作者：中国船舶科学研究中心 杜辛茹，胡琼，王艳霞，刘希洋，陈京普
摘 要：风力推进系统新型船舶节能技术，正成为国际航运业应对温室气体（GHG）“零排放”压力的重要技术手段。目前，已经有多种类型的风力助推装置实现了商业化应用，并已纳入能效法规与技术标准体系。但是，风力推进系统在性能评估、全尺度试验验证、法规适应性与安全控制等方面仍存在标准空缺与技术瓶颈，制约其推广与跨国互认。系统梳理了旋筒风帆、吸力帆、硬帆等主流技术的原理及应用进展，分析了国际海事组织（IMO）、国际标准化组织（ISO）、国际拖曳水池会议（ITTC）及各船级社在风力助推系统相关法规标准制定上的最新动态，揭示了风力推进系统在GHG减排贡献度、能效计算方法、实船测试评估、安全性标准等维度的差距与挑战。在此基础上，提出针对技术研发、产业化路径、法规标准建设等方面的系统性建议，旨在为我国风力推进系统的发展提供建议，支撑绿色航运技术的落地与国际话语权的构建。
关键词：风力推进系统；温室气体减排；差距分析；旋筒风帆；吸力帆；硬帆；技术展望。
一
引言
风力推进作为一种可再生、可持续的绿色推进路径，正日益成为国际航运业应对温室气体（GHG）零排放要求的重要解决方案。伴随国际海事组织（IMO）船舶能效设计指数（EEDI）、现有船舶能效指数（EEXI）、碳强度指标（CII）和温室气体燃料强度（GFI）等指标逐步强制实施，风力推进技术因其减排显著、无排放风险、适用性强等特点获得了广泛关注。在此背景下，《欧盟碳排放权交易系统》（EU ETS）和《可持续海运燃料》（FuelEU Maritime）法规的相继落地，船舶节能减排形势日趋严峻。
据挪威船级社（DNV）统计，截至2025年初，全球已有超过50艘商船实际安装风力推进装置，节能效果普遍可达5%～20%，在风况理想时节油率甚至可超过30%[1]。然而，风力推进系统在现行法规、标准、测试验证机制以及评估方法等方面仍存在显著差距，制约其进一步商业化应用和国际规则层面的有效纳入。主要通过梳理美国船级社（ABS）报告[2]、欧洲海事安全局（EMSA）报告[3]、IMO海上环境保护委员会（MEPC）会议提案[4-5]等文件，梳理风力助推系统技术发展现状，对差距分析和其中的技术难点进行归纳，对风力助推技术未来发展趋势进行展望。
二
风力推进技术及其规则标准研究进展
2.1
风力推进技术的研究与应用进展
当前代表性的风力推进技术分为5类：旋筒风帆（Rotor sail）、吸力帆（Suction sail）、硬帆（Wing sail）、软帆（Soft sail）和风筝（Kite）。目前，旋筒风帆、吸力帆和硬帆在大型运输船上应用较成熟，正广泛装备于新建船舶，现有船舶的节能改造项目中也屡见不鲜。
#2.1.1
旋筒风帆
旋筒风帆的原理是马格努斯效应。当垂直圆柱体绕自身轴线高速旋转并受到横风作用时，周围流场产生速度差，从而在垂直方向上形成升力（或侧推力）。旋筒风帆原理图如图1所示。该升力可转化为前向推进力。相比传统风帆，旋筒帆的升力方向与风向垂直，调节相对简单，不依赖风帆角度调节即可获得持续推进力；占甲板空间小；视线遮挡影响小。
图1 旋筒风帆原理图
据DNV统计，在已安装的风帆中，旋筒风帆占比48%，正在朝着大型化、智能化发展[1]。2021年，Norsepower公司在340 m长、325 000载重吨（DWT）的超大型矿石运输船Sea Zhoushan上安装了5个24 m高的旋筒风帆。2024年，Anemoi Marine Technologies Ltd公司在388 000 DWT的矿石运输船Berge Neblina安装了4套35 m高的旋筒风帆。同时，芬兰的研究机构致力于开发集成有人工智能（AI）算法的能效管理系统，该系统不仅能根据实时环境数据自动调整旋筒风帆的工作模式，还能与其他船舶辅助系统（如动力系统、推进系统等）进行协同优化，实现整体能效的最大化。
#2.1.2
吸力帆
吸力帆是一种非持续旋转的厚翼型风帆，其原理是利用厚翼型剖面获得高升阻比，同时背风面设置吸力口防止其流动分离。吸力帆原理图如图2所示，其背风面设置了可渗透壁面，中心为圆柱空腔，空腔中心放置排气装置，当排气装置工作时，翼形尾部的失速空气受到强力抽吸，经过可渗透壁面吸入帆体内部，并从顶部排出，从而形成压力差并抑制流动分离。翼形尾部附有襟翼，可以将尾部气流分成两部分，防止下游产生涡流。
当前，吸力帆装船数量占已安装的风帆的30%[1]。其设计概念最初起源于1985年Cousteau基金会提出的涡轮帆（turbosail）[6]，经过40年的发展，吸力帆因其视线遮挡少、成本低、耗能少以及节能效果高等优势，成为订单量最多的风帆。当前吸力帆产品的发展整体趋势和旋筒风帆一样，致力于形成大型化的高推力产品，同时开发智能控制设备以实现根据环境自动调节最佳工作状态。2024年，Bound4blue公司将3套22 m高的吸力帆产品eSAIL安装在154 m长、5 200 DWT的滚装船Ville de Bordeaux上。同时该公司为每套设备配备了自主控制系统，控制系统可自动或手动控制装置旋转、襟翼位置和吸力强度。
图2 吸力帆原理图
#2.1.3
硬帆
硬帆也称为刚性帆，是一种具有固定、非柔性结构的帆，通常由碳纤维等轻质材料制成。与根据风和水文情况改变形状的传统帆不同，硬帆保持固定的翼形。这种刚性帆面使其能够在更多的风向下有效地产生升力，从而可能节省燃料。硬帆的设计原理类似于飞机产生升力的方式。风吹过帆面时，会在帆的上方形成一个低压区，在帆的下方形成一个高压区，从而产生升力和推力。硬帆原理图如图3所示。硬帆需要与来风方向对齐，并具有最佳迎角。硬帆通常配备襟翼等增升装置，襟翼增加了机翼的外倾角或曲率，从而在较低的风速下提高了最大升力系数。部分硬帆由多段组成，也可以将其弯曲以最大化气动力。
图3 硬帆原理图
硬帆不需要主动输入能量，原理结构更简单，更易大型化，19%的风力推进船舶选择硬帆[1]。目前可折叠和可移动是硬帆发展的趋势，2024年散货船300 m长，211 153 DWT的散货船Berge Olympus安装了4套高40 m的可折叠硬帆。2023年瑞典家族航运公司Wallenius Wilhelmsen和项目合作伙伴获得Horizon Europe资金900万欧元建造世界上第1艘以风为主要推进形式的滚装船Orcelle Wind，该风力船舶选用硬帆，同时配备天气路线系统、且船身进行优化设计。船舶预计2027年完工，船身长220 m，可容纳7 000多辆汽车，也可运载杂货和滚动设备。该风力船舶在航行中以10～12 kn的速度运行，可以通过补充动力系统来提高速度，预估可减少高达90%的碳排放量。
2.2
风力推进技术国际法规标准规范进展
#2.2.1
IMO MEPC会议提案与国际法规
随着风力推进技术不断成熟，市场需求日益增长，其成为各国和组织在IMO MEPC会议中关注的热点。IMO MEPC风力推进相关的提案如表1所示，其中，INF为信息文件，RINA为意大利船级社，IWSA为国际风船协会。
表1 IMO MEPC风力推进相关的提案
2011年德国在MEPC 62/5/12中提出将风力推进装置作为创新节能装置纳入EEDI计算公式中并给出了计算公式[7]，同时德国在MEPC 62/INF.34中给出了全球风谱计算方法[8]，在MEPC 62/INF.35中详细解释了MEPC 62/5/12中的公式计算方法[9]。该方法在2013年被纳入EEDI计算框架，形成MEPC.1/Circ.815通函[30]，该方法通过风力推进装置的力矩阵与全球风概率矩阵相乘，估算其有效推进功率。
2019年中国在MEPC 74/5/30中提出了基于风洞模型测试方法获取风力推进系统力矩证的方法[10]，并在MEPC 74/INF.39中提出了风力推进系统对EEDI贡献受路线影响很大、对恶劣海况下船舶最小推进功率产生影响、EEDI计算中力矩阵缺少规程等问题[11]。针对使用全球风概率矩阵因涵盖不利航线会低估风力推进系统的实际性能，MEPC 76/6/2、MEPC 76/6/6、MEPC 76/6/7、MEPC 76/6/8、MEPC 76/6/10以及MEPC 77/6推荐引入折中处理方式，即选用50%风力统计方法，以提高评估结果中的合理性与代表性[13-17,20]，该方法在2021年MEPC 77上被纳入MEPC.1/Circ.896通函中[31]。同时，荷兰海事研究所（MARIN）和ABS在WiSP JIP联合项目中开展了风力推进装置性能预测和相关法规研究，并在MEPC 76/7/31和MEPC 76/INF.30中提出了针对不同复杂度示例应采用不同层级的二氧化碳减排量计算方法，并给出了两个层级的建模要求。
2022年MEPC 79/7/26和MEPC 79-INF.21就风力推进系统的市场预测、政策/法规发展、标准化/风机发展进行分析，指出在节能减排中期措施中，应为风力推进系统和其他非商品化能源建立公平竞争环境[21-22]。随后，MEPC 80/INF.33针对风力推进数据分析、性能贡献标准、CII/EEXI/EEDI计算方法、气象航线、水下噪声、耐波性开展分析讨论[23]。MEPC 81/INF.39则对风力推进系统当前研究进展进行了更完整的总结，并分析了当前法规差距[4]。MEPC 81/INF.40指出MEPC.1/Circ.896通函中计算方法高估了风能贡献效果，阐述了需要考虑的额外因素，并提出一种调整风概率的方法，包括纳入波浪附加阻力的经验估算和不同航线加权计算方法[24]。
近两年，IWSA在MEPC 82/7/9、MEPC 83/7/33、MEPC 83/INF.33等文件中提出将风能贡献纳入GFI计算的方法，给出了贡献度评估模型建议，并引入基于方法学精度的“可靠度因子”理念[25]。同时，IWSA在MEPC 83/INF.19中分享了最新的风力推进系统技术进展[5]。
然而，在MEPC.1/Circ.896通函中风力推进系统全尺度试验没有明确规程，其技术难点除了环境变量难以控制外，实船测力技术也一直无法普及。在此背景下，中国在MEPC 83/6/3和MEPC 83/INF.63中提出将风洞数据与实船数据相结合，并通过代理模型对全尺度数据进行修正以提高模型准确性，可作为现阶段的可行折中方案[28-29]。
#2.2.2
国际标准
国际标准化组织船舶与海洋技术委员会（ISO/TC 8）设立了海洋温室减排分委会（ISO/TC 8/SC 25），并形成相应工作组开展风力推进装置标准制定。风力推进系统在研标准如表2所示，其中，AWI为已批准的工作项目。该项目由韩国提出，主要关于旋筒风帆陆上测试标准。中国专家正在就风力推进装置的性能预测评估和海上测试导则积极开展标准化工作。
#2.2.3
ITTC规程
2024年ITTC成立了风动力和风力助推船舶委员会（Wind Powered and Wind Assisted Ships Committee），致力于弥补风力推进装置在性能预测方法、海试规程以及安全法规的空白，并发布了两份相关文件，如表3所示。7.5-02-03-01.9号导则给出了风洞试验、水池试验、计算流体动力学（CFD）仿真、船舶动力学模拟和航线优化的方法建议，建立了风力推进船舶性能评估框架；7.5-04-01-02号导则提出一套可在短周期内完成、适用于风力推进技术验证的海试方案，并明确最低试验要求和扩展测试范围，为装置效果的定量化评估提供了新思路。
#2.2.4
船级社指南
随着风力推进装置的商业化应用，各国船级社制定了关于风力推进技术的规范指南，如表4所示，其中，BV为法国船级社，KR为韩国船级社，LR为英国劳氏船级社，CCS为中国船级社，NK为日本海事协会。相关规范主要围绕装置结构荷载、材料、系泊设备、电气系统、机组人员安全、防雷保护、测试与检验进行编写，并持续更新。
三
差距分析
3.1
GHG减排法规差距
#3.1.1
EEDI计算方法
在MEPC.1/Circ.896通函中采用的50%风力统计数据方法被认为是开展全面影响研究之前的一项暂行措施[24]。通过结合实例研究、数据集分析，EEDI中风力推进系统贡献的计算方法应进一步被研究。
在风力推进系统推力评估方法方面，当前主要包括风洞试验、CFD模拟和全尺度实船试验。这3种方法各具优势与局限：风洞试验存在尺度效应，实船试验受环境变量影响较大，且目前尚无风力推进系统尺度效应的完善研究、统一的实船测量流程和不确定度评估标准。
全尺度试验的难点除了环境变量难以控制外，实船测力技术也一直无法普及。MEPC 83/INF.33提到用应变计或设备底座应变的测量，结合有限元模型，推导测量应变与基础俯仰力矩之间的关系；在设备表面设置压力抽头，借助CFD或风洞测试的精细分辨率数据，可以构建完整的压力场，通过将压力场积分到整个设备上，可以得出最终的推力和侧向力；但目前相关研究没有公开资料，难以验证方法的可靠性[27]。还需要更多相关测试研究正式测试方法可靠性。
此外，EEDI基准速度（Vref）依据平静海况确定，而风力推进系统通常依赖风场条件产生有效推力，这种理论设定与实际应用场景存在明显不一致。目前的计算方法并未考虑对应风场环境下船舶额外风浪阻力和由此造成的功率增加，这将高估风力推进系统对降低EEDI的贡献[3]。因此，有必要重新审视EEDI中对风力推进系统的“风”的定义，以确保其科学性与适应性。
#3.1.2
从油井到尾流即全生命周期（WtW）碳核算机制
MEPC 83批准了《防止船舶污染国际公约》（MARPOL）附则Ⅵ中新增的第Ⅴ章及其他条款的配套修正案，即IMO净零框架。该修正案计划于2025年10月召开的IMO MEPC ES上正式通过，相关要求基于GFI这一指标。风力推进系统虽已被纳入合规能源路径之一，但具体的纳入方法方面仍处于起步阶段，需要进行更多研究以确保方法的可靠性。
3.2
技术评价标准缺失
#3.2.1
初步设计阶段性能评估方法
目前，不同国家和设计机构在风力推进系统初步设计阶段所采用的评估方式差异较大，缺乏统一的指标定义和评估模型，导致方法之间结果不可比、不可复现。这不仅影响风力推进系统选型的科学性，也妨碍了政策层面对其推广效果的准确评估。该项工作的难点之一在于如何对风力推进船舶进行不同自由度的运动系统建模与验证，并形成标准化可操作的评估方法与流程。
#3.2.2
实船性能测试程序
目前面向船舶速度与功率测量的公认方法主要为ISO 15016[32]，内容是将测得的船舶航速修正到无风、无浪、无水流和15 ℃的深水。ISO标准中规定的程序并未考虑风力推进系统的影响，而且IMO尚未发布关于在海上试验期间验证风力推进系统对燃油效率贡献的方法的正式指南。目前风力推进系统的实船评估主要依赖于装置安装前后船舶推进功率的对比测量。然而由于环境条件变化剧烈，如何控制风场测量精度、评估传感器误差与建立风力贡献的量化机制，仍是当前技术推广亟待突破的关键点。
3.3
安全性与操作适应性法规滞后
#3.3.1
最小推进功率导则
MEPC.1/Circ.850通函旨在指导确定船舶在不利海况下维持基本操纵能力所需的最小推进功率，确保在满足EEDI要求的同时，船舶仍具备在恶劣环境中安全航行的能力[33]。该通函用于落实MARPOL附则Ⅵ第4-21.5条的相关规定。
然而，当前关于风力推进系统对最小推进功率的影响尚未被充分考虑。从理论上讲，风力推进装置可为船舶提供额外的推进力，从而降低对主机功率的需求并优化EEDI指标。但在实际操作中，风力推进系统通常在恶劣海况下需折叠、关闭或收起，既无法提供推进力，甚至由于其较大的迎风面积可能导致风阻增加，从而提高对主推进装置的功率需求[3]。由此可见，若不加以审慎评估，风力推进系统反而可能对EEDI产生负面影响。因此，在开展最小推进功率评估时，有必要制定专门方法，合理考虑风力推进系统在不同工况下的可用性和反作用。
#3.3.2
视线遮蔽影响与航行安全
风力推进装置体积较大，结构位置通常位于上层建筑附近，对雷达波传播路径与航行灯可视性可能造成遮挡，进而影响船舶航行安全。IMO修订的性能标准MSC.192(79)号决议、《1974年国际海上人命安全公约》（SOLAS）第Ⅴ章及IMO舰载雷达设备安装指南等技术文件，均应进一步纳入风力推进系统可能带来的可视盲区与雷达干扰影响[3]。此外，《1972年国际海上避碰规则公约》（COLREG 1972）对航行灯的设置类型和位置提出了具体要求。若风力推进装置遮挡航行灯光线，则应制定具体的补偿性技术措施，如航灯改位或设立辅助视觉系统，以确保航行期间的全天候可识别性[3]。
#3.3.3
船舶操纵性标准
现行《船舶操纵性标准》（MSC.137(76)号决议）主要用于评估船舶的回转能力、初始回转反应、偏航稳定性和停止能力等指标，为船舶设计、建造及运营提供参考。然而，该标准未考虑风力推进系统引入后的操纵性能变化。风帆装置的升力与侧向力特性对船舶的回转半径、偏航响应与航向保持能力具有实质性影响[3]。如何将风力推进装置在各风况与帆姿条件下对操控性的干扰作用纳入现行评估体系，是未来标准更新亟待解决的问题。
#3.3.4
船舶稳性评估规则
风力推进系统具有较大投影面积和较高安装位置，其额外受风载荷与结构重量会对船舶横向稳性构成挑战。稳性分析时，应将风力推进系统视为扰动源，分别针对可折叠与固定式风装置设定不同的稳性评估工况。相关规则应在《2008年国际完整稳性规则》（2008 IS Code）（MSC.267(85)号决议）、第二代稳性标准、SOLAS第Ⅱ-1章以及MSC.429(98)号决议的框架下进行补充[3]，系统纳入风力推进装置所引起的侧向力、横倾力矩、质量分布变化及其与横摇响应之间的耦合效应被进一步考虑。
#3.3.5
其他
目前，各主要船级社已对风力推进系统的结构强度、材料选择、系泊装置、电气控制、危险区域的消防安全、机组人员作业安全、防雷保护、检验与认证流程等制定了初步技术规范。然而，MEPC 81/INF.39指出，仍需针对不同类型风力推进装置的载荷特性建立差异化要求，并推动材料认证体系覆盖更多材料的认证[4]。
此外，在风力推进系统装船前，通常需经过陆上台架测试与船上系泊测试，以验证结构性能和控制系统的稳定性。目前尚未有国际统一的测试方法和程序。除了韩国正在推进旋筒风帆陆上测试标准（国际标准化组织已批准的工作项目ISO/AWI 25181）外，其他风帆的陆上测试标准和船上系泊测试标准也存在空缺。
3.4
国内外技术差距
近年来，国际航运界风力推进技术上取得了显著进展。首先是开展了众多风力主推船舶，例如上文所提的瑞典正建造以风为主要推进形式的滚装船Orcelle Wind，预计实现90%的减排量；日本Ouchi Ocean与商船三井合作，融合风能、电解制氢与液态有机氢载体，打造“自发电-自供能”的零碳排放风能货船；挪威的Sea Zero项目计划使用风力推进系统对挪威Hurtigruten运营的一艘船舶进行改装，打造零排放邮轮，预计在2030年实现零排放电力驱动[5]。
同时数字孪生与AI优化设计正逐步融入风力推进系统开发中，包括使用机器学习替代传统CFD模拟，进行快速、高精度的性能预测、设计迭代、尾流场预测。另外欧盟（EU）OPTIWISE项目开发了CREATOR模式，通过使用基于机器学习的替代模型，整合推进力、操纵性、耐波性评估，实现全船级优化[5]。
在风力推进系统性能预测方面，国外已建立了多种高精度性能预测模型与评估工具，包括：性能预测程序(PPP)[34]、ShipCLEAN[35]、exWASP_CN[36]、决策过程模型[37]和路由模型（RM）[38]。
在风力推进性能验证与实船测试方面，DNV提出当前风速测量无法满足精度，应该应用先进激光雷达技术或光绪传感器，提升风场分布的精度感知能力，为性能监测与控制提供支撑。同时DNV采用开关（on-off）状态交替运行测试方法，减少性能评估不确定性[5]。
在产品功能上，可伸缩折叠设计、航向控制与横倾管理、船桨舵风帆联合控制技术是新的技术方向。此外，风力推进系统对水下噪声最近也被广泛关注。
近年来国内开始关注风力推进技术，但整体发展仍处于起步阶段，与国际先进水平存在明显差距，包括：
（1）国内尚未出现明确计划开发90%以上风能为主动力的船型，大多仍停留在“风力辅助”概念阶段。
（2）风力推进装置整体商业化落地滞后，旋筒风帆与硬帆虽已有试点项目，但整体仍处于商用化初期。而针对吸力翼帆尚未开展系统研究与技术开发。
（3）在装置设计上，国内风帆产品大多缺乏“折叠、智能化、与天气系统联动”等先进特性，结构适配性与操作便捷性不足。
（4）国内尚未形成一套多维度、多工况下的风力推进系统性能评估体系，也尚未建立成熟的数字孪生系统用于风力推进性能反馈优化。
（5）国内实船测试技术缺少创新型，测试样本少，运营数据积累不足，难以支撑可靠的节能量验证与装置性能改进。
四
未来展望
综上所述，针对风力推进系统在法规与技术上的差距，我国风力推进系统的发展任重而道远。
4.1
加强国际接轨，积极参与国际法规、标准的制定
（1）在环保法规方面，对已经纳入的法规进一步考虑风力推进系统计算的合理性；对还未被纳入的法规，纳入方法研究应被开展。
（2）应推动建立统一的性能评估方法标准体系，制定风力推进系统设计阶段、实船试验阶段、运营阶段的统一节能效果及不确定度评估方法。
（3）开展最小安全推进功率与风力推进装置的适应性研究，结果应尽快纳入MEPC最小推进功率评估体系。
（4）编制风帆装置对操纵性、安全性、稳性的综合影响评估指南，完善现有IMO和SOLAS规范，补充风帆对视野、雷达、稳定性、航灯等可能影响的评价与补偿技术规范。
（5）完善国内与ISO、ITTC等国际标准对接机制，提升中方在国际组织中的标准的话语权，补足旋筒帆、吸力帆、硬帆等类型测试规程空白，推动中国标准成为国际规则的重要组成部分。
4.2
掌握核心技术，突破风力助推系统研发技术壁垒
（1）完善风力推进系统推力测量技术，突破实船测力关键技术，开展基于应变计、压力抽头及激光雷达的全尺度力学测量方法研究，提升风力贡献量化的可靠性与重复性。
（2）建立多自由度耦合评估模型，开发风帆-船体-海况多物理场耦合仿真平台，统一升力、阻力、姿态、稳性等多变量对航行性能影响的建模方法。构建适用于设计阶段的高效性能预测工具，研发基于CFD与机器学习混合建模的快速评估方法，用于设计初期多种风力推进装置选型与配置优化。
（3）开发具备智能控制能力的风帆系统，推进AI控制算法与环境感知技术集成，实现风帆在不同海况下的自主姿态调节与效能最优化。
4.3
加速产业赋能，引入数据科学前言科技智慧发展
（1）推动风力主推进型示范船开发，布局风力主推进型商船试点工程，填补“风为主动力”船型开发空白，示范工程建议涵盖滚装船、散货船等典型船型。
（2）建立多气象区实船测试与数据库平台，建设多个典型航线的风力推进系统实船监测与数据库系统，提升运行数据积累，支撑商业化可靠性验证。
（3）加强装置的智能化、折叠化与船体适配性研究，围绕风帆与船体结构干涉、视线遮挡、维护便利等工业应用痛点，研发具备高集成度、高适配性的新一代风帆产品。
（4）在此基础上，建议持续深化国际多边合作，积极参与相关标准和导则的制定与修订，推动技术共享与经验互认，共同弥补风力推进系统在法规标准与技术等方面的差距。
参考文献
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