太阳能风帆在现代船舶中的应用

太阳能风帆在现代船舶中的应用

王力

武汉理工大学能动学院仿真中心，武汉（430063）

E-mail：109909055@

摘要：随着国际原油价格飞速上涨，以及全球环境日益恶化，“节能减排”成了航运业中人们关注的首要问题。本文对近年来国内外太阳能动力船舶及风帆助航的发展现状和趋势进行了综述，并对太阳能动力船舶及风帆助航的若干关键技术及其可能的解决方案进行了阐述，并对国内发展太阳能风帆进行了初步构想。

关键词：太阳能；风帆助航；节能

1．太阳能及风帆的发展现状与趋势

太阳能取之不尽、用之不绝，是重要的可再生能源，在后化石燃料时代太阳能将成为最主要的自然能源之一。而且，除核能以外，可以说地球上一切能源都直接或间接地来自太阳能。尽管太阳能技术在日常生活中已得到广泛应用，但将其作为交通运输工具的动力能源研究起步较晚，太阳能作为船舶航行的动力能源研究还较薄弱，其实际应用还不广泛，可谓是刚起步，尤其是作为大型远洋航行船舶的动力能源研究更是薄弱。太阳能作为船舶动力能源的研究属高科技，有不少关键性的技术有待研发或改进。

风帆作为船舶的推进装置有其悠久的历史，19世纪后半期可说是帆船的鼎盛时期，大型高速帆船已达到相当完善的程度，其后由于蒸汽船的出现，才被逐渐淘汰。自从1973年石油危机以来，燃油价格急剧上涨，燃料费用在船舶营运开支中从原来的百分之十几增加到百分之四、五十。为了节能的需要，在现代船舶上采用风帆推进装置的方案又被重新提出。在国外已成功地发展了机主帆副的船舶，据统计，由于利用风帆而得到的节能效果约15%左右，每平方米帆面积平均获得的功率约0.3-0.4hp。为了克服传统帆船的缺点和保证船舶运输的定时性，现在船舶以机主帆副为宜，这便是通常所称的风帆助航节能船舶。

2．太阳能船舶的关键技术

发展太阳能动力船舶，尤其是大型太阳能动力船舶，有多项关键技术有待于研究、解决、改进与完善。太阳能动力船舶的关键技术初步归纳如下：

1）太阳能动力船舶船体平台的研究：该项技术属于舰船总体技术，包括适用的船舶类型分析论证、船型方案论证设计及其水动力性能研究，太阳能动力系统的布置等。

2）高效率的太阳能光伏装置的研制：太阳能的能量密度不高，太阳能光伏装置的能量转换效率对发展太阳能船舶至关重要。

3）大容量高输出功率的储能装置：要实现大型船舶全天候太阳能动力航行仅提高太阳能光伏装置的效率还不够，储能装置的应用也是非常关键的技术。储能装置的应用似乎起到了“以时间换取能量空间和密度”的功效，该装置可储蓄太阳能转换而来的电能，作为船舶主动力电动机的能源，以实现全天候、高功率船舶动力供应。

4）燃料电池的研制：燃料电池是太阳能动力船舶最有前途的储能装置。将燃料电池技术与太阳能技术相结合用于太阳能动力船舶的研究十分薄弱。在全天候大型太阳能动力船舶的实现中，燃料电池储能技术似乎是不可或缺的关键技术环节。[1]

3.风帆助航研究

3.1帆翼气动特性 研究帆翼的主要内容包括升力、阻力、推力、侧向力和横倾力矩特性等气动特性。影响帆翼气动特性的因素主要有帆翼形状、展弦比、拱度、前缘半径、桅杆、船体上层建筑及大气梯度等。帆翼的气动特性可通过试验或理论计算确定。

风帆的空气动力性能在许多方面与机翼相仿，当风帆以某一攻角对风时，帆上作用有升力和阻力，如图1所示，它们随攻角而变，其关系通常可用攻角为参数的C L -C D 图表示。升力与帆面拱度密切相关，阻力则与帆面质量、帆后流动分离等因素有关。由图2可见，小攻角时，升力随攻角增加而增加，在某一攻角时达到最大值；此后，攻角的增加使得升力下降、阻力激增。风帆的推力是升力和阻力在船前进方向分力的合力，在某些情况下，如顺风航行，帆的阻力表现为帆的推力。因此，不仅要使帆在中等攻角（200-400）下有较大的升力，还要使帆在大攻角（700以上）时有较大的阻力，才能使船舶获得较大的推力。[2]

图1 风帆受力图

置于来流中的帆具，其受到垂直于来流方向的升力L F 和与来流方向一致的阻力D F 的作用，通常用升力系数L C 和阻力系数D C 表示：

212

L L F C S ρυ=

212

D D F C S ρυ= 其中，ρ为三维驻点密度，S 为风帆投影面积，υ为风速。

通常，帆的空气动力性能通过风洞试验得出，然后绘成风帆空气动力特性图，如图2所示，以函数的形式表示为： ()L C f αλν=，，

()D C g αλν=，，

其中，ν为帆的拱度比，λ为帆的展弦比，α为帆的攻角。

图2 风帆空气动力特性图

3.2最佳操帆曲线

在图2所示的风帆气动性图下，升力系数L C 和阻力系数D C 与推力系数X C 之间的关系为：

()()sin cos sin cos X L D C C C f g θθαλνθαλνθ=−=−，，，，

由上式可知，在某一迎风角θ下，改变攻角α的大小，可得到推力系数X C 与攻角α的关系曲线。一般来说，在某一攻角α下，X C 可达到最大值，此时的帆位角Φ即为最佳帆位角，对应的攻角为最佳攻角。可根据下式求得在迎风角θ下的最佳攻角。

sin cos 0f f θθαα

∂∂−=∂∂ 有了最佳攻角也就可以算出最佳帆位角，因此就可以作出针对不同迎风角下的最佳操帆曲线。

3.3风帆助航系统总体控制模型

风帆控制系统是利用风向风速传感器采集到风向、风力信号，经过模数转换后送入最佳帆角控制器，最佳帆角控制器的根据最佳操帆曲线计算出当前迎风角下的最佳帆位角，并把它送入比较机构与利用角度传感器采集回来的帆位信号进行比较，得出偏差信号后送入功率驱动装置驱动执行机构转动硬帆，使船舶获得最大推进力。其控制框图如图3所示。

图3风帆控制系统框图

4．太阳能风帆的实现

最近，英国国内最先进的绿色游艇在伦敦的海德公园湖下水。这艘游艇名为“太阳能水手”它的特色是安装有太阳能风帆，主要依靠太阳能来推动，同时也利用风能，不会排放任何污染物质，非常环保。

“太阳能水手”上的太阳能电池板只有小部分固定在船身上，大部分安装在风帆上，而且可以转动。这是一种创新性的设计，研究人员称之为“太阳风帆”。它们的强度足以轻松应对64千米/时风速下的压力。但是，在风速超过50千米/时后，驾驶员一般会转动太阳能风帆，让它们平置于后甲板上方。这样既能保障游艇的安全，又不会影响它继续吸收太阳能量。

即使在阴天，这艘游艇上的太阳能电池也能产生超过木身需要的能量，并且把多出的能量储存下来。等到完全黑暗的时候，游艇可利用储存的那部分能量继续航行30千米以上。这些电池板发电能力很强，晴天时可在4小时内储集足够一个普通家庭使用6天的电量。驾驶舱内的电脑还会合理安排电池的电量，最大限度地提升游艇的续航能力。在停航期间，这艘船可以把多余的能源卖回给英国的电力公司。[3]

5．结束语

综上所述，对太阳能风帆的发展提出如下结论性看法：

1）太阳能风帆的发展己初见端倪，其研究具有重大的理论和实际意义。这种可再生能源船舶的研发既是有前瞻性的远景课题，也是需要逐步研究实现的迫切课题。我国开展该项研究具有可行性。

2）在交通工具中，船舶以太阳能风帆为航行动力有其独特的优势，有望实现大型化、远洋航行；也可用于多种日标船型，民船、军船均适用。

3）发展太阳能风帆，尤其是大型船舶，还有多项关键技术需研究解决、改进与完善。