波浪能：用海浪来发电

能源安全是关系到国民经济和社会发展的全局性、战略性问题。目前，全世界普遍面临能源危机，煤、石油、天然气等传统能源逐渐枯竭，它们所造成的环境污染与气候变暖等问题也日益突出。为此，各国都在大力发展波浪能、风能、太阳能、潮汐能等可再生能源与清洁能源。与传统能源相比，新能源在生产与使用过程中对环境更友好，具有更低的碳排放和污染物排放。

这其中，在占地球表面积70.8%的海洋里蕴藏着种类众多且贮藏量相当可观的能源。海上的风能、海底的可燃冰、海岸的潮汐能以及下文将要重点介绍的波浪能都源于海洋。

我国拥有3.2万千米海岸线、300多万平方千米海洋国土，海洋资源丰富，海洋开发活动方兴未艾。波浪能作为海洋能的一种，资源储存量十分丰富。自1973年石油危机以后，波浪能发电装置逐渐成为新能源研究的热点。

什么是波浪能？它是如何被开发的？波浪能具有哪些优点？下面将一一为大家解答这些问题。

波浪与波浪能

了解波浪能之前，我们先来认识波浪。

波浪是海面受到外力作用或内部变化所引起的水的起伏运动。风力、天体的引潮力、地震等都会使海面产生波浪，其中，由风力引起的海浪最为常见。

波浪有不同的划分方法，主要有以下两种。

一种是按照扰动力将波浪分为强制波和自由波。所谓强制波，是指引起波浪的扰动力连续作用于水面，波浪的波动性质依赖于扰动力性质的波动。在风的直接作用下产生的波浪就是一种强制波。当扰动力消失后，在重力作用下继续传播的波浪就是自由波。比如，在风停止后，海面上继续存在的波浪或离开风区传播至无风水域的涌浪都是一种自由波。此时，其性质已不完全依赖于原有的扰动力。

另一种是按照波形传播情况将波浪分为前进波和驻波。所谓前进波，是指在介质中自由传播的波。所谓驻波，是指波形不向前传播，波峰和波谷在原地作周期性升降的波浪，它也被称为立波。

从能源利用的角度看，海浪中包含着的能量就是波浪能。作为海洋中蕴藏最丰富的一种能源，波浪能占整个海洋能的90%以上，远高于潮汐能。

需要注意的是，尽管海上每时每刻都在产生波浪，但全球波浪能的资源分布极不均衡，它们主要分布在北大西洋、南大西洋、南海、北海等地区。在我国，波浪能资源主要集中于东海、南海、渤海湾以及黄海北部等地区，其中以东海和南海海区的能源资源最丰富。

波浪能发电

波浪能是海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最主要的能源之一。随着科技的进步与环保意识的增强，人类开始探索如何将自然界中广泛存在的波浪能转化为可再生的清洁电能，这就是“波浪能发电”。其原理是将水的动能和势能转换为机械能，并带动发电机发电。具体来看，当波浪经过特制的能量转换装置时，其起伏运动产生的动力可以用来驱动装置内部的机械结构作运动。这些机械结构通过传动系统，将波浪的动能转化为旋转机械能，最终通过发电机将机械能转化为电能。

波浪能具有单位体积下能量密集、储量大、变化幅度大等特点，加之容易受不良天气等因素的影响，较难开发，故而其普及化和商业化都受到不小的制约。

要想实现波浪能发电，首先要捕获波浪能，然后通过三级能量转换，才可以将波浪能转化为电能。由于海洋中波浪的周期和波高是随机的，需要发电装置具有更高的适应性。要研究出一款能够高效利用波浪能的装置，必须经过大量的试验。目前，波浪能发电装置普遍存在转换效率较低的问题。为了高效利用波浪能，人们研发出了点吸收式、筏式、点头鸭式等各种各样的波浪能发电装置。其中，小型的振荡水柱式波浪能发电装置已经成功为航标灯供电。另外，也有部分波浪能发电装置实现了商业化运营。

三大主流类型

尽管从开始应用至今已有上百年时间，但波浪能发电仍属于新技术范畴，其稳定性和可靠性尚需进一步提高，且不同装置的发电方式、工作原理不尽相同。行业内部普遍按照能量的捕获方式将波浪能发电装置分为越浪式、振荡浮子式及振荡水柱式三大类，且其中的每一类通常有固定式和漂浮式之分。

越浪式波浪能发电装置

此类装置主要利用水的重力势能发电，其结构与大坝相似。波浪通过特殊的开口涌进高位蓄水池中，由于蓄水池中的水与自由水平面间存在高度差，推动涡轮机将水的势能转换为电能。鉴于越浪式波浪能发电装置的结构特点，人们常常把它们与防波堤结合起来，达到兼顾发电和抗击风浪的效果。

目前，世界上比较著名的越浪式波浪能发电装置是挪威研制的海浪插槽锥形发电机（Seawave Slot-cone Generator，SSG）（图1）。

除了固定在岸边的越浪式波浪能发电装置，还有漂浮于海上的越浪式波浪能发电装置。其中，最知名的是丹麦的“波龙”（Wave Dragon）（图2）。

作为一项成熟的水电应用技术，越浪式波浪能发电装置可以将不稳定的波浪能转换为稳定的势能，能够较好地适应极端海况，可靠性较高。加之相关技术较为成熟，其零部件的更换有通用标准，设备维修方便。不过，越浪式波浪能发电装置存在工程量大、造价成本高以及对装置选址要求较高等问题。

振荡浮子式波浪能发电装置

振荡浮子式波浪能发电装置主要利用浮子与浮子（固定式的浮子被称为定子）之间的相对位移发电。其装置复杂多样，主要包括以下几种。

1.筏式波浪能发电装置

筏式波浪能发电装置由多个浮子线形连接在一起，各浮子间存在液压装置。运动的波浪会带动筏体沿着铰接处弯曲，推动液压装置带动直线电机或是活塞发电（图3、图4）。由于筏体间仅有角位移，故而即使面对大浪，该装置也不会发生剧烈位移，具有良好的抗风浪性能。

目前，比较典型的筏式装置有英国的“海蛇号（Pelamis）”。该装置已进入商业化运营阶段。其主体部分由4个圆柱形的不锈钢浮筒和3个动力关节铰接而成，全长120米，重达750吨，额定设计功率是750千瓦。在“海蛇号”的动力关节内部有两个液压缸，一旦不锈钢浮筒随波浪起伏，浮筒和动力关节之间便会发生相对运动，推动液压缸内的活塞往复运动，从而驱使内部的发电机发电，产生的电能则通过海底电缆传输到岸上。

中国船舶重工股份有限公司第710研究所也设计出功率为300千瓦的漂浮式波浪能发电装置“海龙”（图5）。它由4个浮体连接组成，长86米，重约400吨。

如果筏式波浪能发电装置的浮子较小且多，即构成可以进行蛇形运动的装置，亦可称之为“海蛇式”波浪能发电装置。

2.点头鸭式波浪能发电装置

点头鸭式波浪能发电装置最早由英国爱丁堡大学的史蒂芬·萨特教授在1974年研发成功，因其运动起来酷似鸭的运动，故称之为“点头鸭”。

其发电原理是，“鸭体”绕支撑轴作往复回转运动，从而驱动连接“鸭体”与支撑轴之间的液压缸，将波浪能转换为电能。该发电装置在规则波下表现良好，但美国麻省理工学院（MIT）的研究人员早在1980年便发现，点头鸭式波浪能发电装置在随机波下的表现较差。

我国于2007年开始研制点头鸭式波浪能发电装置。2009年，中国科学院广州能源研究所成功研制出一种强容错、高效、漂浮式的点头鸭式波浪能发电装置“鸭式一号”，其装机容量达到了10千瓦。

3.鹰式波浪能发电装置

鹰式波浪能发电装置（图6）是中国科学院广州能源研究所在点头鸭式波浪能发电装置的基础上，将鸭式装置与半潜式驳船相结合，使用自主开发的高效浮子研发出的具有自主知识产权的波浪能发电装置。与点头鸭式波浪能发电装置相比，该装置效率更高，且易于维护。

2012年，装机容量为10千瓦的鹰式波浪能发电装置在珠海万山岛进行了第一次海试，并取得了成功。2015年，我国建成了装机功率为100千瓦的鹰式波浪能装置“万山号”。2017年，“万山号”成功并网发电。经过十余年的时间，鹰式波浪能发电技术已发展得较为成熟，并集养殖、观光等多功能于一身。

4.摆式波浪能发电装置

摆式波浪能发电装置的基本原理是，摆体在波浪的影响下产生或向前向后、或向左向右的规律性钟摆式运动，从而将波浪的机械能转换为摆体的动能，再利用液压泵等将动能转换为电能。

摆式波浪能发电装置很好地适应了波浪的大周期、大推力特点，具有可观的转换效率；不过，该类装置结构复杂，较难维护，加上需在水下施工，故而生产成本较高。我国的国家海洋技术中心于2012年研究开发出功率为100千瓦的摆式波浪能发电装置，并在山东青岛即墨的大管岛海域进行了海试。

5.点吸收式波浪能发电装置

点吸收式是最简单的振荡浮子式波浪能发电装置（图7）。它能够利用浮子的上下运动将波浪能转换为动能，具有结构简单、易于维护等优点，并可形成多组并网发电。

早期的振荡浮子式波浪能发电装置多采用复杂的液压转换装置，经过多级转换才能实现发电。进入21世纪，随着直线电机技术的进步，很多点吸收式波浪能发电装置开始使用直线电机，不再使用气动液压部件，装置的转换效率得以大幅提升。其中，美国的点吸收式装置“动力浮标（Power Buoy）”已成功投入商业化运营。

振荡水柱式波浪能发电装置

振荡水柱式是最早出现的一类波浪能发电装置，其发展历史可追溯到1910年法国建立的波浪能发电装置。自1973年以后，此类装置成为研究热点，尤其在日本及欧美等国家。该装置主要由气室和空气透平组成，装置里的空气会随着波浪的起伏反复进行活塞运动，从而使得空气不断从气室上的气孔（气嘴）流出，只要在气嘴上装个空气透平就可以将波浪能转为电能。空气透平其实就是一个逆向运行的风扇，让波浪推动空气变成电（图8）。该类波浪能发电装置的一级转换效率较高，并且具有施工成本低、稳定性好等优点，发展前景良好。