海上航线风能资源的调查与分析

胡以怀, 袁春旺

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

船舶在海上航行时可借助风帆助航技术直接将风能转化为辅助推进力。从历史上看，风帆船舶对世界的发展有着极大的推进作用，是水上运输的重要交通工具，是实现货物流通、促进各地区间经济文化交流的重要保障。近代以来，随着科技高速发展，机械动力慢慢取代风帆，蒸汽机和柴油机动力装置成为船舶主要的推进装置。20世纪后半叶之后，随着人们对环境保护日益重视及全球能源日益枯竭，借助风力的风帆助航技术重新受到人们的关注，各种帆船不断涌现。进入21世纪之后，能源和环境的迫切要求使得国内外风能助航研究呈现出新的活力，风帆的结构、形式和应用对象出现前所未有的创新和突破。[1]

但是，全球海上风能资源的分布并不均匀:赤道附近海域属于赤道无风带，风速最小；南北回归线附近海域属于信风带，风速稍大；南北半球纬度30°左右的海域属于副热带无风带，风速相对较小。纬度更高一点的区域属于盛行西风带，风速普遍很大，如:欧洲北海地区风速较大，盛行西风；南半球纬度40°～60°的区域属于咆哮西风带，常年刮极强的西风；两极地区属于极地东风带，风速也比较大。[2]从大气环流的角度看，全球海上风能资源的分布与全球气压带和风带的分布密切相关，一般越往赤道风越小，越往两极风越大，同时有区域气候和特殊地形形成的区域性风资源。[2]此外，风向对风帆助航技术的应用也有很大影响，逆风航行不仅不会产生助航效果，还会产生航行阻力。

因此，全球海域不同航线上风能资源的分布是船舶风帆助航技术应用的主要依据，是风帆助航技术的研究基础。目前国内对全球海域不同航线上的风能资源有多少、风帆助航技术在远洋船舶上的应用有多大潜力、风帆助航技术适用于哪些海上航线和如何衡量海上航线的风能资源及有效性等问题的研究还比较少。

1 海上风能资源的调研

据有关文献[2]介绍,在全球海上风电发展的重点海域中:欧洲的海上风能资源最为丰富，其大部分区域的平均风速介于9～12 m/s；其次为美国，平均风速为8～10 m/s；我国的大部分近海区域平均风速为7～9 m/s，局部区域平均风速>9 m/s。但从海上运输的角度看，全球航线分布在不同的海域，其风力大小和方向随着海域和季节的改变而改变。英国人蒲福平1805年根据风对地面(或海面)物体的影响制定出蒲氏风级,不同风级对应的风速大小见表1。

根据英国水文局发布的2016年海图资料，整理出2016年全球9条典型航线上不同风力、不同风向的概率数据，这9条航线分别为

1) 东海:上海→香港。

2) 南海：香港→新加坡。

3) 马六甲海峡,孟加拉湾：新加坡→科伦坡。

4) 印度洋，阿拉伯海：科伦坡→亚丁湾。

5) 红海：亚丁湾→苏伊士运河。

6) 印度洋，好望角：科伦坡→开普敦。

7) 南大西洋：开普敦→努瓦迪布。

8) 北大西洋：努瓦迪布→毕晓普岩。

9) 北太平洋：横滨→洛杉矶。

以上海→香港航线1—3月份的风能数据为例，其不同风力、不同风向出现的概率见表2，概率越大表示该风级或风向出现的概率越大，每个月不同风力、不同风向出现的概率总和为1.0。这里的风向角表示风向Vb与船舶航向Vs的夹角θ，顺时针为正，逆时针为负(见图1,此时θ=-40°)。对于表2中的上海→香港航线，顺风时的风向角为顺风角，在90°～0°～-90°之间;当风向与航向一致时,顺风角为0°。逆风时的风向角为逆风角，在- 90°～0°～90°之间;当风向与航向完全相反时,逆风角为0°。这里的逆风是相对的，对香港→上海航线就成了顺风。

表1 蒲氏风级和对应的风速

表2 东海:上海→香港航线1—3月份的风能数据

2 海上风能资源的强度分析

考虑到3级以下的风资源对船舶风帆助航的作用不大，本文只统计4级风以上的数据。对每个月顺风和逆风(或逆航向)的4级风以上的概率数据求和，乘以每个月的天数，获得不同航线上往返航线的可用风天数见表3，其中10 d以上的数据用黑体标出。

从表3中可看出，不同的航线都有一定的风能资源，大部分集中在冬、春、秋三季，其中以横滨→洛杉矶的北太平洋航线②、上海→香港的东海航线和毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线的风能资源最丰富，但各航线上往返航程的顺风天数不同，因此要根据不同的情况使用风帆。

若只统计5级风以上的数据,对每个月顺风和逆风(或逆航向)的5级风以上的概率数据求和，乘以每个月的天数，获得不同航线上往返航线的5级以上强风顺风天数见表4。

从表4中可看出：与表3相比，各航线上5级以上强风顺风的天数略有减少;上海→香港的东海航线、香港→新加坡的南海航线、科伦坡→新加坡的马六甲海峡孟加拉湾航线、亚丁湾→科伦坡的印度洋阿拉伯海航线、毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线都有较好的风能资源，是未来运用风帆助航技术的重点航线。当然，当风力超过10级时，为安全起见，一般会收起风帆装置。由于概率较小，这里不再考虑。

3 海上风能资源的有效性分析

在利用风帆助航技术时，风向角90°左右方向的横风对船舶的助推作用不大。为此，在表4中数据的基础上减去风向角90°方向的风力数据，得到不同航线上往返航线的5级以上有效助推强风的顺风天数见表5。

对比表4和表5可知，虽然顺风天数有所减少，但影响不大，其中仍以上海→香港的东海航线、毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线的风能资源最丰富。但是，为更好地利用海上风能资源，建议采用滚筒帆、抽气式涡轮帆等特种风帆，或采用船载风力发电装置，这样不仅可充分利用横风，还可利用逆风，从而大大提高海上风能资源的利用率。

考虑到不同的风级所含的能量不同，对不同风级的概率数据进行不同的权重处理。设不同风级和不同风向下的概率为xi(如表2所示)，不同风级对应的加权系数λj见表6。这里的权重系数主要是根据不同风级的风速大小确定的(如表1所示)，则不同航线每个月顺风和逆风时的风能资源强度指数E顺及E逆的计算结果见表7,这里

(1)

(2)

若将同一条航线上往返航程风能资源的强度指数E顺和E逆加到一起，得到每条航线风能资源的综合强度指数Es见图2,这里有

Es=E顺+E逆

(3)

可见，在9条航线中，洛杉矶→横滨的北太平洋航线②风能资源的综合强度指数最高，其次是洛杉矶→横滨的北太平洋航线①和上海→香港的东海航线，说明这些航线上的风能资源最丰富，最有利于船舶风能的应用。

若再考虑不同风向对风帆助航的效果，则在表7的基础上对不同风向进行加权处理，得到不同航线上的综合有效强度指数Et的计算结果见图3。这里的风向加权系数ηk主要是依据ηk=cosθk确定的，具体权重系数见表8。

表5 海上航线5级以上有效强风的顺风天数统计

表6 不同风级的权重系数

(4)

可见，上海→香港的东海航线风能资源的综合有效强度指数最高，其次是毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线②，说明这些航线最适于普通翼型风帆助航船舶。这里的航线风能资源综合有效强度指数是一种相对参量，主要用来衡量不同航线风能资源的有效性，可作为风帆助航船舶航线优化的重要参考指标。

表7 海上航线风能资源的强度指数

表8 不同风向的权重系数

4 结束语

1) 9条航线都有一定的风能资源，大部分集中在冬、春、秋三季，其中以横滨→洛杉矶的北太平洋航线②、上海→香港的东海航线和毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线的风能资源最丰富，但各航线上往返航程的顺风天数不同，因此要根据不同的情况使用风帆。

2) 从5级以上风级的角度看，上海→香港的东海航线、香港→新加坡的南海航线、科伦坡→新加坡的马六甲海峡孟加拉湾航线、亚丁湾→科伦坡的印度洋阿拉伯海航线、毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线都有较好的风能资源，是未来风帆助航船舶的重点应用航线。

3) 在删除横向风数据之后，虽然顺风天数有所减少，但影响不大，仍以上海→香港的东海航线、毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线的风能资源最丰富。建议采用滚筒帆、抽气式涡轮帆等特种风帆，或船载风力发电装置，这样不仅可充分利用横风，还可利用逆风，从而大大提高海上风能资源的利用率。

4) 从综合风能资源强度指数的角度看，洛杉矶→横滨的北太平洋航线②最高，其次是洛杉矶→横滨的北太平洋航线①和上海→香港的东海航线，说明这些航线上的风能资源最丰富，最有利于船舶风能的应用。若再考虑不同风向对风帆助航的效果，则上海→香港的东海航线的风能资源的综合有效强度指数最高，其次是毕晓普岩→努瓦迪布的北大西洋航线和横滨→洛杉矶的北太平洋航线②，说明这些航线最适于普通翼型风帆助航船舶。

5) 本文提出的航线风能资源的综合强度指数和综合有效强度指数可用来衡量不同航线风能资源的有效性，可作为风帆助航船舶航线优化的重要参考指标。

[1] 胡以怀.新能源与船舶节能技术[M].北京:科学出版社,2015:478-486.

[2] 宋军.海上风能资源分布综述[J].中国科技纵横,2015(5):5.

[3] 郑崇伟，胡秋良，苏勤，等.国内外海上风能资源研究进展[J].海洋开发与管理,2014,31(6):25-32.

[4] 李元奎，张英俊，岳兴旺，等.面向风帆助航的海洋风力资源分析方法[J].中国航海,2013,36(3):90-94.