船舶艏部翼舵在垂荡与纵摇运动中俘获波浪能性能的实验研究及其对绿色航运的贡献

《Renewable Energy》：Wave energy scavenging performance of heaving and pitching ship bow foils

为应对国际海事组织（IMO）碳减排要求，本研究创新性地提出一种可相对船舶垂荡运动的艏部翼舵系统，通过实验验证其作为波浪能转换器（WEC）的可行性。结果表明，该系统在规则顶浪中可回收电力（最高26 mW），降低20%纵摇运动，且捕获宽度比（CWR）达1.8%，为船舶能效提升和减排提供了新思路。

　　

随着全球航运业碳排放量逐年攀升（年排放达9.4亿吨CO₂），国际海事组织（IMO）要求2050年前减排50%，并出台碳强度指标（CII）等强制性能效标准。绿色海事技术成为研究热点，其中能量捕获（Energy Scavenging）技术通过利用环境能源（如风能、波浪能）提升船舶性能，被归类为IMO能效设备（ESD）中的B2（间歇性操作）和C2（依赖环境）类别。尽管太阳能和风能捕获技术已在船舶应用，但波浪诱导运动能量捕获仍处于发展阶段。现有研究集中于摆锤、陀螺仪等惯性系统，而艏部翼舵作为节能装置（ESD），传统上用于减少波浪增阻和产生推力，但其能量捕获潜力尚未充分探索。

为此，南安普顿大学的J.A. Bowker、A. ?ster和N.C. Townsend在《Renewable Energy》发表论文，首次实验研究了一种可相对船舶垂荡运动的艏部翼舵系统，旨在直接发电并改善船舶性能。研究通过自由航行船模试验，在规则顶浪中测试了带与不带翼舵系统的性能，分析了船舶运动、传递功率、发电效率等关键参数。

研究采用2米散货船模型，在拖曳水池（长138 m，宽6 m，深3.5 m）进行实验。模型配备NACA0012翼型舵，通过弹簧加载和电磁动力输出（PTO）系统（Maxon DX22S电机作为发电机）将相对垂荡运动转换为电能。数据采集使用National Instruments myRIO1900和LabVIEW系统，传感器包括运动捕捉（Qualisys）、轴编码器、扭矩计等，采样率100 Hz。实验覆盖波频0.6–1.4 Hz，波幅0.02 m，船速0.5 m/s（弗劳德数Fr=0.1129）。数据处理包括裁剪、滤波（4阶巴特沃斯低通，截止5 Hz）、正弦拟合和无量纲化。不确定性分析遵循ITTC建议，计算扩展不确定度（k=2）。

结果部分首先显示，翼舵系统使纵摇运动响应算子（RAO）在共振频率（约1 Hz）降低20%，而对垂荡运动影响可忽略。这表明系统有效抑制了纵摇，提升了舒适性和安全性。传递功率分析表明，系统在静水中因支柱附加阻力增加功耗，但在波浪中，低频段附加功率减少，高频段增加，提示优化设计可能实现净节能。

翼舵运动方面，舵俯仰角响应较小（<10°），而相对垂荡响应在共振时最大。以波幅无量纲化时RAO>2，以相对波幅（考虑船舶运动）无量纲化时RAO≈1，表明翼舵主要响应船舶运动而非直接波激励。发电性能上，发电机转速达2000 rpm，发电功率最高26 mW，发电机效率平均54%。捕获宽度比（CWR=平均电功率/单位宽度波功率）达1.8%，虽低于专用WEC设备（6–20%），但与其他海洋浮标和自主系统原型相当。

系统潜力分析通过弗劳德缩放（P∝R^3.5）估算全尺度性能，并基于全球波浪数据（Copernicus, 1993–2020）评估适用船型：地中海（50 m）、北海（70 m）和太平洋/大西洋（140 m）船长的船舶更易匹配最优波长船长比。斯托罗哈尔数（St=f·h_r/U）最高0.1，低于扑翼推进最优值（0.25–0.35），表明通过增大波高或主动控制可提升性能。

讨论部分指出，系统以船舶运动为能量源，翼舵保持相对静止，操作模式新颖。建议未来采用低阻力支柱或船体内置设计以减少拖曳损耗，并探索主动俯仰控制以扩展操作范围和效率。不确定性分析显示传递功率、CWR等参数的扩展不确定度在5–15%，保证结果可靠性。

结论强调，该研究证实了艏部翼舵作为波浪能转换器的可行性，不仅能发电（模型尺度26 mW），还能减摇，为巡逻舰、海上供应船、风电运维船和自主水面艇（ASV）等徘徊作业船舶提供能效提升和排放削减新途径。未来优化PTO设计、控制策略和流体动力学性能后可实现更佳效果。