乘“风”破浪 | 低碳时代的航海新动力

低碳时代 路在何方

19世纪，蒸汽机时代及随后的柴油发动机时代见证了风帆商船的消亡。但是以风力作为动能也许正在经历一场不不可思议的复兴。

国际海事组织对于利用种种措施减少船舶排放的温室气体(GHG)有很高的期望。为了取得预期的效果，很重要的一点是通过提高船舶运营效率来实现，但几乎可以肯定的是，这将需要对船舶的燃料和动力方式进行重大改变，一个可能的解决方案是利用风能。

帆动力本身并不是实现零碳推进方式的神奇解决方案。但如果加以利用，风力推进可以减少船舶的燃料消耗，从而降低温室气体的排放。当然，困难在于如何利用风力，这是航海者们几千年来一直在试图解决的问题。

现代风力推进有多种形式，其中一些已经被用于海上商船。

转子帆

安装在船舶开放甲板上的圆柱形转子利用“马格纳斯效应”产生推力。

当受到风的影响时，转子（本质上是一个大型马达驱动的旋转气缸）两侧的空气速度差异会导致压差。这种压力差产生一种推动船前进的力，这和旋转足球在空中曲线飞行的原理是一样的。

它的基本概念是在一个世纪前创造的，在1924年，“Buckau”号是第一艘装有“Flettner”旋翼的帆船。但当时高昂的安装成本和低廉的燃料价格导致人们缺乏进一步发展该技术的动力。

Image Credit: Norsepower

目前商业上只有很少几艘船使用转子帆。也许最引人注目的是LR2级油轮“Maersk Pelican”，它在2018年安装了两个“Norsepower”的转子帆。劳氏船级社对其运营进行了监管，并报告在第一年的运营中节省了8.2%的燃料成本。

这与BMT的研究是一致的，他们指出，考虑到由于摇摆力增加的倾侧力矩和来自上风舵的额外舵阻力而造成的效能损失很小，在一艘现代船舶上安装两个转子帆可以节省10%的燃料。国际风帆协会(IWSA)秘书长Gavin Allwright更为乐观，他报告称改装后的普通货船节省了20%的燃料。他还预测，在优化后的新造船上使用风力辅助，可以节省30%以上的燃料。

一些转子帆有一个翻倒装置，所以它可以水平放置，这在进行货物装卸时会比较有用。

吸力翼帆

吸力翼帆是一种非旋转翼面，它的前缘可以自动调整到相对于风的最佳角度。翼帆的外形利用空气动力学来产生推动船舶的推力。

荷兰公司eConowind的 “ventifoil” 就是一个例子。他们安装了可伸缩的翼形帆， 可以直接装到露天甲板的船体结构上，也可以装在箱体内。如果天气海况不佳，则可以收回“ventifoil”。

Image Credit: eConowind

牵引风筝

像SkySails这样的系统使用一个牵引风筝，并用绳子连接到船头。风筝由驾驶台上的控制面板操纵，这样就能在船的前方操纵它以产生推进力。

刚性（硬）帆

刚性帆的外形类似于飞机的机翼，其工作原理与之相似。一艘预计将于2022年交付的煤炭运输船“MOL WIND CHALLENGER”号上将安装一个硬帆系统。据称，安装在前甲板的伸缩式刚性帆在日本-澳大利亚航线中可减少约5%的温室气体排放，在日本-美西航线中可减少约8%的温室气体排放。

风力推进的潜在问题

毋庸置疑，风力推进只有在有风可以利用的情况下才有效。尽管船舶使用风力推进的历史很长，但现代的解决方案与过去的解决方案非常不同。我们仍处于学习阶段，每种风力推进技术都有其自身的风险和问题。例如：

维护：帆的系统将需要维护，固定系统如果没有运行且无法存放，可能会对船舶的效率产生负面影响。

货物操作：不可伸缩和固定的系统可能会妨碍货物操作，如限制船吊运行或传送带布置。在货物操作过程中，特别是在船吊移动过程中，它们也很容易受到损坏。

载货能力：由于帆被安装在甲板上，所需的空间会影响船舶的载货能力。

尺寸：较大表面积的帆会影响驾驶室的视野，增加船舶的风阻，并需要考虑额外的重量。

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