《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》：Wind-propelled ships for maritime decarbonization: Technologies, global deployment, and engineering challenges
随着碳定价的扩大和脱碳目标的日益严格，风力推进正在被重新考虑用于商业航运。本综述总结了风力推进船舶的全球部署和发展趋势。研究人员采用多源数据集成方法，借鉴同行评审论文、公共船舶数据库以及行业和协会报告，构建了2025年第四季度前配备风力推进系统（WPS）的船舶级清单。该数据集包括96艘船舶，其中90艘在2025年底仍在运营。基于该清单，本综述描述了当前按运营区域、船舶类型、改造与新建路线以及风力装置是作为主推进还是辅助推进的应用情况。然后比较了五种主要风力推进系统，包括Flettner转子、吸力翼帆、刚性翼帆、软帆和风筝帆，在采用趋势和关键集成特征方面的差异。此外，本综述还汇集了主要技术挑战，包括风能利用效率、安全性和可靠性、运营和环境因素，以及经济考虑和商业可行性。最后，概述了主要地区的政策措施、分类和行业指南，以解释更广泛采用的主要驱动因素和障碍。
1. Introduction
全球碳中和和减排目标推动航运业面临前所未有的环境压力和政策约束。国际海事组织（IMO）加强了脱碳议程，通过能效设计指数（EEDI）、能效现有船舶指数（EEXI）和碳强度指数（CII）等措施，增加了对商业航运实用减排方案的需求。区域政策如欧盟排放交易体系（EU ETS）进一步提高了高排放运营的经济成本。2025年4月海洋环境保护委员会（MEPC）83次会议批准的IMO净零框架，推动了全球燃料标准和温室气体（GHG）定价机制。在此背景下，船东更关注无需完全改变现有推进架构即可减少燃料消耗的技术。此外，燃料价格不确定性和能源安全担忧也促使对辅助推进技术的兴趣重燃。风力推进系统（WPS）作为最有前景的海上脱碳途径之一重新出现，现代WPS通过先进气动设计、自动控制和专用部署机制集成到商业船舶中，主要功能是将可用风能转化为有用推力，从而减少燃料消耗。
2. Data collection and interpretation
本综述将“风力推进船舶”定义为在役商业船舶上配备风力推进装置，无论风力提供主推进还是辅助动力。定义了两个子类别：“主风动力船舶”和“风辅助船舶”。采用国际风力船舶协会（IWSA）的工作区分以确保一致性。“风力推进系统（WPS）”指船载风力装置及其相关部署和控制功能。研究人员编译了2025年前所有配备WPS的船舶清单（共96艘，包括随后拆除或退役的）。采用多源数据融合方法，整合学术文献、船舶数据库和行业来源，排除了在建、仅“风就绪”或计划安装的船舶。截至2025年底，90艘配备WPS的船舶仍在运营。
3. The status of wind-propelled ships
3.1. The development of wind-propelled ships
航运业重新审视WPS的潜力。WPS作为可再生能源解决方案，理论上可实现高达100%的减排率。现代商船不能完全依赖风力，新一代WPS通常作为辅助推进与主发动机集成，以减少燃料消耗。多种风力推进技术已在商业船舶上开发和测试，包括Flettner转子、吸力翼帆、刚性翼帆、软帆和风筝帆。这些装置在不同原理下运行，共同目标是在有利风力条件下提供补充推力，降低主发动机负荷。当前船载试验显示WPS可节能5%-20%，在有利风况的远洋航线上可达30%。气动设计、自动控制系统和材料技术的进步持续提升了WPS的可靠性和适用性。
3.2. Wind-propelled ships currently in operation
图1显示每年新安装或首次改造WPS的船舶数量。蓝色柱状图表示新安装船舶数，橙色柱状图表示运营船舶总数，红色线表示年增长率。共记录96艘风力推进船舶，其中6艘因WPS拆除或使用寿命终止而停止运营。2018年前增长缓慢，之后显著加速，2024年和2025年安装量分别为29艘和30艘。
3.3. Ship types of wind-propelled ships
散货船和杂货船占主导地位，分别占26%和24%，因其甲板空间大、结构简单、航程长，适合风能利用。滚装货船和滚装客船分别占8.3%和4.2%，主要在开阔上甲板运行。油/化学品船和气体运输船分别占16.7%和8.3%，受严格监管约束，但试点项目如Maersk Pelican的Flettner转子显示了节能潜力。客船和专业船舶因设计、运营和监管限制，WPS采用率较低。
3.4. Operational area of wind-propelled ships
欧洲以40.6%的份额领先WPS应用，得益于积极的政策如EU ETS和FuelEU Maritime计划，以及主要供应商如Norsepower和Anemoi Marine Technologies。亚洲占10.4%，尽管是全球最大造船市场，但WPS采用仍处于早期阶段。全球运营的船舶占40.6%，在不同航线和天气条件下运行以最大化能效。
3.5. Installation types for wind-propelled ships
改造项目占主导地位，占66.7%，因为模块化WPS设计降低了工程复杂性和成本。新建船舶占30.2%，可从设计阶段集成WPS，提高系统兼容性和效率，但初始成本高、长期性能数据有限导致采用更谨慎。改造项目力求最小化对现有船舶的改动，而新建项目则具有更大设计自由度和性能上限。
3.6. Analysis of primary wind-powered ships and wind-assisted ships
主风动力船舶约占6.3%，风辅助船舶占93.8%。主风动力船舶多配备软帆，以杂货船为主，新建类型居多，仍处于高度示范和实验阶段。风辅助船舶中，传统柴油发动机占主导（81.1%），双燃料系统（LNG/柴油）占7.8%，电池/柴油混合动力占3.3%，生物燃料/柴油和甲醇/电池/柴油各占2.2%。
4. Detailed introduction and comprehensive analysis of five wind propulsion systems
4.1. Introduction to the five wind propulsion systems
4.1.1. Flettner rotors
Flettner转子是基于马格努斯效应的旋转圆柱形垂直帆，由电动机驱动高速旋转产生升力，提供推力。典型船舶包括Maersk Pelican（油轮，改造后节省8.2%燃料，减少约1400吨CO
2排放）和M/V Copenhagen（混合渡轮，平均减少4% CO
2）。
4.1.2. Suction wing sails
吸力翼帆是垂直安装的固定翼帆，利用边界层抽吸技术增强气动性能。内置风扇通过翼面狭缝抽吸空气，减少流动分离，增加压力差产生升力。典型船舶包括MV Ankie（杂货船，采用eConowind VentiFoil
?系统）和MV Frisian Sea（散货船，配备两个装置）。
4.1.3. Rigid wing sails
刚性翼帆是飞机翼形状的刚性帆，具有高升阻比和升力系数。通常包含主翼和襟翼，自动调整迎角。典型船舶包括Pyxis Ocean（散货船，改造后平均每天节省约3吨燃料）和Canopée（滚装船，配备四套OceanWings，每天节省约5.2吨燃料）。
4.1.4. Soft sails
软帆是传统柔性织物帆，通过风力膨胀产生推力。现代软帆包括桅杆、帆布、撑杆和索具，以及卷收机构。典型船舶包括Grain de Sail II（杂货船，主要依靠传统软帆运输）和Tres Hombres（小型杂货船，作为实用帆货平台运营）。
4.1.5. Kite sails
风筝帆利用系留风筝在高空提供牵引力，通过自动收放系统和“8字形”飞行模式产生推力。典型船舶包括Ville de Bordeaux（滚装船，测试Seawing风筝帆，预计可减少约16%燃料和排放）和Cape Brolga（好望角型散货船，配备全尺寸Seawing系统）。
4.2. Types of WPS for wind-propelled ships
全球商业船队偏好Flettner转子（41.7%），因其高效和易改造；吸力翼帆占31.3%，通过边界层抽吸提高推进效率；刚性翼帆占16.7%，推进效率高但初始投资大；软帆（6.3%）和风筝帆（4.2%）使用较少，受限于操作复杂性和监管挑战。
4.3. Annual installation trends and comparative evaluation of WPS types
2018至2025年，新安装WPS数量显著增加，2024年和2025年尤为突出。Flettner转子在2024和2025年各有13艘新装；吸力翼帆在2025年达到15艘；刚性翼帆在2024年达到峰值5艘；软帆和风筝帆安装零散。总体而言，Flettner转子和吸力翼帆因成熟度、改造兼容性和可靠性能而具有最高实用性，刚性翼帆最适合新建，软帆和风筝帆仍为利基解决方案。
5. Technical challenges
5.1. Wind energy utilization and propulsion efficiency
风力可变性使WPS难以提供连续稳定推力，目前大多数应用为辅助动力。智能航线优化至关重要，结合帆和航线规划可带来更大效益。WPS产生的侧向力可能导致船体漂移，增加阻力和舵负载，部分抵消节能效果。WPS与传统推进系统的匹配仍不成熟，需要高保真物理-数字测试方法验证。国际拖曳水池会议（ITTC）已制定相关指南和程序。
5.2. Safety and reliability
WPS在强风条件下需承受大风压和弯矩，对船体强度和稳性提出额外要求。极端天气下安全收帆或降低侧风面积是关键。船级社如Bureau Veritas已制定WPS相关规则。船员需接受统一培训和操作程序。WPS可能改变船舶操纵性，需纳入安全评估体系。IMO安全监管框架仍在制定中，2026年SDC 12会议确定了工作路线图。
5.3. Operational and environmental factors
风力在海域分布不均，船公司需通过天气路由和速度优化调整运营。风向对WPS性能影响显著，逆风时可能增加阻力。许多WPS设计为可伸缩或折叠以应对恶劣天气和港口限制。长期暴露于风浪中的部件（如转子轴承、帆布、碳纤维结构）易受盐雾、湿气、紫外线等损伤，需定期维护。部分系统已集成传感器和物联网功能，建立全球服务网络成为新挑战。
5.4. Economic considerations and commercial viability
WPS的商业价值取决于燃料节省潜力、安装成本、船型和系统集成度。改造项目因低进入门槛占主导，但包含结构加固、甲板调整等额外成本。新建项目允许更深集成，但前期成本更高。Flettner转子和吸力翼帆因成熟度和自动化水平更具商业吸引力，刚性翼帆气动效率高但经济性受限于尺寸和集成成本，软帆和风筝帆路线特定性导致商业应用有限。
6. Policy drivers and future outlook
6.1. Policy drivers across continents
全球层面，IMO从广泛战略转向具体监管框架，2025年MEPC 83批准净零框架，设定全球燃料标准和GHG定价机制。SDC 12决定为包括风力推进在内的多项减排技术制定安全监管框架。欧洲通过EU ETS、FuelEU Maritime等政策推动商业部署，WASP、OPTICWISE等项目支持研发。亚洲主要航运国家如日本、中国、韩国将风力推进纳入国家战略，中国船级社发布首部WPS检验指南，日本计划2030年前配备25艘刚性翼帆船舶。北美地区采用较慢，但加州等地开始将WPS纳入合规措施。
6.2. Future outlook
在更严格的脱碳要求下，风力推进船舶发展加速，但风辅助配置仍将主导，因其可减少燃料消耗同时保留传统推进的可靠性。主风动力船舶将限于专用低速或中速航线。EU ETS给予WPS直接经济价值，从2024年起覆盖5000 GT及以上船舶的CO
2排放。FuelEU Maritime要求2025年减少2%年均温室气体强度，2030年达6%。改造项目仍是最快途径，散货船、杂货船、油轮和滚装船适合。新建项目从2027年起可能更具可行性，2030年后随着更多运营数据可用，成为更实际的选择。WPS将与替代燃料和数字系统更紧密结合，Flettner转子和吸力翼帆在改造中保持重要地位，刚性翼帆在新建中潜力更大。
7. Conclusion
本综述从全球船队部署、WPS类型、工程挑战和政策驱动因素系统分析了风力推进船舶。风力推进船舶发展迅速但应用仍具选择性，改造项目占主导，新建项目需要明确长期性能和经济证据。不同WPS类型比较显示，Flettner转子和吸力翼帆当前商业潜力更强，刚性翼帆、软帆和风筝帆仍有发展空间。风辅助船舶的主导地位反映了商业航运的实际需求。未来采用需要更清晰的性能评估方法、更安全的集成标准和更强的长期经济收益证据。随着碳成本和监管要求明确化，风力推进船舶在合适航运领域可能更具吸引力，但其对海上脱碳的实际贡献取决于WPS是否能与现代船舶的设计、运营和商业逻辑相集成。
