海上风能领域的突破
日本研究人员开发出一种创新的风力涡轮机墙技术，有望改变海洋能源生产方式，其发电量可能达到传统海上风力涡轮机的三倍。这项突破来自九州大学。凭借硬件与软件能力的独特结合，该校已成为日本领先的风力涡轮机研发机构。九州大学海上风电研究与教育中心（RECOW）于2022年4月成立，一直走在设计多种创新海上风力涡轮机配置的前沿。
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九州大学执行副校长兼高级副校长Ju Tanimoto于2024年10月强调了该校的独特地位，他说：
九州大学是日本唯一能够研发风力涡轮机的大学，兼具独特的风力涡轮机与浮式结构技术（硬件），以及风能分析与流体结构分析技术（软件）。
这项风力涡轮机墙技术的研发正值关键时刻：全球面临气候危机，对清洁能源解决方案的需求也在迅速增长。自2000年以来，可再生能源在全球发电量中的占比从19%升至2023年的30%，其中太阳能发展尤为迅速。与此同时，风能也已成为摆脱化石燃料转型中的另一关键力量，尤其有助于满足商业和工业运营的大量能源需求。
风能行业增长显著，增长率达到11%，截至2024年底总能源装机容量已达1.2太瓦。海上风能开发尤其势头强劲，因为各国可以利用开阔海域更强劲、也更稳定的风力。
日本迫切的能源转型需求
日本对创新风能技术的追求，体现了国家能源转型的迫切需求。在发达国家中，日本面临最严峻的能源形势之一：能源自给率从2010年的20.2%大幅降至2023年的15.2%，在经合组织38个成员国中排名倒数第二。这一降幅主要源于2011年东日本大地震及福岛核事故后核电站停运。
为弥补核电装机容量的损失，日本高度依赖火力发电，其在能源结构中的占比从2010年的65.4%升至2022年的72.8%，为七国集团成员国中最高。日本严重依赖进口石油、煤炭和液化石油气等化石燃料，因此电力供应容易受到地缘政治风险、资源价格波动和汇率变化等外部因素影响。
日本政府已意识到这一脆弱性，并于2025年2月批准《战略能源计划》，同时推出旨在实现脱碳的“GX2040愿景”。这些政策框架旨在将可再生能源打造为主要电力来源，同时保留核电作为补充选项。经济产业大臣武藤表示，该计划旨在构建一种不过度依赖任何特定能源来源或燃料的电力结构。
日本设定了宏大目标，计划到2030年将能源自给率提高至30%，并将可再生能源占比从20%提升至36%至38%。海上风电在这一战略中占据重要位置，目标是将装机容量从截至2024年3月的0.15吉瓦提高到2030年的5.7吉瓦。政府已划定用于示范测试的海域，并与当地渔业协会达成协议，测试地点包括秋田县外海，以及爱知县丰桥市和田原市沿岸海域。
了解风力涡轮机墙技术
九州大学研发的创新风力涡轮机墙，是对传统海上风电设计的一次重大突破。虽然具体技术细节仍在研发中，但这一概念从根本上重新构想了如何配置风力涡轮机，以最大限度地捕获海上风能。这项创新建立在日本更广泛的浮式海上风电技术研发基础之上。日本近海海底从海岸线向外水深迅速增加，因此浮式风电尤其适合该国地理环境。
浮式风力涡轮机技术已成为开发深水风能资源的关键方案，因为在这些海域，固定基础风力涡轮机在经济上并不可行。传统海上风力涡轮机的长塔架固定在浅海海床上，而浮式风机则置于具有浮力的混凝土和钢制龙骨上，使其能像钓鱼浮漂一样直立在水面。系泊缆绳将这些结构连接到海床上的锚固设施，从而将其固定在指定位置。
浮式风机的主要优势在于能够利用远离海岸、深达约半英里的大片海域，这些地方有全球最强劲、最稳定的风。此外，浮式风机可以安装在地平线以外，避免进入沿海居民的视野，从而缓解审美方面的顾虑；这些顾虑曾阻碍许多地区近海风电的发展。
德国罗斯托克大学风能技术专家Frank Adam强调了这项技术的潜力，他说：
浮式风电具有巨大潜力，可以成为欧洲乃至全球实现气候目标的核心技术。
传统海上风力涡轮机无法覆盖的海洋区域占全球海域的80%，为浮式风机阵列带来了广阔的发展空间。九州大学研发的风力涡轮机墙技术似乎代表着浮式海上风电的下一阶段，有望大幅提高发电效率。
浮式风电创新的全球背景
日本研发风力涡轮机墙，契合全球发展浮式海上风电技术的大趋势。首个浮式风电阵列Hywind Scotland已投入运营，由五台高达574英尺的风机组成，位于距海岸15英里的海域。该项目由挪威Equinor公司持有75%的股权，曾成功经受奥菲莉亚飓风以及冬季风暴的考验，后者带来时速100英里的强风和27英尺高的巨浪。
美国国家可再生能源实验室海上风能专家Walt Musial指出，美国近60%的适宜海上风电场址水深超过200英尺，传统海上风力涡轮机无法在这些地方使用。这为浮式风能技术创造了重要机遇，尤其有利于浅海沿岸区域有限的国家。
斯图加特大学浮式风能国际研究项目负责人Po Wen Cheng认为，浮式风机的发电量可能超过最大的陆上或海上风电技术。他解释说，深水海域的风不仅比近岸风力更强，而且柔性悬浮式平台的结构原理也使其能够承载更大的风机。
在条件合适时，风机越大，发电量就越高，Cheng说。
Cheng认为，浮式风机可以比当今最大的海上风机更高，或许采用长度达400英尺的叶片，塔架则高耸近1,000英尺，相当于埃菲尔铁塔的高度。如此规模的风机，发电量可达当今最先进陆上风机的三倍，与日本风力涡轮机墙技术所宣称的发电量有望增至三倍相呼应。
被誉为全球最大的Hywind Tampen浮式海上风电场于2023年8月投入运营，装机容量为88兆瓦。其他项目也展现了浮式风电技术日益增强的发展势头，例如葡萄牙的WindFloat Atlantic项目，预计可为6万户家庭供电。
日本海上风电行业面临的挑战
尽管风力涡轮机墙等技术有所创新，日本海上风电行业仍面临重大障碍。该国三轮海上风电项目竞标留下的教训多于建成的风机。第一轮唯一的中标方退出项目，第二轮和第三轮的中标方则面临严重的财务挑战。政府甚至在10月无限期推迟第四轮竞标，以重新评估整个机制。
今年8月，三菱商事放弃三个大型海上风电项目，宁愿支付200亿英镑违约金也不愿继续推进。这一令人震惊的决定意味着放弃1.7吉瓦的装机容量，足以为130万户家庭供电，也凸显出日本发展海上风电面临根本性危机。
日本的目标是到2030年实现10吉瓦海上风电装机容量，到2040年达到45吉瓦，但目前的装机容量仅为0.3吉瓦。相比之下，中国仅在2024年就新增了8吉瓦海上风电装机容量；台湾、韩国和越南也在加速推进雄心勃勃的建设计划。
全球风能理事会日本国家经理Takeshi Matsuki强调了形势的紧迫性，他说：
日本拥有巨大的海上风电潜力，绝不能错失成为海上风电领军者的机会，尤其是在亚太地区。
全球风能理事会（GWEC）发布的白皮书《释放日本海上风电潜力》指出，改革三大关键领域有助于应对这些挑战。竞标机制以价格为重点的评估标准造成了不确定性，促使开发商提交不切实际的低价报价。收入机制依赖于与波动的市场价格挂钩的上网电价溢价（FIP）机制，2025年平均价格为每千瓦时9至16日元，远低于早期海上风电项目实现经济可行性所需的每千瓦时12至15日元。
除了这些结构性问题，开发商还面临复杂的许可流程、缺乏透明度的认证要求，以及高潜力地区的电网限电风险，且没有相应的补偿机制。这些挑战促使开发商警告称，海上风电业务能否继续已到了临界点。
技术基础与配套创新
九州大学致力于研发风力涡轮机墙本身，与此同时，日本其他企业也在开发海上风电项目所需的关键配套技术。大林组开发了一种名为“Skirt Suction”的海洋结构，用于海上风力涡轮机基础和锚固设施，针对的是海上风电建设中最重大的挑战之一。
Skirt Suction技术由顶板和从顶板向下延伸的圆筒形竖直壁（即裙边）组成。裙边穿入海床基础，使海上风力涡轮机比采用以往基础时固定得更牢。这种安装方式无需打桩机等大型机械，有望将建设成本降低约20%，并将施工周期缩短约40%。
在日本常见的沙质海床海域开展的实验显示，与传统基础相比，Skirt Suction的抗拔力约为其三倍。将该技术用于浮式海上风力涡轮机的锚固设施，尤其是张力腿平台（TLP）型风机，可使安装成本降低约20%，基础施工成本降低约30%。
这些基础技术创新从不同方面应对海上风电开发的挑战，与风力涡轮机墙形成互补。涡轮机墙着眼于最大限度地提高发电效率，而Skirt Suction等技术则解决安装和维护难题；历史上，这些问题曾使许多地区的海上风电成本高得难以承受。
海上风电技术发展还涉及多种浮式平台设计，包括半潜式、单柱式和张力腿平台。不同设计适用于不同的海洋条件和水深；日本独特的地理环境和地震活动则要求采用量身定制的解决方案。
日本可再生能源领域的其他创新
日本专注于风力涡轮机墙技术，只是该国推动可再生能源创新的一个方面。日本工程师还在研发颠覆传统可再生能源发电方式的太阳能技术。
京瓷美达公司开发了Sphelar系列微型球形太阳能电池，旨在从多个方向收集光线。这些电池直径通常为1至2毫米，通过连接组成组件。球形设计使其一整天都能从不同角度捕获光线，克服了平板电池只有在正对太阳时效率才较高的局限。
这些球形电池的研发始于工程师Shuji Nakata的一项观察：阳光很少沿直线传播。由此，研究人员利用日本微重力中心（JAMIC）的微重力环境，制成近乎完美的圆形硅珠。这项技术为将太阳能嵌入透明材料和曲面开辟了可能性，特别适合在人口密集的城市环境中应用。
日本的其他创新还包括由东芝能源系统与中部电力公司共同推动的岩石热能储存技术。该系统利用岩石高效吸收和释放热量，储存热能，之后可通过加热水并驱动涡轮机来发电。岩石热能储存技术具有多项优势，包括无需使用电池储能所需的钴、镍等稀有金属，使用寿命长，且对场址限制较少。
日本还致力于扩大本土可再生能源生产规模，包括研发可安装在建筑屋顶和墙壁上的下一代太阳能电池。日本在钙钛矿太阳能电池生产方面拥有战略优势，因为全球30%的碘产自日本，而碘是这类电池的关键材料。政府已为下一代太阳能电池开发项目拨款648亿日元，计划到2030年推动这类先进电池广泛应用。
供应链与基础设施考量
尽管技术不断创新，日本海上风电行业仍面临重大的供应链挑战，可能阻碍行业发展。制造风力涡轮机需要钢材、玻璃纤维和稀土元素等多种材料，而这些材料均受到市场复杂因素和地缘政治考量的影响。
钢材是风电发展的基础，最多可占一台风机总重量的90%。全球钢铁供应链经历了剧烈波动，地缘政治局势变化和贸易紧张局势加剧了这一问题。中国主导全球钢铁生产和风电设备制造业，凭借价格低廉且获得大量补贴的出口产品压低国际市场竞争者的价格。
风能服务提供商挪威船级社（DNV）ESG高级业务发展经理Markus Zeitzen强调了供应链多元化的必要性，他说：
从不同地区选择两三家供应商，可以通过竞争增强供应链的韧性。
稀土元素带来了另一项挑战。17种已分类的稀土元素中，有四种主要用于风力涡轮机：钕、镨、镝和铽。这些元素对于制造产生电力并维持风机结构完整性的永磁体至关重要。中国控制着全球60%的稀土开采产量和约90%的稀土加工产量，造成了显著的供应链脆弱性。
2023年12月，中国开始禁止出口用于制造永磁体的分离和提取技术，随后又将出口管制扩大至七种稀土元素。这一变化促使全球转向主动管理供应链风险，欧盟也在投资创新技术，以保障关键原材料供应。
这些供应链挑战会切实影响项目的可行性。2024年12月，风电开发商沃旭能源将供应链瓶颈列为退出丹麦海上风电场招标的主要原因之一，该轮招标最终无人投标。同样，三菱商事也在2月暂停了其在日本的海上风电项目计划，并指出供应链问题。
国际视角与投资策略
日本国内海上风电发展面临挑战之际，日本企业正加大对海外可再生能源项目的投资，以积累经验并在不断增长的市场中占据有利位置。日本投资者尤其看好欧洲和挪威，寻求在能源与可持续发展领域实现战略增长。
常驻东京的A&O Shearman合伙人Nick Wall解释了这一趋势，他说：
挪威能为日本投资者提供他们寻求的稳定性：稳固的产权、透明的法律体系，以及通过欧洲经济区（EEA）进入欧盟单一市场的机会。随着美国和亚洲部分市场的地缘政治和监管不确定性加剧，我们看到日本投资者日益将投资多元化，转向挪威等稳定的欧洲司法管辖区，以降低法律和运营风险。
2020年至2025年间，日本对挪威的投资活跃于油气和公用事业领域，这两个领域占全部23笔交易中的8笔。日本勘探与生产企业看好欧洲海上风电，尤其是浮式风电、由岸上供电的解决方案，以及碳捕集与封存（CCS）的强劲增长潜力。
日本最大的油气勘探与生产公司INPEX株式会社将欧洲定位为核心业务区域，并正寻求当地的开发机会。INPEX发言人指出，公司参与了Hywind Tampen项目。该项目是全球最大的浮式海上风电场之一（88兆瓦），为油气设施供电，每年可减少约20万吨二氧化碳排放。
这一国际投资策略使日本企业能够积累成熟海上风电技术的经验，同时继续研发风力涡轮机墙等本土创新。日本在应对监管和基础设施挑战的过程中，也可以借鉴这些海外投资所获得的经验，指导未来国内项目的部署。
日本政府还强调通过农林水产省（MAFF）的举措与地方社区合作。这些努力将可再生能源与特定产业结合起来，包括将林业与生物质能源、渔业与海上风电、畜牧业与沼气、农业与太阳能相结合。这些因地制宜的做法旨在尽量减少对环境的影响，让当地社区共享能源收益，并避免与缺乏当地联系的外来开发商相关的问题。
日本引领可再生能源发展的前路
九州大学的风力涡轮机墙技术不仅是风能领域的一项渐进式改进，更象征着日本通过创新克服能源安全挑战的决心。然而，仅凭技术突破并不足以确保可再生能源转型成功。
OWC日本国家经理Masataka Nakagawa强调了所需变革的全面性，他说：
要实现稳定、可规模化的部署，日本需要解决三个关键领域的问题：竞标机制、购电安排机制，以及其他市场瓶颈。
日本确立海上风电技术领军地位的机会窗口正在缩小。亚洲其他市场正迅速建设清洁能源基础设施，国际投资者可以灵活调配资金，会将资本投向框架清晰、稳定的市场。供应链合作伙伴需要明确的需求预期，才有理由投资本地制造业。
日本曾开创混合动力汽车，并在上网电价补贴到期前引领太阳能部署。对于这样的国家而言，未能充分开发海上风电潜力，不只是错失一次产业机遇，更会是在能源安全、经济竞争力和气候领导力都要求果断行动的关键时刻出现战略失误。
九州大学研发的风力涡轮机墙技术，为日本提供了赶超竞争者、确立海上风电技术领先地位的潜在路径。加上Skirt Suction基础和球形太阳能电池等配套创新，日本展现出卓越的可再生能源创新能力。
这些技术突破能否转化为商业成功，取决于日本能否解决海上风电行业的结构性挑战。GWEC白皮书提出了明确的改革建议，政府机构也表示了浓厚兴趣。问题在于，日本能否以足够果断、足够迅速的行动，创造必要条件，让这些创新蓬勃发展。
国际能源署表示，随着全球加速迈向脱碳，理论上仅海上风电就能满足欧洲、美国和日本全部电力需求的许多倍。日本的风力涡轮机墙技术有望在释放这一潜力方面发挥关键作用，既大幅提高发电量，也应对土地和资源限制。
要点
- 九州大学研发了一种创新的风力涡轮机墙技术，发电量有望达到传统海上风力涡轮机的三倍。
- 日本面临紧迫的能源挑战，能源自给率仅为15.2%，化石燃料占能源结构的72.8%。
- 风力涡轮机墙技术以浮式风电技术为基础，可利用水更深、风力更强且更稳定的海域。
- 日本海上风电行业面临重大障碍，包括竞标机制问题、收入不确定性和供应链挑战。
- 日本的配套创新包括Skirt Suction基础、球形太阳能电池和岩石热能储存技术。
- 日本企业正在投资国际海上风电项目，尤其是欧洲和挪威的项目，以积累专业经验。
- 日本计划到2030年将可再生能源占比从20%提高到36%至38%，海上风电将发挥关键作用。
- 政府已划定海上示范测试区域，并通过绿色创新基金投入1,235亿日元。
- 截至2024年10月，全球浮式风电装机容量已达245兆瓦，未来项目储备总规模为266吉瓦。
- 日本能源战略强调与社区合作，并根据行业特点推动可再生能源融合。
