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。