近日，由大连船舶重工集团有限公司牵头承担的国家高技术船舶科研计划“风帆技术示范应用开发”项目风帆制作正式开工。该项目旨在研究风帆-主机混合动力推进系统，掌握风帆设计、制造与应用的关键技术，完成风帆在超大型油船（VLCC）上的示范应用，提升我国船舶节能环保整体技术水平。
在全球船舶污染排放限制、节能环保法规日趋严格的情势下，研发风力辅助推进系统，利用风能促进大型船舶节能减排，成为造船业绿色发展的现实选择。相关实际应用及研究已表明，在散货船、油船等大型远洋船舶上安装风力辅助推进系统，能够有效替代部分需燃油供给的动能，降低船舶油耗成本。此外，风能与太阳能的“强势混搭”，还可为船舶提供更为强劲的动力。
资料图：旋筒式风帆
借来“东风”替代油，
风帆辅助节能减排
“风帆节能减排的效果，主要看风能在船舶推进动力中所占的比重，也就是说，一艘船能借来多少‘东风’，就替代多少燃油，这与船舶自身的整体动力设计方案、风帆技术的发展水平及实际使用情况等直接相关。”中国船舶重工集团公司第七一四研究所高级分析师曹林说。
从理论上讲，对于以“机为主、风为辅”的船舶，风帆辅助动力可以为之节省50%的燃油，但目前已采用机帆混合动力的大型远洋船舶及相关应用研究表明，风帆技术尚达不到这个水平。尽管如此，风帆辅助动能在节能减排上的“功劳”也不容小觑。
由大船集团牵头的“风帆技术示范应用开发”项目，是我国节能环保示范工程之一，2014年被列入工业和信息化部高技术船舶科研专项。在风帆辅助节能减排方面，该项目VLCC可实现在相同航速下平均日油耗降低12%以上。厦门船舶重工股份有限公司正在为芬兰维京邮轮公司（Viking Line）建造的2800客位游轮型客滚船，将配备双燃料主机并安装旋转风帆。数据分析显示，在合适的风力及航速条件下，该客滚船应用旋转风帆可获得25%的节油效果。
今年1月，芬兰风力辅助推进系统（AWPS）供应商Norsepower Oy与维京邮轮签订协议，为该公司的一艘液化天然气（LNG）燃料动力渡船安装高24米、直径4米的风帆，这可以使该船每年降低20%的燃料成本，减少二氧化碳排放量约900吨。
资料图：风筝式风帆
近年来，国际海事组织（IMO）关于全球二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等船舶空气污染物的排放限制越来越严格，船舶工业对于清洁燃料、清洁能源及相关技术的需求不断增加。作为可再生能源，风能成为重要备选项。DNV GL最近发布的《能源转型展望》报告预测，风能将推动可再生能源使用的持续扩张。
不过，要再现大型远洋货船千“帆”竞发之景，仍需时日。“风帆的应用给船舶动力系统、甲板布置、船体结构等造成的问题还需要进一步解决，风帆辅助推进系统及设备成本较高，给机帆混合动力系统的大规模应用带来一定影响。”曹林说。
太阳能“加持”，
机帆混合动力更强劲
人类社会对于风帆助航的运用有着悠久的历史，工业革命带来动力革新，蒸汽机、柴油机的运用极大地提高了船舶的运输效率，也使得风帆逐渐淡出了人们的视野，尤其在大型远洋船舶上的应用几乎绝迹。
20世纪七十年代，受第一次石油危机影响，为了减少油耗、降低成本，一些国家开始研制风帆辅助动力船舶。1980年，日本建造了全球首艘风帆混合动力油船“新爱德丸”号。该船安装了2个高12.15米、宽8米的风帆，风帆的角度、收放由计算机自动控制，并通过液压系统驱动实现。从某种意义上说，该船开创了风帆在现代船舶应用的先河。此后几年，日本又相继建造了多艘风帆辅助动力运输船。
在节能环保要求不断提高及船舶日益大型化的形势下，很多国家都进行了风帆辅助动力技术的研究和实船试验，风帆在结构设计、材料运用以及智能化等方面都有了较大改进。
2007年，全球第一艘风筝货船“白鲸天帆”号从德国汉堡市起航，横渡大西洋驶往美国休斯敦，悬在该船上方的巨型高科技风筝“吃饱”风力，供给前进动力。2015年，挪威一艘新型货船以船身为帆，从海风中获得动力持续前进，仅以LNG为补充燃料，无需使用燃油，十分环保节能。
资料图：以船身作风帆
今年8月，英国劳氏船级社（LR）宣布加入Quadriga可持续航运项目，参与建造全球最大的风帆动力货船——一艘长170米的汽车运输船。该船将配备4根桅杆安装风帆，使用风帆和柴油发动机混合推进动力，高峰负荷时还可启用电池系统。
风能使用方式相对单一，且不够稳定，而集风能和太阳能于一体的太阳能电池帆，可有效补齐这一“短板”。日本生态船舶动力公司(EMP)已成功研制出太阳能电池板EnergySail，将在明年进行海上实船试验。EnergySail是一种安装在船舶甲板旋转杆上的刚性帆，内嵌在帆中的太阳能电池板可收集风能和太阳能，并转换成电能储存在电池中，供给通常由辅助发电机提供的电力，可以大幅减少船舶油耗和温室气体排放。这些帆板由计算机控制，根据风力状况调节其方位以减少阻力，并持续收集能量。
资料图：太阳能风帆
此外，日本邮船正在研发全新环保集装箱船，主要以LNG为动力，辅以太阳能电池及风帆推动，预计于2030年正式面世。
