绿色船舶论文

武汉理工大学

绿色船舶设计技术课程考核

（论文）

风帆混合动力客船概念设计

学院（系）：交通学院

专业班级：船舶与海洋工程专硕141班学生姓名：袁露

指导教师：蔡薇

学生学号：1049721401598

小组编号：概念绿色船型的方案提出及效验

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。

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。此外，对风帆与太阳能的结合，以及风帆船舶能量的循环利用也有重大意义。

关键词：绿色船舶；概念设计；客船；风帆混合动力

1前言 (4)

2研究背景 (4)

3国内外发展现状 (5)

3.1国内发展 (5)

3.2国外的研究 (5)

3.2.1欧洲“NSR Sail”项目 (5)

3.2.2日本“风之挑战者”项目 (6)

3.2.3“Greenheart” 公益项目 (7)

3.2.4SCOD公司“E-Max Ultra Green Pure Car Carrier”项目 (8)

4总体方案设计 (10)

4.1设计思路 (10)

4.2设计过程的问题 (10)

4.2.1帆-机-桨的匹配问题 (10)

4.2.2帆的选择问题 (10)

4.2.3装帆后对船舶航行性能的影响问题 (11)

4.2.4风帆助航船操纵时的问题 (11)

4.2.5航向选择问题 (11)

4.3设计过程 (12)

5设计优缺点的效验 (15)

5.1优点：环保、实效、节能、先进 (15)

5.2创新优点及效益分析 (15)

5.3存在需要解决的问题 (16)

6概念设计的可行性及小结 (17)

参考文献 (18)

1前言

“绿色”的概念最早出现于 20 世纪90年代中期，其核心内容是保护人体健康和人类赖以生存的环境，促进经济可持续发展。绿色船舶就是指在其全寿命周期中（包括设计、制造、营运、报废拆解），通过采用先进技术、能经济地满足用户功能和使用性能要求，并节省资源和能源，减少或消除环境污染，且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的船舶。

2研究背景

绿色环保这一永恒的主题，在资源越来越紧缺、环境破坏越来越严重的今天，显得尤为重要。对于船舶的绿色环保，目前主要的手段就是优化动力系统和能效，控制排放，从而减少进入大气中的氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等物质。在各种减排方法里，风能无疑是目前所能想到的最环保的措施之一。

风是自然界中取之不尽的能源。大气中所含的风能估计为2700X1012W。70

年代初，世界石油危机，人们开始寻求新的能源，一些海运国把目光转向了对风能的利用并致力于对现代风帆船舶助推船舶技术的研究，于是现代风帆船诞生了。自现代风帆船王国中的第一个“公民”新爱德万问世，二十年来世界已经建造了许多各类风帆助推船。风帆在船上的应用已有数千年之久，约160年前，高速帆船（Clipper)是当之无愧的“海洋之星”，它们通常采用三桅、方形横帆、三角前帆、斜桁后桅结构，最多可搭载750吨的人或物，以20节的航速日行450 海里，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[1]。

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4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。

3国内外发展现状

3.1国内发展

我国在风帆助航船研究上起步略晚，在20世纪80年代也开始了自主研究。当时我国研制了几条小型的风帆助航船在长江上试运行，并取得了喜人的进展。武汉水运学院与南京航运公司研制的 200圆弧型翼帆助航船，1985年下水试航，节能效果达50%以上。广东省航运科研所与东莞水运公司也在80吨位的货船上加装了翼型帆，1985年8 月下水试航，在3 ~4级风、主机中速航行时，船速比同类无帆船提高了主机油耗，节油率达到42.2%。

20世纪90年代，宁波海运公司试制了一艘250吨级的“明州22”号风帆助航货轮，船身总长 85.8 m、型宽15 m、型深7.3 m设计航速11.5 kn 风帆为不锈钢弧型帆，面积120 m (高12 m，宽 10 m)可以在3 m/s~20 m/s风速下使帆;采用计算机控制油压操帆，风帆全折、全张时间为1 min~ 2 min,装主机一台，功率1080 kW该轮于1996年1月投入运营，行驶在日本、宁波、厦门、香港之间，可载运146只集装箱。但是，自此以后，我国风帆船的开发便处于停滞状态，至21世纪初，国内鲜有对于新型风帆船研制的报道[3]。

3.2国外的研究

3.2.1欧洲“NSR Sail”项目

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“NSRSail”。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，他们将合作进行一系列研究，其中主要包括船型优化、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，“NSRSail”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138米，宽18米的杂货船，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18节，

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12节，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12节的航速要求。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，详见图1[3]。

图1.“Ecoliner”号概念图

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，进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88米的游艇3桅15

帆结构，风帆总面积2400m2, 最大航速18节，可于10天内跨越大西洋。

3.2.2日本“风之挑战者”项目

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50米，宽20米，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[3]。

3.2.3“Greenheart”公益项目

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，加之油价较高，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31.5米，宽7.8米，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?11节。“Greenheart”船的概念设计效果见下图2[3]。

图2.“Greenheart”船的概念设计效果

3.2.4SCOD公司“E-Max Ultra Green Pure Car Carrier”项目

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。

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。“E-Max”概念图见下图3[3]。

图3. “E-Max”概念图

4总体方案设计

4.1设计思路

在设计过程中，考虑到风帆助航可分为两种情况：一种是风力作为主推力，混合动力装置作为辅助推进力；一种是风力作为辅助推进力，混合动力装置作为主推力。显然，前者可以产生更大的节能效果，但受气候因素的影响更大，而且一旦遭遇飓风，安全性不如后者。船舶采用前者还是后者，可以因地制宜:对于前者，可应用于内河或近海有季风但飓风较少、相对安全的航线上;远洋船舶则可采用后者。因此，为了达到节能与安全的最优，对于本设计船，由于是大型远洋客船，因此可采用后者。同时考虑到先前大多采用燃油配合风推进，污染问题并没有得到解决。因此，在现有的基础上，提出了综合利用电，天然气，太阳能以及风力等的设计概念船。

4.2设计过程的问题

4.2.1帆-机-桨的匹配问题

风帆所产生的推力可以产生两种节能效果：一是保持航速不变，改变主机负荷，变化主机输出功率;另一个是保持主机输出功率不变，航速变化。采用定航速，主机负荷变化是随机的，主机功率是随着风力大小和风向，即随着风帆所提供的辅助推力大小而变化的。由于风速的不稳定性，产生的能量大小不稳定，这时为保证螺旋桨获得最佳推进效率，最好采用变距桨，实现帆-机-桨最佳匹配控制，以获得最理想的节能效果。

4.2.2帆的选择问题

当代风帆的材料不同于古代的风帆，目前新型材料己可以创造出具有巨大拉力的风帆，它能轻易、方便地加以控制。因此，装备风帆的货船，可以突破传统笨重而巨大的风帆设备，如笨重的横桁、斜桁、驶风杆、张帆的动索和静索、复杂的网状缆绳结构等，从而变得轻巧灵便。风帆助航船舶所采用的风帆也是形式各异。从帆的外形上来看，有方形帆、二角帆；从帆与桅杆的相对位置来看，有纵帆和横帆；从帆的结构形式来看，有硬帆和软帆；从帆的横断面拱度线形状

来看，有层流型、圆弧型、SY型和杓头型等等，问题是何种形状的风帆能产生较大的推力并适用于现代船舶。对于不同形状风帆的研究结果表明:圆弧型风帆的空气动力性能比较优良，制造和操纵又比较简便易行，似乎最适用于现代船舶。因此本船可采用圆弧型风帆[4]。

4.2.3装帆后对船舶航行性能的影响问题

对于新船要加装风帆，必须在出厂前就进行严格的技术计算;对于旧船，只要合理的改造，在其上进行加帆应是可行的。有资料表明，以日本国东京水产大学实习船“海鹰丸”号作为研究对象，安装风帆时，在风向角为90°时获得功率达到最大值，横向漂移对船舶航行的影响较小，获得功率最大可达总功率的44%以上。因此，只要船舶辅助风帆形状尺寸设计良好，并能与船舶合理匹配，完全可以使船舶获得较大的功率，并且不会对船舶的航行性能产生大的影响[4]。

当然，进行加帆后改造，必须进行充分论证。因安装风帆以后，船舶的稳性、偏航及主机输出功率等各种性能都会发生改变,风帆所増加的倾侧力矩对船舶的稳性、浮态及操纵性影响都需要进行研究。所以，在船舶安装风帆以前，必须对这些性能变化进行分析计算，为船舶安装风帆进行性能分析及经济性论证提供可靠的依据。同时，对于船舶是否安装辅助风帆，还要根据船舶的作业性质、航行海域及出港周期等进行充分的经济性论证。

4.2.4风帆助航船操纵时的问题

在将风帆应用于大型船舶作辅助推进时，风帆的自由收放是必须要考虑的因素。使用时，风帆应在海况良好、风力一定且航向与风向相同时张开。在恶劣天气下(如飓风等）若不能及时收回辅助风帆，由于受力面的増大，将进一步増加船舶倾覆的危险[4]。

4.2.5航向选择问题

为了获得风能増速航行，往往需要变向、倾侧航行，而此时船舶就要偏离预定航线，这样船舶就会多走一段距离，主机也因此会运转更长时间，燃烧更多的燃料，同时也会増加船舶的航行时间。这就需要在不影响船期的情况下，对借助风力和偏离的航程作一下优化研究。

总之，风帆助航船最好是在有周期性海洋季风航线下航行会更有利，顺风时张帆，顶风时收帆。对全球海洋气候的科学分析，选出最有利于风帆助航船的

航线，可使风帆助航船的应用达到最理想的效果[4]。

4.3设计过程

图4.环保客船概念图

客船船长设计为200米、型宽50米、型深15米，机舱要符合最少人数监控证书（UMS）。船上将设客舱140个，加上船员舱，共可以载客约1400人，船身、甲板及客舱设计概念图见图5。

设计船上建有5枝桅杆，桅杆上安装6张面积较大的大帆。采用DynaRig 系统全自动化控制风帆，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 5根桅杆上的6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。

在设计过程中考虑到帆会引导空气走向，因此采用6张大帆可以将收集的空气以管道引导、注入船底打出气泡作气垫作用，增加水动效力，从而推进船只，从而节约能源。

图5.船身、甲板及客舱设计图

该船采用了复合环保技术，使用可再生能源，有助减少排放温室气体，即采用液化天然气（LNG）为燃料。该客船亦会利用液化天然气作为燃料，进行发电、加热和冷却。另外，客船将在空余的甲板上设置太阳能储电板收集太阳能用来供电；其双重外壳板设计更有作为天然空调系统之效。为完全配合船舶发展的船舶环保要求，该客船使用循环使用水、回收使用上层甲板的雨水、以及使用从处理废物，废气时回收的能源。循环的大致概念设计流程见图6。

图6.循环的大致概念设计流程

5设计优缺点的效验

5.1优点：环保、实效、节能、先进

本概念船综合考虑了船舶的技术性能和经济性能,也考虑其对环境的影响。在船舶动力装置及能源的选择和配置中,均采用先进的对环境污染较小的装置和能源。并且采用先进的环保技术以提高船舶的绿色化程度.它体现在以下几个方面:

1)船舶设有有利于污染的防治的专用舱室或通道处理船舶所产生的固、液体垃圾。

2)船舶高效的节能技术和绿色能源的应用

通过优良的设计,船舶的节能效果可体现在船舶的阻力小,而推进效率高,同时在船舶动力装置、推进装置、发电装置的设计，选型和应用中采用高效的节能技术。如船舶推进方式的改变,达到节省能源，减小污染的目的。绿色能源是指包括水力、太阳能、风能等消耗后可以恢复,不产生或很少产生污染的能源[5]。因此利用液化天然气可减少废气，废油的排放。

3）船舶采用各种先进的防污设备，提高了适居性

船舶操作过程中产生的大气污染、液体污染和噪声污染,通过采用带有防污设备的主机，布置机舱污油、污水处理系统，安装生活污水处理装置，设置垃圾处理装置。同时风帆，电能的利用也能达到采隔声、消声、隔振、减振的效果，从而使旅客的居住环境达到满意的条件。

5.2创新优点及效益分析

同时本客船最大的特点就是混合动力及较大的尺度。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。结合这两个特点后，本客船有望降低50%的燃料损耗，运营20年左右所节省的燃料成本就将超过船本身的建造费用，同时运营期内还可减少1000000t温室气体排放。这种船型的节能减排措施可分为5个方面。

一是规模经济。船体尺度每増加10%,油耗就可降低4%?5%。

二是最大化水动力效能。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%。

三是全方位利用太阳能。根据近期的研究，科学家们发现太阳能电池板在海上所能发挥的效率比陆地上高出40%。该船型不仅在顶部安装了太阳能电池板，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。

四是高效的风帆。该船型所安装的6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。

五是先进的发动机。船上发动机采用的是先进的双燃料发动机，使用LNG

燃料，可降低 20%的燃耗和更高比例的温室气体。

5.3存在需要解决的问题

在设计该客船时，由于本身风帆有很大的局限性，因此对船舶的续航要求很高，同时多动力混合使用以及太阳能等技术尚不完善，因此尚处于概念设计阶段。

6概念设计的可行性及小结

尽管风力可能让航行増加不确定因素，必须严守交运时间的船运公司可能不愿冒风险采用风帆助航船，但是由于近年频频发生的石油危机及全球面临日益变暖的严峻形势，加上严重污染问题，都在向我们发出警告:不能再把石油作为唯一可靠的能源了。正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流。可见，开发风能不是愿不愿意的问题，而是大势所趋。目前，我国己准备加大这方面的研究。风帆助航船既节约能源，又减少污染，必将开启科技帆船的新时代。

本绿色概念客船是将所有绿色因素的集于一身的新概念船舶。在其整个寿命周期中将不会向大气或海洋释放任何有害排放物，同时其运输效率和装载能力将达到最优化。

绿色船舶未来发展方向包括使用可再生能源，实现零污染、零排放物目标，性能最优化，使用无污染轻质材料等内容。因此本绿色新概念客船有望优先得到开发和使用。

参考文献

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