風(fēng)動力船舶研發(fā)動向

祁 斌

祁 斌

綠色環(huán)保這一永恒的主題，在資源越來越緊缺、環(huán)境破壞越來越嚴(yán)重的今天，顯得尤為重要。對于船舶的綠色環(huán)保，目前主要的手段就是優(yōu)化動力系統(tǒng)和能效，控制排放，從而減少進(jìn)入大氣中的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等物質(zhì)。在各種減排方法里，風(fēng)能無疑是目前所能想到的最環(huán)保的措施之一。

傳承幾個世紀(jì)的風(fēng)能源

風(fēng)帆在船上的應(yīng)用已有數(shù)千年之久，約160年前，高速帆船（Clipper）是當(dāng)之無愧的“海洋之星”，她們通常采用三桅、方形橫帆、三角前帆、斜桁后桅結(jié)構(gòu)，最多可搭載750噸的人或物，以20節(jié)的航速日行450海里，航跡遍布全球，這些數(shù)據(jù)就算放到現(xiàn)在，也足以為人們所稱道。

到了近代，隨著人類科技的高速發(fā)展，機(jī)械動力慢慢取代了風(fēng)帆，如蘇伊士或巴拿馬運(yùn)河之類的運(yùn)河也因不適合帆船而加速了風(fēng)帆的落幕。不過，當(dāng)時間之輪轉(zhuǎn)過21世紀(jì)，當(dāng)節(jié)能環(huán)保越來越為人們所提倡時，世界又一次將目光緩緩移向了風(fēng)動力這一沒有任何油耗和排放的綠色能源。

目前，世界各地出現(xiàn)了不少關(guān)于風(fēng)動力船舶的項(xiàng)目研究，且亦已出現(xiàn)投入運(yùn)營的實(shí)船，例如“Tres Hombres”號帆船。該船為一艘沒有安裝任何發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)橫帆帆船，自2009年春開始投入運(yùn)營，主要用作雜貨船在大西洋中進(jìn)行朗姆酒、葡萄酒、可可豆和醫(yī)藥品的運(yùn)輸。從其4年的運(yùn)營情況來看，還是值得肯定的。不過就現(xiàn)在已知的風(fēng)動力船舶項(xiàng)目中，大部分采用的是結(jié)合了風(fēng)能的混合動力概念，當(dāng)其進(jìn)行長距離航行時，可利用信風(fēng)的風(fēng)力降低最高80%～90%的油耗。

在設(shè)計時，由于風(fēng)動力設(shè)備所占空間一般都較大，既要做到能提供理想的動力，又要保持船體穩(wěn)定性和盡量不影響裝載能力等，因此如何將其以最佳方式結(jié)合到船體是難點(diǎn)之一。此外，風(fēng)動力設(shè)備的控制也是關(guān)鍵之一，通常包括風(fēng)帆的收放、角度的調(diào)整，以及和其他動力設(shè)備之間如何保持平衡等。

風(fēng)動力船舶項(xiàng)目

歐洲“NSR Sail”項(xiàng)目：由于看到了風(fēng)動力船的曙光，眾多北海區(qū)域的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)等聯(lián)合到一起，開始了針對風(fēng)動力或混合動力船舶商業(yè)化運(yùn)營的可行性研究和技術(shù)開發(fā)，項(xiàng)目取名為“NSR Sail”。項(xiàng)目組中的專家來自歐洲各國，如德國、丹麥、瑞典、英國、比利時、法國、荷蘭等，他們將合作進(jìn)行一系列研究，其中主要包括船型優(yōu)化、帆裝、動力設(shè)備布置等方面的技術(shù)研究和設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)動力和發(fā)動機(jī)推進(jìn)的最理想配置。其他任務(wù)還有經(jīng)濟(jì)性研究和尋求政府支持等。

如今，“NSR Sail”項(xiàng)目已產(chǎn)出了一些成果，如GDNP（Gerard Dijkstra’s Office）的船舶工程師就開發(fā)了一型名為“Ecoliner”的概念船型。該型船為一艘長138米，寬18米的雜貨船，主要動力來源為一套革命性的DynaRig風(fēng)帆系統(tǒng)。該新型風(fēng)帆系統(tǒng)由Dykstra公司開發(fā)，包含4根獨(dú)立的可旋轉(zhuǎn)180°的桅桿，每根桅桿上配有5張安裝于曲桁上的橫帆。該型船的理論最大航速可達(dá)18節(jié)，不過實(shí)際上還是要取決于裝載的貨物、風(fēng)速、風(fēng)向等因素。設(shè)計航速為12節(jié)，當(dāng)風(fēng)動力不能滿足該航速時，一臺電動機(jī)將開始運(yùn)作以補(bǔ)充動力，且該電動機(jī)單獨(dú)運(yùn)作時也能滿足12節(jié)的航速要求。通過模擬計算，在同樣的航線、裝載以及航速的情況下，“Ecoliner”號不僅油耗和排放均顯著減少，運(yùn)營成本同樣有所降低，且在較低航速時尤為明顯，詳見圖1。

圖1 相同環(huán)境下“Ecoliner”號與機(jī)動船運(yùn)營成本對比

DynaRig系統(tǒng)的風(fēng)帆為全自動化控制，操作非常簡便，只需按下按鈕，就可將桅桿旋轉(zhuǎn)到最佳角度以承受最大的風(fēng)力推進(jìn)，從而達(dá)到最大航速。當(dāng)遇到必須收帆的情況時，也只要按一下按鈕就能實(shí)現(xiàn)，此時4根桅桿上的20張風(fēng)帆將從頂部開始逐步收起。不過在使用時，這些風(fēng)帆必須全部升起，而不是只張開一部分。

目前GDNP的工程師期望能得到“NSR Sail”項(xiàng)目的資金支持以完成“Ecoliner”帆船的風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)而對其進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。另外，F(xiàn)air Transport Trading& Shipping公司正計劃建造首艘該型帆船，建成后將投入跨大西洋貿(mào)易，同時也是作為一種宣傳，但該公司并未公布確切的開工及下水時間。

圖2“Ecoliner”號概念圖

“Ecoliner”號總長138米，型寬18.2米，最大吃水6.5米，最大載重量8210噸，設(shè)計航速為12節(jié)，其他動力裝置柴電動力；裝機(jī)功率3000kW；緊急/港口發(fā)電機(jī)；直徑3.85米的螺旋槳；530kW船首推力器；鏟形舵。船上分別設(shè)置了9個艙室，其中3個貨艙，1個燃油艙、1個淡水艙、1個污水艙、1個滑油艙、1個液壓艙、1個壓載水艙。同時還能裝載476TEU集裝箱。

另外，DynaRig風(fēng)帆系統(tǒng)還可用于其他多型船，如油船、散貨船、重貨運(yùn)輸船、游艇等。Perini Navi公司在2006年推出的被譽(yù)為世界最豪華游艇之一的“馬耳他獵鷹”號采用的就是DynaRig風(fēng)帆系統(tǒng)。當(dāng)時該88米的游艇為3桅15帆結(jié)構(gòu)，風(fēng)帆總面積2400m2，最大航速18節(jié)，可于10天內(nèi)跨越大西洋。

圖3 “馬耳他獵鷹”號豪華游艇

圖4“風(fēng)之挑戰(zhàn)者”號概念圖

日本“風(fēng)之挑戰(zhàn)者”項(xiàng)目：日本方面，東京大學(xué)也在主導(dǎo)進(jìn)行一項(xiàng)大型風(fēng)動力貨船項(xiàng)目“風(fēng)之挑戰(zhàn)者”的研究。參與該項(xiàng)目的其他成員還包括日本郵船、商船三井、川崎汽船、大島造船、多田野公司和日本船級社。

“風(fēng)之挑戰(zhàn)者”號是一艘18萬載重噸的好望角型散貨船，船上安裝有9張可旋轉(zhuǎn)的剛性翼帆，帆高50米，寬20米，采用曲面中空設(shè)計，帆布的材質(zhì)為碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）。每個帆均由5個連接的部分組成，因此在靠港時或惡劣天氣條件下可收縮以方便裝卸貨物和提升船舶安全性。同時，每個帆有單獨(dú)的電機(jī)控制，使得其都能以最好的角度捕捉風(fēng)能，從而獲得最大的推進(jìn)效率。除風(fēng)帆提供動力以外，該船還將配備柴油機(jī)以供港內(nèi)和海上風(fēng)力較弱的情況下使用。

項(xiàng)目組的最終目標(biāo)是要將該船CO2的排放量降至同尺寸采用傳統(tǒng)柴油機(jī)船舶的一半。通過以橫濱至西雅圖航線為例模擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)計該船每年至少可以減少約30%的平均燃料消耗。成本方面，每個帆的價格約為250萬美元，以每年節(jié)省30%的燃油為參考，約5～10年便可收回成本。不過據(jù)報道，目前該項(xiàng)目還沒有實(shí)船建造計劃。

“Greenheart”公益項(xiàng)目：Gavin Allwright公司牽頭的“Greenheart”項(xiàng)目是一個公益項(xiàng)目，旨在為波利尼西亞群島的貿(mào)易服務(wù)，降低該群島的運(yùn)輸成本。由于波利尼西亞群島資源有限，貿(mào)易運(yùn)輸量不大，而各島互相之間距離又較遠(yuǎn)，加之油價高企，從而使運(yùn)輸成本非常高，相對貿(mào)易利潤就變得較低?！癎reenheart”項(xiàng)目所研發(fā)的船型擁有堅固的船體，加上舭龍骨的設(shè)置，使該型船不僅可以裝卸大型貨物，更可在各島海灘上任意?？?，甚至不需要碼頭。船上的動力主要由風(fēng)帆和太陽能板提供。此外，船上安裝風(fēng)帆的桅桿還擁有起重機(jī)功能，可處理較重的貨物。由于不使用昂貴的燃油，因此該型船可大大降低運(yùn)輸成本，從而有利于波利尼西亞群島的貿(mào)易并促進(jìn)該地區(qū)的發(fā)展。

圖5“Greenheart”效果圖

據(jù)報道，首艘“Greenheart”船將在孟加拉國建造。若按照最新的版本，該船總長31.5米，寬7.8米，排水量220t，風(fēng)帆面積300m2，太陽能板面積125m2，主機(jī)為2臺200kW的直流電動機(jī)，采用鉛酸電池，貨物裝載能力為3 TEU/50t，航速10～11節(jié)。

值得一提的是，該項(xiàng)目的設(shè)計資料均是公開的。參與項(xiàng)目設(shè)計的每一個人，不論是專家還是業(yè)余愛好者，均為免費(fèi)服務(wù)，類似于公益活動，因此任何人都可以得到該型船的設(shè)計資料以進(jìn)行建造，就像開放源代碼的軟件一樣。

圖6“E-Max”型PCTC概念圖

SCOD公 司“E-Max Ultra Green Pure Car Carrier” 項(xiàng) 目：Sauter Carbon Offsets Design公 司（SCOD） 的“E-Max Ultra Green Pure Care Carrier”項(xiàng)目是一艘為Wallenius & Wilhelmsen公司（W&W）設(shè)計的新一代純汽車卡車運(yùn)輸船，其最大的特點(diǎn)就是混合動力及巨大的尺度?；旌蟿恿Φ淖畲蠊πЬ褪枪?jié)能減排，大尺度則是為了除規(guī)模效益外，還能更方便地安裝各類節(jié)能裝置，如太陽能板和風(fēng)帆。結(jié)合這兩個特點(diǎn)后，“E-Max”型PCTC有望降低50%的油耗，運(yùn)營20年所節(jié)省的燃油成本就將超過船本身的建造費(fèi)用，同時運(yùn)營期內(nèi)還可減少1000000t溫室氣體排放?！癊-Max”船型的節(jié)能減排措施可分為5個方面。

一是規(guī)模經(jīng)濟(jì)。鑒于巴拿馬運(yùn)河2014年將從32米拓寬到54米，因此所能通過的船體尺度也將上升50%。目前世界最大的PCTC為三菱重工建造的“T nsberg”號，船東同樣為W&W公司，船長265米，寬32米，而“E-Max”型PCTC的船長雖與之相同，但船寬卻增加到50米。根據(jù)瓦錫蘭的計算，船體尺度每增加10%，油耗就可降低4%～5%。

二是最大化水動力效能。船上采用了三菱重工的“空氣潤滑系統(tǒng)”（MALS），可在船體底部產(chǎn)生氣泡以減少阻力，再加上對轉(zhuǎn)螺旋槳，從而有效提升了推進(jìn)效能，最高可達(dá)15%。

圖7“E-Ship 1”號RoLo船

三是全方位利用太陽能。根據(jù)近期的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽能電池板在海上所能發(fā)揮的效率比陸地上高出40%。該型船不僅在頂部安裝了Solbian太陽能電池板，船側(cè)面同樣有覆蓋以利用水面反射的陽光，最多能降低10%的油耗，被設(shè)計者稱為目前市場中最高效的太陽能板應(yīng)用。值得一提的是，該型船的太陽能發(fā)電系統(tǒng)沒有任何運(yùn)動部件且不需要維護(hù)。

四是高效的風(fēng)帆。該型船所安裝的10塊風(fēng)帆均采用全自動控制，可全方位旋轉(zhuǎn)和完全回收，從而有效利用各個方向的風(fēng)，能減少約15%的油耗。此外，這些風(fēng)帆基本為透明，其上還配有太陽光放大膜，可將透過膜照射到甲板太陽能電池板的光放大。

五是先進(jìn)的發(fā)動機(jī)。船上發(fā)動機(jī)采用的是先進(jìn)的瓦錫蘭雙燃料發(fā)動機(jī)，使用柴油或LNG燃料，可降低20%的油耗和更高比例的溫室氣體。

據(jù)SCOD相關(guān)人員稱，之所以稱該型船為“E-Max”，是因?yàn)樵谠撔痛侠矛F(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了效率、能源、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)（Efficiency、Energy、Ecology、Economy）的最大化。當(dāng)然，“E-Max”概念不僅可以用于PCTC，一些其他船型也同樣適用。

經(jīng)典的風(fēng)動力船型

風(fēng)動力設(shè)備除了人們所熟知的風(fēng)帆外，還存在著一些獨(dú)特的設(shè)計，比如采用馬格努斯效應(yīng)的風(fēng)筒和類似風(fēng)箏的風(fēng)帆。

圖8 正在工作的“天帆”系統(tǒng)

圖9 收起時的“天帆”系統(tǒng)

“E-Ship 1”號旋筒風(fēng)力貨船：采用Flettner風(fēng)力旋筒的混合動力貨船，由位于德國基爾的Lindenau船廠建造，船東為著名的德國Enercon公司，該公司同時也是Flettner旋筒的開發(fā)者。2010年投入運(yùn)營后，“E-Ship 1”號主要用來為該公司在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸風(fēng)機(jī)組件。該船長130米，寬22.5米，主機(jī)總輸出功率3500kW。其推進(jìn)主要依靠汽輪機(jī)和Flettner風(fēng)力旋筒，從漢堡航行至都柏林所消耗的燃料只有同尺度船的50%。該型旋筒高27米、直徑4米，利用馬格納斯效應(yīng)，在運(yùn)動的氣流中旋筒通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個垂直于氣流方向的橫向力，引導(dǎo)風(fēng)力產(chǎn)生向上的舉力，通過調(diào)整旋筒的轉(zhuǎn)速，舉力的大小和方向可調(diào)，從而產(chǎn)生向前的推力。“E-Ship 1”號上總計設(shè)有4個該型旋筒，2個布置在橋樓后方，2個布置在船尾。

Flettner旋筒最早出現(xiàn)于上世紀(jì)20年代，當(dāng)時雖較有希望繼續(xù)應(yīng)用于常規(guī)航海，但到了上世紀(jì)30年代，柴油機(jī)和蒸汽輪機(jī)的出現(xiàn)卻大大限制了其發(fā)展。Enercon公司認(rèn)為油價的高位運(yùn)行正是旋筒式風(fēng)力推進(jìn)船回歸市場的契機(jī)。

Sky Sails公司“天帆”系統(tǒng)：德國Sky Sails公司在風(fēng)動力研究上提出了另一種獨(dú)特的理念，即在傳統(tǒng)動力船舶上安裝一個特別的類似于風(fēng)箏的“天帆”系統(tǒng)?！疤旆钡墓ぷ髟砭褪墙Y(jié)合風(fēng)箏的空氣動力學(xué)，飛艇的平穩(wěn)和可靠性，以及現(xiàn)代通訊等技術(shù)，為大型商船提供額外動能，一般情況下可降低10%～15%的油耗。當(dāng)然，具體能節(jié)省多少燃油，還是要看當(dāng)時的天氣情況，理論上最大可達(dá)到50%。

該型風(fēng)帆設(shè)置在船首位置，布置于一根撐桿之上，有8種運(yùn)作姿態(tài)，采用自動控制，為獲得較強(qiáng)的風(fēng)動力，風(fēng)帆主體離水面的高度在100～300米之間。首個“天帆”系統(tǒng)已在2007年成功安裝于6300t的“Beluga Sky Sails”號上。該船于2008年橫渡大西洋后，宣稱該型風(fēng)帆能提供20%的推進(jìn)動力，從而顯著減少了油耗。當(dāng)時船上所采用的是160m2的“天帆”，之后將替換成320m2的。Sky Sails公司稱，該型風(fēng)帆是目前效率最高的風(fēng)動力設(shè)備，每平方米的帆所能提供的推進(jìn)力是傳統(tǒng)風(fēng)帆的5～25倍。據(jù)報道，當(dāng)前全球已有4艘船舶安裝了Skysail風(fēng)帆，另外還有4個項(xiàng)目正在進(jìn)行中。另外，美國KiteShip公司也有相類似產(chǎn)品。

記者觀點(diǎn)

風(fēng)動力的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能減排、綠色環(huán)保，正符合當(dāng)今世界船舶發(fā)展理念。除了上述船型外，還有不少風(fēng)動力船舶，或已有實(shí)船，或仍在概念開發(fā)，如STX歐洲公司提出的5體豪華旅游船（5根船桅，風(fēng)帆總面積12440m2），烏斯坦公司的LNG/客貨兩用運(yùn)輸船（船體安裝4臺覆有集光板的風(fēng)帆）。

不過事物都是具有兩面性的，風(fēng)動力同樣存在著不少缺憾，如對風(fēng)的依賴，若風(fēng)速風(fēng)向不穩(wěn)定，則船舶航行也將受到較大影響。因此為保證基本的航行能力，混合動力是目前風(fēng)動力船舶發(fā)展的趨勢之一，上述船型基本均采用混合動力。其次是受地理位置影響，并不是所有海域都適用風(fēng)動力的。再者就是技術(shù)的不成熟，傳統(tǒng)的風(fēng)帆操作肯定已不適用于現(xiàn)代，而新的技術(shù)剛剛起步。此外，也并不是所有船型均適用風(fēng)動力。就目前技術(shù)情況來看，若將風(fēng)動力作為主要動力，大噸位的船型將較難應(yīng)用，且由于風(fēng)動力設(shè)備對空間有一定要求，因此集裝箱船的應(yīng)用也較少。風(fēng)動力設(shè)備的控制，以及與船舶的有效結(jié)合是開發(fā)風(fēng)動力船舶的關(guān)鍵。

雖然風(fēng)動力船在世界航運(yùn)界的應(yīng)用還很少，離真正的崛起還有很長一段路要走，但其潛力和未來需求卻是值得肯定的。