風車漂浮在海上發(fā)電的新型風力發(fā)電的實用化正在到來。盡管日本對太陽能發(fā)電的關注度很高，但從全球來看，仍是風力發(fā)電占絕對優(yōu)勢。2010年底日本太陽能發(fā)電與風力發(fā)電的導入量（按發(fā)電容量計算）分別為約360萬kW（REN21*1調查結果）與230萬kW（日本風力發(fā)電協(xié)會調查結果），太陽能發(fā)電的導入量較大。但從全球來看，2010年底太陽能發(fā)電的導入量為4000萬kW（REN21調查結果），而風力發(fā)電為1億9800萬kW（REN21調查結果），接近太陽能發(fā)電的5倍。

　　*1REN21正式名稱為RenewableEnergyPolicyNetworkforthe21stCentury。由國際機構、政府機構、企業(yè)及NGO（非政府組織）等組成，是以普及可再生能源為目標的政策網(wǎng)絡。2011年7月發(fā)行了刊載有可再生能源最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)等的《Renewables2011:GlobalStatusReport》。

　　風力發(fā)電的普及在日本之所以進展遲緩，是因為日本的強風地區(qū)較少，而在山區(qū)設置成本較高。但最近情況開始有了巨大變化。這是因為在海上開辟了新的設置場所。

　　浮體式風力發(fā)電具有很大潛力

　　海上風力發(fā)電大致分為兩種方式。一種是在海岸附近的淺海地區(qū)（水深60m左右以內）建造底座，在上面設置風車的著床式海上風力發(fā)電。這種方式從2000年代以歐洲為中心開始普及，尤其是英國及丹麥等國家，集中配置有多臺大型風車的海上風力發(fā)電廠已開始運轉。著床式雖說是在海上，但因風力發(fā)電設備可直接設置在海底，因此能夠利用陸地上培育的多項技術。

　　另一種是浮體式海上風力發(fā)電。這是一種把風車安裝在漂浮于海面的浮體上的方式，可設置在深數(shù)百m左右的海域。日本沿岸陡峭水會急速變深，因此可設置著床式風力發(fā)電設備的海域有限。但浮體式卻沒有這種限制，四面環(huán)海的日本擁有可用來設置這種發(fā)電設備的廣闊海域。日本經濟產業(yè)省調查了風力發(fā)電的“賦存量”（除了明顯無法設置的場所以外，可設置的全部資源量）及“潛力”（考慮了各種制約因素的資源量）*2。結果顯示，陸地風力發(fā)電的賦存量稍高于浮體式，而浮體式的潛力遠遠大于陸地及著床式。

　　*2調查由經濟產業(yè)省委托伊藤忠Techno-Solutions公司實施，調查結果刊登在《2010年度新能源等導入促進基礎調查業(yè)務（風力能源可導入量相關調查）調查報告》上。

　　但使風車漂浮在海上的浮體式風力發(fā)電需要采用與陸地設置完全不同的技術。具體為，①因波浪而晃動（作用的加速度較大）時要確保浮體的穩(wěn)定性及風車的耐久性；②在漂浮于海面的狀態(tài)下可組裝或維修風車等。

　　而且，成本也是一大問題。浮體的開發(fā)、制造、海上安裝作業(yè)，以及鋪設用來向陸地輸送電力的電纜等，均是會導致成本上升的以因素。也就是說，必須以較低的成本解決上述兩項課題。因此，從全球來看，浮體式風力發(fā)電目前仍處于實證試驗及設計提案階段，還達不到商業(yè)水平。

　　目前，浮體式風力發(fā)電的發(fā)電成本為30多日元/kWh，是陸地風力發(fā)電的兩倍以上。這樣的話，無論浮體式的發(fā)電潛力有多大，都無法形成一項可行業(yè)務。

　　在這種形勢下，為實現(xiàn)與陸地風力發(fā)電相當?shù)陌l(fā)電成本而開發(fā)浮體式技術的是石川島海洋聯(lián)合公司（IHIMarineUnited，總部東京。以下稱IHIMU）。該公司正與東京大學研究生院新領域創(chuàng)成科學研究系教授鈴木英之共同開發(fā)，以形浮體的狀獨特為特點。該公司已于2011年4月宣布完成了浮體的概念設計。

　　可減輕晃動的自主構造

　　目前在探討的海上風力發(fā)電的代表性浮體有兩種，一種是使用圓柱形浮體的圓桿型，另一種是以纜繩拉住具有較大浮力的浮體，利用其張力穩(wěn)定住浮體的TLP（TensionLegPlatform）型（圖）。圓桿型的成本較低，但晃動較大，TLP型晃動較小，但成本較高。

　　典型的浮體構造

　　圓桿型通過為漂浮的圓柱狀底部加入重錘提高了穩(wěn)定性。雖與栓繩相連，但并非依靠張力固定。而TLP型是在海底建造底座，用與底座相連的纜繩強力拉住浮體，因此其穩(wěn)定性較高。

      IHIMU的浮體不屬上述兩種類型。雖基本為圓柱形，但采用水面部、中央部到底部逐步變粗的三層構造。這種獨特的形狀為該公司開發(fā)的“兩點無浪形狀”。波浪引起的海水運動在海面最為劇烈，越深處越小。因此，較粗部分的上面與下面承受的壓力不同（圖）。設置多個較粗部分并對形狀加以優(yōu)化之后，可形成兩個對某一特定周期的波浪晃動為零的點。而且還可進一步利用這種效果，使浮體在全周期的波浪中減小晃動。為了增加底部的穩(wěn)定性，還設置了“晃動減輕鰭片”。該鰭片還具有抑制浮體旋轉的效果。

可用大直徑部分調整波浪的壓力

　　波浪引起的水運動距離水面越近，越接近于大圓周運動。大直徑部分上面與下面的深度不同，被施加的壓力也不同。利用這種差別，可形成不易晃動的構造。優(yōu)化構造體的形狀，采用了早造船過程中積累的模擬技術。該技術被稱為“三維特異點分布法”，可分析波浪對浮體施加的壓力。而且，還以約1/50的比例進行了水槽實驗，并結合分析數(shù)據(jù)確定了基本構造。

　　據(jù)IHIMU介紹，其結果是使風車承受的加速度比普通圓桿型浮體減小了兩成。加速度較小時，可減輕對發(fā)電機使用的齒輪及軸承施加的負荷，在耐久性及可靠性方面十分有利。IHIMU工程事業(yè)部項目組組長粟島裕治解釋稱，“雖然比陸地上安裝的風車承受的加速度大，但減小兩成已是一個相當大的比例”。

　　吃水深度控制在50m

　　浮體采用高張力鋼厚板制造。水面與中央的較粗部分為獲得浮力而采用中空設計，為了降低重心來獲得整體的穩(wěn)定，在底部放入了重錘。重心較低，可抑制風車因風向后傾斜。此次的概念設計設想為輸出功率為2500kW級的風車，吊艙（配備發(fā)電機等的部分）以下高度為60m，翼長為45m。

　　實際上，兩點無浪形狀不僅可減小加速度，還有一大優(yōu)點。那就是吃水深度較淺。這對降低成本有很大效果。

　　圓桿型浮體的吃水深度為100m左右，而兩點無浪形狀浮體的吃水深度只有50m。這樣的高度，便可在安裝狀態(tài)（垂直狀態(tài)）下直接用造船工具建造，然后用起重船將其拖曳至安裝場所直接進入組裝作業(yè)。

　　而圓桿型需要在橫倒狀態(tài)下建造，拖曳至安裝地點后還要垂直組裝?！斑@是需要使用多條船舶的大規(guī)模作業(yè)，因此設置成本較高”（粟島）。也就是說，兩點無浪形狀浮體可大幅降低設置時的成本。

　　IHIMU正在考慮的另一個低成本對策是，采用可直接降低發(fā)電成本的大型風車。因浮體式發(fā)電設備要在海上設置，因此即便采用巨型風車其安裝場所也不用擔心。此次完成概念設計的浮體設想支持輸出功率為2500kW級的風車，但也支持5000kW級風車。據(jù)該公司介紹，5000kW級風車用浮體的吃水深度同樣為60m左右，因此仍可保持設置方面的優(yōu)勢。

　　“如果能夠降低設置成本并實現(xiàn)風車的大型化，發(fā)電成本就能降至與陸地風力發(fā)電相當?shù)乃健保↖HIMU董事兼工程事業(yè)部長大松哲也）。如果能實現(xiàn)，潛力較大的浮體式風力發(fā)電便可具備普及條件。規(guī)定電力公司必須全量收購利用風力、太陽光、水力、地熱及生物質等所發(fā)電力的“可再生能源特別措施法”似也會起到推動作用*3。

　　*3正式名稱為“關于電力運營商收購可再生能源電力的特別措施法案”。已在2011年8月31日閉幕的第177屆例行國會上通過。

　　但因需要進行技術驗證，浮體式風力發(fā)電不會迅速普及。從日本風力發(fā)電協(xié)會2010年制定的藍圖來看，預計會從2020年開始普及，之后會快速普及。因此，首先要使用實機進行實證試驗。IHIMU打算與風車廠商合作，早日啟動實證試驗。即將成為社會基礎電力能源之一的純國產能源即將誕生。