风能在船舶上的应用资料讲解

风能在船舶上的应用
新能源新技术在船舶上的应用
——风能技术在船舶上的应用
摘要
世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。

因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。

然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。

化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，同样对于航运业也是个致命的冲击。

因此节能减排成为热门的世界议题。

各大航运企业纷纷加大对新能源的研究，考虑如何开发出新型能源以解决面临的化石能源危机问题。

风能以其自身各种优势成为很多研究机构都在探讨风能在船舶上的应用问题。

本文就风能在船舶上的应用问题进行了介绍与分析，主要在以下几个方面作了讲述：
一、课题研究的背景和意义。

二、风能在船舶上应用的发展历史与国内外风能在船舶上应用的现状。

三、风能在船舶上应用的方式与方法。

四、风能在船舶上应用的技术路线。

五、风能在船舶上应用所存在的难点和关键技术。

六、风能在船舶上应用的创新之处。

七、风能在船舶上应用预期的效益。

关键词：风能、船舶、节能、效益
一、课题研究的背景和意义
地球上可供人类使用的化石燃料资源是有限和不可再生的。

据联合国能源署报告,按可开采储量预计,煤炭资源可供人类用200年、天然气资源可用50年、石油资源可用30年。

特别是近几年世界燃油价格不断飙升,能源危急日趋严重。

在此情况下,风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。

风能是一种无污染的可再生资源,它取之不尽、用之不竭,分布广泛。

随着人类对生态环境的要求和能源的需要,风能的开发日益受到重视,风力发电将成为21世纪大规模开发的一种再生清洁能源。

在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源，可以再生，永不枯竭，分布广泛，遍布世界各地，清洁能源，没有污染。

随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。

我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船航行，至少在一千七百多年前已开始利用风来推动风车做功。

人类利用风的历史：人类利用风能的历史可以追溯到公元前，我国是世界上最早利用风能的国家之一。

公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面和利用风帆推动船舶前进。

东汉刘熙在《释书》一书中曾写“帆泛也，随风张幔曰帆”，表明中国1800年前已开始利用风帆驾船。

宋朝是我国应用风车的全盛时代，但是流行的垂直轴风车一直沿用至今。

在国外：公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。

10世纪伊斯兰人用风车提水， 11世纪风车在中东已获得广泛的应用。

13世纪风车传至欧洲， 14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。

在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地和底湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。

只是由于蒸汽机的出现，才
使欧洲风车数目急剧下降。

1973年石油危机以后，常规能源告急，全球生态环境恶化，风能发展，对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义
•美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。

其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能，降低造价；主要研究为农业和其他用户用的小于100kw的风力机；为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。

目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过2X104MW，每年还以10％的速度增长。

现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重
144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万kw•h。

根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发电量的1％。

风能有悠久的利用历史，如何借鉴以前的经验结合现如今的先进技术把风能更好的利用在船舶上面成了一个至关重要的问题。

新能源和再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济的可持续性发展。

根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。

目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。

在21世纪，能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发展程度和人民生活水平的重要指标。

在航运业，绿色船舶已成为未来船舶发展的方向，其中研
究利用清洁能源船舶辅助系统最具有革新性和代表性。

其将充分利用风能、太阳能以及波浪能等零污染或可再生能源，为船上设施提供相对独立的能量来源，在降低除暴发电机或主机能耗的同时保证船舶的正常航行。

风能是比较容易开发的新能源，全球范围内都分布着比较丰富的风力资源，将风能应用在船舶上便成为人们研究的热点。

首先，风能的利用有着悠久的历史和丰富的经验；其次，风能是取之不尽用之不竭的自然能源。

风能主要是通过布置在船舶上的风帆借助风的能量，在保证船舶各项性能稳定的条件下，从而推动船舶前进。

因此，对于我国这样一个能源短缺的发展中国家来说，将风能等新能源应用在船舶上有着重要的意义和深远的影响。

二、风能在船舶上应用的历史
东汉刘熙在《释书》一书中曾写“帆泛也，随风张幔曰帆”，表明中国1800年前已开始利用风帆驾船。

宋朝是我国应用风车的全盛时代，但是流行的垂直轴风车一直沿用至今。

20世纪80、90年代，日本在风帆助航的研究和利用方面有了新的突破。

1980年日本建造了第一艘装有普通翼帆的新爱德丸（Shin A-ito ku Maru）油轮，新爱德丸好装有两个高12.15m、宽8m的风帆。

之后又建造了扇蓉丸、日产丸等机动风帆货船，1984年又设计和建造了26000t的臼杵先锋丸（Usuki Pioneer）和另一艘31000t的现代风帆助航远洋货轮。

1980年，巴黎Pier re和Marie Curie 大学和Cousteau本部研究小组利用空气动力学方面的知识，发明了船用涡轮帆。

1994年“Aghia Marina”号干散货船安装目前全球最大的“风筝”。

据悉，“Aghia Marina”号长170米，建于1994年，航速14节，通常运输工业和农业原
材料等货物，可一次运输大约28500吨干散货，将成为目前采用德国SkySails 风能技术的最大船只。

1998年日本邮船株式会社已在营运的大型远洋煤炭专用船上应用风力发电，该船走日本至北美和日本至澳洲东岸航线。

据统计每往返一次，大约可平均每天可以节省燃油130kg。

2000年澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能和风能混合动力双体客船，是一种既可将太阳能和风能单独作为动力，又可合二为一的新型船舶。

2003年10月15日日本游船公司宣布，它同东海大学等联合开发出船用的风力发电机，计划搭载在2004年8月起航的大型运送汽车专用船上进行实验。

2007年12月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号（Beluga SkySails）由德国汉堡市起航。

国内的风能应用研究也有很多范例，上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的龙泰牌5-2000KW系列风力发电机应用系统，在中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”上首次运行取得圆满成功。

“长轮29004囤船”长90米，是5000吨级囤船，常年停泊在吴松口，为驳船提供靠泊、水电供应、应急处理等服务。

世界各国在风帆助航方面都有很多的研究，各国都有实船在运行。

丹麦、德国、美国、日本、澳大利亚等过对风能作为船舶推进能源在船舶上的应用都作了研究和实船尝试。

有研究学者认为，利用风力的装置推动船只航行，可节省30%—40%的燃料费用。

日本对在大型远洋船上应用风能发电系统的可能性展开了多项比较深入的研究评价工作，已取得很大成功，并已获得不少专利，到2004年日本已有14艘以风做辅助动力的船只航行在海上，它们的耗油量仅为普通机动船的75%。

日本福冈的生态船舶动力公司（EMP）已经开始详细设计其水瓶座系统（Aquarius System）风能和太阳能帆板。

目前该公司正同一些开发合作伙伴合作开发水瓶座系统风能和太阳能帆板。

这种帆板将用来收集风能和太阳能，然后用来为船舶提供动力，以便减少燃油耗和温室气体排放。

这种坚固的风能和太阳能帆板将产生一种有助于在海上、港口或抛锚时，船舶利用可再生能源。

每张帆板都将通过日本大阪KEI系统有限公司开发的计算机控制系统定位。

在这些帆板不用时，可以收拢和储存起来。

在风况不利时，可通过调节这些帆板的定位达到减少风阻力的目的，不过仍能够收集太阳能。

日本生态船舶动力公司深信，水瓶座系统风能和太阳能帆板将给航运公司带来引人注目的回报。

该水瓶座系统风能和太阳能帆板意味着可在不对各种类型的船舶进行重新设计的情况下使用。

水瓶座系统风能和太阳能帆板还可以安装在海军、海岸警卫队和渔业保护船上。

国内风能驱动船的研究及应用：
图1 风力发电驱动船的结构图
以上就是风力驱动船的结构图，船上动力系统由风力发电机(1)、和与发电机(1)相联的变压器(2)、变压器(2)输出端联接的电动机(3)组成。

风能驱动船，顾名思义，为一种利用风力发电实现驱动的船舶。

它的结构要点是船上动力系统由风力发电机、和与发电机相联的变压器、变压器输出端联接的电动机组成，并利用风力发电提供电动机运轮产生的动力，推动船只行驶。

随着，低碳、节能、环保理念的推广以及相关技术的成熟，风能驱动技术能够在内河、沿海的小型船舶中推广应用。

我国风能驱动船的应用
中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”装备了上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的龙泰牌5-2000KW系列风力发电机应用系统，并圆满运行成功。

该船设计的风力发电机装机容量20kw，选用4台单机功率为5kw 的“龙泰牌” LTFD/HY-5KW风力发电机，按照最长5天无风日计算，当连续5天无风天气下均能满足全船的日常生活需要，体现了超低风速运行的特性，当风速在2米/秒的情况下即开始发电，并能满足220/380V船载设备的正常用电，系统全部采用了数字化全自动控制。

为了保证系统稳定和运行安全，实现
智能化管理和控制，该项目攻克了数十项技术难题，保证了在全天侯气候条件下的安全运行。

实现了微电脑数字化控制，自动跟踪风向并根据额定风速、电压、电流等，自动实现迎风30°/60°/90°偏航直至停机，保证了系统的安全。

即时液晶显示发电电压、发电电流、当前风速、输入、输出电压、输出电流、三相输出电源的相电压、频率等。

塔架液压自动起降，方便了安装和维修，解决了船载设备的后顾之忧和降低了建造成本。

目前，上海长江沿线港口的类似1800余条囤船全部改用风力发电，每年将节约31320吨柴油，相当于46197吨标准煤，直接产生经济效益23098万余元。

随着柴油的紧缺、油价上涨，我国内河运河内许多驳船也都改装为风力发电驱动，就是安装一种带着螺旋桨的“风力发电机”。

由于船舶在航行途中，一般通过风力带动风力发电设备上的螺旋叶，就可直接给电瓶充电。

船舶在停泊中，一般风力只要达到三四级，也可给电瓶充电。

每条驳船一个航次需充电2次，在正常情况下，航行途中给电瓶充电后，还能基本满足船舶装卸时的用电需求。

瑞士日内瓦消息：Cargill已和希腊船东/船舶管理方Anbros Maritime S.A.签署协议，为其“Aghia Marina”号干散货船安装目前全球最大的“风筝”。

据悉，“Aghia Marina”号长170米，建于1994年，航速14节，通常运输工业和农业原材料等货物，可一次运输大约28500吨干散货，将成为目前采用德国SkySails风能技术的最大船只。

作为全球最大干散货物承租方之一，早在去年2月，Cargill就宣布和SkySails 签署供应协议，在造船业使用风能技术，以减少污染气体排放。

位于德国汉堡
的SkySails长期以来研发一种革新的、具有专利的“风筝”技术，飞行在船艏，可产生足够的推进力，在理想海况下，可减少高达35%的燃料消耗。

根据协议，“Aghia Marina”号将在2012年一季度安装面积达320平方米的“风筝”，将其通过绳索与船相连，在100-420米高空飞行，配有电脑控制的自动操作，将风能运用至最大化。

Anbros已加入和Cargill与SkySails一起进行研发和测试。

今后五年，由Cargill长期租运的“Aghia Marina”号使用SkySails系统。

SkySails公司负责培训船员如何操作风能推进。

三、风能在船舶上应用的方式与方法。

人类社会对于风帆助航的理解和认识有着悠久的历史, 工业科技水平的不断提升对于风帆技术的应用起到了巨大的推动作用, 根据风帆的形式及其对风力利用性质的不同, 衍生出了普通翼帆、特种翼帆( 包括单转子-翼帆组合体帆、转柱帆、转带帆、Walker 型风帆) 、三角帆、天帆、Magnus效应帆(涡轮帆、转筒帆) 和仿生帆等众多船舶风帆结构。

其中以三角帆和普通翼帆技术应用水平较高, 其他帆型形式在船舶上的应用多是带有试验性质的技术探索。

1.涡轮帆
涡轮帆的基本结构如图2-10所示，它是一个可定向转动的椭圆形筒，在其后缘左右两侧各有一个由许多小孔组成的抽气面，当风速超过极限风速时，它置于灵位，椭圆上下设有端板，在上端板设置一个水平的抽气机，按风速、风向及船速等条件控制抽气量，使帆达到最佳推进效率。

2.蝉翼型帆
概念中的蝉翼型帆可以做成模块布置在船舶上，需要风力助航时可将帆升起，不需要时可将其折叠收藏。

如需对风帆模块进行维修或长期不用时可以拆下，但目前仅仅是一个尚存诸多不定因素的概念。

3.风筝型帆
风筝型帆是在船艏张挂巨大的伞翼状的风筝，通过其拖动作用协助船舶前进，从而减少船舶燃料消耗。

风筝帆相比上述三种帆成本低，结构简单，对船体改造要求低，占用船舶空间较小，但其释放与控制难度高，对风向的要求更高。

四、风能在船舶上应用的技术路线
1. 伞形太阳能帆板双体船
[技术目的]：一种伞型太阳能帆板双体船，属于船舶海洋工程设备技术领域。

[技术方案]：本发明包括：单船体、船体连接架、万向接头、主立杆、伞型骨架、拉杆、套筒、牵引索、伞型太阳能帆板、太阳能光伏阵列、卷扬机、液压油缸、太阳能风帆、支承架、日光感受器、方向控制器。

其中，两个单船体之间由船体连接架相联固结组成双体船。

每个单船体长60米，宽约8米，两单船体中轴线之间的距离16米，双体船左右舷的最大宽度为24米。

在船体连接架的中心位置上安装有万向接头，主立杆通过万向接头与船体连接架相铰接。

主立杆高120米，由1.5米直径的铜管制成，铜管壁厚0.05米。

主立杆的下部，在双体船中心轴线方向和垂直于双体船中心轴线方向，共设置四个液压油缸。

液压油缸的活塞杆与主立杆各成45°角钱接，形成立体的支承，以便借
助四个液压油缸的协同动作，使主立杆按照控制的要求，以万向接头为中心变动主立杆轴向的倾斜角度。

支承架是一个钢制方管型圆环体，固接在船体连接架两旁的单船体的甲板上。

支承架的中心与双体船的几何中心重合。

支承架上沿圆周均匀固接着8个平面饺链，每个平面铰链上都连接着一根弧形的伞型骨架。

伞型骨架弧形的曲率半径为180米。

伞型骨架由无缝钢管制成。

每根伞型骨架的弦长为140米，8个伞型骨架共同组成一个球形面，球形面的中心在主立杆的中轴线上。

8根拉杆分别铰接在相应伞型骨架距根部端点弦长60米处，每根拉杆的末端与套在主立杆上的套筒7饺接，以利用套筒达到张紧和牵引的作用。

在每根拉杆上距离主立杆中心轴28米处，分别有牵引索与之饺接。

在主立杆的顶部，安装有8台卷扬机，分别牵引着各自对应的8条牵引索，以便牵引和垂吊8根拉杆，得以控制8个伞型骨架的位置角度。

伞型太阳能帆板以伞型骨架为支承安装在伞型骨架上，其投影面积为6万平方米。

该面积远大于双体船本体的尺度，尽量扩大了接收太阳能的有效面积。

伞型太阳能帆板由尼龙纤维材料制成，质地轻盈，坚固牢靠。

太阳能光伏阵列安置在伞型太阳能帆板的上面，以便尽量吸收太阳光的能量。

太阳能光伏阵列是采用威海蓝星泰瑞光电有限公司生产的不透明非晶硅太阳能电
池模块组装而成。

日光感受器和方向控制器置于双体船内，日光感受器的输入端感受太阳光，日光感受器的输出端通过方向控制器与液压油缸的控制端电连接。

[技术效果]：本发明的技术中，风能和太阳能在船舶推进上协同利用，使双体船完全以绿色能源驱动。

它仅依赖、风能和太阳能驱动，完全不需要常规能源包括燃油和燃气的消耗，是一种无排放污染的绿色船舶。

图1：伞形太阳能帆板的双体船的俯视图图2：伞形太阳能帆板的双体船的正视图
图中：1单船体， 2船体连接架， 3万向接头， 4主立杆， 5伞型骨架， 6拉杆， 7套筒， 8牵引索， 9伞型太阳能帆板， 1 0太阳能光伏阵列， 11卷扬机， 12液压油缸， 13太阳能风帆， 1 4支承架， 1 5日光感受器， 1 6方向控制器
2. 小水线面三体太阳能风帆船
[技术目的]：小水线面三体太阳能风帆船，属于船舶海洋工程技术领域。

[技术方案]：本发明包括 : 主船、两个辅船、主桅杆、辅桅杆、上帆梁、中帆梁、下帆梁、横梁、上桅、中桅、下桅、中括板、电流分配器、充放电控制器、超级电容组、电磁接触器、逆变器、变压器和电力推进器。

其中，主船由主船上体、三根主支柱和主下潜体构成。

辅船由辅船上体、辅支柱和辅下潜体构成。

主船和辅船穿过水面的部分只是三根主支柱和两根辅支柱，使三体船形成小水线面的结构，大幅度降低了三体船航行的兴波阻力。

三台电力推进器分别安装在主船上体和两个辅船上体的自尾部，两块中插板分别悬挂在主船上体舷外两侧。

主桅杆安装在主船上体上，两个辅桅杆分别安装在两个辅船上体上。

它们都可以绕本身的主轴线转动。

上帆梁、中帆梁、下帆梁和横梁自土而下平行安装，并与主桅杆和两辅桅杆铰接。

上桅悬挂在上帆梁下，中桅悬挂在中帆梁下，下跪悬挂在下帆梁下。

上桅、中桅和下桅都由质地致密而坚固的尼龙纤维制成，能够经受狂风的吹席。

上桅、中桅和下桅的表面都粘贴着多块太阳能电池板。

多块太阳能电池板由导线互相连接，组成太阳能光伏阵列。

上桅、中桅和下桅的面积大小，不受主船本身尺寸大小的限制，它可以制成面积很大的结构，以便安装尽可能多的太阳能电池板，组成强大的太阳能光伏阵列，提供浩大的电量，同时接收足够的风能动力。

太阳能光伏阵列的输出端与电流分配器的输入端连接，电流分配器的输出端分别与充放电控制器的输入端和逆变器的输入端连接。

充放电控制器的输出端与超级电容组的输入端相连接，超级电容组的输出端通过电磁接触器也与逆变器的输入端连接。

电磁接触器的控制端与电流分配器的控制端相连，并由电流分配器控制电磁接触器的动作。

逆变器的输出端通过变压器与主船、辅船的电力推进器联接。

太阳能光伏阵列在阳光的照射下，可以持续发电、输出电流。

当太阳能充足时，太阳能光伏阵列发出的直流电，通过充放电控制器调制到适当的电流和电压水平，输送到超级电容组的输入端，向超级电容组充电。

超级电容组存储的电能，可在任何时刻使用，以驱动船舶。

用于驱动推进器的电能通过逆变器转变为交流电，经由变压器引入电力推进器的输入端。

当太阳能光伏阵列达不到足够的电流输出、风力又不足以驱动船舶时，电流分配器控制电磁接触器联通，使超级电容组向逆变器的输入端放电。

电流经逆变器的输出端流出后，经变压器引入主船、辅船的电力推进器的输入端口。

在主船的电力推进器的驱动
下，船舶前进。

在辅船的电力推进器的的驱动下，两个辅船协同主船调整相对位置，形成前后直线的排列分布，或者根据指令，协同调整各自的方位，牵引太阳能风帆的迎风角度发生精确的转变，船舶即使在侧逆风的情况下，仍然能够顺利前行。

图3：太阳能风帆船的正视图
图中，1是主船上体，2是主下潜体，3是主支柱，4是辅船上体，5是辅下潜体，6是辅支柱，7是主桅杆，8是辅桅杆，9是上帆梁，10是中帆梁，11是下帆梁，12是横梁，13是上桅，14是中桅，15是下跪，16是中括板，17是电流分配器，18是充放电控制器，19是超级电容组，20是电磁接触器，21是逆变器，22是变压器，23是电力推进器。

[技术效果]：采用了三体船的结构，除了主船以外，左右各有两个辅船承担支撑的任务，使巨大的太阳能风帆不至失去平衡，整个船上体也不会发生侧翻事故。

船上体均采用小水线面结构，大幅度降低了兴波阻力，使船舶得以快速航行。

本发明可在不同的环境条件下，选择由风能单独驱动船舶;由太阳能单独驱动船舶；由太阳能和风力共同驱动；或是利用超级电容组储存的电能驱动，使船舶总是可以持续正常航行。

四、风能在船舶上应用所存在的难
点和关键技术
助航风帆系统要求高效安全：风帆状态（包括帆向角、风帆的启停等）和主机转速控制是风帆助航控制系统中两个至关重要的控制要素，因此确保在各种条件（气象条件、航行条件等）下对风帆姿态和主机转速进行最优化控制是风帆助航控制系统的根本目的。

综合来说，风帆助航控制系统有如下一些要求：
1、风帆的启停：风帆的启停不但关系到风帆助航系统的节能收益，还关系
到风帆助航系统的安全性。

因此需要风帆助航控制系统能够根据气象条件和船舶航行状态等因素进行合理而优化的自动控制。

2、帆向角：风帆在使用时，根据风向，按照风帆的最佳帆向角曲线适时的
调整帆向角，使得在一定条件下风帆获得最大推力从而获得最大节能效果。

3、主机转速：风帆助航系统大都采用定航速控制方案，即随着风帆推力的
增加，减少主机的输出功率，使船舶的航速保持不变，以风帆所得到的推进功率部分作为节能目标。

因此需要根据实际情况对主机的转速进行适当的调节，以保持航速不变。