目前，全球能源需求持續增加，傳統能源曰益枯竭，同時大量化石能源的使用又引發了嚴重的環境汙染和氣侯問題，這些已成為全球普遍關注的焦點。據國際能源署預測，2040年全球能源需求增長37%，年平均需求增長1～2%，原油需求量將從2013年的9000萬桶/日增加至2040年的10400萬桶/日。21世紀30年代前期中國將超過美國成為全球最大的石油消費國。2040年與能源相關的二氧化碳排放量將增長1/5，與這一排放量相對應的是，全球平均氣溫將上升3.6℃。因化石能源使用而引發的氣候異常現象和酸雨等環境問題也呈逐年增多之勢。為有效地解決上述問題，大力開發可再生能源勢在必行，也是人類社會實現可持續發展的必要條件。
可再生能源技術是實現全球能源低碳供應的關鍵要素。可再生能源，是指在自然界中可以不斷再生、永續利用、取之不盡、用之不竭的能源，主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、海洋能等可再生能源的使用對環境無害或危害極小，資源分布一般比較廣泛，適宜就地開發利用。與其他能源相比，電力對於減少全球能源結構中化石能源的份額發揮著更重要的作用。總體而言，到2040年，為應對電力需求的增加，以及替代現有的到2040年要退役的裝機容量（約佔現役裝機容量的40%），需要新建7200吉瓦（GW）的裝機容量。可再生能源佔發電比重增加最多的是發達國家，達到37%，發展中國家可再生能源發電量增長兩倍多，以中國、印度、拉丁美洲和非洲地區為代表。
為了解決能源問題，越來越多的國家把目光投向佔地球表面積71%的海洋。海洋能一般是指存在於海水中的可再生能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。波浪能是海洋表層海水在風裡的作用下波動所蘊藏的能量。全球海洋能理論可再生功率達76600GW。幾種常見海洋能資源的儲量見下表，波浪能的實際可開發量較高，為300GW。
各類海洋能的資源儲量 單位GW
能源種類
理論儲量
技術可用儲量
實際可開發量
潮汐能
3000
100
30
波浪能
3000
1000
300
海流能
600
300
30
鹽差能
30000
3000
300
溫差能
40000
2000
100
根據《中國沿海農村海洋能資源區劃》，我國沿岸波浪能資源平均理論總功率為12.84GW。其中臺灣省沿岸的波浪能資源最豐富，為4.29GW，約佔全國總量的1/3；其次是山東、浙江、福建和廣東省沿岸，約為1.61～2.05GW，合計7.06GW，佔全國總量的55%，其他省市沿岸則較少，僅在0.14～0.56GW之間。全國沿岸波能功率密度分布浙江中部、臺灣、福建海壇島以北、渤海海峽和西沙地區沿岸最高，其次是浙江南部和北部、廣東東部、福建海壇島以南、山東半島南部沿岸，渤海、黃海北部和北部灣沿岸最低。具體的渤海海峽(7.73kW/m)、臺灣島南北兩端(6.21～6.36kW/m)、浙江中部(6.29kW/m)、福建海壇島以北(5.32～5.51kW/m)和西沙地區沿岸(4.05kW/m)，這些地區年平均波高大於1m，平均周期多大於5m；其次是浙江南部和北部(2.76～2.82kW/m)、廣東東部(3.62kW/m)、福建海壇島以南(2.25～2.48kW/m )、山東半島南部沿岸(2.23kW/m)。
據統計，全世界有近萬座小型波浪能發電裝置在運行，主要用於航標燈、浮標等。早在1799年法國人吉拉德父子就提出了波浪能裝置專利。目前利用海洋波浪發電的方法大致有三種：一是利用海洋波浪的上下運動所產生的空氣流，使氣輪機轉動，從而帶動發電機發電；二是利用海洋波浪能裝置運動（直線運動、轉動）的機械能轉化為電能；三是利用波浪能將水引入高位水池積蓄起來，形成一個水頭，再來衝擊水輪機發電。
⒈ 振蕩水柱式波浪能發電裝置
振蕩水柱波浪能發電裝置（Oscillating Water Column，OWC）利用一個與海水相通的氣室，波浪作用下氣室內的水柱往復運動，氣室內空氣容積發生變化，進而由空氣驅動葉輪，帶動發電機發電。優點是能量轉換裝置（氣輪機等）不與海水接觸，可靠性較高，缺點是效率較低。
振蕩水柱波浪能發電裝置包括固定式(Fixed-structure OWC)和漂浮式(Floating-structure OWC)。固定式振蕩水柱波浪能發電裝置通常被安裝於海底或巖石基上，如下圖所示。固定式振蕩水柱裝置由一個部分淹沒於海底的混凝土或鋼結構與自由水平面共同構成一個氣室。波浪造成自由水平面的波動，從而使氣室內的空氣波動，空氣流過渦輪機驅動發電機發電。
固定式振蕩水柱波浪能裝置原理圖
該裝置發電具有代表性的有：①英國LIMPET 500，1998年開始建設2000年8月建成，裝機功率500kW；②葡萄牙於1996～1999年建設Pico，裝機功率400kW；③印度於1991年建成Vizhinjam，裝機功率150kW。
1940年，振蕩水柱裝置創始人Yoshio Masuda設計的世界上首臺漂浮式振蕩水柱裝置Kaimei在日本海域進行實驗。1987年，日本開始研發另一個漂浮式振蕩水柱裝置「巨鯨號」MightyWhale波浪能發電船，見下圖。
「巨鯨號」MightyWhale波浪能發電船
2003年英國科克大學和Ocean Energy公司合作研發出OE Buoy漂浮式振蕩水柱裝置，2006～2009年進行1:4模型海試，裝置可經受浪高8.2m極端海況，見下圖。
OEBuoy波浪能裝置
2005年開始瑞典研製350kW的OWEL，2011年開始進行海試，並開始研製了2MW級OWEL，見下圖。
OWEL波浪能裝置
到2001年中國開發了一系列振蕩水柱(OWC)波能裝置，裝機容量分別為10W、60W、100W。現在，大約700臺10W振蕩水柱裝置用於為導航浮標供電。
⒉ 越浪式波浪能發電裝置
越浪式波浪能發電裝置是利用水道將波浪升至高水位水庫形成水位差，利用水位差產生的勢能直接驅動水輪發電機發電。挪威波能公司(Norwave A.S)於1986年建造了一座裝機容量為350kW的收縮波道式波浪能電站TapChan，見下圖。電站的技術關鍵是它的開口約60m的喇叭形聚波器和長約30m的逐漸變窄的楔形導槽。
TapChan波浪能電站示意圖
此外，丹麥科學家Erik Friis-Madsen在20世紀80年代發明了漂浮式波浪能發電裝置WaveDragon，西班牙聖地牙哥聯合大學將漂浮式波浪能發電裝置與船相結合研發了WaveCat波浪能裝置。
⒊ 運動式波浪能發電裝置
運動式波浪能發電裝置利用波浪的運動推動波浪能發電裝置的活動部分產生往復運動（直線、轉動），驅動機械系統或液壓系統，最後驅動發電裝置發電。
⑴振蕩浮子式發電裝置
振蕩浮子式波浪能發電裝置利用海洋波浪的運動推動浮子產生直線往復運動，驅動機械系統或以油、水等作為中間介質的液壓系統，進而帶動發電機發電。目前國外已建成的振蕩浮子式波浪能發電裝置有：加拿大的AquaBuoy裝置、荷蘭的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy裝置及澳大利亞的CETO，分別見下圖說明。
AquaBuoy裝置
⑵點頭鴨式發電裝置
點頭鴨式裝置由英國Salter教授發明，見下圖。鴨體在波浪作用下繞轉動軸往復轉動時，裝置的後部因為圓弧形，不造出向後行進的波，故點頭鴨式裝置的背後往往為無浪區——這使得鴨式裝置可以將所有的短波攔截下來，所以它具有較高的一次能量捕獲效率。
鴨式原理圖
廣州能源所從2007年開始了鴨式技術的研發，2009年進行了10kW裝置的實海況試驗，在此基礎上研發出鷹式波浪能發電技術，主要包括三個部分，鷹式吸波浮體、液壓能量轉換系統和半潛船體，實驗室試驗測得波浪能到液壓能轉換效率超過60%，見下圖所示。
2012年12月進行10kW「鷹式一號」裝置海上試驗，2014年5月回收，裝置在無人值守的條件下單次無故障連續運行超過6個月。下圖為目前正在運行的100kW級「萬山號」鷹式波浪能發電裝置的結構圖。
⑶擺式發電裝置
擺式波浪能發電裝置發電原理為利用擺在波浪力的作用下作往復擺動從而捕獲波浪能量，通過與擺相連的機械結構或液壓系統轉換將擺的動能和勢能轉換為機械能或液壓能，進而轉換為電能。
擺式波能裝置也可分為懸掛擺式和浮力擺式兩種。日本的度部富治教授最早提出了擺式波浪能發電技術的概念，見下圖。日本室蘭工業大學於1983年建造了世界上首臺懸掛擺式波浪能發電裝置，其裝機容量為5KW。
懸掛擺結構圖
英國的Aquamarine Power公司和女王大學合作研發的Oyster裝置是目前最為成功的浮力擺裝置，Oyster的設計工作水深10～15m，離岸約500m，浮力擺鉸接於位於海底的基礎上，頂部露出平均水面。裝機功率315 kW的第一代Oyster裝置（下圖左）於2009年開始海試(擺寬18m，高12m)，已累計運行6000多小時。目前，AquamarinePower公司正在開發總裝機功率2.4MW的大型波浪能電站，擬建3座裝機功率800kW的第二代Oyster裝置（下圖右）(擺寬26m，高12m)，項目建成後將能滿足2000多戶居民的用電需求。
綜上所述，波浪能具有非常好的開發意義和開發前景，如果開發得當，將成為一種可以提供人類生活生產需要的綠色能源。從數據上可知，我國的波浪能資源非常豐富，這樣得天獨厚的天然條件，使我國研究波浪能發電技術具有重要的意義，既可以緩解能源危機的壓力，同時也具有現實的經濟效益和長遠的戰略意義。
■作者簡介：萬佔鴻，男，1974年出生，山東菏澤人，2006年博士畢業於浙江大學，曾赴美Woods Hole Oceanographic Institution訪學，現就職於浙江大學海洋學院，副教授，主要從事海洋動力學、船舶與海洋工程、海洋可再生能源等方面的研究和教學工作。在此，非常感謝萬佔鴻教授對我微信公眾平臺的支持與信任，其他平臺如需轉發，請備註作者及文章來源。