第1章　波能发电概述

1.1　波能简介

波能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波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。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离（即风区）有关。水团相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。储存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。波浪可以用波高、波长（相邻两个波峰间的距离）和周期（相邻两个波峰间的传播时间）等特征来描述。

海浪的破坏力大得惊人。扑岸巨浪曾将几十吨的巨石抛到20m高处，也曾把万吨轮船举上海岸。海浪曾把护岸两三千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小木片那样上下漂荡。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，几下子便把巨轮拦腰折断。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”了。

1.1.1　波能开发

波浪能量如此巨大，存在如此广泛，自古就吸引着沿海的能工巧匠们，想尽各种办法，企图驾驭海浪为人所用。

台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千千瓦，而波能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20～40kW/m，中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2～7kW/m，功率密度较低。

全世界波能的理论估算值为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3×107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小的位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江省、福建省、广东省、山东省和台湾省沿海为波能丰富的地区。

将波能收集起来并转换成电能或其他形式能量的波能发电装置有设置在岸上的和漂浮在海里的两种。按能量传递形式分类有直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动4种。波能发电装置五花八门，不拘一格，有点头鸭式、波面筏式、波力发电船式、环礁式、整流器式、海蚌式、软袋式、振荡水柱式、多共振荡水柱式、波流式、摆式、结合防波堤的振荡水柱式、收缩水道式等十余种。

1.1.2　我国波能资源的分布

根据1989年完成的《中国沿海农村海洋能资源区划》利用波浪观测资料计算统计，全国沿岸波能资源平均理论功率为12.85GW。需要特别指出的是，全国沿岸海域还有很多著名的大浪区，因迄今尚无实测资料，故无法把这些资源计算在内。其中以台湾省沿岸的波能资源最为丰富，为4.29GW，占全国总量的1/3；其次是浙江省、广东省、福建省和山东省，在1.61～2.05GW之间，合计为7.06GW，占全国总量的55%，其他省（自治区、直辖市）沿岸则较少，仅在144×103～563×103kW之间（表1.1.1）。特别需要指出的是，全国沿岸波能功率密度最高的区段是浙江中部（大陈岛）6.29kW/m、台湾岛南北两端（南湾和富贵角至三貂角）6.21～6.36kW/m、福建海坛岛以北（北礵和台山）5.32～5.51kW/m、渤海海峡（北隍城）7.73kW/m和西沙地区沿岸4.05kW/m，这些地区年平均波高大于1m，平均周期多大于5s，是全国沿岸波功率密度较高，资源储量最丰富的地区；其次是浙江南部和北部2.76～2.82kW/m、广东东部（遮浪）3.62kW/m、福建海坛岛以南2.25～2.48kW/m、山东半岛南部沿岸2.23kW/m，这些地区波功率密度中等，资源储量也较丰富。

从表1.1.1可以看出，波能资源大多分布在我国的渤海及东南沿海地区。显然，研究开发波能可为缓解我国沿海地区能源短缺提供一条新的途径。波能属于取之不尽、用之不竭的清洁能源。波能的大规模利用，可以缓解我国常规能源紧缺、降低温室气体排放。在海洋开发过程中，波能是包括常规能源在内的所有能源中最廉价的能源。波能还是海洋能中分布最广泛的能源[8]。发展波能，还可以促进我国的海洋开发。

尽管我国的波能密度远小于欧洲等其他波能丰富地区，但与其他可再生能源比，波能仍属于能流密度较大的可再生能源，达到2～5kW/m。由于具有能流密度高的特点，波能在技术上容易实现小型化，有助于海洋开发和海防建设[9]。该技术研究的意义还在于我国海岸线长，岛屿众多，海洋能源蕴藏丰富，波能的利用具有资源保证。其次，我国90%以上的波能资源分布在常规能源缺乏的沪浙闽粤沿岸，可为缓和沿海以及岛屿电力紧缺提供宝贵的能源补充[7，9]。波能的有效利用对发展沿海和海岛区域经济、巩固国防以及维护祖国海洋权益的意义不言而喻。波能的利用体现了国家的需求。

由表1.1.1可知，就浙江省而言，其波能资源在内陆省份中最为丰富，具备较好的开发资源条件，但因技术瓶颈等原因，这些宝贵资源基本处于未开发状态，至今尚未有任何形式有效的波能发电装置在浙江省海域范围内发电的报道。由于浙江省工农业发展兴旺，电力需求量大，而省内煤炭等化石资源匮乏，大型水电站数量有限，电力供应紧张，据浙江省经济贸易委员会和统计局联合发布的《2005年浙江省能源与利用状况》中提到，2005年浙江全省总发电量1456亿kW·h，从外省共调入电量203亿kW·h；电力最大负荷缺口约680万kW，而且浙江省岛屿众多，海上供电就更为困难。因此开发可再生能源装置关键技术研究，可为缓解浙江省能源短缺与沿海和岛屿区域的经济社会发展开辟一条可再生能源利用的新途径。

1.1.3　波能开发的意义

1.经济效益

随着陆地资源的日益消耗，海洋开发必将成为21世纪的热点，波能开发利用的力度将日益增大，这就要求波能发电装置具有良好的性能、低廉的成本，易于实现批量生产，形成海洋波能发电场，才能够满足不同客户的需求，并具有广阔的产业化前景。

目前大陆附近海岛柴油发电成本为3元/kW·h，在距大陆30km以上的岛屿，电力成本已经超过3元/kW·h。在西沙群岛和南沙群岛，电力的成本远高于上述价格。因此，若技术成熟后，装置的年发电量0.65万kW·h，以电价3元/kW·h计，一套装置年盈利1.95万元，在不便于常规能源供应的海域，电价高于5元/kW·h，经济效益更高。

2.社会效益

我国大部分有人居住的海岛不通电网，需要靠船运的方式解决电力和淡水供应问题。运送到海岛上的柴油和淡水成本很高。在遇到恶劣海况时，电力和淡水供应无法保证。

一旦波能发电装置研制成功，可为岛上电力和淡水供应提供一个重要的手段，利用海岛周围丰富的波浪资源可以发电，多余的电力可以进行海水淡化，为海岛提供电力和淡水，波能发电装置不占用岛屿上宝贵的土地资源，装机容量不受限制，在面积较小的岛屿上其优势特别突出。

海岛具有宜人的气候、特殊的地理环境、清新的空气、4S[阳光（Sun）、沙滩（Sand）、大海（Sea）、海鲜（Seafood）]资源、独有的植物资源，有些还具有丰富的人文资源，对旅游者具有较大的吸引力，但是由于岛上电力及淡水供应问题，限制了岛上旅游业的发展。采用波能发电装置为海岛提供电力和淡水，其优势表现在：①装置投放在海上，不会对人们的视觉产生障碍，不破坏原有的自然景观，不挤占农田及自然植被用地；②部分甚至全部替代柴油机，可以降低岛上机械噪声和废弃物的排放量，对于改善岛屿的环保效益非常明显。

3.军事价值

岛礁在维护国家海洋权益中占据着非常重要的地位。我国西沙、南沙一些岛礁面积非常小，守军十分分散，后勤保障靠船运方式解决。这些岛礁远离大陆，电力和淡水成本十分昂贵，守卫部队生活条件十分艰苦。在恶劣海况下，船运方式无法保证供应，无疑影响岛屿的守卫。采用波能发电装置提供电力和淡水，具有目标小，易隐蔽，不易受到攻击的特点，可以灵活地布置在岛礁的周围，波能发电会源源不断地为岛礁提供电力，保障驻军的电力和淡水供应。有了这种装置可以大大提高岛上驻军的生活质量，对扩大海疆的守卫范围具有重要的意义。因此，这种装置在军事上有重要的意义。