兩用型風能利用裝置在江海直達散貨船上的應用

付 瑜，徐 立，馮 凡，孫 強

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

兩用型風能利用裝置在江海直達散貨船上的應用

付 瑜，徐 立，馮 凡，孫 強

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

文章針對當前船舶發展趨勢和江海直達散貨船的航線特點，設計出1種能夠利用沿海豐富的風力資源進行風力助航，以及利用長江航線不適合風力助航的風力資源進行風力發電的兩用型風能利用裝置。通過仿真測試和經濟性分析表明該裝置風力發電效率良好，風帆助航效果顯著，能最大程度地利用航線上的風力資源，為船舶帶來經濟效益。

江海直達；風能利用；兩用型；性能分析

江海直達散貨船可航行在內河和海洋上，能同時滿足長江航段和近海航段不同的需要，在江海直達散貨船上開展風能實際應用的相關技術研究，致力于解決清潔能源在船舶上應用存在的技術難題和提高能源的利用效率，有助于進一步推動清潔能源在船舶上的廣泛應用，同時也可為倡導綠色船舶起到很好的示范作用[1]。

風能利用的形式主要是采用風帆助航和風力發電。近代風帆助航技術應用目前還處于初級階段，市場普及率不高，且主要用于大型遠洋船舶上，對江海直達散貨船研究應用并不多。風力發電在船舶上的應用較少，主要應用在駁船和小型漁船上[2]。

1 兩用型風能利用裝置的設計及選型

1.1 兩用型風能利用裝置的設計

以某江海直達散貨船為研究對象，該船主要運輸貨品為煤炭、鋼材、鋼卷等干散雜貨，不裝運危險貨物及谷物。設計船長159.90 m，船寬24.40 m，吃水8 m，載重20 000 t。在設計吃水時，潔凈船底、深闊海域、蒲氏風級2級以下、主機功率85%MCR(主機最大持續功率)時，船舶的服務航速不小于12.2 kn。經過分析，在整個航線上，內河段的風力比較小，在沿海航段風速大且較為穩定，風帆助航需風力較大且風向相對穩定的條件，而風力發電設備可以在風力資源較差的情況下運行，并且在長江上小型船舶比較多，風帆因為視線容易遮擋，不適合利用風力助航，同時考慮到目標船的實際情況，作為1艘以運貨為主的散貨船，甲板上并沒有足夠的空間同時安裝2種風能利用裝置。

綜合考慮以上幾種情況，本文的研究主要在設計出1種兩用型的風能利用裝置，當船舶處于風力適合助航階段時，風力發電裝置通過收縮其葉片的支撐桿，能夠正好隱藏在風帆的中空部分，裝置僅僅用來風力助航。在風力資源好的航段，利用風帆輔助推進，在風力資源較差的航段，利用風力發電裝置來發電以供日常所需。

1.2 兩用型風能利用裝置的選型

1.2.1 風帆的選型

風帆作為1種船舶上的輔助裝置，其只有滿足現代航運業的基本要求才能更好地為現代船舶服務，因此現代風帆助航船舶需要滿足下列要求。①確保船舶航運時間的準時性。②船舶加裝風帆裝置后，裝卸貨物的能力不能受到較大影響，風帆裝置不能對航行安全性、駕駛操作、船舶穩性等造成影響。③智能化風帆，自風帆控制自動化，不增加船員專門操作和維護風帆裝置[3]。整個裝置工作性能牢靠，對其維護工作簡單易操作。④整個裝置風能利用率廣，節能效果佳，能夠在盡可能短的時間內收回其制作及維護成本，有較高的經濟效益。

矩形帆翼結構簡單，操作難度小，容易實現自動控制，并且具有較高的動力學性能，矩形帆翼最適合用于輔助船舶推進[4]。

1.2.2 兩用型風能利用裝置的選型

按照風力發電機結構形式分類，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。①水平軸風力機是目前國內外最常見的1種風力發電機，該風輪的旋轉軸與風向平行，研制最多，技術成熟，但需要隨風向的變換調整葉輪方向。②垂直軸風力機的風輪旋轉軸垂直于氣流或地面方向，在風向發生變化時無需調向，垂直軸風力發電機按作用力原理來分類，一般分為阻力型和升力型[5]。由于升力型的垂直軸風力發電機葉片在旋轉過程中，隨著轉速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，其效率要比阻力型的高很多，所以，風力發電機組多采用升力型結構[6]。

對風力發電裝置來說，其結構比較固定，因此所選風力發電裝置要盡量簡單，不影響正常的船舶作業，因此綜合考慮各種類型的風力發電機，最終確定為達里厄升力型風力發電機，葉片結構為H型。

2 兩用型風能利用裝置的尺寸及結構

2.1 風帆的尺寸選擇

目前《國際海上人命安全公約》(SOLAS)對于安全駕駛視線有相關的要求，安全視線可分2種。①近視角，對應2倍船長(或 500 m，取小者)海面海域視線；②遠視角，對應10 n mile海面海域視線。風帆設計應盡量避免對2個安全視線間區域造成遮擋(如風帆收回時，上緣低于近視角視線；風帆升起時下緣高于遠視角視線)。

根據以上規定，當風帆完全升起時，風帆的上沿距離甲板高度應該在24 m左右，這個高度也就是桅桿的高度，風帆下沿的高度應該略高于駕駛臺高度，因此風帆完全升起時下沿高度距離甲板14 m左右，因此根據船舶安全駕駛視線視角要求和船級社對船舶駕駛盲區的相關規定，確定了目標船上風帆的高度為10 m以及整個裝置整體的高度為24 m。

根據SOLAS公約中船舶安全駕駛要求及船級社對船舶駕駛盲區的相關規定：在駕駛室外正橫前方從駕駛位置所見的海面視域內任何由貨物、起貨裝置或其他障礙物造成的盲視扇形區域的遮擋，應不超過10°。盲視扇形區域的總弧度不應超過20°。在盲視區之間的可視扇形區域應至少為 5°。但在本條中所述視域內，每一單獨的盲視區均應不超過 5°。根據SOLAS公約中的規定，結合目標船駕駛臺到3#艙和4#艙之間的距離，計算得出設計風帆的寬度為10 m。

因此根據船舶駕駛安全規范以及SOLAS公約中的相關規定對風帆尺寸的限制，最終得出了風帆的基本尺寸參數如表1所示。

表1 NACA0015型風帆基本尺寸 m

2.2 風力發電機的尺寸選擇及相關參數

風帆的尺寸限定了風力發電機風輪的尺寸，本文選取的風帆為NACA0015翼型，其最大厚度為1.5 m，因此風輪的尺寸小于1.5 m，最終確定風輪直徑D為1.4 m[7]。

葉片弦長C=R·σ/N,其中，R為葉輪半徑；葉片實度σ取0.1～0.6；N為葉片數。

風輪的額定轉速n=60·v·λ0/(πD)，其中，λ0為風力機的最佳葉尖速比，取3.6；v為風力機額定風速。

風力機的功率P=0.5ρ·Cp·A·v3·η1·η2，其中，Cp為風輪功率系數,取值范圍0.3～0.4；ρ為空氣密度， 取1.225 kg/m3；A為風輪掃風面積；η1為傳動效率；η2為發電效率。

根據計算結果可以得出，H型風輪設計的參數，如表2所示。

表2 H型風輪設計的參數

2.3 兩用型風能利用裝置整體結構

在整個兩用型風能利用裝置中，風力發電機在整個桅桿的最上端，結構形式比較固定，然而對于整個裝置中只有風帆需要實現收放和轉動等操作。在本文的設計中，風帆固定在2個風帆支架上，風帆支架與桅桿之間能夠相對上下滑動，來實現風帆的升降，這種結構有很好的抗扭效果，整個風帆和桅桿通過轉臺上的電機帶動整個風帆實現轉動，圖1、圖2分別為兩用型風能利用裝置的整體設計圖以及風帆支架連接方式示意圖。

圖1 兩用型風能利用裝置整體設計圖

圖2 風帆支架連接方式示意圖

3 兩用型風能利用裝置的靜力學分析

3.1 風帆在不同風況下風載荷的靜力學分析

靜力學分析既可以用來計算恒定載荷對結構產生的影響，也可以分析可近似等價為靜力作用而隨時間變化的載荷[8]。

本文風帆設計主梁(帆面骨架)以及帆用桅桿均采用AH32船用鋼板，依據GB 150—1998 常規設計中關于A系列材料的選取準則，材料的許用應力為273 MPa[9]。

表3 風速等級與風壓

通過仿真結果對比可以知道，這個風帆連接處所受最大應力小于其材料的許用應力，因此整個風帆的材料、結構都能夠滿足在比較極端的風況下的設計要求。

3.2 風輪在額定功率下的受力分析

兩用型風能利用裝置因為其工作特性與風帆有很大區別，所以對其在施加載荷以及約束的時候會有所區別，本文所設計的兩用型風能利用裝置，額定轉速為442 r/min。為了更好的還原風力發電機的工作過程，給風輪轉軸施加1個轉速，在0～3 s內實現從轉速為0到額定轉速442 r/min。從靜止狀態到額定轉速過程中，對風輪的受力以及應變狀態進行仿真研究。仿真結果表明，整個風輪裝置在從靜止狀態到額定工作狀態下，最大應變集中出現在葉片上，應力主要集中出現在連接處，整個葉片上變形量很小，應力也很小，可以滿足設計要求。

4 兩用型風能利用裝置經濟性分析

江海直達散貨船兩用型風帆利用裝置選用材料成本較低，并且實現自動化控制，操作十分方便。取長江沿線比較集中的風速4 m/s，沒有加裝風帆時，船舶航行的主機功率為(85%MCR)1 971 kW，每天航行16 h，日均消耗燃油7.4 t；本項目設計的是1艘純LNG散貨船，標準狀態下每立方米天然氣相當于1.2 L燃油，相當于每天燃氣量為7 000 m3。當風速為4 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s時，計算結果如表4。

表4 不同風速下各項指標數據

假設江海直達散貨船每年在長江里航行200 d，在沿海航線航行100 d，每天航行16 h，沿海航線風速為10 m/s;每年節省天然氣102 900 m3，節省費用334 425 元。可見，風帆助航在節省航運成本上意義重大。風帆助航時，可降低主機工作負荷，減少主機振動，對延長主機工作壽命有一定的作用；而且還能減少噪聲，改善機艙工作環境，有利于船員的身心健康。風帆提供推力使螺旋槳處于“輕槳”運行狀態，此時與螺旋槳相連的艉軸和中間軸等軸系的轉矩也相應降低，故主軸轉矩降低，曲軸箱的滑油使用壽命將增加，從而降低成本[10]。風帆助航也會對冷卻系統產生影響，燃油放出的熱量經過冷卻系統的量減少，從而使冷卻系統的使用壽命增加。風力發電的功率雖然不高，但是足夠滿足船上日常照明用電，可降低發電機的工作負荷，節省一部分費用。

5 結束語

1)根據設計兩用型風能利用裝置參數及工作環境在給定約束條件下進行仿真模擬，裝置結構強度滿足設計要求。兩用型風能利用裝置布置和使用能在滿足駕駛臺視線情況下，充分利用上層空間，航線上的風力資源得到充分利用，不僅能降低油耗、減少排放而且能增加主機和發電機的使用壽命。

2)近年來國內外的風能利用形式以大型遠洋船舶采用風帆助航的方式為主，本裝置所應用的船型為江海直達散貨船，使江海直達航線上的風能得到充分利用。

3)兩用型風能利用裝置的開發使用不僅能降低成本，節約費用，減少污染，更有助于進一步推動清潔能源在船舶上的廣泛應用，同時也可為倡導綠色船舶起到很好的示范作用。

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[6] 顧煜炯, 王兵兵, 李佳佳,等. 一種修正的多流管模型在垂直軸風力機氣動性能分析中的應用[J]. 太陽能學報, 2015(1):20-25.

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[8]鄭甲紅, 杜翠, 蔣新萍. MW級風力發電機機艙底座靜力學分析[J]. 機械設計與制造, 2015(9):197-198.

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[10]任洪瑩, 黃連忠, 孫培廷,等. 大型風帆助航船舶綜合節能減排潛力分析[J]. 大連海事大學學報, 2010, 36(1):27-30.

According to the current ship development trend of river-sea direct bulk carrier,a dual-purpose wind energy device is designed,which can take advantage of abundant wind resources in coastal navigation aids and use wind energy to generate electricity while the wind along the Yangtze River is not suitable for wind aids.By simulation test and economic analysis,the good efficiency can be achieved with the device of wind power generation,which brings great economic benefits for the ship with the maximum use of wind resources on the route.

river-sea;wind energy utilization;dual-purpose;performance analysis

國家科技支撐計劃(2014BAG04B01)

付瑜(1990-)，男，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶動力裝置性能分析。

U662.2;TK89

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.006

2017-01-11