【专题研究】风动力船舶发展新动向
一、前言
航运业目前正面临着许多挑战，比如较高的燃油成本、运力供大于求，以及越来越多的排放控制区和更严格的环保法规等。这些挑战无疑给船东、运营商、设计建造单位带来了很大压力，不过同时也反过来催生出了大量先进的节能环保技术。其中，改进动力系统可谓是众多的新技术、新产品中最能解决问题的方法之一，如近期较热门的LNG燃料、电力推进等。此外，作为一种“原始”的动力，风能也在逐渐回归人们的视野。得益于过去的风帆动力船舶都是跟随信风航行，因此主要的航运港口均建在了信风最强的地方，这对风动力的发展称得上是一种利好。近年来已有不少公司和研究机构对船舶风动力技术进行了深入研究，并诞生了多项创新技术，实现了风能的现代化利用，下文将简单介绍一些新近研发的船舶风动力技术。
二、船舶风动力系统发展近况
曼彻斯特大学的Michael Traut博士目前正在逐步完善一系列模型以评估各种风力推进系统在商船航运领域应用的潜力，包括Flettner旋筒、风筝和风帆。他的主要目的之一就是为船东提供必要信息以助其作出是否值得更换成风动力的决定。到目前为止，各种评估工作表明风动力在某些情况下最多可以降低船舶50%的油耗。
Traut博士表示，先期能打开市场、展现风动力特色的应该是较小船型。因为越小的船型，从风动力技术上获得的收益越大。而对于大型船，即使增加船上使用的风动力装置，其增长的推进功率也不会成比例增加。不过，虽然较小船型会首先应用风动力是普遍共识，但很明显，船东最关心的肯定还是大吨位船型应用风动力技术的经济性。
1．Oceanfoil公司翼帆系统
Oceanfoil公司的翼帆系统是一型可用于大型商船的风动力系统，目前该公司正在和两位船东进行最后阶段的商谈，主要内容就是让其数艘新加坡籍货船试验该公司的Oceanfoil翼帆系统。这些船包括2艘101000 DWT的散货船，1艘200000 DWT级散货船，以及1艘油船。
每一个Oceanfoil翼帆由3块与尾鳍或舵相关联的风板组成，看起来就像是3张竖着的机翼。之所以采用机翼的形状，是由于机翼的曲率最适合产生推力，因此称得上是一种理想的捕获风力用以推进的形态。
每个翼帆可自由地安装于一根中心轴上，不使用时就处于一种“羽毛”模式。安装方式主要分两种，一种可以产生向前的推力，另一种是可用于船舶减速的尾向推力。翼帆由舰桥中的电脑实现自动控制，无需船员。当启动时，电脑会根据风向自动优化翼帆的方位以实现最大效能。
该翼帆系统的主要特点为：
为船东和运营者节省双倍的燃油
可使船舶以较低的发动机输出功率达到所需要的航速
降低发动机负荷，从而减少维护需求
省下的成本可用于在排放控制区（ECA）使用更昂贵的蒸馏燃油。
补足其他一些有效降耗措施和技术，如低速航行、减阻涂料，以及按气候优化航线等。
通过CFD和水池试验，Oceanfoil公司证明该风动力系统可以降低15~20%的油耗，15~18个月就可以收回安装该系统的成本，船东也因此对其产生了更浓厚的兴趣。目前该公司正与伦敦大学的研究员一起开发相关软件，以帮助船东确定最优航线，优化基于船东需要在什么时间用船以及多少天的航程。另外，系统在经过修改后，可适用于特殊船舶需求，例如需要同时打开货舱舱口盖的情况。此时翼帆可往下折叠，而且和标准版的Oceanfoil系统一样，无需船员介入，也不需要对船员进行特别训练。
经过专家组计算，一艘船最多可安装6组Oceanfoil翼帆，其中较小船型的适用数为2~3个。
2．Solar Sailor折叠式风帆系统
Solar Sailor公司对于风帆影响散货船空间和可达性的解决方案同样也是折叠翼帆，当风帆张开时，面积将扩展至2倍或4倍。该设计中，船桅可向下折叠至甲板，与货舱口齐平。该公司称，这是一种理想的解决方案，船舶只要经过简单改装就能实现，并不会对货物处理设备产生重大影响。所有该风动力系统设备均能巧妙地、轻松地安装，只需要对船体进行最小限度的穿透操作，甚至有些情况下几乎不需要。图4为该公司前几年开发的折叠式太阳能风帆船型，以供参考。
3．Innovative Marine Technology公司Cargoproa系统
Innovative Marine Technology公司的Cargoproa系统是一型适用范围较广的风动力系统，集装箱船和油船均适用。将Cargoproa系统结合到船上后，就成为了快速帆船结构，看起来就像是一条独木舟加上弦外支架。弦外支架的帆航空间结构可使船拥有比起单体时大得多的风帆，借助这样的大型风帆，船舶航行时就不必再一直使用发动机进行推进了。
Cargoproa系统的空间构架采用刚性结构，设有2根船桅和1根前帆桁，加上该3根桅/桁之间的结构，就组成了一个四面体。这样的配置就避免了只能依赖船桅的情况。该系统的两根船桅很高，可使船利用到海平面上100~150 m的风力，这个高度的风速要远大于海平面风速，可以媲美风筝型的风动力推进系统。高船桅还可提供足够大的风帆面积以获得能代替柴油发动机所产生的推进力。此外，借助Cargoproa系统的弦外支架，集装箱船在航行时产生的横摇将被最小化，且在高海况下还可降低货损概率。由于Cargoproa系统使船拥有了更好的稳性，因此对于压载水的依赖也将变得更小。当然，更重要的是该系统可让船舶拥有高效的帆行能力，包括后弦风驶帆、前舷侧风驶帆，以及顺风驶帆，可谓是对风的全方位利用。若环境合适，最高可降低远洋航行的船舶100%的油耗（不包括港口操作）。
Cargoproa系统在连接时非常便捷，哪怕是在集装箱船关闭发动机并由于波浪和风产生横摇和纵倾的情况下，这是由于该系统的组合机构可以确保安全和可控的连接过程。连接装置安装在集装箱区域之间，并与固定在舷缘上的简单装置相连。当船舶位于出发港或到达港时，Cargoproa部分将停留在限制区域之外，其与船舶组合或分离也将在这类海域进行。下图为Cargoproa系统的连接过程示意图，左上为初始状态，右上为系统在调整好形态后驶向目标船，左下为连接中，右下为完成状态。
4．Lade公司Vindskip设计
Vindskip是由Lade公司设计的一型混合动力远洋商船，采用介于在水上帆行和飞行的风动力系统以及LNG动力。其风动力系统的灵感来自于航空和航天工业以及帆船界等高度受到风况影响的领域。1艘以平均航速17~18 kn航行的商船，无论选择什么航线，其在逆风状态下的航行时间都将超过50%，这就意味着会产生可观的拖曳力。Vindskip的风动力技术就是利用这些相对风产生一个向上的正引力，从而减小航行阻力，降低能耗。
对于一艘商船来说，将风所产生的反作用力转变为有效的正向力必然会为设计工作带来一些挑战。这就造成了Vindskip拥有一型独特的船体，包括水下和水上部分，整体外形看起来就像是一对机翼航行于海上。虽然拥有类似对称翼型的船形在航行中可利用相对风产生空气动力升力，但若要追求产生航行方向的正引力，那所付出的代价实在让人觉得没必要，该公司首次风洞试验已经证实这点。
近期Lade公司在克兰菲尔德大学进行的风洞试验以及CFD最优化测试对提升性能起到了很大帮助，使该型设计有望实现在18°~180°相对风迎角的范围内生成正引力，这可谓是一项令人难以置信的成果。再结合可根据风向风速进行自动调节的电脑控制系统，使该型设计最高可降低约60%的能耗以及80%的排放。今年Lade公司计划对水下船体进行更多CFD最优化测试，并且在准备好的模型水池中进行可能有船东参与的后继测试。据报道，目前Vindskip型设计可应用于滚装船、客滚船、PCTC、客船和集装箱船。
5．Norsepower公司旋筒风帆系统
Norsepower公司目前正在研发一种以旋筒风帆（Rotor Sail）作为辅助推进动力的方案。该型应用马格努斯效应的旋筒风帆可以称得上是Flettner旋筒的全新版本，主要应用对象为油船、散货船和滚装船。Norsepower旋筒风帆方案采用了新技术、高级材料，以及尖端控制系统以降低油耗，既可用于新船，也可用于旧船改装，甲板上的货物操作设备和起重机并不会对安装产生影响。为了应对不同的船体尺度、航速、运行情况，Norsepower旋筒风帆设有3种尺寸，分别高18 m、24 m、30 m。
Norsepower旋筒风帆系统主要包括以下几个部分：
旋筒风帆：提供正向推进力，安装于甲板上，安装数量至少为2个。
风和GPS传感器：为自动控制装置提供实时风速、风向，以及航速、航向信息。
控制面板：船长可在控制面板上进行所有该系统的操作控制。
自动控制装置：优化旋筒风帆的正向推力。
电动机：从船上电网获取电力以供给旋筒风帆。
该方案的样本已在公司位于芬兰楠塔利的试验基地进行了评估，在不降低航速的前提下，可节省燃油成本5%~30%，今年晚些时候将在Bore公司的“Estraden”号上进行海试。Norsepower公司的目标是成为业内首家拥有先进的、有保证的辅助风动力推进产品（作为现成方案交付）。
6．Windship公司辅助风帆推进系统
根据英国Windship Technology公司报道，目前运营的散货船中，有40%的船龄小于5年。新一代散货船的油耗普遍要比老旧散货船低15%左右，这就降低了老龄散货船的竞争力。该公司目前正在开发一型固定式翼帆系统——辅助风帆推进系统（ASPS），据称该系统若用于改装项目可降低约30%的油耗，新建船应用该系统则效果更佳。该系统采用固定式翼帆，安装于2根35 m高的船桅上，每根3张翼帆，可根据盛行风风向和风速自动旋转以最大限度利用风力，从而减少发动机功率输出、降低油耗。
根据劳氏船级社基于Supramax型散货船的CFD测试，该系统在不同环境中，最多可提供50%以上船舶所需的动力，在合适的环境中可降低典型散货船30%的燃油成本。Windship公司计划于明年早期在其新加坡基地建造并测试样本。
三、小结
从上述这些新近出现的风动力推进系统中可以看出，无论是风帆还是旋筒或者其他技术，它们是具有一定共性的。首先就是可以为船舶提供一定的推进力，有效降低船舶能耗，上文所介绍的某些技术甚至可以降低60%以上的油耗，这是吸引船东的最关键因素。其次，这些新技术基本都能用于旧船改装，且对船体结构或者甲板布置的影响不大，这样一来就可扩大应用面并进一步提升船东的兴趣。第三就是成本回收快，或者说是建造成本低，如Oceanfoil公司翼帆系统只要15~18个月就能收回成本。还有就是可应用于大型船舶，在这类船上使用风能是大部分船东最感兴趣的。这些共性也是船舶风动力推进系统的优势所在。
然而，目前仍存在一些对于商船使用风动力的质疑，如DNV GL就认为风是一种相对不稳定的能源，因此不适用于远洋运输或那些有季节性气候变化的区域。不过这并不是说风动力没有生存空间，DNV GL肯定了采用电池的混合系统的优势。既然这样，那么使用岸基风能系统为电池充电也不失为一种有效利用风能的方法。
DNV GL对于风动力的顾虑确属事实。风动力系统并不是所有船型、所有航线都适合，给人一种“看天吃饭”的感觉，由于大部分系统的实际应用案例较少，其稳定性、安全性及实际效果有待进一步考证。不过可以肯定的是，某些情况下，风动力系统确实具有较大的节能减排优势。再退一步讲，就算不考虑经济性，风动力的环保性还是无容置疑的。而随着技术的发展，相信这些优势将得到巩固并扩大。
