利用远程风力监测优化风力辅助推进系统

 MARIN如何借助维萨拉 WindCube Scan获取风力辅助推进系统的性能与优化洞察

海运业正在探索新的途径，以实现更清洁、更可持续的发展。从优化船舶设计到采用无碳或碳中和燃料，减少远洋航运污染的方法多种多样。

风力辅助船舶推进（WASP）正逐渐成为一种利用风能减少燃料消耗的极具前景的方法。WASP是未来清洁海运的关键技术，而事研究机构荷兰海洋研究所(MARIN)正处于这一领域的前沿。MARIN的研究能力融合了软件、模型试验设施、模拟器以及全尺度监测技术，致力于打造更清洁、更安全、更智能的船舶及运营模式。
 

首次获取船舶周围完整风场廓线

目前，多种风力辅助推进系统（WASP）正在不断发展，并需要通过严格测试来验证其性能。为了优化系统设计和运行策略，准确测量船舶周围的风场特征至关重要。通过获取完整的风场廓线数据，研究人员和运营人员能够更深入地了解风况变化，提前预判环境条件，并充分发挥风能辅助推进的潜力。

MARIN 与 Econowind（一家致力于风力辅助船舶推进的船舶设计与工程公司）合作，对一艘配备了两套 Econowind VentiFoils® 的船舶进行了现场风况评估——VentiFoils® 是一种集成了智能吸力技术的空气动力学翼形元件，可产生强大的推进力。这些 VentiFoils® 安装在“安基号”（MV Ankie）货轮的前甲板上，该船目前正在欧洲沿海水域航行。

两家机构专门启动了此次测量活动，旨在利用扫描激光雷达测量风况。使用扫描激光雷达无需额外风力测量设备，即可获得不受干扰的高分辨率三维风场数据，这些数据对于评估风力推进系统的实际性能至关重要。测量结果还将为在船上测量活动中使用激光雷达的价值提供重要参考。

这是MARIN首次直接在船上使用激光雷达为风辅助推进系统测量风况，因此他们需要目前准确、可靠的激光雷达设备。

维萨拉 WindCube Scan 助力海上风场测量

MARIN 选用了维萨拉 WindCube Scan 系统来开展此次海上测量任务。WindCube Scan 则可在距离海岸 10 公里以上的范围内进行三维扫描。该机构安装了激光雷达、超声波风速计、运动参考单元（MRU）及其他仪器，以在整个测试过程中验证其精度和性能。

此次为期一天的试验于2021年3月24日在荷兰海岸外约40海里处进行。MARIN和Econowind在VentiFoils处于升起和降下位置时，从不同的风向角度进行了多次测试。研究人员将前桅风速计的测量数据与WindCube Scan的测量结果进行了对比，对比模式包括：PPI（ 沿地平线的水平扫描）、RHI（如叶片之间的垂直扫描）和DBS（垂直向上扫描）。

利用RHI提取垂直风速剖面，有助于了解迎风条件下未受干扰风在不同高度的实际行为。PPI扫描揭示了船舶影响范围之外的未受干扰风场，从而能够根据正确的输入风速和风向，与预测结果进行准确对比。每次试验前进行的DBS扫描，则为所有测量数据提供了参考基准。

持续研究取得积极成果

此次试验取得了成功。通过利用激光雷达风场数据，VentiFoil® 系统的运营团队获得了新的洞察，能够更精准地优化推进系统的功率控制，从而更充分地利用实际风况条件，提升风力辅助推进系统的性能表现。

WindCube Scan 已被证明在测量远场风数据方面具有重要价值。在数据中，VentiFoils 和前桅等物体易于识别，且激光雷达测得的数据与前桅风速计在同一位置测得的风速值相比，结果相当吻合。研究人员能够从 DBS 扫描图谱中获取垂直风速剖面，并将其与风速剖面的幂律假设进行比较。此外，他们还利用最新的体积风算法，成功地从 PPI 水平扫描中测得的径向风速数据中计算出了风矢量（大小和方向）。

所有这些信息对于理解完整的风场分布、优化运行以及验证系统性能都至关重要。试验是在相对温和的条件下进行的，船体没有明显晃动。MARIN将继续在更恶劣的条件下评估激光雷达测量数据；如果更显著的船体晃动影响了激光雷达测量，他们可能会利用同步运动数据开发一种校正方法。

"WindCube Scan 提供了风场测量数据。与船桅上风速计的单点测量不同，该项目测得的是船首前方完整的、未受干扰的风场以及随高度变化的风速分布。随着研究的深入，我们将进一步评估该激光雷达系统，将其作为未来风力测量解决方案，以提升风力辅助船舶的性能."
Gijs Struijk, MARIN高级项目经理