“高树多悲风，海水扬其波”。如果说潮汐是地球的呼吸，波浪或许是海洋情绪的不时释放。不可否认的是它的生气更具偶然性。当远处的海面滚滚地涌向滨岸的时候，朵朵浪花不但美丽壮观，而且带来了无穷的能量。这就是我们下面将要介绍的波浪能。
§§§第一节不断翻滚的波浪
波涛汹涌的波浪
波浪是海面在外力的作用下，海水质点离开其平衡位置的周期性或准周期性的运动。由于流体的连续性，运动的水质点必然会带动其邻近的质点，从而导致其波形（运动状态）在空间传播。因此，运动随时间和空间的周期性变化为波浪的主要特征。
实际海洋中的波浪是一种十分复杂的现象，人们通常近似地把实际的海洋波浪看做是简单波动（正弦波），或者把实际波浪看作是由许多振幅不同、周期不等、位相杂乱的简单波动（分波）叠加所形成的。一般从简单波动入手研究海洋波动，因为简单波动的许多特性可以直接应用于解释海洋波动的性质。
波浪有哪些特征
用来描述波浪特征的量，如波型、浪向、波高、周期、波速、波长等，统称为波浪要素。周期：两个相邻的波峰或波谷通过某一固定点所经历的时间。
跨零周期：在某一固定点的波浪观测记录曲线中，相邻的两个由下向上或由上向下跨过零线的交点之间的时间间隔。
谱峰周期：波谱曲线的峰值部分所对应的周期（频率），即波浪中能量最大的那一部分组成波所对应的周期。
波长：相邻的两个波峰或两个波谷间的水平距离。
波陡：波高与波长之比。
波数：单位距离内所包含的波个数的2π倍（不是一般概念的波的个数）。
频率：在某一固定点，单位时间内通过的波个数。
圆频率：又称角频率，单位时间内通过的波个数的2π倍，或水质点运动以弧度为单位的角速度。
波速：又称相速，波形传播的速度，即单位时间内波动传播的距离。
波型：在波浪观测中，根据波浪的外貌特征，将波浪分为风浪、涌浪和混合浪。
波向：指波浪的来向，以度数或方位表示。常波向即波浪出现频率最多的方向，强波向即出现最大波高的方向。
风向：指风的来向，以度数或方位表示。
在海洋调查和海滨观测中，一般主要观测波型、波向、波高、周期等波浪要素，其他要素均需计算得到。个别的海滨观测中，具备条件时，也可以观测波长和波速。
有趣的波浪家族
海洋中波浪的种类很多，分法不一。按形成的作用力，波浪可分为风浪、潮波和地震波及海啸；按波浪形成和传播及外貌特征，将海面在风作用下所产生的波浪分为风浪、涌浪和混合浪；按相对水深的大小，波浪可分为的深水波和浅水波；按相对振幅的大小，波浪可分为小振幅波和有限振幅波；按波形的传播性质，波浪可分为前进波和驻波；按波浪发生的位置，波浪可分为表面波、内波和边缘波。
1.风浪和涌浪
风浪指由当地风产生，并且一直处于风力作用之下的海面波动状态。其形态特征是波峰尖削，在海面上的分布很不规律，波峰线短、周期小，具有明显的三维性质（又称短峰波），波浪传播方向多与风向一致，当风力增大时，波峰常常出现破碎现象，形成白色浪花。
涌浪指海面上由其他海域传来已充分成长的风浪，或者是当地风力已迅速减小、平息，或者是当地风向已改变，海面上遗留下来的波动。涌浪的波面比较平坦、光滑，波峰线长、周期和波长较长，在海面上的传播比较规则，二维性质明显。
在某一局部海域观测波浪时，有时可以见到单纯的风浪或涌浪，但多数情况是风浪、涌浪同时存在，即所谓混合浪，但它们的传播方向和波高、周期往往不同。混合浪又分为以风浪为主（风浪波高大于涌浪波高）、涌浪为主和风浪涌浪相当三种情况。
2.深水波和浅水波
深水波：水深大于波长的一半时的波浪称为深水波，由于这种波动主要集中在海面以下一个较薄的水层内，又称表面波或短波。在深水区传播的波浪，水质点以1/2波高为半径做圆运动，其回旋的周期和波浪传播的周期相等。因为海底摩擦对深水波浪的影响甚微，故传播行程甚远，在到达浅海之前，波浪形态基本上不发生变化。
浅水波的划分有两种方法。一种是将水深小于波长一半海域的波浪统称为浅水波；另一种是将小于波长一半的海域分成两段，其中，把小于波长一半的1/25或1/20水域的波浪称作浅水波。
3.小振幅波和有限振幅波
振幅波理论和有限振幅波理论均属重力波理论，它们研究的对象是规则波，均是在假定流体为无黏滞性、无旋运动和不可压缩的理想流体，并且流体的表面压力是均匀的，底部是不透水的刚性边界的条件下研究波动的理论。
小振幅波：指振幅相对于波长为无穷小，重力是其唯一外力的一种简单波动，简单波动的特性可以近似地说明实际海洋波动的许多现象，因其具有正弦曲线形式的波面，故又称为正弦波。由于在处理流体动力方程时，忽略了水质点波动速度的平方项，使流体动力方程变为线性的，因为水质点的速度本身就不大，这样的处理是允许的，因此称这种波动为线性波。
有限振幅波：指相对于小振幅波动而言，具有较大的振幅，其波面在波峰附近较陡，在波谷附近较平缓，是与实际海浪的波高较大，甚至波峰变尖，直至破碎等特点更为相近的一种波动，属于非线性波。
4.前进波和驻波
前进波：又称进行波，波形不断地向前传播的波浪。
驻波：又称立波，向前传播的前进波遇到立壁被反射回来后，与前进的波相遇而相互重叠，重叠后的波不向任何方向传播，水面仅反复做上下运动。
§§§第二节威力无穷的海洋波浪能
波浪能的形成
水在其平衡位置附近会作周期性振动，就是说一个水质点从最高点（波峰）经平衡点再往下到达最低点（波谷），然后再经平衡点回到最高点，就完成一个振动周期。这是因为当水质点离开平衡位置后，有一种力叫恢复力（表面张力、重力等）就力图使它回到原来的平衡位置，但因有一个惯性作用振动仍保持着，并通过其四周的水质点向外传播，这种过程就形成了波浪，看到波浪由这边传到那边。其实一个水质点并没有移动，只是其中能量转移到其他质点上去，让人觉得好像波浪自己会传到很远的地方去一样。
海洋波浪的成因比较多，因此类型也就比较多。其中，风力是波浪的主要成因，由风力直接作用产生的波浪称为风浪，风浪离开风区向远处转播便形成涌浪。风浪到浅水区，受海水深度变化的影响比较大，出现折射，波面不再是完整的而是出现破碎和卷倒，此时称为近岸波，习惯上把风浪和涌浪以及近岸波，合称为海浪，也就是人们常说的“无风不起浪”。除了风力以外，地震也能引起地震波，这种波传到岸时，波高迅速增大，会形成灾害性的海啸，这种海浪呼啸而来，给沿海地区带来可怕的灾难。其实潮波也是一种长周期的重力波，不过它是在引潮力作用下引起的一种波。另外海洋中还有惯性波，是由地转偏向力作为恢复力而引起的波。还有一种周期更长的波是由于地转偏向力随纬度的变化作用力引起的行星波。
海洋中“无风三尺浪”，风只是波浪的主要成因之一，还存在着许多作用力可以使海水振荡起来形成波浪。
地球表面有超过70%以上面积是海洋，广大面积的海洋（可以说是世界上最大的太阳能收集器）在吸收太阳辐射之后，温暖的地表海水，造成与深海海水之间的温差，由于风吹过海洋时产生风波，这种风波在宽广的海面上，风能以自然储存于水中的方式进行能量转移，因此波浪能可以说是太阳能的另一种浓缩形态。
同时，波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的，它的能量传递速率和风速有着非常紧密的关系。
波浪能的无穷威力
海浪的破坏力大得惊人。扑岸巨浪曾将几十吨的巨石抛到20米高处，也曾把万吨轮船举上海岸。海浪曾把护岸的二三千吨重的钢筋混凝土构件翻转。许多海港工程，如防浪堤、码头、港池，都是按防浪标准设计的。
在海洋上，波浪中再大的巨轮也只能像一个小木片那样上下飘荡。大浪可以倾覆巨轮，也可以把巨轮折断或扭曲。假如波浪的波长正好等于船的长度，当波峰在船中间时，船首船尾正好是波谷，此时船就会发生“中拱”。当波峰在船头、船尾时，中间是波谷，此时船就会发生“中垂”。一拱一垂就像折铁条那样，很快就可以把巨轮拦腰折断。20世纪50年代就发生过一艘美国巨轮在意大利海域被大浪折为两半的海难。此时，有经验的船长只要改变航行方向，就能避免厄运，因为航向改变即改变了波浪的“相对波长”，就不会发生轮船的中拱和中垂现象。
波浪能的特点
综合来看波浪能具有如下特点：
1.能量密度小、运动速度较慢
波浪能是一种散布在海面上的低密度不稳定能源，其1米波前的能量通常在20～80千瓦之间，而且波浪的运动速度比较慢，由波浪形成的水头一般只有2～3米，不适于直接用来驱动原动机。
基于以上特点，要利用波浪能，就要求波浪能发电装置能够充分地吸引分散在海面上大面积的波浪能，并转换成集中的能量，以驱动发动机、带动发电机而发电。在这方面已经研制的方法有：将波浪能变为高速气流的动能驱动空气涡轮机；或变为高压油的压力驱动油马达；或变为高水头水流的热能驱动水轮机等等。
2.不稳定
波浪能受风的影响，其能级变化大，且不规则。因此，波浪能发电应并入当地电网，和其他发电站所发的电能一并使用。
3.工作环境恶劣
波力发电的另一个困难之处在于波浪的狂暴和反复无常，使得波力发电装置必须在极其恶劣的工作条件下运转，这就要求所设计的波浪能发电装置从外部到内部结构都能适应恶劣的工作环境。这样就带来一系列技术上的、经济上的问题。
此外，还存在海水对机组及水工建筑物的腐蚀以及海洋生物的附着等问题，处理方法和潮汐能开发装置相仿。
§§§第三节愤怒的“蛟龙”能发电
波浪能发电
1.波浪能发电原理
波能利用的原理主要有三个基本转换环节，即第一级转换、中间转换和最终转换。
（1）第一级转换
第一级转换是指将波能转换为装置实体所特有的能量。因此，要有一对实体，即受能体和固定体。受能体必须与具有能量的海浪相接触，直接接受从海浪传来的能量，通常转换为本身的机械运动；固定体是相对固定，它与受能体形成相对运动。
波力装置有多种形式，如浮子式、鸭式、筏式板式、浪轮式等，它们均为第一级转换的受能体。此外，还有蚌式、气袋式等受能体，是由柔性材料构成的。水体本身也可直接作为受能体，而设置库室或流道容纳这些受能水体，例如波浪越过堤坝进入水库，然后以位能形式蓄能。但是通常的波能利用，大多靠空腔内水柱振荡运动作为第一级转换。
按照第一级转换的原理不同，波能的利用形式可分为活动型、振荡水柱型、水流型、压力型四类。其中活动型最早是以鸭式为代表，因为其形状和运动特点像鸭子点头，故也称点头鸭式。这种装置在波浪的作用下绕轴线摇动，把波浪的动能和位能转换为机械能，转换效率高达90%。但这种机构复杂，在完成模型试验后未能获得广泛实际应用。振荡水柱型采用空气做介质，利用吸气排气压缩空气，使发电机旋转做功，实际应用较广。水流型是利用波能的位差。压力型主要是利用波浪的压力使气袋压缩和膨胀，然后通过压力管道做功。
从波浪发电的过程看，第一级收集波能的形式是先从漂浮式开始，要想获得更大的发电功率，用岸坡固定式收集波能更为有利，并设法用收缩水道的办法提高集波能力。所以大型波力发电站的第一级转换多为坚固的水工建筑物，如集波堤、集波岩洞等。
在第一级波能转换中，固定体和浮体都很重要。由于海上波高浪涌，第一级转换的结构体必须非常坚固，要求能经受最强的浪击和耐久性。浮体的锚泊也十分重要。
固定体通常采用两种类型：固定在近岸海床或岸边的结构；在海上的锚泊结构。前者也称固定式波能转换；后者则称为漂浮式波能转换。
为了适应不同的波浪特性，如波浪方向、频率、波长、波速、波高等，以便最大限度地利用波浪能，第一级转换装置的类型和外形结构都要充分考虑。其中最重要的是频率因素，无论是浮子式还是空腔式，若浮子、振荡水柱的设计频率能与海浪的频率共振，则能收到聚能的效果，使较小的装置能获得较大的能量。当然，海浪频率是变化的，要按不同海域的变化规律来考虑频率的谐调，以便达到实用化。波能装置的波向性也非常敏感，有全向型和半向型之分。全向型较适用于波向不定的大洋之中。而半向型，较适用于离岸不远、波向较固定的海域。
（2）中间转换
中间转换是将第一级转换与最终转换相连接。由于波浪能的水头低，速度也不高，经过第一级转换后，往往还不能达到最终转换的动力机械要求。在中间转换过程中，将起到稳向、稳速和增速的作用。此外。第一级转换是在海洋中进行的，它与动力机械之间还有一段距离，中间转换能起到传输能量的作用。中间转换的种类有机械式、液动式、气动式等。早期多采用机械式，即利用齿轮、杠杆和离合器等机械部件。液动式波浪能发电主要是采用鸭式、筏式、浮子式、带转臂的推板等，将波浪能均匀地转换为液压能，然后通过液压马达发电。这种液动式的波浪能发电装置，在能量转换、传输、控制及储能等方面比气动式使用方便，但是其机器部件较复杂，材料要求高，机体易被海水腐蚀。气动式转换过程是通过空气泵，先将机械能转换为空气压能，再经整流气阀和输气道传给涡轮机，即以空气为传能介质，这样对机械部件的腐蚀较用海水作介质大为减少。目前多为气动式，因为空气泵是借用水体作活塞，只需构筑空腔，结构简单。同时，空气密度小，限流速度高，可使涡轮机转速高，机组的尺寸也较小，输出功率可变。在空气的压缩过程中，实际上是起着阻尼的作用，使波浪的冲击力减弱，可以稳定机组的波动。近年来采用无阀式涡轮机，如对称翼形转子、S形转子和双盘式转子等，在结构上进一步简化。
（3）最终转换
为适应用户的需要，最终转换多为机械能转换为电能，即实现波浪发电。这种转换基本上是用常规的发电技术，但是作为波浪能用的发电机，首先要适应有较大幅度变化的工况。一般小功率的波浪发电都采用整流输入蓄电池的办法，较大功率的波力发电站一般与陆地电网并联。
