科技前沿速递——旋筒风帆助力船舶节能减排
发布日期：2024-09-26 发布人：威海市船舶与海洋工程装备协会 访问次数:533
2023年9月7日，“海洋石油226”船用风力旋筒助推系统改造项目在天津启动，标志着国内首个船用旋筒帆加装项目进入实质性推进阶段。据初步估算，“海洋石油226”船加装DEALFENG®旋筒风帆后，每年节油率约12%，年节油量约132吨，年减少二氧化碳排放约412吨，可实现全生命周期受益。本期推文将围绕旋筒风帆技术简介及其国内外应用展开介绍。 1 旋筒风帆技术 早在20世纪初，德国的工程师安东·福莱特纳（Anton Flettner）与普兰特尔（Prandtl）提出“马格努斯（Magnus）效应”可应用于船舶的推进。通俗来讲，旋筒风帆利用电机驱动旋筒旋转，使其逆风旋转一侧表面的气压增大，顺风旋转一侧表面的气压降低，从而产生一个垂直于气流方向的升力，将其投影至船舶前进方向即为推动船舶前进的推力（图1）。通过调整旋筒的转速和旋转方向，可以调节筒体受力的大小和方向，从而为船舶前进提供的辅助推力。 图1 旋筒风帆原理图 2 旋筒风帆的国内外应用 近年来，国际海事组织（IMO）的新船能效设计指数(EEDI)、现有船能效设计指数（EEXI）和船舶碳强度指数(CII)强制实施和推进后，可再生可循环利用的风能，自然就成为了航运业节能减排的一个重要方式，旋筒风帆技术将有效推动航运业“低碳未来”的发展。 旋筒风帆在上世纪初已有应用，弗莱特纳在1924年制造了一艘名为巴登巴登号（Baden-Baden）的海船（图2），该船长54m、宽9m、载重625t，安装了高18.3m、直径2.8m的双圆柱转子为辅助推进动力，并在1926年成功横渡了大西洋，因而这类风力助推转子装置也被称为“福莱特纳转子”。 图2 “Baden-Baden”号船 2010年，德国风力发电制造商Enercon公司将旋筒风帆结构装载在“E-Ship 1”号船上，这是旋筒风帆在现代船舶上的第一次商业化应用（图3）。该船长130m、宽22.5m、总吨位10550t，甲板上安装有四个高27m、直径4m的旋筒，并配备有两台功率为3.5MW的柴油机。旋筒帆与柴油机之间采用“帆-机配合”的方式，最大速度可达17.5节，节能效率可达30%。由于E-ship1 船舶优异的性能，其在2016年德国汉堡国际海事展上获得了国际帆船协会（IWSA）风力推进创新奖。 图3 E-Ship 1”号货船 除了Enercon公司外，芬兰的Norsepower公司也是转筒帆的有力推行者和解决方案提供者，而且是目前国内外旋筒风帆订单最多，实船应用经验最丰富的公司。迄今为止，Norsepower提供的旋筒风帆已经应用到杂货船、邮轮及集装箱船上。2014年11月，芬兰航运公司Bore旗下一艘9 700t滚装船“Estraden”号，采用了Norsepower公司的旋筒风帆方案，其旋筒高18m，直径3m。该船在荷兰与英国之间往返航行，提供运输服务，在通过北海风力走廊时，航速可达16kn，潜在节约燃料约5%（图4）。 图4 “Estraden”号滚装船 2018年1月，希腊船东公司Victoria Steam ship定制的6400t散货船“Afros”号安装了4台Norsepower公司制造的旋筒风帆，其旋筒高度18m，最大转速450rpm（图5）。理论上，投入使用后可在相同航速下日均节省4t主机油耗。 图5 Afros号散货船 2018年4月，维京邮轮旗下的一艘“Viking Grace”号安装了Norsepower公司提供的高24m、直径4m的旋筒风帆，成为全球第一艘采用旋筒风帆技术的客船（图6）。安装旋筒风帆后，每年降低燃料成本多达20%，可减少高达900吨的碳排放。 图6 “Viking Grace”号邮轮 2018年8月，马士基宣布在“Maersk Pelican”LR2号油轮上安装Norsepower公司的2个高30m、直径5m的Flettner圆筒帆（图7）。在2018年9月至2019年9月间，“Maersk Pelican”号进行了为期一年的测试。结果显示，旋筒风帆为“MaerskPelican”号节省了8.2%的油耗，这相当于大约1400吨二氧化碳。 图7 “Maersk Pelican”号LR2级油轮 2021年5月，淡水河谷接收了世界上首艘配备旋筒帆的超大型矿砂船（VLOC）——32.5万载重吨Guaibamax型“SEA ZHOUSHAN”号，这艘船上安装了来自Norsepower的5个可倾斜旋筒帆，每个旋筒帆高24m，直径4m（图8），每年可节省100万美元油费。这种可倾斜的旋筒帆，在桥梁和电线下通行时可以倾斜至几乎水平，以适应船舶的航行工况要求。 图8 “SEA ZHOUSHAN”号矿砂船 英国的Anemoi Marine Technologies也是全球知名的旋筒风帆开发商和供应商之一，该公司在旋筒风帆也取得了重大进展，成功进行了安装与测试。Anemoi公司的旋筒风帆目前有3种灵活的配置——固定式、折叠式和轨道式，可定制用于满足不同船舶类型和运营特定的具体要求。2022年，新加坡干散货船东Berge Bulk与英国风帆制造商Anemoi Marine Technologies签署一项协议，将在两艘散货船上安装Anemoi旋筒风帆（图9）。据悉，这两艘船分别是388000载重吨Valemax型矿砂船“Berge Neblina”号（建于2012年），以及210000载重吨Newcastlemax型散货船“Berge Mulhacen”号（建于2017年），每艘船将安装4个Anemoi可折叠旋翼帆。Anemoi预测，每艘船每年将能够节省1200-1500吨的燃料。 图9 “Berge Neblina”号矿砂船和“Berge Mulhacen”号散货船 另外，中国的旋筒风帆技术也在迎头赶上，代表性企业是叠风新能源科技(天津)有限公司，该公司是一家集船舶节能减碳系统的设计研发和制造安装为一体的清洁能源技术公司。DealfengⓇ旋筒帆系统已获得英国劳氏船级社、日本船级社认证和中国船级社的相关认证，目前可提供2米/3米/4米/5米直径，8米-35米高度的船用风力旋筒助航系列产品。2022年5月，中国船舶科学研究中心（中国船舶集团702所）首次加装DealfengⓇ旋筒风帆操纵性模型试验顺利完成。目前，叠风新能源科技（天津）有限公司与中海油集团海洋石油工程股份有限公司“海洋石油226改造项目”已经完成了合同签订，为国内首个风力旋筒助推系统商用项目。同时一条新造5000吨成品油轮也将加装叠风公司风力旋筒助推系统，该船将于2024年初交船（图10）。 图10 安装DealfengⓇ旋筒风帆的油轮 3 相关专利摘编
资料来源： [1]中国科技网. 国内首个船用旋筒风帆加装项目正式启动[EB/OL]. (2023-09-11)[2023-09-21].https://finance.sina.com.cn/jjxw/2023-09-11/doc-imzmiqta2279109.shtml [2]信德海事. 【专访】Anemoi首席执行官：旋筒风帆最多可省油30%！[EB/OL]. (2023-06-13)[2023-09-21]. https://www.163.com/dy/article/I74NJIVM0514C1PI.html [3]信德海事. 厉害！国内首个风力旋筒助推系统商用项目启动[EB/OL]. (2023-09-11)[2023-09-21]. https://www.xindemarinenews.com/topic/yazaishuiguanli/50083.html [4]中国水运网. 风起了！异军突起的旋筒风帆[EB/OL]. (2022-06-30)[ 2023-09-21].http://www.eworldship.com/html/2022/ManufacturingMarket_0630/183493.html [5]王勇. 浅述转筒风帆的工作原理及实践应用[J]. 上海节能，2018,11：882-886.