近日，由大連船舶重工集團有限公司牽頭承擔的國家高技術(shù)船舶科研計劃“風帆技術(shù)示范應用開發(fā)”項目風帆制作正式開工。該項目旨在研究風帆-主機混合動力推進系統(tǒng)，掌握風帆設計、制造與應用的關(guān)鍵技術(shù)，完成風帆在超大型油船（VLCC）上的示范應用，提升我國船舶節(jié)能環(huán)保整體技術(shù)水平。
在全球船舶污染排放限制、節(jié)能環(huán)保法規(guī)日趨嚴格的情勢下，研發(fā)風力輔助推進系統(tǒng)，利用風能促進大型船舶節(jié)能減排，成為造船業(yè)綠色發(fā)展的現(xiàn)實選擇。相關(guān)實際應用及研究已表明，在散貨船、油船等大型遠洋船舶上安裝風力輔助推進系統(tǒng)，能夠有效替代部分需燃油供給的動能，降低船舶油耗成本。此外，風能與太陽能的“強勢混搭”，還可為船舶提供更為強勁的動力。
資料圖：旋筒式風帆
借來“東風”替代油，
風帆輔助節(jié)能減排
“風帆節(jié)能減排的效果，主要看風能在船舶推進動力中所占的比重，也就是說，一艘船能借來多少‘東風’，就替代多少燃油，這與船舶自身的整體動力設計方案、風帆技術(shù)的發(fā)展水平及實際使用情況等直接相關(guān)。”中國船舶重工集團公司第七一四研究所高級分析師曹林說。
從理論上講，對于以“機為主、風為輔”的船舶，風帆輔助動力可以為之節(jié)省50%的燃油，但目前已采用機帆混合動力的大型遠洋船舶及相關(guān)應用研究表明，風帆技術(shù)尚達不到這個水平。盡管如此，風帆輔助動能在節(jié)能減排上的“功勞”也不容小覷。
由大船集團牽頭的“風帆技術(shù)示范應用開發(fā)”項目，是我國節(jié)能環(huán)保示范工程之一，2014年被列入工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研專項。在風帆輔助節(jié)能減排方面，該項目VLCC可實現(xiàn)在相同航速下平均日油耗降低12%以上。廈門船舶重工股份有限公司正在為芬蘭維京郵輪公司（Viking Line）建造的2800客位游輪型客滾船，將配備雙燃料主機并安裝旋轉(zhuǎn)風帆。數(shù)據(jù)分析顯示，在合適的風力及航速條件下，該客滾船應用旋轉(zhuǎn)風帆可獲得25%的節(jié)油效果。
今年1月，芬蘭風力輔助推進系統(tǒng)（AWPS）供應商Norsepower Oy與維京郵輪簽訂協(xié)議，為該公司的一艘液化天然氣（LNG）燃料動力渡船安裝高24米、直徑4米的風帆，這可以使該船每年降低20%的燃料成本，減少二氧化碳排放量約900噸。
資料圖：風箏式風帆
近年來，國際海事組織（IMO）關(guān)于全球二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等船舶空氣污染物的排放限制越來越嚴格，船舶工業(yè)對于清潔燃料、清潔能源及相關(guān)技術(shù)的需求不斷增加。作為可再生能源，風能成為重要備選項。DNV GL最近發(fā)布的《能源轉(zhuǎn)型展望》報告預測，風能將推動可再生能源使用的持續(xù)擴張。
不過，要再現(xiàn)大型遠洋貨船千“帆”競發(fā)之景，仍需時日。“風帆的應用給船舶動力系統(tǒng)、甲板布置、船體結(jié)構(gòu)等造成的問題還需要進一步解決，風帆輔助推進系統(tǒng)及設備成本較高，給機帆混合動力系統(tǒng)的大規(guī)模應用帶來一定影響。”曹林說。
太陽能“加持”，
機帆混合動力更強勁
人類社會對于風帆助航的運用有著悠久的歷史，工業(yè)革命帶來動力革新，蒸汽機、柴油機的運用極大地提高了船舶的運輸效率，也使得風帆逐漸淡出了人們的視野，尤其在大型遠洋船舶上的應用幾乎絕跡。
20世紀七十年代，受第一次石油危機影響，為了減少油耗、降低成本，一些國家開始研制風帆輔助動力船舶。1980年，日本建造了全球首艘風帆混合動力油船“新愛德丸”號。該船安裝了2個高12.15米、寬8米的風帆，風帆的角度、收放由計算機自動控制，并通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動實現(xiàn)。從某種意義上說，該船開創(chuàng)了風帆在現(xiàn)代船舶應用的先河。此后幾年，日本又相繼建造了多艘風帆輔助動力運輸船。
在節(jié)能環(huán)保要求不斷提高及船舶日益大型化的形勢下，很多國家都進行了風帆輔助動力技術(shù)的研究和實船試驗，風帆在結(jié)構(gòu)設計、材料運用以及智能化等方面都有了較大改進。
2007年，全球第一艘風箏貨船“白鯨天帆”號從德國漢堡市起航，橫渡大西洋駛往美國休斯敦，懸在該船上方的巨型高科技風箏“吃飽”風力，供給前進動力。2015年，挪威一艘新型貨船以船身為帆，從海風中獲得動力持續(xù)前進，僅以LNG為補充燃料，無需使用燃油，十分環(huán)保節(jié)能。
資料圖：以船身作風帆
今年8月，英國勞氏船級社（LR）宣布加入Quadriga可持續(xù)航運項目，參與建造全球最大的風帆動力貨船——一艘長170米的汽車運輸船。該船將配備4根桅桿安裝風帆，使用風帆和柴油發(fā)動機混合推進動力，高峰負荷時還可啟用電池系統(tǒng)。
風能使用方式相對單一，且不夠穩(wěn)定，而集風能和太陽能于一體的太陽能電池帆，可有效補齊這一“短板”。日本生態(tài)船舶動力公司(EMP)已成功研制出太陽能電池板EnergySail，將在明年進行海上實船試驗。EnergySail是一種安裝在船舶甲板旋轉(zhuǎn)桿上的剛性帆，內(nèi)嵌在帆中的太陽能電池板可收集風能和太陽能，并轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池中，供給通常由輔助發(fā)電機提供的電力，可以大幅減少船舶油耗和溫室氣體排放。這些帆板由計算機控制，根據(jù)風力狀況調(diào)節(jié)其方位以減少阻力，并持續(xù)收集能量。
資料圖：太陽能風帆
此外，日本郵船正在研發(fā)全新環(huán)保集裝箱船，主要以LNG為動力，輔以太陽能電池及風帆推動，預計于2030年正式面世。
