海洋上最为壮观的便是海面上滔天的波浪。在水连天,天连水,白茫茫的海面上,海风在呼啸,浪涛在汹涌。要是在狂风暴雨的日子里,白浪滚滚,像成千上万条凶残的鲨鱼龇咧着雪白的牙齿,互相追逐着、咆哮着。
波浪是海上的力士,力大无比,永不疲倦。它能把海上航行的舰船像抛彩球那样抛到岸上,它是许多海上灾难的肇事者。波浪里蕴藏着巨大的能量,可以被利用来发电。
海浪爆发力和冲击力有多大有人做过这样的测试,海浪对海岸的冲击力,每平方米20~30吨,有时高达60吨,巨大的拍岸浪涛曾将130吨重的岩石抛到20米的高处,将1700吨重的岩块翻了一个身;30~60米高的惊涛骇浪把瓦胡岛的北部熔岩海岸砸得粉碎。1952年12月16日,一艘美国轮船在意大利西部遭到巨浪袭击,船被截为两段,一段抛上海岸,一段沉入海里。1896年,日本本州地震引起的那次海啸,巨浪冲毁房屋1万多间,冲走船舶3万只,死伤2.7万人。
据估算,1个波高2米、周期5秒的海浪,在1千米宽的海面上至少可以产生2000千瓦的电力。整个世界海洋中波浪能达700亿千瓦(实际可利用的有30亿千瓦),占全部海洋能量的93%,是各种海洋能中的“首户”。
如此巨大的波浪能,人类是不甘心让它只带来灾难,而不造就幸福的。于是,聪明的人类想方设法驯服这匹海洋上的“烈马”,让滚滚的浪涛发出强大的电流来。
波浪,不像潮汐那样周而复始,变化有规律。波浪是匹狂暴无羁、气势汹涌的巨浪性情难驯的“烈马”。它温和时,静如平湖;发怒时,波涛汹涌。波浪能是散布在海面上的低密度不稳定的能源,要利用它,首先要对它进行“捕捉”、“收集”。这就要求人们设计和试验的波力发电装置必须能充分地将大面积海面上的波浪能加以吸收,并集中转换成机械能,再带动发电机运转发出电来。
另外,波浪的狂暴能产生巨大的破坏力,这就需要发电装置坚固抗摧。
波浪能给人类出的道道难题,越发激起人类去攻克它,驯服它。
早在18世纪末,人们就开始探索波浪能的利用问题。许多海洋工作者为此绞尽脑汁,设计出种种利用波浪能的设备。1799年,巴黎发表了第一个波能转换装置的方案;1810年,法国学者又在波尔多市的罗埃第一次进行了波能发电试验;1911年,第一个波能发电装置建成;
1965年,波能发电装置作为导航浮标及灯塔的工作电源开始在实际中应用。目前,世界上已有英国、日本、美国、加拿大、芬兰、丹麦、法国等国家研究波能发电,并提出了300多种发电装置方案,其中主要有两种方式:英国式波能发电装置和日本式波能发电装置。
英国式波能发电装置主要特点是:将波浪能转化为机械能,带动发电机发电。主要类型有两种:“点头鸭”式波力发电装置和筏式波力发电装置。
“点头鸭”式波力发电装置是英国爱丁堡大学的索蒂尔博士发明的。据他介绍,他发明波能装置纯属偶然。1973年的一天,索蒂尔患了感冒,妻子对他说:“别在那里躺着为你自己发愁吧!你为什么不来解决能源危机呢?”她所要求的能源装置,既清洁又安全,在苏格兰的冬天也能正常运转,而且经久耐用。于是,物理学教授索蒂尔就开始考虑利用苏格兰近海的奔腾不息的波浪来了。具有发明才能的索蒂尔领悟到,提取波浪能的装置应该是类似抽水马桶里的球形阀一类的东西,一起一落,推动一台泵产生电力。在爱丁堡大学的试验室里,他借来一个波浪槽,开始试验。他和助手们制作的“点头鸭”模型可提取15%的波浪能,后经改进,提取率高达90%。又经过多次试验,他们按1:1的全尺寸制造了试验模型。这些模型由许多巨大的钢筋混凝土方容器组成,每个容器有一间房屋大,容器装在一根固定的水平转轴上,海浪冲来,这些容器像鸭子一样随波点头,驱动发电机发电。根据计算,每1米长的滨海区域,全尺寸的“点头鸭”平均发电30~50千瓦。480千米长的“点头鸭”装置链,可供给整个英国目前所需的电能。
英国式波能发电装置的另一种类型是筏式波力发电装置。它是由英国气垫船的发明者库克爱尔研制的。该装置是由许多个浮体顺着波浪前进方向排成一列,用绞链连接在一起构成的,在筏与筏之间安装水泵,利用波上筏体的相对回转运动,使水泵工作,从而驱动发电机发电。筏式装置的能量转换效率取决于筏的个数和大小。
进入20世纪80年代后,英国对以上两种类型装置的研究暂时不予投资,而是将重点转向波动水柱、气袋式等新式波能发电装置的研究。
日本式波能发电装置主要是利用波浪起伏运动产生压缩空气,推动空气涡轮机运动带动发电机发电。
利用波浪产生压缩空气,最先是由一个名叫弗勒特切尔的人提出的。
他从给自行车打气这件小事中受到启发,设计了一个带有圆柱筒和活塞的浮标,用波浪运动产生压缩空气,压缩空气又去吹动一个哨笛,于是便设计出了一个“警笛浮标”。
把它拴上铁锚放在海里,只要海上出现波浪,它就吹起警笛,声音有长有短,有高有低,和波浪具有同样周期。在以后很长的时间里,法国沿岸都用这种浮标来导航和发布大浪警报。这是人类利用波浪能的最早的一种装置。日本式的波能发电装置原理,就是受其启发。
目前,由于技术问题,波力发电成本比热电高10倍。为了提高波力发电实用化水平,许多国家正在考虑这样一些技术问题:一是必须提高小波幅发电输出,目前只是在波高大于1.3米时才能发电;二是尽可能使波力平稳,以获得稳定输出;三是解决向陆地送电的特殊电缆;四是解决发电船的锚碇力,增波力发电装置强发电船抗风浪的能力。
中国的波浪能资源十分丰富,其总量大约0.23亿千瓦。中国近海受季风控制,冬季浪大,夏季浪小。
特别是冬季在强烈的偏北风吹刮下,从黄海到南海形成了一条东北-西南走向的大浪带,平均波高在2米以上,波浪具有波高而周期小的特点,有利于波能发电。可以相信,随着科学技术的发展,滚滚波涛会向人类献出更多的电能。