21 世纪的海水波浪能发电

在碧波万顷的海洋里，海浪会把巨大的船身一会儿托上波峰，一会儿又摔入浪谷，使船身左右摇摆，颠簸动荡，而且还影响着船只的航速，使航船偏离航向，甚至引起船体变形。

1952 年 12 月 16 日，一艘美国轮船在意大利西部海面上遭到巨浪的袭击。虽然巨大的轮船离海边不远，船员们仍然十分谨慎小心。

突然，在波涛的轰鸣之中，船上发出了一声巨响，震耳欲聋，船员们十分惊慌，不知船体出了什么毛病。正想看个究竟的时候，船体已分成前后两截，一半已经抛上了海岸，在沙滩上搁着呢；另一半还在大海里，不管上面的 14 个船员怎样狂呼乱叫，它还是带着他们随着风浪向远处漂去，越漂越远，越漂越远。

这一起重大的海难事故，其罪魁祸首是海浪。

我们知道，当一艘巨大的船只沿着波浪传播的方向航行时，很可能会遇到以下两种情况：第一种情况是，船头和船尾同时跨在两个相邻的波峰上， 船的中心部位则悬空在波谷之中，仿佛两个人抬着一个很重很重的东西，扁担中间向下弯得要断了似的。

第二种情况正好机反，可能船只的中间部分在波峰上，而船头和船尾却悬空在波谷之中，仿佛一个人担着一个很重很重的担子，扁担的中间向上弯得要断了似的。

这两种情况虽然不大容易遇到，但那艘美国轮船确实是在这样的情况下断成两截的。

依靠科学的分析，这场海难事故终于得出了合乎科学的结论。

其实，海浪的高度并不算高，到目前为止，根据科学仪器记录的海浪高度不超过 20 米，即不超过六层楼的高度，可它的威力却大得惊人。让我们再举几个例子：

法国的契波格海港，曾经有一个浪头打来，居然把一块三吨重的东西， 像掷铅球似的从墙外掷到了墙内，墙有多高呢？不多不少，整六米。

还有，荷兰首都阿姆斯特丹的防波堤上，曾经发现过 20 吨重的混凝土块。一检查，才知道是波浪把它从海里举到七米多高，再放到防波堤上去的。

还有，苏格兰威克地方，1872 年时一个巨浪竟然把重约 1370 吨的混凝土庞然大物搬了个家，移动了 15 米之远。

再有，西班牙巴里布市附近的海边上曾经有一块很大的岩石，有人估计起码有 1700 吨重。1894 年的一次狂风巨浪之后，人们发现这块岩石翻了个身，已经不在原来的位置上了。

在海洋的沿岸，海浪有力地拍击着岸边的岩石，发出巨大的声响，击起层层的浪花，高达六七十米，也具有较强的破坏力。斯里兰卡海岸上一座高60 米的灯塔就曾被海浪打碎过。甚至，位于海面以上 100 米的欧洲设德兰岛北岸的灯塔窗户，都被浪花举起的石头打碎过。

1937 年 1 月 29 日，在黑海沿岸附近，一个大浪袭来，把一块名为“和尚”的千年巨石一下子打碎成三块。

这些自然现象意味着海浪蕴藏着很大的能量。多少世纪以来，人们梦寐以求能够把它利用起来。但是如何能把力气如此巨大的海浪变成有用的力量呢？

科学家们发现，海浪能量的大小，与波浪的周期成正比，与波高的平方成正比，可见波浪的高度对海浪能量的影响很大。假如波高为两米，周期六秒，一米长的海岸线受到的波能就为 2²×6＝24 千瓦。同时，海浪蕴藏的能量还与风速的大小有关。如果风速每秒 10 米，上述一米长的海岸线受到的波

能为 24 千瓦；而风速达每秒 12 米时，受到的波能将达 59 千瓦；如果风速达

到 15 米／秒时，受到的波能就高达 247 千瓦。

因此，科学家们设想，如果把无限的大海上的波浪全部转换成电能该有多好啊！那时，波浪每年所发出的电力将比全人类目前的耗电总量不知要高出多少倍呢！

南太平洋地区有个岛国新西兰，有 300 万人口，用电量是 200 亿度，人

们计算了一下，认为只需要新西兰 63 公里的海岸线所具有的波浪能就足以满

足目前的用电量了。而新西兰的海岸线却有 4300 公里长。蕴藏的电能之多， 真令人惊叹。

日本这个国家，四面都被大海包围着，有 3000 个大小岛屿，13 万公里长的海岸线。它所拥有的波浪能量每年达十亿千瓦，这个数字相当于目前日本最高用电量的 25 倍。因此，日本的科学家对利用自己国家的波浪能抱的希望最大，研究得也最热心。

那么，海水波浪的能量通过什么装置可以转变成电能呢？

早在 1898 年，法国人弗勒特切尔从打气筒给自行车打气这件经常遇到的小事中受到了启发。打气筒一拉一推的简单动作，为什么不可以让上下起伏

的海浪来干呢？他设计了一个带着圆柱筒的浮体，用海浪上下运动压缩圆柱筒内的空气。压缩空气不是给自行车打气，而是去吹一只哨笛，让它发出如同老牛低吼的声音。人们把这种东西安装在航行有危险的地方，警告来往船只。这就是海上“警笛浮标”，或称为“雾号”，它是人们直接利用海浪能的初级形式。在雷达和无线电导航还没有诞生和普遍应用的年月，尤其在伸手不见五指的大雾中，低沉浑厚、略带咽音的雾号，引导船舶避开浅滩绕过暗礁，在导航和发布大浪警报方面立下了不小的功劳。自那时起，在法国沿岸，世界各海区，以及中国有些地方都陆续地装置了这种雾号。

既然海浪在圆柱筒内造成的压缩空气可以吹响哨笛，为什么不可以驱动汽轮发电机发电呢？实现这个设想的第一个人是法国的波拉岁奎。他于 1910 年在法国海边的悬崖处，设置了一座固定垂直管道式的海浪发电装置，并获得了一千瓦的电力。这一成功大大地鼓舞着热心于海浪发电的人们。自此之后，各种设想大胆、原理正确、结构巧妙、形式各具风格的海浪发电装置的设计如雨后春笋不断涌现。

1964 年，日本制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。虽然这台发电

机发电的能力仅有 60 瓦，只够一盏灯使用，但十多年来，它运行良好可靠， 几乎没有发生过什么故障，借着波浪的动力，像一颗耀眼的明珠，在茫茫的大海里为夜航的船只指引着前进的方向。

波浪发电装置不消耗任何燃料和资源，没有任何污染，和水力发电、潮汐发电一样，也是一种洁净的发电技术。它不但可以作为航标灯和灯塔的电源，对于那些无法架设电线的小岛来说，这种不占用任何土地，只要有波浪就可发电的方法，更会给岛上居民带来福音。

上面我们已提到了打气筒对波浪发电的启示。因此它的原理很简单，就是利用波浪一起一伏的上下垂直运动，推动装有活塞的浮标，这个浮标就像一个倒装的打气筒。打气筒是人从上面一下一下地压活塞，而浮标则是从下面借波浪的起伏运动一下一下地向上推活塞。由活塞与浮标的相对运动产生的压缩空气就可以推动涡轮机，并带动发电机发电了。

第一座波力发电机装置问世以后到如今，世界上已有几百台这种发电装置加入了为人类服务的行列。

经过三百多年的努力，1978 年 6 月 25 日，世界上最大的一座波力发电装置在日本的海上建成了。

老远看上去，这座波力发电装置就像一艘停泊在海上的油轮，举起手中的望远镜，你会清楚地看到，船头上有“海明号”的大字在阳光下闪着金辉。

严格说来，“海明号”并不是船。船有底，“海明号”却没有底，只是一个体长 80 米，高五米，宽 12 米的浮动设备，就像一个很大很大的没有盖的箱子，扣在海面上。

这种箱子就是空气箱，也叫空气室，整个“海明号”，就是由 22 个空气室组成的，每两个空气室上装着一台空气涡轮机。波浪上下起伏着，不断地压缩箱内的空气，像打气筒一样，通过高速喷出的空气，使空气涡轮机转动， 再带动发电机发出电来。

“海明号”上有 11 台发电机为人类贡献电力，每台装机容量为 2000 千

瓦。算算看，如果按每户人家平均用电 200 瓦计算，“海明号”就可供给一万户人家用电的需要。一个有一万户人家的岛屿，可不算个小岛了。

最近，日本又提出了一个新的“海明”实验计划。他们考虑把“海明号”

的长度由 80 米增加到 110 米，把每台发电机的功率由 125 千瓦增加到 250～

500 千瓦，比现有“海明”号的发电能力至少提高了一倍以上。人们要让波浪作出更大的贡献。

这种波力发电装置，还有一个优点，即它在发电过程中要吸收一部分波浪，把大浪变成小浪，小浪则变成微波，起到了消波的作用。人们设想，只要把几条“海明”号首尾相连，海上就自然形成了一道人工防波“堤”，到那时，任凭堤外波涛汹涌，“堤“内却是风平浪静，它不但保护了海岸不受冲刷，还可以发展海洋渔业和海洋养殖事业，甚至可以考虑海上工厂和海上机场的综合利用呢。

“海明号”虽然给人们带来了光明和希望，但这种发电方式还存在着不少问题。它只能利用海浪上下波动的力来发电，而波浪越高，所涉及的范围就越大，因此，单位面积上这种力就比较小，不利于大规模发电。更何况这种发电装置还需要长期在海洋上经受狂风恶浪的袭击，必须考虑它本身和上面一切设备的安全。

另一方面，海上狂风恶浪虽然可怕，但它却能够推动涡轮机发出电来。如果不见海上风浪起的时候，这种波浪发电装置会不会英雄无用武之地呢？ 尽管这是不可能的，但科学家必须考虑在各种大小波涛的情况下，使它所发出的电力符合使用的条件，比如说电压和频率都在正常使用范围。

为了解决上述问题，科学工作者正在着手各种波力发电的新尝试。

直接波力发电就是其中之一。为了直接利用海浪的冲击力来发电，就必须把天然的浪头抬高。人们设想在距海岸一公里、水深十米左右的海上筑起两道墙就可以了。

这种面向大海建造的高墙叫集波墙，从高空往下看时，像个“V”字形的喇叭。喇叭口外的海上波浪，虽然有时并不高，但当它涌向集波墙时，就会因为喇叭里的断面越来越小，道路越来越窄，而使波浪越挤越高。比如说口外的波高开始只有一米，到了喇叭的尽头，一下子就会升高到 10 米左右，把小涛变成了巨浪。

集波墙的尽头，安装着水泵制动杆，靠高大的波浪推动制动杆，像平时我们见到的机井，把海水提高到高压水槽里贮存起来；或者，像炉口的风箱， 把空气压进高压气罐里备用。

有了高处的水，或有了压缩空气，我们就可以非常方便地来发电了，而且，这种电力决不会受到波浪高低的影响，发电能力稳定，发电设备也无需经受大风大浪的考验。

直接波力发电装置，目前还只是日本科学家的一种设想，他们感到在波涛汹涌的海面上建造长期受波浪冲击的海上建筑物，困难实在太大了，但是， 随着海洋建筑技术的发展，这个问题是会很容易解决的。

波力发电的另一种尝试，是环礁式海浪发电站，这是美国科学家提出的新设想。

环礁，是礁石的一种，只不过在海上显现出来的是一个圆圈，宛如沉在海里的一个大大的木盆，只在水面上露出一个盆沿儿。

你注意过这种现象吗？当我们把水沿着圆桶边倒进去，或者，用木棒搅动桶里的水时，就会看到水在沿着一个方向转动，中心部分则成了一个漩涡。

人们在观察海浪冲击环形礁群时，也发现海浪并不直接拍向环礁的中心，而是绕着整个环礁，从四面八方沿着螺旋形的路线涌到环礁的中心，并

且在中心部位形成涡流，仿佛用木棒搅着似的。

这种涡流就是一种能源。它可以推动水轮机的叶片，使水轮机带着发电机一起飞快转动而发出电来。

不过，天然的理想环礁在地球上恐怕是太少了，怎么办呢？美国的两位工程师根据这个原理设计了人工环礁式的海浪发电站。

人工环礁式海浪发电站的形状很奇特，海面上只看到一个圈儿，直径有10 米，似乎并不大。当你潜入水下再一看，可不得了，比海面上看到的大多了。它像是个大大的圆形屋顶，又像是一个特别的瓷饭碗扣在水里。这个“瓷饭碗”的边，直径达 76 米，相当于一个正规足球场的大小。它的名字叫导流罩，可以更好地把波浪螺旋式地导向中心。“碗”无底，立着一根空心的圆筒，有 20 米高。圆筒里装着水轮机，它在筒内涡流的推动下转动，再带动安装在顶部的发电机发出电来。

由这种形状奇特的导流罩，我们就可看出这种发电装置可以全方向工作，也就是说，不论海浪以何种方向进入装置，圆筒里都能产生涡流，水轮发电机都可以正常运转。

在英国，采用的是“点头鸭”式波力发电装置，也叫索尔特凸轮式发电装置。这种发电装置像一只浮在水面上的鸭子。它的“胸脯”对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地来回摆动，利用摆动的能量， 带动工作泵推动发电机发电。它可以使波浪能量的 90％转变成动力，机械效率特别高。将很多个凸轮一字排列在海面上组成一个列阵，就可以提高发电能力。

不过，对于波浪发电来说，这种装置也好，那种装置也好，它们有一些比较共同的技术问题还有待于进一步研究解决。比如，发电装置的容量是要与波浪力的大小相匹配的，要做到选择恰当，出电稳定，就必须具备比较准确的波浪资料。然而目前有关波浪的资料大多来源于沿海航运或近海石油工业以及一些沿海气象站，对中距离水域的资料收集得却很少，而恰恰是这些水域才是建立波力发电站的合适位置，还必须把这些地区的资料健全起来。这是问题之一。

再者，波力电站要发出大的电力，发电装置就必须做得很大，带来的问题是在波浪冲击下，这些结构强度行不行？漂浮在海上的锚系牢不牢？能不能抗御得了恶劣天气？此外，波浪发电构件的材料能否耐腐蚀、耐疲劳？等等。这些问题都需要研究，需要很好解决才行。

多年来的实践证明，波浪发电是一种可靠的电源，因此许多国家正在扩大研究，特别是英国和日本，进展较快。但是，波浪发电也存在一个经济效益差的问题。例如，到 1980 年底，日本和其他国家共拥有 400 台 60 瓦的小型波浪发电装置，每台年平均发电量为 50～100 度，平均投资约 1500 美元， 如使用寿命为 15 年，则每度电的费用在一美元以上，比潮汐发电还要贵十多倍。更不能与普通电站相比了。这就是波浪发电至今还不如潮汐发电进展得快的基本原因。

为了使波浪能发电均匀、成本降低，今后的主攻方向要放在研究多个空气活塞的组合方法、惯性轮法以及收集幅度较大的波浪设备上。目前，科学家正在考虑用火焰喷射的方法在海岸岩石上打洞，作为空气活塞室，扩大空气活塞室的面积，安装大功率的波浪发电装置，建立固定式波浪电站。这不是一种幻想，21 世纪，一个崭新的世纪，各种美好的设想一定会成为现实，

波浪发电站一定会大放异彩。

从 60 年代起，我国就有单位开始了海浪发电的研究，并已获得了海上试验的成功。1982 年 8 月，我国研制的航标用波浪发电装置通过鉴定。该装置在直径为 2．4 米的航标上，在平均波高为 0．5 米、平均周期为 3 秒的情况下，就能满足航标灯的用电需要。目前长江口使用的就是该装置。

我们相信，21 世纪，波浪发电将作为一种新方式，登上电力工业的舞台， 为人类作出巨大贡献。