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打造綠色船舶

基於成本考量與社會責任,造船界與航運界都努力推動船舶的節能。對造船業來說,如何應用科技與創新,對船舶能源的消耗錙銖必較,以達到節能的效果,是當前重要的課題。
 
 
 
近年來油價不斷高漲,2008年國際原油價格曾一度突破每桶147美元,2011年12月國際海運燃油價格則達到每公噸728美元。燃油費用是航運公司支出的最大宗,如何降低燃油消耗,成為航運界重視的議題。同時,國際海事組織針對減少二氧化碳排放量,也訂定了船舶節能的各種指標。因此,基於成本考量與社會責任,造船界與航運界都努力推動船舶的節能。對造船業來說,如何應用科技與創新,對船舶能源的消耗錙銖必較,以達到節能的效果,是當前重要的課題。

船舶的節能方向

就船舶節能而言,首先可用「燃料費用營運指標」—單位燃料費用所達成的運輸量—為準,指標愈大表示營運成本愈低。因此,船舶節能對策的主要方向有增大運輸量(即提高船速或載重量)、降低燃料消耗量、採用廉價燃料或替代能源。

由於提高船速往往會增加用油,與節能的目標違背,因此幾乎沒有人採用,反而都在減速航行。以貨櫃輪為例,原本設計船速是以主機最大連續出力的90%左右航行,現在則有不少採用25~50%出力。因此,增大運輸量最有效的方式就是船舶大型化。20年前,大型貨櫃輪都是剛好可以通過巴拿馬運河的極限型,可以裝載約4,500個標準貨櫃。現在,最大的貨櫃輪已經大到可以裝載18,000個貨櫃的麻六甲海峽極限型,相當於以貨櫃車裝運貨櫃,首尾相連從台北排到台中。

至於廉價燃料,大船已使用石油煉製最底下的重油了,其他替代能源如燃煤、風能、太陽能、波浪能、核能等,都還不能或不適於船舶目前的技術,因此降低燃料消耗量就成為造船界與航運界積極投入的方向。而如何降低燃料消耗量,就需要應用科技以及創新,對於船形幾何與推進裝置進行節省能源的設計。

船形的節能設計

適當的船舶尺寸可節省10%以上的油耗,因此船舶降低燃料消耗量從新船的規畫開始,就要考量船體主要尺寸及關係船形幾何的參數。

方塊係數(block coefficient)CB=▽/(L×B×T)是一個重要的船形幾何係數,其中CB代表方塊係數,▽代表排水量,L代表船長,B代表船寬,而T代表吃水。排水量是指船舶在特定狀態下的總重量,通常以公噸為單位。根據阿基米德浮力原理,浮力就是排開同體積的水重。因此,方塊係數就是在一個長方體(L×B×T)中,船形的飽滿度或肥瘦度。

通常方塊係數小,船舶的興波阻力—船舶航行時造波所增加的阻力—較小。而船舶形狀越是流線形,阻力也越小。基於這些原則,以固定船舶排水量的條件來比較,主要尺寸船長、船寬與吃水對馬力都有影響。

船長度增加,方塊係數下降,肥瘦度下降,而船舶細長比增加,更呈流線形,因此興波阻力下降,需要的馬力也下降。

船寬增加,方塊係數下降,肥瘦度下降,但這時船舶的細長比下降,因此需要的馬力是增加或減少就不一定。

吃水增加,方塊係數下降,肥瘦度下降,且船舶寬與吃水的比例也下降,更呈流線形,因此需要的馬力下降。

船形設計的節能方向

除了船長度、船寬與吃水的設定外,改善船體線形—船舶水下的形狀,也可以節省5~10%的馬力。船體線形的設計一般可從4個方向著手。

阻力性能 船舶阻力可以分為由船舶形狀決定的興波阻力與摩擦阻力,另外,水線以上建築的空氣阻力也是阻力的來源之一。在減少興波阻力上,可以採取球形艏或消浪的船艉形狀等,減少黏性阻力則可以設計貢都拉形狀的船艉(源自威尼斯小船的形狀),或採用減阻塗料等。目前發展的微泡減阻技術,就是把空氣打入水中以減少船舶表面的摩擦阻力。至於減少水線上的風阻力,則可以儘量把上層構物設計得更呈流線形。

推進性能 為了提高船殼效率,可以採取球形艉或非對稱船艉等。非對稱船艉是希望利用不對稱的船艉形狀,使進入螺槳面的水流對螺槳入流先產生旋轉效果,以提高螺槳的推進效率。

耐海性能 耐海性能是指船舶航行時,在不同海況下船舶的適應能力。以節能而言,就是船舶是否能在不同的海況時,都能有效率地行進。線形的設計就是在減少波浪中的阻力,方法有減少船舷外傾或採用破浪船艏等。

操縱性能 希望設計的線形能增加航向穩定性,減少動舵阻力。

省能源的推進裝置

在船舶形狀改善到極致或沒有進一步改善空間如現成船時,就可以考慮裝置適當的省能源裝置來補救,以提高船舶的推進性能。

目前船舶推進的主力是螺槳,由沿徑向分布的翼截面所構成,也就是每一半徑的截面形狀像飛機的翼形一樣。當螺槳轉動時,水流以一定攻角入流,經過翼形產生升力,在螺槳軸心方向的分量就是推進力,在旋轉方向的分量加上葉片的摩擦阻力後乘以距離軸心的力臂,就是船舶主機轉動螺槳所需要克服的扭力。

就推進系統來說,常見的省能源裝置可以概略分成3類。

第一類是提升螺槳效率的裝置。從螺槳的原理可以知道,提高螺槳效率的關鍵因素是螺槳入流和螺槳翼形所產生的升力。慢速肥大船(如油輪,裝載礦砂、煤、穀物等大宗粒狀貨物的散裝貨輪)因為船形很胖,水流流經肥胖的船身後往往讓進到螺槳面的流速降低且很不均勻,軸向入流速度的不均勻使得螺槳轉到不同位置所承受的攻角不同。當螺槳轉動經過低速區時攻角變大,轉到較高速時則攻角變小,造成推進效率不佳。

因此,可在螺槳前方裝置鰭片或筒狀的導流罩,使水流流向低速區,提高螺槳面的入流速度,並使入流變均勻,從而提升螺槳的推進效率。

既然螺槳的工作方式像產生升力的機翼,而機翼就是因為流體流經翼形時在上表面產生低壓,下表面產生高壓,上下面壓力差對機翼而言就是升力。但是這壓力差在翼尖附近需要傾洩出去,由於流體會從高壓區繞過翼尖流向低壓區,因此流體會旋轉而產生翼尖的渦流,對螺槳而言會降低效率,而且還會因為速度過快,發生液體低壓沸騰汽化的翼尖空化現象。翼尖空化所產生的空泡隨後可能因為附近流體的高壓而破掉,空泡破裂所產生衝擊波作用在船體上會產生振動與噪音問題。

因此,可以在飛機機翼末端加上端板,或把末端向上彎起的方式用在螺槳設計上,以減少翼尖的渦流,提高推進效率。加端板的設計是加在翼形的高壓面,以維持螺槳的高壓效果為主,稱為「CLT螺槳」。而末端向上彎起的方式是彎向螺槳的低壓面,稱為「非平面螺槳」或「Kappel螺槳」。

第二類是回收螺槳轂渦流能量損失的裝置。相對於螺槳的翼尖渦流,其實螺槳根部也會因為各葉片上下面的壓力差,使得流體離開根部後在螺槳轂部末端捲成一股強勁的渦流,稱為「螺槳轂渦流」。這股流體除了可能打到螺槳下游的舵,損壞其表面的鋼板外,對推進系統來說,由於流體捲在一起需消耗能量,也就減少了真正用在推動船舶的能量。因此,如果在螺槳後方的舵上裝設流線形的舵球,把螺槳轂渦流頂開後順著舵球體流過舵葉,就可以提高推進系統的效率。

另一種方式是在螺槳轂帽上設置小型葉片,把螺槳轂渦流導引成向後方的水平流動,以減少能量的消耗。這種螺轂帽鰭裝置由於簡單易裝,成本便宜,在能源價格高漲的環境下,獲得不少船公司的青睞。

第三類是回收螺槳旋向動能損失的裝置。螺槳是以旋轉方式工作,因此會帶動流經螺槳的流體做旋轉的運動。就能量觀點來說,螺槳所提供的旋向動能一部分用在推進船舶,一部分就浪費掉了。如果這些浪費掉的旋向能量能夠減少(提高螺槳效率)或再加以利用,就可達到節能的目的。而在螺槳後方再裝一組同軸反向旋轉的對轉螺槳,就可以減少旋向能量的浪費。這種系統成本高,但是回收效率非常好,以前多用於魚雷或小型潛艇,現在油價高漲之後,也開始在商船上推廣應用。

另外,在螺槳前方設置固定的葉片,產生跟螺槳旋轉方向相反的預旋流,可以抵銷螺槳旋向動能損失,或再由螺槳回收旋向的能量損失。這種方法有時可以回收相當高比率的能量,稱為「預旋流鰭翼」或「預旋流靜子」。

有的在螺槳前方加裝葉片,也有在螺槳後方加裝一組自由旋轉的渦輪葉片(如同風車一樣),就可以利用螺槳的旋向流帶動輪葉轉動,得到額外的推進力,這種設計以發明人的姓「格林」(Grim)稱為「格林輪葉片」。它的能源利用效率很理想,在石油危機後的1970與1980年代曾風行一時,有些大型或超大型油輪都裝過。但船在海上航行難免會撞到漂流物,一旦輪葉的葉片打壞,就會因為葉片沒有辦法維持動態平衡而產生振動問題。

另一種方式就是改變螺槳後方的舵幾何,利用螺槳的旋流產生攻角使舵產生升力,從而轉換成向前的推進力。一般有兩種設計,一種是直接把舵葉扭轉,由舵葉產生向前推的方量,稱為「扭轉舵」。另一種是在舵上加裝凸出的大型鰭翼,也可使螺槳的旋流在鰭翼上產生向前推的力量,稱為「舵翼」。當然也可以兩者都用,也就是在扭轉舵加裝舵翼,以盡可能利用旋流讓舵產生推力。只是這樣一來,回收效率不盡然是一加一等於二,而且施工成本較高,投資回收的時間不免大增。

船舶科技日新月異,設計師莫不絞盡腦汁錙銖必較,用盡每滴燃油的所有效率。除了由船舶外部流體系統著手外,機艙內也開發出許多節能技術,如主機廢熱回收的渦輪發電機、低速航行時關閉主機部分的渦輪增壓器等,照明系統也在進步中。另外,利用氣象預報規劃最佳航路、調整最佳航行俯仰姿勢,甚至是像帆船時代般在船上加裝風帆推進來節省油耗、裝設太陽能板發電等,不勝枚舉。

造船工業由於受到成本與法規的壓力,應用科技以打造綠色船舶成為必要之舉,而在科技與創意的激盪下,會改變船舶的面貌。
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