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。
振荡水柱式波浪能发电装置按照安装方式的不同可以分为固定式和漂浮式两种。
1.固定式振荡水柱式波浪能发电装置
固定式振荡水柱式波浪能发电装置与越浪式波浪能发电装置类似，同样可以利用防波堤，从而实现双赢。世界上最典型的固定式振荡水柱式波浪能发电装置位于葡萄牙皮库岛上，其装机容量为400千瓦，自1999年建成后持续运行到2018年（图9）。英国在2000年于伊斯莱岛上建成的振荡水柱式波浪能发电装置也较为成功，其装机容量为500千瓦，可以为400户家庭供电，是全球首个实现商业化运营的波浪能发电装置。
中国科学院广州能源研究所于1990年在珠海万山岛上建立了我国第一个振荡水柱式波浪能发电装置，其装机容量为3千瓦；1996年，经过改进后，该装置的装机容量升级到了20千瓦。2000年，中国科学院广州能源研究所在汕尾建立了一台装机容量为100千瓦的振荡水柱式波浪能发电装置。
不过，此类装置也存在施工成本高、易被风暴损毁的缺点。
2.漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置
漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置形态多样，可以通过是否有开口以及内部水体封闭与否，分为封闭型和开口型两种。开口型波浪能发电装置又可以细分为垂直管型、后弯管型及中心管型等类型。
日本于1978年建成的“凯美（Kaimei）”是全球第一个部署在海洋中的大型漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置，其年发电量可达190万千瓦时。继“凯美”之后，日本海洋科学技术中心于1998年研发出“巨鲸号”（图10）漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置。“巨鲸号”内部设有多个空气室，利用振荡水柱（Oscillating Water Column，OWC）原理进行发电，共配备了3台波力发电装置，其中两台的额定功率为30千瓦，另外一台可根据波浪大小，转换为10千瓦和50千瓦的输出功率。丹麦的LeanCon也是一款漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置，全尺度装置宽240米，包含8个透平和发电机组，装机容量为4.6千瓦。需要说明的是，以上三个装置均采用了垂直管技术。
早在20世纪90年代，我国就将使用后弯管技术研发出的波浪能发电装置应用于“中水道一号”航标船上。爱尔兰的海洋能公司也基于后弯管技术研制了一款名为“OE浮标”的试验机，并进行了3年的海试。
目前，采用中心管技术的振荡水柱式波浪能发电装置已非常成熟。比如，中国科学院广州能源研究所研发的BD系列振荡浮子式波浪能发电装置已应用于海洋观测浮标上，可以为浮标搭载的各类传感器和设备提供持续稳定的电力供应。其中，BD102型（图11）振荡水柱式波浪能发电装置的装机容量为60瓦，能够有效将海浪能量转化为电能。
前景广阔 尚存短板
总体而言，波浪能研究在全球范围内得到了广泛的关注。尽管波浪能潜力巨大，但在目前的应用中仍存在一些技术挑战和经济限制，影响了其商业化和大规模应用进程。有关波浪能的研究在国内外均处于快速发展阶段，各国在投资、政策、技术等方面都在积极推进波浪能的开发与利用。
近年来，我国在波浪能领域的研究和应用方面也取得了一定进展。在政策层面，国家出台了多项政策措施，鼓励和支持波浪能发电技术；在科研领域，多个研究项目也在多所高校和科研机构展开，山东大学、中国海洋大学、集美大学、华南理工大学、清华大学、武汉理工大学等均在波浪能利用方面取得了一定研究成果。不少企业也开始布局波浪发电，甚至有部分公司开展了相应产品的规模化应用，如水能集团推出了超大电容储能型波浪发电机组。同时，自然资源部在国内部署了三大试验场，其中，珠海万山海域建有专门的波浪能试验场。
在“双碳”目标的推动下，波浪能等清洁能源逐渐成为今后能源发展的主流方向。据统计，全球储存着超过25亿千瓦的波浪能，开发前景十分广阔。整个波浪能产业将会在未来逐渐成形，为人类寻找化石产品的替代产品提供更多选择。
在此背景下，尽管各国在波浪能发电装置的研发上取得了长足的进展，但在装置的开发以及商业化道路上，仍面临效率不高、稳定性差、可靠性弱、电力成本高等问题。
未来，随着我国“海洋强国”战略的逐步推进，相关技术不断进步，集成化、多元化、阵列化研究进一步发展，波浪能发电有望为我国能源结构优化做出更大贡献。
（本文第一作者李清阳为广东省广州市培正中学高三年级学生；第二作者张亚群为中国科学院广州能源研究所副研究员）
【责任编辑】赵 菲