微课点睛 

风力驱动装置的主要类型

1. 风筝帆

        风筝帆又称天帆，由牵引绳索与船体相连，下挂控制吊舱。其优点在于可有效利用上层稳定而强劲的风力，且不占用甲板面积，不影响船舶主尺度。当然，也存在因过于笨重而难以控制的缺点。

世界上第一艘用“风筝”拉动的货轮——白鲸天帆号

2. 旋筒风帆

        旋筒风帆也被称为弗莱特纳转子，原型由德国工程师安东·弗莱特纳于20世纪20年代设计，利用了马格努斯效应。该风帆通过驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，为船体提供前行的推力。与其它风力驱动装置相比，旋筒风帆更轻巧、更灵活、应用更广泛，可以在油轮、客轮、散货船、滚装船等多种具有空旷甲板面的船型上安装。

3.翼型风帆

        翼型风帆的剖面与飞机机翼相似，它利用伯努利原理，即空气流过翼型上下面时的速度不同而产生压差力，再通过调整风翼的迎风角度，利用压差力来推动船舶前进。按照剖面曲线形状，其帆型可分为层流型、圆弧型、普通型和卧背型，不同种类的帆空气动力特性各不相同。

伯努利原理

4．抽气式涡轮帆

        抽气式涡轮帆是纵向开缝吸气式固定风筒。这种固定式风筒所获得的气动力比旋转式风筒要小，但其结构简单，风筒稳性好。

风帆助航的发展现状

    日本于1980年建成了全球第一艘现代帆船“新爱德丸”号，是目前世界上风力辅助推进技术最为先进的国家之一，其投入营运的现代风力辅助船共有十几艘。欧洲老牌造船国家如德国、法国、英国、荷兰、挪威等也一直走在风力研究的前沿，德国“天帆”公司于2007年研发制造了风筝船——“白鲸天帆”号。

    在国际上，翼型风帆的研究主要以东亚为主，旋筒风帆的研究以欧洲为主。目前，高达几十万吨级的远洋货轮才是风力辅助系统的重点服务对象。

        2023年1月30日，法国酒店业巨头雅高集团（Accor）旗下的东方快车（Orient Express）品牌酒店推出了全球最大的风帆助航邮轮——东方快车Silenseas号。这艘长220米的风帆邮轮采用风力和液化天然气（LNG）混合动力推进技术，配备了大西洋造船厂开发的“Solid Sail”翼帆系统，预计能够降低25%-40%的船舶二氧化碳排放量。

        2018年，由中船重工研制、大连船舶重工建造的世界第一艘以风力作为助推动力的“凯力”号大型油船成功交付，填补了国际上30万吨级大型风帆船舶的空白，是当时最大吨位的风力辅助船舶。中船重工设计师借鉴了郑和船队的风帆，在“凯力”号巨轮的两舷位置各安装了一部高39.6米，宽14.8米的大型硬质翼面风帆，也属于上文提到的翼型风帆一类，大大降低了巨轮的能耗和二氧化碳的排放量。

        值得一提的是，欧盟分析报告预测，到2030年，潜在的风力推进市场将需要安装3700至10700套系统，能减少大约350万至750万吨的二氧化碳排放。在全球气候治理的背景下，航运业“脱碳”是大势所趋，需要探索尝试各种节能减排技术。随着科学技术的进步，计算机与自动控制等技术的发展，风帆助航无疑将成为航运绿色减排的选择之一。

风帆助航实际应用存在的问题

1．航线航区对风帆效果的影响

        全球不同海域不同航线上风能资源分布是不均匀的，风帆助航的实际节能效果与船舶的航线和航区有关。在使用风帆装置时，要分析船舶所在航线航区的风能情况，优先选择风能条件比较好的船舶安装风帆；应根据海上风能的特点优化航线，利用周期性海洋季风，顺风张帆、逆风收帆，以达到最佳利用风能的效果。

2．风帆对船舶安全的影响

        船舶安装风帆装置后，风帆会对船舶结构强度、航行稳性、操作与控制等方面产生影响，对船舶安全造成一定负面影响。风帆种类与结构要根据海洋风能、船舶稳性、船舶驾驶室的可视角等因素进行选择与设计。同时，风帆装置结构受到风力的作用会对船体产生很强的作用力，需对船舶局部结构进行适当加强，以保证船舶的结构安全。

3．风帆对航行性能的影响

        风帆不仅会对船舶产生纵向推力，也会产生横向侧推力和转首力矩，这些力会对船舶的航向有重大影响，所以要对风帆助航船舶的航向稳定性进行研究。此外，风帆助航船舶在航行时会受到海风、海浪和洋流等环境作用，使船舶偏离预计航线。为了持续获得风能需要不断改变航向，可能需要增加航行距离，从而消耗更多的燃料。所以使用风帆时要密切跟踪与监控，不断优化航行路线。

4．风帆对船舶管理的要求

        船舶安装风帆装置后，风帆不仅会对船舶的航行产生影响，也会给装卸货带来不便，制定相应的船舶操作和管理规范至关重要。并且，风帆的操作、管理与运维也给船员带来新的挑战。