日本风力助航船舶的研究进展

摘 要:介绍了日本风力助航船舶的研究背景,总结了日本风力助航两个主要阶段的研究内容和成果,包括风帆控制设计、伸子帆性能试验、次世代型风帆助航、矩形复合风帆和多帆干涉风洞试验,以及船用风力发电装置的开发研究,对我国开展相应的研究有很大的借鉴作用。

关键词:风力助航;风力发电;新能源

中图分类号:TK89

文献标识码: A

文章编号:1005-569X(2009)07-0103-03

1研究背景

日本地处亚欧大陆东端,是一个四面临海的岛国,自然资源异常缺乏,逐渐形成资源输入、来料加工、产品输出的经济发展模式。作为承担产品输出工具的船舶运输业,在日本经济发展的同时也形成了节能高效的特色。

1973年10月第四次中东战争爆发,包括非洲产油国在内的阿拉伯石油输出组织成员国同海湾阿拉伯国家一起,形成了一股强大的以石油为武器的统一战线,采取独自的石油政策,不仅纷纷将西方国家石油公司实行国有,大幅度提高石油价格,同时对亲以色列的美国及盟友采取中断或减少石油供应的措施,形成第一次国际石油危机。石油资源极端依靠外来进口的日本面对石油危机深感焦虑,积极采取应对措施。在此期间,日本造船业和航运界众多学者发表大量学术论文研究船舶节能措施,并开始风力助航的研究。

船舶风力助航就是在现代船舶中通过计算机控制风力利用装置进行一次能源以及二次能源的开发利用,达到节能减排的一种船舶助航技术。其中风帆助航为一次能源助航研究的通用思路,而船用风车发电则属于二次能源助航研究的后起之秀。

2 研究阶段

2.1 第一个阶段:

上世纪70年代中期至上世纪末。该阶段集中研究风帆助航的可行性,比较著名的学者及其观点如表1所示(以下在《日本舶用机关学会志》上):

他们的主要研究是通过大量船模试验,选择风帆结构、类型和截面形状,其突出成果是1980年8月日本建成世界上第一艘不需要人工操帆的现代风帆助航商用油轮DD“新爱德丸”号。在日本船舶振兴会财团法人的援助下,日本船用设备开发协会在“新爱德丸”号上进行了以操帆自动化为主,兼及船型、螺旋桨、船用主机的改进工作。“新爱德丸”号装有2个高12.15m、宽8m的风帆,风帆用钢骨架和聚酯纤维制成硬质风帆。风帆的最佳角度、收拢和展开由电子计算机控制,通过液压系统操作。如果风速超过20m/s,风帆自动收折以确保航行安全。除来自船首左右两侧20o方向范围内的风力外,其它320o角度内来的风力均可利用作为推进动力。在充分利用风力推进的前提下,电子计算机自动调节船舶主机的输出功率,达到帆、机的匹配。实际航行证明,“新爱德丸”号与同型传统的船舶相比可综合节油50%左右。

由于风帆助航的船舶的节能、安全效益十分明显,日本随后又相继建造了多艘风帆助航船舶,如表2所示。

总的来说,风力助航第一阶段的研究,是以降低燃油消耗量,提高经济性为主要目的。

2.2 第二个阶段:

上世纪末期至今。近十几年来,日本航运和造船业为顺应国际防污染公约的要求,进行了大量船舶风帆助航的基础研究。本世纪初又提出次世代型风帆助航船舶的研发计划,同时进行了世界首次船用风力发电装置的航行搭载试验。具体研究内容包括:

2.2.1伸子帆的性能试验

伸子帆为不等边四边形纵帆,同时风帆横向装有一定数量的被称为板条的竹竿。该类风帆的收帆、顺风以及逆风操帆的性能优良。从明治末期到昭和初期,以日本西部为主的运输船舶广泛应用伸子帆,但这类帆的航行性能一直不清楚。

研究者针对空气动力试验船“风神”号使用的伸子帆,先通过模型的风洞试验测量风帆的流体动力特点,再通过风帆测力计测量到升力系数与阻力系数,以及通过CCD相机拍摄到的伸子帆的外形参数,确定了伸子帆的特征,取得成果如下:

(1) 确定了风帆形状与流体动力系数CL以及CD之间的关系;

(2) 对于伸子帆来讲,即使迎风角增大,但由于风帆的中上部变深,张角范围变小,也不会出现升力系数急剧减少的情况;

(3) 由于伸子帆设置在桅杆右端,因此左舷受风时的性能优于右舷受风。

2.2.2 次世代型风帆助航研究

首先,日本专家对高升力风帆进行了相关的风洞试验,确认了影响升力系数的主要因素,成功开发出单只风帆最大升力系数2.58、推进系数2.73、纵横比2.63的矩形复合风帆。在矩形以及三角形等高升力风帆的风洞试验中,研究了风帆之间以及风帆与船体之间的干涉关系。风洞试验结果表明,相比于单只风帆的性能参数为依据进行船舶风帆的配置,在干涉影响作用下风帆的性能会下降25%左右。同时发现,将风帆倾斜排列可将干涉影响造成的性能下降减至18%。

其次,对水中翼的相关性能进行了水槽试验,通过改变水中翼的面积与安装位置,求出其流体特性表达式。船模试验表明,水中翼能够在较小的面积上产生较大的横向力,取得首尾方向的压力位置向后移动的效果,实现风帆助航的稳定性与高效性。

随后,日本专家研究了起重机兼用型高升力复合风帆的性能。在风洞试验过程中不断调整帆杆、硬帆以及软帆的相对位置,最后发现起重机兼用型高升力复合风帆的升力系数以及推进系数可分别达到2.15到2.46。

此外,日本学者还开发出风帆助航船舶专用航线气象系统。传统船舶基本是以避让海浪以最短时间达到目标港口为目的来选择航线的。但是,次世代型风帆助航船舶是以最大限度利用风能同时尽力降低二氧化碳的排量为目的航行。为此,日本学者开发了风帆助航船舶用航线气象系统。实际航行证明,在减少二氧化碳排放量方面,装备起重机兼用型高升力复合风帆船舶可减少11.7%,使用风帆助航用航线气象系统可减少6.5%,综合效果能够达到17.4%。

2.2.3 船用风力发电装置的开发

2004年日本学者进行了世界首次船舶搭载型风力发电装置的实际航行试验,并取得了很好的效果。船载的风力发电装置包括直线翼垂直轴型风车、发电机、制动装置、控制装置、电池、控制用风向风速计、数据收集装置以及作为负荷的空调器。该系统的额定输出功率为3kW,输出为100V/ 60Hz单相电压,额定风速14m/s,额定旋转速度250r/min,启动风速2.5m/s,停止风速15m/s,阵风耐力22.5m/s,极限风速50m/s。风车采用定距直线翼垂直轴型风车,旋转直径2.5m,长度2m,系统组成如图1所示。

试验结果表明:

(1)系统整体运行高效可靠;

(2)直线翼垂直轴型风车发电系统的空气动力学性能、结构、材料以及额定负荷控制满足实船要求;

(3)高速运行期间可通过空气断路器防止超速运转。

总的来讲,日本的风力助航研究正处于第二阶段,主要以降低温室气体排放,充分利用风能为主要目标。

3结语

二十世纪六十年代初德国就开始研究万吨级大型风帆助推运输船,他们设计了六桅风帆助推船“ DYNA” 号。1980年德国为印尼开发了一种风帆助推货船来往于印尼各岛之间。近几年来法国地中海海运社也建造了一批风帆助航的客船,其后又建造了全长为187米,号称世界最大级的风帆助航客船“La Fayette”号航行于加勒比海域。相比于欧洲同行,日本更注重于风帆特性的研究,特别是他们的“机主帆辅”的设计观念比较符合实际,这是他们的成功之处,值得我们借鉴。我国的船舶风力助航研究起步于80年代初,突出成果是1986年研制成功的我国第一艘实用型120吨风帆助航机动船,其中“轴带风帆”装置是操帆方式的首创。但是,随后的研究进展就变得相当缓慢。可以说,我国的风力助航研究仅处于日本第一阶段的初期水平,差距很大。

当今世界石油短缺,温室效应又日益显著,国际社会对控制二氧化碳排放的呼声日益高涨,研究船舶风力助航显得尤为重要。我们应该借鉴日本同行“机主帆辅”的研究经验,加强风帆助航的基础试验研究和实船应用研究,使节能环保的风力助航技术尽早运用到我国大型运输船舶。

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