“返璞归真”——看我风动力船 !!
航运业目前正面临着许多挑战，比如燃油成本、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，还有生物能、太阳能、风能等。
不过鉴于技术、配套等限制，替代能源技术短时间内还无法实现普及，但其巨大的潜力却是全球公认的，下面我们来看看一种传承了几个世纪的能源——风动力。
风帆在船上的应用已有数千年之久，约160年前，高速帆船(Clipper)仍是当之无愧的“海洋之星”，她们通常采用三桅、方形横帆、三角前帆、斜桁后桅结构，最多可搭载750t的人或物，以20kn的航速日行450nm，航迹遍布全球，这些数据就算放到现在，也足以为人们所称道。
到了近代，随着人类科技的高速发展，机械动力慢慢取代了风帆，如苏伊士或巴拿马运河之类的运河也因不适合帆船而加速了风帆的落幕。不过，当时间之轮转过21世纪，当节能环保越来越为人们所提倡时，世界又一次将目光缓缓移向了风动力这一没有任何油耗和排放的绿色能源。
目前，世界各地出现了不少关于风动力船舶的项目研究，且亦已出现投入运营的实船，例如“Tres Hombres”号帆船。
该船为一艘没有安装任何发动机的传统横帆帆船，自2009年春开始投入运营，主要用作杂货船在大西洋中进行朗姆酒、葡萄酒、可可豆和医药品的运输。从其这几年的运营情况来看，还是值得肯定的。不过就现在已知的风动力船舶项目中，大部分采用的是结合了风能的混合动力概念，当其进行长距离航行时，可利用信风的风力降低最高80%～90%的油耗。
在设计时，由于风动力设备所占空间一般都较大，既要做到能提供理想的动力，又要保持船体稳定性和尽量不影响装载能力等，因此如何将其以最佳方式结合到船体是难点之一。此外，风动力设备的控制也是关键之一，通常包括风帆的收放、角度的调整，以及和其他动力设备之间如何保持平衡等。
由于看到了风动力船的曙光，众多北海区域的大学、研究机构等联合到一起，开始了针对风动力或混合动力船舶商业化运营的可行性研究和技术开发，项目取名为“NSR Sail”。
项目组中的专家来自欧洲各国，如德国、丹麦、瑞典、英国、比利时、法国、荷兰等，将合作进行一系列的任务，主要包括船型优化、帆装、动力设备布置等方面的技术研究和设计，以实现风动力和发动机推进的最理想配置。其他任务还有经济性研究和寻求政府支持等。
如今，“NSR Sail”项目已产出了一些成果，如GDNP(Gerard Dijkstra´s Office)的船舶工程师就开发了一型名为“Ecoliner”的概念船型。该型船为一艘长138m，宽18m的杂货船，主要动力来源为一套革命性的DynaRig风帆系统。
该新型风帆系统由Dykstra公司开发，包含4根独立的可旋转180°的桅杆，每根桅杆上配有5张安装于曲桁上的横帆。该型船的理论最大航速可达18kn，不过实际上还是要取决于装载的货物、风速、风向等因素。设计航速为12kn，当风动力不能满足该航速时，一台电动机将开始运作以补充动力，且该电动机单独运作时也能满足12kn的航速要求。
通过模拟计算，在同样的航线、装载以及航速的情况下，“Ecoliner”号不仅油耗和排放均显著减少，运营成本同样有所降低，且在较低航速时尤为明显。
DynaRig系统的风帆为全自动化控制，操作非常简便，只需按下按钮，就可将桅杆旋转到最佳角度以承受最大的风力推进，从而达到最大航速。当遇到必须收帆的情况时，也只要按一下按钮就能实现，此时4根桅杆上的20张风帆将从顶部开始逐步收起。不过在使用时，这些风帆必须全部升起，而不是只张开一部分。
目前GDNP的工程师期望能得到“NSR Sail”项目的资金支持以完成“Ecoliner”帆船的风洞试验，从而对其进行进一步研发。另外，Fair Transport Trading & Shipping公司正计划建造首艘该型帆船，建成后将投入跨大西洋贸易，同时也是作为一种宣传，但该公司并未公布确切的开工及下水时间。
另外，DynaRig风帆系统还可用于其他多型船，如油船、散货船、重货运输船、游艇等。Perini Navi公司在2006年推出的被誉为世界最豪华游艇之一的“马耳他猎鹰”号采用的就是DynaRig风帆系统。当时该88m的游艇为3桅15帆结构，风帆总面积2,400m2，最大航速18kn，可于10天内跨越大西洋。
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。这些船包括两艘10万载重吨级散货船，一艘20万载重吨级散货船，以及一艘油船。
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。
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。
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100~150m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。
日本方面，东京大学也在主导进行一项大型风动力货船项目——“风之挑战者”的研究。参与该项目的其他成员还包括日本邮船、商船三井、川崎汽船、大岛造船、多田野公司和日本船级社。
“风之挑战者”号是一艘18万载重吨的好望角型散货船，船上安装有9张可旋转的刚性翼帆，帆高50m，宽20m，采用曲面中空设计，帆布的材质为碳纤维强化塑料(CFRP)。每个帆均由5个连接的部分组成，因此在靠港时或恶劣天气条件下可收缩以方便装卸货物和提升船舶安全性。
同时，每个帆有单独的电机控制，使得其都能以最好的角度捕捉风能，从而获得最大的推进效率。除风帆提供动力以外，该船还将配备柴油机以供港内和海上风力较弱的情况下使用。
项目组的最终目标是要将该船CO2的排放量降至同尺寸采用传统柴油机船舶的一半。通过以横滨—西雅图航线为例模拟实验，预计该船每年至少可以减少约30%的平均燃料消耗。成本方面，每个帆的价格约为250万美元，以每年节省30%的燃油为参考，约5～10年便可收回成本。不过据报道，目前该项目还没有实船建造计划。
Gavin Allwright公司牵头的“Greenheart”项目是一个公益项目，旨在为波利尼西亚群岛的贸易服务，降低该群岛的运输成本。由于波利尼西亚群岛资源有限，贸易运输量不大，而各岛互相之间距离又较远，加之油价高企，从而使运输成本非常高，相对贸易利润就变得较低。
“Greenheart”项目所研发的船型拥有坚固的船体，加上舭龙骨的设置，使该型船不仅可以装卸大型货物，更可在各岛海滩上任意停靠，甚至不需要码头。船上的动力主要由风帆和太阳能板提供。
此外，船上安装风帆的桅杆还拥有起重机功能，可处理较重的货物。由于不使用昂贵的燃油，因此该型船可大大降低运输成本，从而有利于波利尼西亚群岛的贸易并促进该地区的发展。
据报道，首艘“Greenheart”船将在孟加拉国建造。若按照最新的版本，该船总长31.5m，宽7.8m，排水量220t，风帆面积300m2，太阳能板面积125m2，主机为2台200kW的直流电动机，采用铅酸电池，货物装载能力为3TEU/50t，航速10～11kn。
值得一提的是，该项目的设计资料均是公开的。参与项目设计的每一个人，不论是专家还是业余爱好者，均为免费服务，类似于公益活动，因此任何人都可以得到该型船的设计资料以进行建造，就像开放源代码的软件一样。
Sauter Carbon Offsets Design公司(SCOD)的“E-Max Ultra Green Pure Care Carrier”项目是一艘为Wallenius & Wilhelmsen公司(W&W)设计的新一代纯汽车卡车运输船，其最大的特点就是混合动力及巨大的尺度。
混合动力的最大功效就是节能减排，大尺度则是为了除规模效益外，还能更方便地安装各类节能装置，如太阳能板和风帆。
“E-Max”型PCTC概念图
结合这两个特点后，“E-Max”型PCTC有望降低50%的油耗，运营20年所节省的燃油成本就将超过船本身的建造费用，同时运营期内还可减少一百万吨温室气体排放。“E-Max”船型的节能减排措施可分为5个方面，分别为：
(1) “E-Max”型PCTC的船宽较宽，可显著降低油耗。根据瓦锡兰的计算，船体尺度每增加10%，油耗就可降低4～5%。
(2) 最大化水动力效能。船上采用了三菱重工的“空气润滑系统”(MALS)，可在船体底部产生气泡以减少阻力，再加上对转螺旋桨，从而有效提升了推进效能，最高可达15%。
(3) 全方位利用太阳能。该型船不仅在顶部安装了Solbian太阳能电池板，船侧面同样有覆盖以利用水面反射的阳光，最多能降低10%的油耗，被设计者称为目前市场中最高效的太阳能板应用。值得一提的是，该型船的太阳能发电系统没有任何运动部件且不需要维护。
(4) 高效的风帆。该型船所安装的10块风帆均采用全自动控制，可全方位旋转和完全回收，从而有效利用各个方向的风，能减少约15%的油耗。此外，这些风帆基本为透明，其上还配有太阳光放大膜，可将透过膜照射到甲板太阳能电池板的光放大。
(5) 先进的发动机。船上发动机采用的是先进的瓦锡兰双燃料发动机，使用柴油或LNG燃料，可降低20%的油耗和更高比例的温室气体。
据SCOD相关人员称，之所以称该型船为“E-Max”，是因为在该型船上利用现有技术实现了效率、能源、生态和经济(Efficiency、Energy、Ecology、Economy)的最大化。当然，“E-Max”概念不仅可以用于PCTC，一些其他船型也同样适用。
Vindskip是由挪威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。
一艘以平均航速17~18kn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。
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。
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。
“E-Ship 1”号为一艘采用Flettner风力旋筒的混合动力货船，由位于德国基尔的Lindenau船厂建造，船东为著名的德国Enercon公司，该公司同时也是Flettner旋筒的开发者。
2010年投入运营后，“E-Ship 1”号主要用来为该公司在全球范围内运输风机组件。该船长130m，宽22.5m，主机总输出功率3,500kW。其推进主要依靠汽轮机和Flettner风力旋筒，从汉堡航行至都柏林所消耗的燃料只有同尺度船的50%。
该型旋筒高27m、直径4m，利用马格纳斯效应，在运动的气流中旋筒通过旋转产生一个垂直于气流方向的横向力，引导风力产生向上的举力，通过调整旋筒的转速，举力的大小和方向可调，从而产生向前的推力。“E-Ship 1”号上总计设有四个该型旋筒，两个布置在桥楼后方，两个布置在船尾。
Flettner旋筒最早出现于上世纪20年代，当时虽较有希望继续应用于常规航海，但到了上世纪30年代，柴油机和蒸汽轮机的出现却大大限制了其发展。Enercon公司认为油价的高位运行正是旋筒式风力推进船回归市场的契机。
Norsepower公司也在研发一种以旋筒风帆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旋筒风帆设有三种尺寸，分别高18m、24m、30m。
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，安装数量至少为两个；
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%，已在Bore公司的“Estraden”号上进行海试。
德国Sky Sails公司在风动力研究上提出了另一种独特的理念，即在传统动力船舶上安装一个特别的类似于风筝的“天帆”系统。“天帆”的工作原理就是结合风筝的空气动力学，飞艇的平稳和可靠性，以及现代通讯等技术，为大型商船提供额外动能，一般情况下可降低10～15%的油耗。
当然，具体能节省多少燃油，还是要看当时的天气情况，理论上最大可达到50%。
该型风帆设置在船首位置，布置于一根撑杆之上，有8种运作姿态，采用自动控制，为获得较强的风动力，风帆主体离水面的高度在100～300m之间。
首个“天帆”系统已在2007年成功安装于6,300t的“Beluga Sky Sails”号上。该船于2008年横渡大西洋后，宣称该型风帆能提供20%的推进动力，从而显著减少了油耗。当时船上所采用的是160m2的“天帆”，之后将替换成320m2的。
Sky Sails公司称，该型风帆是目前效率最高的风动力设备，每平方米的帆所能提供的推进力是传统风帆的5～25倍。据报道，当前全球已有4艘船舶安装了Skysail风帆，另外还有4个项目正在进行中。另外，美国KiteShip公司也有相类似产品。
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，安装于两根35米高的船桅上，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。
风动力的优点就是节能减排、绿色环保，正符合当今世界船舶发展理念。除了上述船型外，还存在着不少风动力船舶，或已有实船，或仍在概念开发，如STX欧洲公司提出的5体豪华旅游船(5根船桅，风帆总面积12,440m2)，乌斯坦公司的LNG/客货两用运输船(船体安装4台覆有集光板的风帆)。
不过事物都是具有两面性的，风动力同样存在着不少缺憾，如对风的依赖，若风速风向不稳定，则船舶航行也将受到较大影响。因此为保证基本的航行能力，混合动力是目前风动力船舶发展的趋势之一，上述船型基本均采用混合动力。
其次是受地理位置影响，并不是所有海域都适用风动力的。再者就是技术的不成熟，传统的风帆操作肯定已不适用于现代，而新的技术刚刚起步。
此外，也并不是所有船型均适用风动力。就目前技术情况来看，若将风动力作为主要动力，大吨位的船型将较难应用，且由于风动力设备对空间有一定要求，因此集装箱船的应用也较少。风动力设备的控制，以及与船舶的有效结合是开发风动力船舶的关键。
虽然风动力船在世界航运界的应用还很少，离真正的崛起还有很长一段路要走，但其潜力和未来需求却是值得肯定的。
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