風(fēng)動(dòng)力船舶發(fā)展新動(dòng)向

祁 斌

在目前燃油成本高企、運(yùn)力供大于求，以及排放控制區(qū)越來(lái)越多，環(huán)保法規(guī)更趨嚴(yán)格的背景下，風(fēng)能，作為船舶的一種“原始”動(dòng)力，逐漸回歸人們的視野。得益于過(guò)去的風(fēng)帆動(dòng)力船舶都是跟隨信風(fēng)航行，因此主要的航運(yùn)港口均建在了信風(fēng)最強(qiáng)的地方，這對(duì)風(fēng)動(dòng)力的發(fā)展稱得上是一種利好。近年來(lái)，已有不少公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)船舶風(fēng)動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并誕生了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的現(xiàn)代化利用。

曼徹斯特大學(xué)的Michael Traut博士目前正在逐步完善一系列模型以評(píng)估各種風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)在商船航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，包括Flettner旋筒、風(fēng)箏和風(fēng)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(fēng)動(dòng)力的決定。到目前為止，各種評(píng)估工作表明風(fēng)動(dòng)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(kāi)市場(chǎng)、展現(xiàn)風(fēng)動(dòng)力特色的應(yīng)該是較小船型。因?yàn)樵叫〉拇?，從風(fēng)動(dòng)力技術(shù)上獲得的收益越大。而對(duì)于大型船，即使增加船上使用的風(fēng)動(dòng)力裝置，其增長(zhǎng)的推進(jìn)功率也不會(huì)成比例增加。不過(guò)，雖然較小船型會(huì)首先應(yīng)用風(fēng)動(dòng)力是普遍共識(shí)，但很明顯，船東最關(guān)心的肯定還是大噸位船型應(yīng)用風(fēng)動(dòng)力技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

Oceanfoil公司翼帆系統(tǒng)

Oceanfoil公司的翼帆系統(tǒng)是一型可用于大型商船的風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)，目前該公司正在和兩位船東進(jìn)行最后階段的商談，主要內(nèi)容就是讓其數(shù)艘新加坡籍貨船試驗(yàn)該公司的Oceanfoil翼帆系統(tǒng)。這些船包括2艘101000載重噸的散貨船，1艘20萬(wàn)載重噸級(jí)散貨船，以及1艘油船。

每一個(gè)Oceanfoil翼帆由3塊與尾鰭或舵相關(guān)聯(lián)的風(fēng)板組成，看起來(lái)就像是3張豎著的機(jī)翼。之所以采用機(jī)翼的形狀，是由于機(jī)翼的曲率最適合產(chǎn)生推力，因此稱得上是一種理想的捕獲風(fēng)力用以推進(jìn)的形態(tài)。

每個(gè)翼帆可自由地安裝于一根中心軸上，不使用時(shí)就處于一種“羽毛”模式。安裝方式主要分兩種，一種可以產(chǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，無(wú)需船員。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，電腦會(huì)根據(jù)風(fēng)向自動(dòng)優(yōu)化翼帆的方位以實(shí)現(xiàn)最大效能。

圖2 Oceanfoil翼帆系統(tǒng)近距離效果圖

該翼帆系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：為船東和運(yùn)營(yíng)者節(jié)省雙倍的燃油；可使船舶以較低的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率達(dá)到所需要的航速；降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而減少維護(hù)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(bǔ)足其他一些有效降耗措施和技術(shù)，如低速航行、減阻涂料，以及按氣候優(yōu)化航線等。

通過(guò)CFD和水池試驗(yàn)，Oceanfoil公司證明該風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)可以降低15%～20%的油耗，15 ～18個(gè)月就可以收回安裝成本，船東也因此對(duì)其產(chǎn)生了更濃厚的興趣。目前該公司正與倫敦大學(xué)的研究員一起開(kāi)發(fā)相關(guān)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(shí)間用船以及多少天的航程。另外，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)修改后，可適用于特殊船舶需求，例如需要同時(shí)打開(kāi)貨艙艙口蓋的情況。此時(shí)翼帆可往下折疊，而且和標(biāo)準(zhǔn)版的Oceanfoil系統(tǒng)一樣，無(wú)需船員介入，也不需要對(duì)船員進(jìn)行特別訓(xùn)練。

經(jīng)過(guò)專家組計(jì)算，一艘船最多可安裝6組Oceanfoil翼帆，其中較小船型的適用數(shù)為2 ～3個(gè)。

圖3 正在進(jìn)行模型試驗(yàn)的Oceanfoil翼帆系統(tǒng)

Solar Sailor折疊式風(fēng)帆系統(tǒng)

Solar Sailor公司對(duì)于風(fēng)帆影響散貨船空間和可達(dá)性的解決方案同樣也是折疊翼帆，當(dāng)風(fēng)帆張開(kāi)時(shí)，面積將擴(kuò)展至2倍或4倍。該設(shè)計(jì)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(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改裝就能實(shí)現(xiàn)，并不會(huì)對(duì)貨物處理設(shè)備產(chǎn)生重大影響。所有該風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備均能巧妙地、輕松地安裝，只需要對(duì)船體進(jìn)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(yáng)能風(fēng)帆系統(tǒng)

Innovative Marine Technology公司Cargoproa系統(tǒng)

Innovative Marine Technology公司的Cargoproa系統(tǒng)是一型適用范圍較廣的風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)，集裝箱船和油船均適用。將Cargoproa系統(tǒng)結(jié)合到船上后，就成為了快速帆船結(jié)構(gòu)，看起來(lái)就像是一條獨(dú)木舟加上弦外支架。弦外支架的帆航空間結(jié)構(gòu)可使船擁有比起單體時(shí)大得多的風(fēng)帆，借助這樣的大型風(fēng)帆，船舶航行時(shí)就不必再一直使用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推進(jìn)了。

圖5 Cargoproa系統(tǒng)效果圖

Cargoproa 系統(tǒng)的空間構(gòu)架采用剛性結(jié)構(gòu)，設(shè)有2 根船桅和1 根前帆桁，加上該3 根桅/桁之間的結(jié)構(gòu)，就組成了一個(gè)四面體。這樣的配置就避免了只能依賴船桅的情況。該系統(tǒng)的兩根船桅很高，可使船利用到海平面上100 ～150m 的風(fēng)力，這個(gè)高度的風(fēng)速要遠(yuǎn)大于海平面風(fēng)速，可以媲美風(fēng)箏型的風(fēng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。高船桅還可提供足夠大的風(fēng)帆面積以獲得能代替柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的推進(jìn)力。此外，借助Cargoproa 系統(tǒng)的弦外支架，集裝箱船在航行時(shí)產(chǎn)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(tǒng)使船擁有了更好的穩(wěn)性，因此對(duì)于壓載水的依賴也將變得更小。當(dāng)然，更重要的是該系統(tǒng)可讓船舶擁有高效的帆行能力，包括后弦風(fēng)駛帆、前舷側(cè)風(fēng)駛帆，以及順風(fēng)駛帆，可謂是對(duì)風(fēng)的全方位利用。若環(huán)境合適，最高可降低遠(yuǎn)洋航行的船舶100%的油耗（不包括港口操作）。

Cargoproa系統(tǒng)在連接時(shí)非常便捷，哪怕是在集裝箱船關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并由于波浪和風(fēng)產(chǎn)生橫搖和縱傾的情況下，這是由于該系統(tǒng)的組合機(jī)構(gòu)可以確保安全和可控的連接過(guò)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(jiǎn)單裝置相連。當(dāng)船舶位于出發(fā)港或到達(dá)港時(shí)，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(jìn)行。圖6為Cargoproa系統(tǒng)的連接過(guò)程示意圖，左上為初始狀態(tài)，右上為系統(tǒng)在調(diào)整好形態(tài)后駛向目標(biāo)船，左下為連接中，右下為完成狀態(tài)。

圖6 Cargoproa系統(tǒng)的連接過(guò)程示意圖

Lade公司Vindskip設(shè)計(jì)

Vindskip是由Lade公司設(shè)計(jì)的一型混合動(dòng)力遠(yuǎn)洋商船，采用介于在水上帆行和飛行的風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)以及LNG動(dòng)力。其風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)的靈感來(lái)自于航空和航天工業(yè)以及帆船界等高度受到風(fēng)況影響的領(lǐng)域。1艘以平均航速17 ～18節(jié)航行的商船，無(wú)論選擇什么航線，其在逆風(fēng)狀態(tài)下的航行時(shí)間都將超過(guò)50%，這就意味著會(huì)產(chǎn)生可觀的拖曳力。Vindskip的風(fēng)動(dòng)力技術(shù)就是利用這些相對(duì)風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)向上的正引力，從而減小航行阻力，降低能耗。

對(duì)于一艘商船來(lái)說(shuō)，將風(fēng)所產(chǎn)生的反作用力轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У恼蛄Ρ厝粫?huì)為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。這就造成了Vindskip擁有一型獨(dú)特的船體，包括水下和水上部分，整體外形看起來(lái)就像是一對(duì)機(jī)翼航行于海上。雖然擁有類似對(duì)稱翼型的船形在航行中可利用相對(duì)風(fēng)產(chǎn)生空氣動(dòng)力升力，但若要追求產(chǎn)生航行方向的正引力，那所付出的代價(jià)實(shí)在讓人覺(jué)得沒(méi)必要，該公司首次風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)這點(diǎn)。

圖7 Vindskip型設(shè)計(jì)效果圖

圖8 Vindskip型設(shè)計(jì)利用相對(duì)風(fēng)示意圖

近期Lade公司在克蘭菲爾德大學(xué)進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)以及CFD最優(yōu)化測(cè)試對(duì)提升性能起到了很大幫助，使該型設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)在18°～180°相對(duì)風(fēng)迎角的范圍內(nèi)生成正引力，這可謂是一項(xiàng)令人難以置信的成果。再結(jié)合可根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的電腦控制系統(tǒng)，使該型設(shè)計(jì)最高可降低約60%的能耗以及80%的排放。今年Lade公司計(jì)劃對(duì)水下船體進(jìn)行更多CFD最優(yōu)化測(cè)試，并且在準(zhǔn)備好的模型水池中進(jìn)行可能有船東參與的后繼測(cè)試。據(jù)報(bào)道，目前Vindskip型設(shè)計(jì)可應(yīng)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(duì)比

Norsepower公司旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)

Norsepower公司目前正在研發(fā)一種以旋筒風(fēng)帆（Rotor Sail）作為輔助推進(jìn)動(dòng)力的方案。該型應(yīng)用馬格努斯效應(yīng)的旋筒風(fēng)帆可以稱得上是Flettner旋筒的全新版本，主要應(yīng)用對(duì)象為油船、散貨船和滾裝船。Norsepower旋筒風(fēng)帆方案采用了新技術(shù)、高級(jí)材料，以及尖端控制系統(tǒng)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(shè)備和起重機(jī)并不會(huì)對(duì)安裝產(chǎn)生影響。為了應(yīng)對(duì)不同的船體尺度、航速、運(yùn)行情況，Norsepower旋筒風(fēng)帆設(shè)有3種尺寸，分別高18米、24米、30米。

圖10 Norsepower旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)的散貨船（左）和油船應(yīng)用實(shí)例

Norsepower旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：旋筒風(fēng)帆：提供正向推進(jìn)力，安裝于甲板上，安裝數(shù)量至少為2個(gè)；風(fēng)和GPS傳感器：為自動(dòng)控制裝置提供實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向，以及航速、航向信息；控制面板：船長(zhǎng)可在控制面板上進(jìn)行所有該系統(tǒng)的操作控制；自動(dòng)控制裝置：優(yōu)化旋筒風(fēng)帆的正向推力；電動(dòng)機(jī)：從船上電網(wǎng)獲取電力以供給旋筒風(fēng)帆。

圖11 Norsepower旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)應(yīng)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(yàn)基地進(jìn)行了評(píng)估，在不降低航速的前提下，可節(jié)省燃油成本5%～30%，晚些時(shí)候?qū)⒃贐ore公司的“Estraden”號(hào)上進(jìn)行海試。Norsepower公司的目標(biāo)是成為業(yè)內(nèi)首家擁有先進(jìn)的、有保證的輔助風(fēng)動(dòng)力推進(jìn)產(chǎn)品（作為現(xiàn)成方案交付）。

圖12 Norsepower旋筒風(fēng)帆工作原理

Windship公司輔助風(fēng)帆推進(jìn)系統(tǒng)

根據(jù)英國(guó)Windship Technology公司報(bào)道，目前運(yùn)營(yíng)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(jìng)爭(zhēng)力。該公司目前正在開(kāi)發(fā)一型固定式翼帆系統(tǒng)輔助風(fēng)帆推進(jìn)系統(tǒng)（ASPS），據(jù)稱該系統(tǒng)若用于改裝項(xiàng)目可降低約30%的油耗，新建船應(yīng)用該系統(tǒng)則效果更佳。該系統(tǒng)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(jù)盛行風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速自動(dòng)旋轉(zhuǎn)以最大限度利用風(fēng)力，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出、降低油耗。

根據(jù)勞氏船級(jí)社基于Supramax型散貨船的CFD測(cè)試，該系統(tǒng)在不同環(huán)境中，最多可提供50%以上船舶所需的動(dòng)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(jì)劃于明年早期在其新加坡基地建造并測(cè)試樣本。

圖13 Windship公司ASPS系統(tǒng)工作原理圖

圖14 Windship公司ASPS系統(tǒng)效果圖

從上述這些新近出現(xiàn)的風(fēng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中可以看出，無(wú)論是風(fēng)帆還是旋筒或者其他技術(shù)，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(jìn)力，有效降低船舶能耗，上文所介紹的某些技術(shù)甚至可以降低60%以上的油耗，這是吸引船東的最關(guān)鍵因素。其次，這些新技術(shù)基本都能用于舊船改裝，且對(duì)船體結(jié)構(gòu)或者甲板布置的影響不大，這樣一來(lái)就可擴(kuò)大應(yīng)用面并進(jìn)一步提升船東的興趣。第三就是成本回收快，或者說(shuō)是建造成本低，如Oceanfoil公司翼帆系統(tǒng)只要15 ～18個(gè)月就能收回成本。還有就是可應(yīng)用于大型船舶，在這類船上使用風(fēng)能是大部分船東最感興趣的。這些共性也是船舶風(fēng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。

然而，目前仍存在一些對(duì)于商船使用風(fēng)動(dòng)力的質(zhì)疑，如DNV GL就認(rèn)為風(fēng)是一種相對(duì)不穩(wěn)定的能源，因此不適用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸或那些有季節(jié)性氣候變化的區(qū)域。不過(guò)這并不是說(shuō)風(fēng)動(dòng)力沒(méi)有生存空間，DNV GL肯定了采用電池的混合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。既然這樣，那么使用岸基風(fēng)能系統(tǒng)為電池充電也不失為一種有效利用風(fēng)能的方法。

DNV GL對(duì)于風(fēng)動(dòng)力的顧慮確屬事實(shí)。風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)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(jué)，由于大部分系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例較少，其穩(wěn)定性、安全性及實(shí)際效果有待進(jìn)一步考證。不過(guò)可以肯定的是，某些情況下，風(fēng)動(dòng)力系統(tǒng)確實(shí)具有較大的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。再退一步講，就算不考慮經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)動(dòng)力的環(huán)保性還是無(wú)容置疑的。而隨著技術(shù)的發(fā)展，相信這些優(yōu)勢(shì)將得到鞏固并擴(kuò)大。