日本独特的地形和条件提供了巨大的风能潜力

日本海岸线长达近3万公里，为海上风能提供了巨大的潜力。根据国际能源署(IEA)的数据，海上风电场每年可为日本提供超过8000太瓦时的能源，是该国目前年电力需求的8倍多。

到目前为止，日本对风能的开发只是丹麦、英国和德国等风能先驱的一小部分，这些国家每年产生数百亿瓦的低碳风力发电。但是日本政府越来越认识到其风能资源的潜在价值，东京日本风能咨询公司(WINC)董事兼联合创始人Hiroshi Imamura说。

他说:“日本政府已经制定了到2030年海上风电装机容量达到10吉瓦的大目标，到2040年达到30吉瓦到45吉瓦的目标。”因此，日本第一批商业规模的海上风力发电场之一目前正在北部海岸的秋田市附近建设。

开发日本丰富的风能资源不是简单地复制欧洲建立的模板，无论是海上风力发电场还是陆上风力发电场。北欧平坦的土地——尤其是靠近北海的地方，水域较浅，风力稳定可靠——一直是大规模风力发电场发展的理想温床。

独特的挑战

相比之下，日本复杂的多山地形、深海沿海水域、地震和台风都需要利用当地专家的知识，以最大限度地利用其风能资源。

今村指出，到目前为止，日本一直是风能开发的追随者。但该国正在投资风能研究，并可能在与日本国情特别相关的风力涡轮机技术方面成为关键参与者。例如，自2013年以来，日本一直在开发用于深水的浮式海上风力涡轮机，并可能成为该领域的领导者。

欧洲风电场技术的快速发展和规模扩大，迅速降低了风力发电的成本，使其与其他发电形式具有很强的竞争力。如今，日本的电力严重依赖昂贵的化石燃料进口，如液化天然气。今村说:“与欧洲国家相比，日本的电力成本较高。

风力发电不仅能提供符合日本脱碳雄心的更绿色能源，还能在提高能源安全的同时，大幅削减国家燃料支出。根据国际能源署的计算，每1吉瓦海上风电场将为日本每年减少3亿美元的燃料进口成本。但是，与欧洲相比，日本的风力发电成本仍然很高。今村说:“日本政府正在支持风力发电的技术研究，以降低电力成本。”

WINC正在参与由新能源和工业技术发展组织(NEDO)资助的几个研究项目，以促进风力发电的吸收。这些项目包括绘制日本海上风能潜力图;海上浮式风力发电机组示范工程;以及努力改进海上风力测量。

今村说:“日本主导的风能开发领域是能够抵御地震和台风等强风的风力发电场。”WINC由今村和风能研究员上田优子于2019年8月共同创立。

风电场规划

Imamura说:“在我们成立WINC之前，我和上田优子在10年前作为国际电工委员会(IEC)的专家成员一起提出了台风级风力涡轮机的设计要求。如今，WINC已发展到八名成员，包括两名外部合作者和一个由三名风力工程师组成的团队。

自三年前成立以来，该公司已参与了约100个陆上和海上风能项目。今村说:“风力资源评估、风力测量咨询和规划是我们工作的主要部分。”

上田指出，了解拟议地点的风力资源是风力发电场规划的一个关键方面，但随着风力涡轮机规模的扩大，这一过程变得更具挑战性和成本。

今天的涡轮轮毂可以超过100米高，叶片顶端的高度可以达到200米，甚至更大的机器正在开发中。“更高的涡轮机面临更极端的风力条件，”上田说。“在这样的高度进行测量并不容易，特别是对日本来说，那里的地形非常复杂，所以与平坦的地形相比，测量精度不太好。”在大型海上工程中，优化风力涡轮机布局以实现发电量最大化固然重要，但准确评估涡轮尾迹的影响也十分必要。

为了帮助实现这一目标，研究人员与一个团队合作，其中包括来自东京大学、WINC和其他合作伙伴的研究人员，使用日本最快的超级计算机Fugaku应用模拟和人工智能工具。这有助于开发和测试用于优化海上风电场布局的软件，其中考虑了地形和涡轮尾流的复杂方面。

远程测量

传统上，气象桅杆被用来收集风力数据，用于风电场规划。Imamura指出，对于日本相对较小的风电场开发商来说，这些桅杆的成本对于高大的桅杆和近海深水站点来说变得过高。

上田提出的另一种方法是远程收集风速和风向测量数据，特别关注海上风电场的规划。光探测和测距(LiDAR)仪器使用激光来测量基于空气中气溶胶和粒子的光反射的风参数。

Imamura说:“岸基激光雷达系统可以测量5公里外的风速，但目前，精确测量相当困难。”在NEDO正在进行的一个项目中，上田正在开发使用激光雷达仪器对近海风速测量的指南，该仪器可以通过交叉两种仪器的光束来获得高精度读数。

除了开发风力发电技术，日本的一个重点将是培养充分利用其天然风力资产所需的专业劳动力。

今村说:“我们还需要更多的同事，尤其是在风电场设计方面。”“教育人们掌握风力资源评估和风力涡轮机设计所需的专业知识，将成为我们工作中越来越重要的一部分。”