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乘風破浪–當代御風之術

現今的航行技術以燃燒化石燃料的內燃機為主要動力來源,對於大型船艦而言,傳統的風帆系統已經不敷使用。然而燃料並非無限資源,且又有環境汙染問題。因此,一些風力系統又再度被應用在大船艦上面。雖然風力能提供大型船艦航行的推力有限,卻能減少25~35%的能源消耗,成為節能減碳的契機
 
 
 
遠古時代,人類就已經知道利用海上源源不斷的風力來驅使船舶。許多原住民至今仍保有以簡單船帆運用風力遠洋航行的技術。例如中南太平洋玻里尼西亞原住民的航海傳統對人類文明有深遠的影響,仍有許多尚待我們認識學習的議題。

但當代世界的海洋活動面貌已與過去大不相同,大型的海上運輸系統,包含各式船舶:貨櫃船、散裝貨輪、液化天然氣船等等,也不再使用風力來航行,而是以燃燒化石燃料的內燃機為主要動力來源。燃燒化石燃料,不只消耗有限的資源,排放二氧化碳,同時船用主機常因燃燒重油而排放汙染,更造成嚴重的環境問題。根據估計,航運產業碳排放占全球的5%。在節能減碳的倡議下,現代大型運輸船舶有可能重新利用天然的風力嗎?

德國公司Skysails(天帆,創立於2008年)創辦人弗拉格(Stephan Wrage) 和梅耶(Thomas Meyer)以小時候放風箏的經驗發想,利用高空風力比地表風力大又穩定的特性,開發了適合商船使用的高空風帆設備,提供航行的輔助動力。Skysails的風帆系統利用特殊設計的收放系統,將形似飛行傘的風帆升上高空,並使用自行開發的自動控制系統,動態地控制風帆飛行於船舶前方,以特殊人造材質的纜繩,將動力傳導到船上。這套風帆動力系統,並不只是被動地放風箏,而是利用控制系統,根據風力與動力需求主動地調整風帆的高度(在100~300公尺高空)與飛行運動的模式。當風帆以繞8字型的方式飛行時,可以提供傳統固定帆2~3倍的推力。同時因為風帆是利用軟性纜繩與船舶單點連接,較不會產生如傳統帆船推力作用在桅桿上而使船側向傾斜的力矩,較不影響航行安全。

風力是免費、強大且最環保的動力來源。Skysails最新的風帆系統可以取代2百萬瓦(MW)的主機出力,理想的運作狀態下可以節省最高至該船35%的能源。2011年,Skysails獲頒「永續航運獎」,表揚他們在創新環境科技的努力。

船舶可以利用的流體力並不限於風帆設備。水翼船就是利用大家所熟知的翼面理論,因流體流過翼面時的速度差而產生的壓力差,將船身提離水面減少阻力。2010年首航的海上風力發電機運輸船E-Ship 1,屬於世界第三大風力發電機製造商,德國的Enercon公司。船上有4根高聳的旋轉柱,利用瑪格努斯效應(Magnus Effect),即旋轉物體穿過流體時會產生與流體速度方向垂直之力,來驅動船隻。這種旋轉柱稱為弗萊特納轉子(Flettner Motor),以紀念於1922年提出這個專利的德國工程師弗萊特納(Anton Flettner)。這些過去的科技發想,因為現今對節能的需求又重新被重視,E-Ship 1 的特殊設計大約可以節省25%的能源。

海洋航運將持續是推動世界經濟活動的重要環節,這些不論新舊的科技創新,跳脫以內燃機為主力的船舶推進設計傳統,我們期待有更多利用空氣與水的流體推進設備發展,為新世代環境永續的海洋科技發聲!

(本文由科技部補助「工程技術與社會風險之新媒體溝通」執行團隊撰稿)

責任編輯:許藝菊 教授|南臺科技大學 機械工程系

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