风助船舶水力发电潜力评估的方法学比较

《Energy Conversion and Management-X》：Method comparison to assess the potential of hydro-generation for wind-assisted ship

　　

风助推进系统（Wind Propulsion Systems, WPS）是降低国际航运碳排放的新兴技术。若WPS被设计为平均提供推进功率的最主要部分，则在某些工况下WPS提供的功率超过推进所需，螺旋桨可用于发电（水力发电）。针对该技术及其可实现的燃料消耗降低，已有研究较少。研究人员旨在比较多种估算风助船舶水力发电潜在燃料节省的方法。以一艘柴油电力推进、采用KCS（KRISO Container Ship）船体线型的案例船舶为对象，配置三种翼帆方案与三种参考航速进行仿真。理论法在全球风矩阵下估算燃料节省最高0.046%，在选定航线达0.54%；EEDI（Energy Efficiency Design Index）计算在2018版中最高0.83%，2021版中最高2.26%；定速统计法最高1.60%；大圆航线航速优化法最高1.75%；天气路由法最高10.52%。结果表明天气路由法给出的估算最高且最接近风助船舶实际运营模式，能更好反映水力发电的全部潜力。

研究背景方面，国际航运脱碳压力持续加大，替代燃料、物流优化与风助推进并行探索。风助推进系统（WPS）可在部分工况下输出超出推进需求的功率，此时螺旋桨转入水力发电（hydro-generation）模式为船舶辅机供电，从而降低燃油消耗，但已有公开研究极少涉及该模式的燃料节省潜力评估，更缺乏不同估算方法的系统比较。论文发表于《Energy Conversion and Management-X》，研究人员以柴油电力推进、KCS船体线型的案例船为平台，配置三种翼帆与三种参考航速，综合理论分析、EEDI核算、定速统计、大圆航线航速优化与天气路由五类方法，量化水力发电可带来的燃料节省并比较差异，填补方法学空白。

关键技术方法上，研究人员构建基于盘形作动器理论（disk actuator theory）的螺旋桨推进/发电统一模型，结合4自由度静力平衡功率预测程序（PPP）求解翼帆攻角、舵角、横倾与螺旋桨推力；采用MMG操纵系数、SNNM波浪增阻法与B系列桨回归多项式描述船体水动力；借助全球风概率矩阵（GWM）与航线历史气象数据驱动工况抽样；以发电机比油耗（SFC）曲线与负载因子折算小时油耗；运用信任域算法优化推力策略，并分别套用EEDI 2018/2021公式、定速期望积分、大圆航线（GCR）粗网格航速迭代优化及三维动态规划天气路由进行多层级估算。

研究结果部分，2.1理论途径（Theoretical approach）通过建立无约束指数风况分布与相对功率表达式，在平均风速力系数γ_WPS=0.3时求得全球风矩阵下节省0.046%、选定航线0.54%，证明低风助配置下水力发电收益可忽略。2.2案例研究方法（Case-study approach）下：2.2.2功率预测程序（PPP）耦合翼帆Cl/Cd插值、MMG与SNNM给出各TWS/TWA静态平衡点；2.2.3发电模型以SFC(loadfactor)=SFC_min×(0.455×loadfactor²?0.71×loadfactor+1.28)刻画辅机油耗；2.2.4 EEDI计算显示2018版全局风平均抵免得0.83%，2021版取有利50%风况达2.26%；2.2.5统计定速法在航线风矩阵下得1.60%；2.2.6大圆航线航速优化达1.75%；2.2.7天气路由同时优化轨迹与转速，得出最高10.52%。各方法递增的估算值反映对“风—速—航路”耦合利用程度的差异。

讨论部分指出，理论法脱离具体船舶与航线，仅验证从业者直觉；EEDI受公式版本与风况截取影响波动大；定速统计忽略航速弹性；大圆航线优化仍受固定路径约束；天气路由因允许偏航与变速、贴合风助船实际调度，故估算最高且最具工程参考性。结论翻译如下：所有结果均表明天气路由法是估算风助船舶水力发电全潜力燃料节省的最相关方法，其给出最高估值且最接近风助船舶真实使用场景。