大约90%的世界贸易由全球船队运输，成千上万艘执行这项重要任务的船只燃烧大量海洋燃料用于推进和船上电力。例如，根据运行速度和天气条件，纯汽车和卡车运输车每天可能消耗30至60吨燃料。

据估计，在全球范围内，2007年至2012年间，船舶平均每年消耗约2.5亿吨至3.25亿吨燃料，导致约7.4亿吨至7.95亿吨二氧化碳排放。

除了二氧化碳的排放外，由于全球航运活动，一系列其他物质，包括NOX、SOX和颗粒物（PM）也被释放到大气中。这些物质对人类健康有不利影响，研究表明，航运排放是每年约6万人死亡的一个促成因素。

帆自古以来就被用于船只上，在帆的黄金时代，快速快船横渡海洋的花费与今天的现代货船相当。现在，随着人们越来越重视使航运更加环保，帆动力的使用再次被认为是一种可能的补充或替代的推进动力来源。

但是，除了使用它们的潜在好处外，还有一些因素似乎阻碍了它们在远洋动力船舶上的广泛使用。

一、船舶的简历史和概述

2000多年来，帆一直是船舶动力的主要动力来源，可以说第一批混合船是古希腊和罗马的帆和桨动力。在19世纪，被称为快船的帆船，包括著名的卡蒂萨克号，如果风向有利的话，平均速度可以达到约为15节（kn）。

然而，帆船依赖于风的变幻莫测，因此航行的持续时间可能会有很大的变化。这一因素加上1869年苏伊士运河的开放和工业革命期间蒸汽船的出现，导致了帆船动力的使用逐渐减少。

起初，帆船和蒸汽船扮演着不同的角色，彼此之间并不直接竞争。有趣的是，大多数早期的蒸汽船都有桅杆和船帆，以防发动机出现故障，或者在风力条件有利的情况下使用它们作为推进力的来源。

在从帆到蒸汽的过渡过程中，建造了几艘结合了蒸汽机和著名船，包括党卫军萨凡纳号，这是第一艘横渡大西洋的蒸汽船。1819年，在萨凡纳（美国）和利物浦（大不列颠）之间的29天航行中，辅助蒸汽机只使用了大约100小时，即航行时间的16%。

英国蒸汽船进一步提出了使用帆和蒸汽机的概念，这种船的索具和帆是专门设计，来有效地与推进的主要来源。一个1000马力的发动机合作。

在1843年下水时，它有在海上使用过的最大的蒸汽机。在前往澳大利亚的旅途中，这艘船更依赖航行动力而不是蒸汽机，因为这主要是在条件不利时使用的。

到了20世纪20年代，大多数远洋船舶都不再使用船帆。然而，动力船舶的帆的发展仍在继续，在20世纪80年代，许多船舶包括新丸和臼木先锋（安装了日本海洋机械发展协会（JAMDA）型刚性帆。

这些帆不是推进的主要来源，而是安装在船舶上以减少燃料消耗。以这种方式使用帆有许多术语，包括帆辅助航运和风辅助推进。

尽管JAMDA的船帆确实导致了高达30%或更多的燃料消耗的减少，但这项技术的发展有效地结束了油价下跌。在此期间，另一种被称为沃克翼帆的刚性帆被安装在一艘7000吨级的散货船上——mV阿辛顿号

8%，最高达15-20%。然而安装几年后，沃克翼帆被移出了船。表1显示了JAMDA帆和沃克翼帆的节省燃料。

图1 20世纪80年代日本的一艘船

混合帆的概念也发展了近几十年，这些帆结合了软帆和刚性帆的设计元素。位于日本东京的国家海洋研究所（NMRI）的研究人员提出了这种类型的帆的一个例子，总体设计如图3所示。

根据风洞实验和计算，NMRI混合帆在升力和阻力方面优于软帆和刚性帆。虽然很有希望，但NMRI混合动力帆还没有安装在任何商船上。

图2 安装在阿辛顿岛车辆上的沃克翼帆

另一种混合帆技术是DynaRig，它的设计是基于威廉·普罗尔斯在20世纪60年代开发的一个概念。这种帆式今天在游艇上使用-“马耳他猎鹰”，每个帆有12%的弧度，可以卷起到桅杆上。

尽管马耳他猎鹰是使用帆的一个令人印象深刻的例子，但必须记住，据报道，它在2006年建造花费了1.5亿美元。这大约是目前正在服役的一些最大的货船的成本的两到三倍。

动力船舶的帆（不包括风筝）可以大致分为软帆、混合帆或硬帆，以及在表2中简要描述的每种类型。

图3 NMRI混合动力航行的细节

自克利伯时代结束以来，总注册吨位（GRT）在500吨或以上的软帆装备船相对较少。如今，它们的使用主要局限于特殊邮轮，如俱乐部Med2和帆船训练船。混合动力帆由于其相对的复杂性和较高的成本，似乎主要适用于大型豪华游艇或专业的混合动力帆装备货船。

刚性帆今天并不在大型船舶上使用，但由JAMDA的帆证明，它们能够减少燃料消耗。因此，似乎有理由合理地推测，如果它们更现代的同类物再次使用，那么这些可能被证明是减少FOC和排放的有效手段。

表2 动力船舶的现代帆类型

图4显示了一艘生态船（散装船）上14个刚性帆的例子。这种安排包括并排配置的分段刚性帆（SRS），总帆面积为1400平方米。

二、SWOT分析：在动力船舶上使用刚性帆

为了更好地理解使用刚性帆的潜在好处和局限性，我们使用了一个优势、劣势、机会和威胁（SWOT）分析框架来确定关键的主题领域。这些主题领域在表3中以象限格式进行了概述，并在本节中进行了更详细的描述。

图4 水缸生态船舶概念设计的印象

应该注意的是，这一分析只集中在动力船舶上使用刚性帆，而不是一般使用帆和/或现代帆船或游艇，其中帆是推进的主要来源。

在SWOT分析中确定的主题区域与船舶设计(D)、建造(B)和操作(O)周期的各个阶段有关（图5），这些区域在下面的每个部分旁边显示。

表3 刚性帆SWOT分析过程中确定的关键主题区域

三、优势

1.减少燃料消耗

关于使用刚性帆可以节省多少燃料的估计差异很大，取决于许多因素，包括总帆面积，使用的刚性帆的类型(s)和在航行中遇到的风条件。可能最好的估计可以基于安装了JAMDA帆的船舶的操作经验。

例如，申友户丸所实现的平均燃料节省约为10%。这种燃料消耗的减少也类似于一项在孟买和德班之间使用类似类型帆的船的约8%的计算估计。此外，据报道，Usuki先锋号进行的某些航行的燃料节省了超过30%。

图5 典型船舶设计、建造和运行周期概述

因此，我们可以得出结论，基于过去的操作经验和最近的研究支持，刚性帆有可能大量减少燃料消耗。

2.减少排放量

由于使用刚性帆而减少的燃料消耗也将导致二氧化碳、SOX和NOx排放的减少。除此之外，对健康和环境有积极的影响，风辅助推进也可能带来经济效益。

例如，关于二氧化碳排放，一艘在鹿特丹和纽约之间航行的27000吨级滚装船，运行16吨，每次航行将产生约77吨二氧化碳排放。假设可以节省10%的燃料，这可能导致每次航行减少约7.7吨二氧化碳排放。根据燃料类型，SOX和NOX的排放也将显著减少。

表4对第四季度调查的回应：游轮和客轮上的可再生能源

3.降低运营成本

船上使用的燃料（通常被称为燃料燃料）是船舶运营费用（OPEX）的最大成本项目之一。一艘配备了刚性船帆的船可以预期在有利的条件下使用更少的燃料，因为来自船帆的推进力将补充来自主发动机（M/Es）的动力。

这种较低的燃料消耗将因此导致运营成本的降低，为了便于参考，表6概述了FOC降低成本的方案。

表5 14个刚性帆的散货船可能的FOC轮廓

4.应急推进源

与19世纪的蒸汽船一样，刚性船帆有可能提供紧急推进或后备推进的来源。1985年，获得5 kn先锋的速度使用两个JAMDA帆唯一来源推进。

据估计，9个大型刚性帆总帆面积9000平方米可能在有利的风条件下，产生足够的推力移动大望角船的速度几乎14kn。因此，我们可以假设，在紧急情况下，仅使用航行动力也可以推动大型船只前进。

表6配备通用刚性帆系统的散货船的刚性帆ROI方案

5.提高了容器的稳定性

在1984-1985年冬天的Usuki先锋号的航行中，人们观察到当帆起航时，滚角减少了30%。需要在这一领域进行进一步的研究；然而，似乎在某些条件下，在动力船舶上使用刚性帆可能会提高稳定性。

在某些航运路线上，由于使用刚性帆可以节省燃料，因此可以减少储存在油箱中的燃料量。因此，这将减少船的重量，并可能导致进一步节省燃料。从长远来看，可以设计出更少的燃料储存空间，从而腾出空间供额外的货物和/或允许减少船舶的整体重量。

四、缺点

现代船舶上的帆可能会在几个方面对船舶的安全产生负面影响。首先，船帆的重量和作用在它们身上的风力可能会导致船的倾斜，特别是当船没有装载时。其次，根据帆的位置，从驾驶室或桥上看的视野可能会被阻塞，这可能在导航和避免碰撞方面存在问题。

而且帆可能造成不那么明显的安全危险，例如在紧急情况下或在设备故障时阻碍甲板上的船员的移动，如果在风暴中不能储存或固定，帆可能会对船舶（和船员）造成风险。

1.初始成本

在一艘大型船舶上，很可能需要多个刚性帆以及某种形式的自动或半自动控制系统。该系统可能在操作和系统设计方面需要多层安全层，以防止可能由人为错误或系统故障引起的事故。

这一初始资本支出以及相关的安装成本可被船主视为可选费用，因为刚性船帆目前并不被认为是必要的。因此，即使僵化的船帆可能在降低燃料成本方面带来经济效益，但一些航运公司可能不愿（或无法）分配额外的资金来购买建造新船或改装现有船舶。

这一额外成本可能无法被船主完全收回，因为例如，巴拿马型船舶通过能源效率措施节省的约40%可以归船主购买租船。

同样值得注意的是，刚性帆系统还需要符合适用的分类规则，以及符合适用的国际海上生命安全公约（SOLAS），遵守这些和其他规定也可能增加刚性帆安装的初始成本。

2.额外运营费用

安装在船舶上的电气和机械设备需要定期维护，特别是在暴露在恶劣的海洋环境下。这种额外的维护成本将需要考虑到额外运营费用中，并可能会阻止船主使用刚性帆。

如果船帆和相关设备不可靠，而且经常需要修理，这种成本也可能成为问题。此外，由于机电设备有时可能在较低的MCR%（最大连续评级）下运行，发动机维护成本可能会增加，正如慢蒸经验所指出的那样。

3.可变性能

任何船帆的性能都取决于风向和风速，而且它们会不断变化。在一次航行中，一艘船可能会遇到30公里或更多的风，然后通过不到5公里的微风航行几天。此外，视风的方向可能不适合使用帆，在这种情况下，它们可能提供很少或没有推进力。

影响其性能的其他因素，包括帆之间的相互作用和上层结构引起的干扰。在一项研究中发现，帆之间的相互作用损失，使多个矩形帆的驱动力减少约24%。因此，帆的推进力不能一直是主要的，甚至是重要的推进力。

在某些航行或路线上，它们可能提供很少或没有可用的推进力。如果船从一条有风的路线转移到一个风不太有利的路线，这种可变性能的性质可能是一个主要问题。

在这种情况下，刚性的帆可能不经常被使用。图6显示了在北美和欧洲之间的路线上可能经历的风条件。在这个例子中，一艘从北美驶往欧洲的船可能会遇到几个主要的风向变化，风速从平静到35公里不等。

在图6中，使用风倒钩来表示风向和速度。每个倒钩上的末端标记或尾巴表示风的吹动方向，每个小的倒钩代表一个速度或5 kn，一个大的倒钩代表10 kn。

4.干扰货物作业

现代船舶的一个要求是帆即使折叠或降低，也不得干扰货物的装卸。由于桥梁、起重机和其他基础设施的高度，无法放下的高帆和/或桅杆也可能阻止船只进入某些港口。如果坚硬的帆以某种方式阻碍货物处理，那么这很可能会被船主和租船人的负面看法。

另一个需要考虑的问题是，如果一个非常高的帆（例如，高度超过20米）由于机械故障而无法降低，那么这可能会阻止船舶停泊和/或卸载货物。如果这样的失败很常见，那就会削弱它们的实用性。

结论

刚性帆有可能为动力船舶提供一个辅助或辅助的推进源，这种潜力在过去已经实现了，在20世纪80年代使用JAMDA型帆是最显著的例子。据报道，尽管在有利的条件下，安装了这些船帆的船只将燃料消耗减少了10%到30%以上。

因此可以得出结论，如果在远洋动力船舶上再次安装刚性帆，就可以显著减少FOC和空中排放。

此外，它们还可能提供其他潜在的有形和无形的利益，包括改善居住在港口和航道附近的人的健康状况，成为紧急推进的来源，改善船舶的稳定性，提高利用这些利益的航运公司的品牌形象和声誉。

然而，目前的研究中强调的一些问题需要进一步的研究。这些问题可能会阻碍这种有前途的技术的使用，直到找到可行和成本效益的解决方案。