样机的尺寸，还是所安装船舶的吨位，均为国际领先，标志着我国在船舶风力资源推广应用方面取得重要进展。目前，翼型风帆二期项目正在稳步推进中。

图7 2019年11月，欧盟启动了风帆助航船舶计划（Wind Assisted Ship Project, WASP项目)

图8 翼型风帆VLCC

风帆助航技术在国际海事工业界中的讨论

一是关于IMO关于温室气体减排的讨论。风帆助航技术近年来的蓬勃发展与IMO推动温室气体减排战略密切相关。推动海事工业界节能减排的呼声由来已久，早在1997年召开的联合国气候变化框架公约（UNFCCC）缔约方第三次会议的决议附录中，就提出了“国际航运界应和国际航空界一起在专业国际机构的指导下，致力于减少温室气体的排放量”的要求。按照该项要求，国际海事组织在2003年第23次大会上通过了“国际海事组织关于船舶温室气体减排的政策和实践”的大会决议 A.963（23）；2018年4月9日至13日，国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）第72届会议上以第 MEPC.304（72）号决议通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，该初步战略从背景、愿景、减排力度和指导原则、短期/中期/长期候选减排措施及其影响、存在的障碍及支持性措施、后续行动、定期审议等7个方面，对国际航运业应对气候变化行动作了总体安排，旨在与气候变化协定《巴黎协定》中规定的温控目标保持一致，推动国际航运业尽快减排，并在本世纪内实现温室气体零排放。这是全球航运业首次为应对气候变化制定的温室气体减排目标，向国际社会传递出航运业加快向低碳转型的强有力信号。以此为背景，当前国际海事组织正在不断推进温室气体减排的技术手段（改善新建造船舶的能效）、操作手段（减速航行、最佳航线选择等）、基于市场机制的经济手段（燃油附加税、排放权交易机制等）的研究和制定工作。

IMO温室气体减排战略带来了市场需求的变化，影响了产业竞争格局，新燃料、新能源技术的开发和应用成为船东以及整个海事工业最为关心的话题。目前较为成熟的船舶温室气体减排技术发展方向包括：LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氢、风帆助航、电池、燃料电池等。

二是关于风帆的讨论。除风帆助航外，大部分新燃料和新能源技术的市场供应机制和产业链尚待形成，岸上基础设施需要进一步建设，且LNG、LPG、甲醇、氢等在生产环节本身就会产生温室气体或其他废气，因此对环保的贡献程度有限。风帆作为船舶的动力来源历史悠久，工业界积累了大量经验，前期实船应用已经证明可有效减少燃料消耗与温室气体和废气排放。在价格方面，风帆助航装置的成本主要集中在安装和维护，运营过程中尽管需要船舶提供电能，但并不会带来明显的燃料消耗，所占比例几乎可以忽略不计。风帆的使用不涉及到岸上基础设施的建设，但需要对船员进行相应的培训。法规方面，SOLAS公约允许使用风能作为船舶动力来源，但不可是唯一来源，否则无法满足安全性和现代商业对货物运输时间的严格要求。当前针对风帆助航装置的设计和建造并无国际法规或船级社规范的要求。

图9 IMO MEPC 72

图10 会场外标语“IMO，不要让巴黎公约沉入海底”

IMO规定的EEDI指数计算为新技术的应用留下了空间，风帆技术也可在船舶能效中体现出来。值得一提的是，在风帆领域国际海事规则制定方面，我国结合国内工程经验积极发声，传递中国智慧。在2019年5月召开的国际海事组织环境保护委员会第74届会议（IMO MEPC 74）上，我国结合翼型风帆在VLCC上的实船应用案例，向大会提交了《基于风洞模型试验获取船舶风力推进系统风力矩阵方法》技术主提案和《针对IMO若干通函中风推进系统相关评估框架补充与修改的建议》信息提案，就风力推进系统风力矩阵获取方法及风帆技术应用过程中遇到的法规适用问题提出相关修订完善建议，并把我国关于风帆系统在超大型船舶上应用的经验全面分享给全球海事业界，引起IMO对船舶辅助动力技术应用的关注，并将在2020年召开的MEPC75次会议作进一步讨论。

风帆作为船舶动力装置在船上的应用已有几千年的历史。现代风帆助航技术的发展与能源市场供应和国际海事规则变动密切相关。随着IMO MEPC 72次会议上通过《IMO船舶温室气体减排初步战略》，风帆以其独特的优势重新受到了海事工业界的关注。目前，国际海事法规的修订、技术开发、实船应用都在如火如荼开展之中，日本、欧洲、中国均在加大投入，风帆助航有望成为海事工业界新的技术热点。