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、空气压缩装置气动式等。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。
最终转换若不以发电为目的，也可直接产生机械能，如波力抽水或波力搅拌等。也有波力增压用于海水淡化的实例。
2.波浪电站的选址
（1）基岩港湾海岸的突出部位和外围海岛的向外海一侧海岸波浪传入近海、岸边后，会因水下地形影响发生折射而形成辐聚或辐散，从而造成能量的集中或分散，还会因海底摩擦和破碎而损耗能量，这些均是波浪电站选址应考虑的重要因素。例如在弧形的海湾，一般海湾的两侧为向海突出的岬角，其前方海底等深线密集，呈向海突空气泵出的弧状分布，且深水逼岸，坡度较大，其后方海岸或是礁石林立，或是悬崖峭壁。这样的地方一般波浪尚未破碎，为波浪折射的辐聚区，波浪因海底摩擦的能量损耗较少，这里是理想的波浪电站站址。外围海岛的向外海一侧和宏观上较平直的基岩海岸上突出的半岛顶端或岬角也具有以上优点。而在弧形海湾的腹部，前方为漫长的浅水区，海底等深线呈向岸突出的弧状分布。
这样的地方为波浪折射的辐散区，波浪传至岸边已几经破碎，波浪因受海底摩擦能量损耗也大。这里不宜作为波浪电站站址。一般近岸有漫长浅水区的沙质和淤泥质海岸岸边也是如此。总之，波浪电站应选在波浪破波带以外和波能辐聚区。
（2）前方无岛礁遮挡，且海域开阔的地方为了使转换装置能吸收来自各个方向的波浪能量，波浪电站应尽量选择在前方无岛礁遮挡，海域开阔的地方，并且最好选取装置能与主波向成正交的岸段，以增加装置的吸能效率。
（3）平均潮差较小
对于固定装置（岸基和浅海桩基式）而言，潮差大是不利的。潮差过大会影响波浪对吸能部件的作用时间，从而降低装置的吸能和发电时间。所以波浪电站选在潮差较礁石区小的地点为好。
电站附近需要适当的经济条件波浪电站站址，附近或腹地应有与电站输出电力相适应的经济规模和社会需求及配套条件。如有适量的居民、生产或海洋开发、国防及科学实验实体等对电力的需求，有便于连接的电网系统，最好有丰富的自然资源，有一定的交通条件，有较好经济社会发展潜力和前景等。
除以上条件之外，还要考虑波浪电站建成不会对周围生态环境产生严重的不利影响。
波浪能的分布
1.全球波浪能分布状况
（1）太平洋
总体上看，整个太平洋夏季风浪小，冬季风浪大。中纬度和高纬度海区的大浪频率比低纬度海区大。
在太平洋北部，夏季风浪较少，尤其在菲律宾群岛和苏拉威西岛之间海域，大浪很少出现，大浪频率仅在5%以下。北部风浪稍大，大菲律宾群岛浪频率在10%以上，阿留申群岛附近可达20%。从秋季开始，风浪逐渐增大，到翌年2月达到最大，特别是北部海域，冬季以强风著称，大风可影响到中纬和低纬地区，大浪区往南可扩展到北纬30°附近。
在日本以东的太平洋西北部洋面上，经常有大浪出现，频率达40%以上。
①波向分布。冬季，北部各海区的盛行波向为NW-N（N代表北，W代表西，E代表西），南部各海区则以E-NE为主；夏季，盛行偏南向；春末和秋初则为过渡时期。
各海区的浪向与风向也较一致，但涌向的分布则与风向分布相差较大，这是由于大洋上的涌浪能传到较远的洋面所致。但在北纬20°以南洋面，每年的11～3月由盛行的东北信风造成N-NE向的涌浪与风向很一致。
②波高分布。太平洋西北部全年约有80%的波高小于2.75米，其中经常出现的波高为0.76～1.75每分钟，约占43%。
我国近海及太平洋西北部的平均波高分布很不均匀。高值中心出现在日本以东大洋区，大约位于北纬25°以北、东经135°以东，涌浪高值区的范围稍大于风浪高值区。风浪年平均波高大于1.4米，渤海湾日出风景中心最高值为1.9米，涌浪年平均波高大于1.8米，中心最高值为2.3米。两者的高值中心都位于北纬35°～40°的纬度带，是著名的太平洋北部暴风带所在地。在菲律宾群岛东北部有一较明显的涌浪高值中心，在北纬20°、东经155°附近，也有一个涌浪高值区。
波浪较小的区域是北纬10°以南的海洋以及北部边缘海区，如渤海、北黄海（山东半岛东端以东，约北纬37°以北为北黄海，以南为南黄海。“黄海北部”或“黄海南部”则是较笼统的概念，泛指黄海的北部或南部）、日本海西北部、北部湾等。这些海区的风浪波高一般在1米以下，其中又以赤道附近最低，年平均波高小于0.8米。涌浪平均波高一般小于1.4米，且北部边缘海区的涌浪较赤道附近洋面低，这是由于大洋的涌浪不易传到这些海区。在大洋的琉黄列岛附近有一个波高低值区，它大致位于副热带高压中心的平均位置。黄海、东海，我国的江苏、浙江、上海沿岸的风浪和涌浪都较小。
太平洋西北部的边缘海区，除南海外，其年平均波高分布大致都是北小南大。这是因为在季风影响下，冬季偏北风远比其他方向的风强、持续时间长及出现频率高。而且这些海区的波浪往往是在北部海区生成后向南传播，在传播过程中，风浪不断地发展。还因为黄海南部和东海与大洋相通，大洋的涌浪可从其南部传入，从而增大了南部的波浪。南海的年平均波高分布较为特殊，南海的波浪分布可以北纬15°为界分为南北两部分说明。北纬15°以北的南海北部波浪分布为东北大、西南小（北部湾除外）。这是因为该海区东北部有巴士海峡和巴林塘海峡与太平洋相通，又有台湾海峡与东海相连，使得太平洋和东海的较大波浪易于传入，因而使这里的波浪比南海其他海区显著增大。北纬15°以南的南海南部波浪分布也呈北大南小的状况。这是因为该海区冬季受大陆季风影响较弱，因而风浪不大，波浪在该海区内衰减较快。
太平洋西北部波浪最大的海区是在北纬28°以北、南纬145°以东的大洋北部，其次是台湾海峡和南海东北部，在北纬16°、东经132°
附近洋面波浪也较高。而在一些半封闭的、不与大洋相通的海和海湾，以及赤道附近的洋面波浪最小。
（2）南大西洋
南大西洋波浪分布的总趋势是：
全年波高冬季（7月）大于夏季（1月），南部大于北部，等波高线除在南美洲南部沿岸及近海呈与岸线平行的趋势，沿岸波高1米以上，向外逐渐增大外，其余广大海区基本上是南大北小，等波高线基本呈与纬度平行的趋势。
冬季（7月），平均波高分布是北小南大。北部在近南美洲一侧有一个波高大于2.0米的高值中心，其他海区波高分布较均匀，为1.0～1.5米。南纬30°以南，等波高线基本与纬度平行，波高由1.5米增大至3.0米，南纬40°以南为波高大于3.0米的高值区，月平均波高最大值为3.2米，出现在非洲西南部沿岸。全年7～8月平均波高最大。
夏季（1月），平均波高分布与冬季分布趋势基本一致，只是波高数值普遍下降，北部波高大于2.0米的高值中心消失，小于1.5米的低值区向南扩展，月平均波高最小值为1米，出现在非洲中部沿岸（赤道以南），南部高值区南退、并缩小。
（3）印度洋
印度洋上的风系与太平洋和大西洋不同，所以印度洋的风浪状况与太平洋、大西洋的风浪状况差异较大。
印度洋北部，7～8月，正是西南季风最盛时期，常有狂风暴雨和巨浪出现。在阿拉伯海，季风的平均风速可达16米/秒，大浪频率巴士海峡远眺高达74%，是世界大洋中大浪频率最高的海区。秋季，由于西南季风逐渐减弱，并转换成东北季风，直到冬季，海面都比较平静。印度洋南部，夏季大浪的出现频率比冬季多，这也是与太平洋和大西洋所不同的地方。
2.我国的波浪能分布状况（1）波浪特征我国沿岸的波浪，多为风浪为主的混合浪。波浪（波高和波向）随季节变化十分明显。另外，地形及天气形势等对局部地区的波浪也产生不同程度的影响，致使我国沿岸波浪的分布及变化更为复杂。因为我国沿岸波浪以风浪为主，以下主要介绍风浪的波向、波高和周期分布变化。
①波向分布。风浪波向主要取决于风向，盛行波向与盛行风向颇为一致。冬季盛行偏北向浪，夏季盛行偏南向浪。春秋季为波向的交替时期。另外，由于各地受地理环境的影响，使波向各有其特殊分布。
一般而言，冬季，沿岸自北向南，波向由西北按顺时针方向向东变化；
夏季，沿岸自南向北，波向由西南阿拉伯海风光按逆时针方向向东南变化。
②波高分布。我国沿岸波高分布总趋势是：我国东海沿岸为北部小，南部大。南海沿岸为粤东和西沙地区大，其他地区小。各地沿岸的平均波高（小时）分布是：渤海沿岸为0.3～0.5米；山东半岛、苏北、长江口、台湾海峡西岸、粤西、海南岛和北部湾沿岸为0.6～1.0米；
渤海海峡、浙江、福建北部、台湾东部和粤东沿岸为1.0～1.7米；西沙地区为1.4米左右。东海和粤东沿岸及西沙地区是我国波浪能资源最富集的地区。平均波高的季节变化趋势是，冬季最大，夏季最小。
③周期分布。东我国海沿岸波浪周期与波高分布类似，一般为北部小，南部大。南海沿岸粤东大，北部湾小。各地沿岸的年平均周期分布是：渤海为2.0～3.0秒；渤海海峡为3.6秒左右；山东半岛南岸、苏北和长江口为3.0～4.4秒；浙江、福建和台湾为4.5～6.4秒；粤东粤西为3.0～5.4秒；海南岛和北部湾为2.5～3.0秒；西沙地区为3.5秒左右。平均周期的季节变化，除个别地段如渤海海峡冬季偏大、夏季偏小外，各地一般变化不大。
（2）波浪资源分布
根据调查和利。用波浪观测资料计算统计，我国沿岸波浪能资源论平均功率为128.52.万兆瓦。其中，台湾省沿岸最多，占全国总量的1/3.其次，是浙江、广东、福建和风光秀丽的海南岛山东省沿岸较多，在1609～2053兆瓦之间，合计为7062.36兆瓦，占全国总量的55%。广西沿岸最少，仅80.9兆瓦。其他省市沿岸较少，仅在143562兆瓦之间。在此指出，因缺台湾省沿岸的波浪实测资料，其波浪能资源理论平均功率是利用台湾岛周围海域的船舶测报波浪资料，折算为岸边数值后统计计算的，未经岸边实测波浪资料验证，只能作为台湾省沿岸波浪能资源理论平均功率数量级的参考。
全国沿岸波浪能流密度分
布，以浙江中部、台湾、福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达5.11～7.73千瓦/米。这些海区平均波高大于1米，周期多大于5秒，是我国沿岸波浪能能流密度较高、资源蕴藏量最丰富的海域。其次是西沙、浙江省的北部和南部，福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高，资源也较丰富，其他地区波浪能能流密度较低，资源蕴藏也较少。
我国沿岸波浪能能流密度分布是：浙江中部、台湾、福建海坛岛以北，渤海海峡和西沙地区沿岸最高。其次，是浙江南部和北部、广东东部、福建海坛岛以南及山东半岛南岸。渤海、黄海北部和北部湾北部沿岸最低。一般岛屿附近比大陆岸边高，近海外围岛屿比沿岸岛屿高。
波浪能发电
的早期利用
20世纪60年代初，日本的益田善雄研制成功航标灯用波浪发电装置，开创了波能利用商品化的先航标灯例，也是迄今最成功的商业化波能产品。
最早的波浪能发电专利
波浪能是全世界被研究得
最为广泛的一种海洋能。波浪能研究被称作为发明家的乐园。最早见于文字的波能装置专利，是1799年法国人吉拉德父子所提出的。在20世纪60年代以前，付诸实施的装置至少10个以上，遍及美国、加拿大、澳大利亚、意大利、西班牙、法国、日本等。
70年代，在受到石油危机冲击之后，许多工业化沿海国家陆续开始对波浪能进行有计划的研究开发。
以英、美、挪、日为代表的各国专家在对众多的波能转换装置进行了较全面的实验室研究后，筛选出几种有前途的转换方案。80年代以来，波浪能利用不再以在近海、沿岸布放众多转换装置阵列的大规模、商业化开发为目标，而转向以为边远沿海和海岛供电的中小型实用化、商品化装置为目标，进行应用示范研究，并基本建立了波浪能装置的设计理论和建造方法。
70年代末和80年代中期，日本海洋科学技术中心与美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等国合作，将几种转换装置安装在漂浮式载体，即著名的“海明”号船上，进行了两期联合试验研究。在降低发电成本、装置载体系泊和向陆地送电等一系列技术问题上取得了一批成果。
但“海明”号的发电效率却令人失望，仅约为6.5%。
全世界近30年建造的波能示范和实用装置在30个以上。日本是近年来研建波浪电站最多的国家，先后建造了漂浮式振荡水柱装置、固定式振荡水柱装置和摆式装置10多座。其装置的特点是可靠性较高，而效率较低。
20世纪90年代，在有利的大环境下，波浪能作为海洋能开发技术中较为成熟的一种，因其产品在海岛地区有广阔的市场，据欧盟专家预测在40多个国家的市场潜力约为70亿美元，又在世界范围内重新受到重视。开展波能利用研究的国家有20多个。尤其是英国、日本、挪威等国对波浪发电的研究最为踊跃，其技术已基本成熟。
波能利用技术已经历了装置发明、实验室试验研究、实海况应用示范等几个阶段，设计和建造中的问题也已基本解决，现在已具备应用条件。下一步是建造达到商业化利用规模的波能装置，实现降低成本、提高效率和可靠性的目标。
我国波浪发电研究虽然起步较晚，但在国家科技攻关、“863”计划支持下，发展较快。微型波浪发电技术已经成熟，并已商品化。但是，我国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国，转换方式类型远少于日本，且装置运行的稳定性和可靠性等还有待研究提高。
波浪能发展的前景
波浪比较有利的条件下今后进入能源市场的潜力时，假定的条件是：在今后10年中，对波浪能研究、开发和示范给予适度的支持，以便能在10年后使波浪能技术变得成熟，并有经过验证的可靠而耐用的设备。
如果那样，依靠组件式设备，波浪能就可成为一种在边远地区用以替代柴油和其他能源的新能源。
太平洋和加勒比海的一些岛屿将是开发利用波浪能的主要市场。现在那里每人每天的用电量约为2千瓦·小时，其中一半可由新能源代替；
到2020年，波浪能发电可占领替代能源市场的1/3.
此外，还有第二市场，即海水淡化，也可由波浪能占领。海水淡化市场包括干旱地区的迎风沿海和一些岛屿。而且这个市场要比替代能源市场大一倍。现在这些地区每风力发电网人每天的需水量约40升，到2020年，随着人口的增加，50%的用水将来自淡化水。波浪能可能会占领淡化水市场的三分之一。
如果进一步加强研究和开发，使波浪能发电成本进一步下降，从而能在供电系统中取代热力发电的话（这种可能性不大，无需进一步考虑），波浪能的利用程度将会比前面描述的提高一个数量级。
即使在比较不利的条件下，即波浪能研究、开发及示范工作得到的支持很少，核算常规能源成本时不考虑环境代价，并且波能发电的成本与效益比没有什么提高，在波候条件较好的边远地区，波浪能仍有可能取代柴油发电，但在供电市场和淡化水市场中的占有额将会比较小。
从几个方面来看，目前波浪能技术尚不成熟。现在无法比较确切地判断已研制出来的那些装置中是否采用了最好的技术，或者是否还可研制出更好的技术。此外，目前还没有足够的经验来预测现已投入使用的那些设备的寿命，也没有足够的经验来预测运行或维修方面的问题，或预测是否可通过改进设计来减少这些问题。
随着技术的逐步成熟，今后波海水淡化模型展示浪能的成本会明显下降，总体性能会有较大的提高。波浪能技术何时能达到成熟阶段，取决于能否不断地对研究与开发给予适当的支持。
当前，开发波浪能资源的风险很大，而投资的回报又很遥远，因此难以吸引私营企业的投资。能否对示范项目给予支持以及能否为初期的商业项目制订鼓励政策，也将影响着波浪能技术成熟的时间。
对波浪能在未来能源市场中的位置所做的估计，虽然不很确切，但是下述结果是很可能的：在较为有利的条件下，到2020年，波浪能每年可提供12亿千瓦·小时；在最好的条件下（但这是不大可能的），波浪能电力可达100亿千瓦。这些电力分别相当于2.5吨油当量，0.2公吨油当量和22.3吨油当量。
