波浪能及其开发利用

（1）波浪能形成原理

波浪，泛指海浪，是海面水质点在风或重力的作用下高低起伏、有规律运动的表现。在海洋中存在着各种不同形式的波动，从风产生的表面波，到由月亮和太阳的万有引力产生的潮波，此外，还有表面看不见的且下降急剧的密度梯度层造成的内波，以及我们难得一见的海啸、风暴潮等长波。波力输送由近及远，永不停息，是一种机械传播，其能量与波高的平方正比。在波高2 m、周期6 s的海浪里，每米长度中波浪可产生24 k W的能量。

（2）波浪能研发现状

波浪能发电时继潮汐发电之后，发电最快的一种海洋能源利用手段。据不完全统计，目前已有28个国家（地区）研究波能的开发，建设大小波力电站（装置、机组或船体）上千座（台），总装机容量超过80万千瓦，其建站数和发电功率分别以每年2.5%和10%的速度上升。

根据发电装置的工作位置波浪发电装置可分为漂浮式和固定式两种。

漂浮式装置以日本的“海明”号和“巨鲸”号、英国的“海蛇”号为代表。日本1974年开始进行船型波力发电装置“海明”号的研究，随后基于相似的发电原理，开发了“巨鲸”号波浪发电船，该船长50 m，宽30 m，型深12 m，吃水8 m，排水量4380 t，空船排水量1290 t，安装了一台50 k W和两台30 k W的发电机组，锚泊于Gokasho海湾之外1.5 m处。1998年9月开始持续两年的实海况试验，最大总发电效率为12%。英国“海蛇”号（Pelamis）波力发电装置，由英国海洋动力传递公司（Ocean Power Delivery Ltd）研制。“海蛇”号是漂浮式的，由若干个圆柱形钢壳结构单元铰接而成，将波浪能转换为液压能进而转换成电能的波能装置。“海蛇”号具有蓄能环节，因而可以提供与火力发电相当稳定度的电力。

固定式波浪发电装置以固定振荡水柱式为最多，其中日本4个，中国3个，挪威2个，英国3个，印度1个，葡萄牙1个，这些都是示范性的，有的完成海下发电实验后成为遗址了，有的还在进行海上实验。此外，日本和中国各有一个摆板式的波浪发电站，挪威有一个收缩水道库式的波浪发电站。日本酒田港防波堤波浪发电站建成于1989年3月，由日本港湾技术研究所研建，在防堤坝中间一段20 m长的堤上做实验，一台60 k W的发电机组发出的电通过海底电缆输到岸上，供游客参观。中国的振荡水柱岸式波浪发电站，从1986年开始在珠江口大万山岛研建3 k W波浪电站，随后几年又在该电站上改造成20 k W的电站。出于抗台风方面的考虑，该电站设计了一个带有破浪锥的过度气室及气道，将机组提高到海面上约16 m高之处，大大减小了海浪对机组直接打击的可能性。

（3）波浪能发电的原理

波浪的运动轨迹呈圆周或椭圆。经矢量分解，波浪能由波的动能和波的位能两大部分叠加而成。现代发电装置的发电机理无外乎三种基本转换环节，通过两次能量转化最终实现终端利用。目前，波力转换电效率最高可达70%。

①首轮转换。首轮转换是一次能量转化的发源环节，以便将波浪能转换成装置机械能。其利用形式有活动型（款式有鸭式、筏式、蚌式、浮子式）、振荡水柱（款式有鲸式、浮标式、岸坡式）、水流型（款式有收缩水槽、推板式、环礁式）、压力型（款式有柔性袋）四种，均采取装置中浮置式波能转换器（受能体）或固定式波能转换器（固定体）与海浪水体相接触，引发波力直接输送。其中鸭式活动型采用油压传动绕轴摇摆，转换效率（波力－机械量）达90%。而使用最广的式振荡水柱型，采用空气作介质，利用吸气和排气进行空气压缩运动，使发电机旋转做功。水流型和压力型可将海水作为直接载体，经设置室或流道将波水以位能形式蓄电。活动型和水柱型大多靠柔性材料成空腔，经波浪振荡运动传动。

世界波浪发电趋势是：前期收集波能浮置式起始，深入发展后，仍以岸坡固定式集束波能获得更大发电功率，并设法用收缩水道的办法，提高集波能力。现代大型波力发电站首轮转换多靠坚固的水工建筑物，如集波堤、集波岩洞来实现。为了最大限度地利用波浪能首轮转换装置的结构，必须综合考虑波面、波频、波长、波速和波高。其设计以利于与海浪频率共振，达到高效采能，使小装置赢得大能量。

必须提及，由于海上波高浪涌，首轮转换构件必须牢固和耐腐，特别是浮体锚泊，还要求有波面自动对中系统。

②中间转换。中间转换是将首轮转换与最终转换连接沟通，促使渡力机械能经特殊装置处理达到稳向、稳速和加速、能量传输，推动发电机组。

中间转换的种类有机械式、水动式、气动式三种，分别经机械部件、液压装置和空气单体加强能量输送。目前较先进的是气压式，它借用波水做活塞，构筑空腔产生限流高密气流，使涡轮高速旋转，功率可控性很强。

③最终转换。最终转换多为机械能转化为电能，全面实现波浪发电。这种转换基本上采用常规发电技术，但用作波浪发电的发动机，必须适应变化幅度较大的工况。一般小功率的波浪发电采用整流输入蓄电池的方式，较大功率的波力发电与陆地电网并联调负。

（4）波浪发电的机型

早在20世纪70年代，就诞生了世界上第一台波浪发电装置。目前已经出现了各种各样的波浪发电装置，大致列举如下。

①航标波力发电装置。航标波力发电装置在全球发展迅速，产品有波力发电浮标灯和波力发电岸标灯塔两种。波力发电浮标灯市利用灯标的浮桶作为首轮转换的吸能装置，固定体就是中心管内的水柱，当灯标浮桶随波飘动、上下升降时，中心管内的空气受压，时松时紧，气流推动汽轮机旋转，再带动发电机生电，并通过蓄电池聚能与浮桶上部航标灯相连，光电开关全自动控制。波力发电岸标灯塔结构比波力发电浮标灯简单，发电功率更大。

②波力发电船。波力发电船是一种利用海上波浪发电的大型装备船，并通过海底电缆将发出的电力送上岸堤，船体底部设有22个空气室，作为吸能固定体的“空腔”，每个气室占水面积25 m2。室内的水柱受船外波浪作用而升降，压缩或抽吸室内空气，带动汽轮机发电。

③岸式波力发电站。岸式波力发电站可避免海底电缆和减轻锚泊设施的弊端，种类很多。在天然岸基选用钢筋混凝土构筑气室，采用空腔气动方式带动汽轮机及发电机（装于气室顶部），波涛起伏促使空气室储气变流不断生电。另一种利用岛上水库溢流堰开设收敛道，使波浪聚集道口，升高水位差而发电。也可采用振荡水柱岸式气动器，带动气动机来发电。