气候变化如何影响波浪能发电？83年的长期数据研究发现关键趋势
波浪能是一种潜力巨大的可再生能源，全球海洋每天产生的波浪能相当于数万座核电站的发电量，然而，波浪能转换器的发电效率高度依赖海洋环境，通过多年的全球波浪数据，虽然波浪能资源整体在增加，但波浪能发电装置的效率缺并没有相应增加，这到底是怎么回事呢？
中国沿海波浪能资源的长期变化
波浪能，简单来说就是利用海洋表面的波浪运动来发电，其基本原理是利用波浪的上下运动驱动发电机。它的优势很明显，分布范围广，全球波浪能资源估计约为32万亿千瓦时/年，相比风能和太阳能，波浪的运动更为稳定，可预测性更强，同时，单位海域面积内的能量比风能和太阳能更高。
然而，尽管潜力巨大，波浪能的商业化应用仍然进展缓慢，一个重要原因是，波浪能的开发高度依赖海洋环境的变化，而过去的几十年里，全球海洋环境正经历显著变化，比如风浪增强、海平面上升等，这些变化都在影响着波浪能的开发。
那么，中国沿海波浪能长期变化趋势又是怎样的呢？研究团队利用由欧洲中期天气预报中心提供的1940-2022年全球海洋波浪数据，时间跨度长达83年，并结合2020年中国气象局在沿海部署的39个浮标的实测数据，分析了中国沿海的波浪状况。
波浪能如何计算呢？波浪能密度（Pw，单位：kW/m）的计算公式如下，公式考虑了水深的影响。其中，Hs是有效波高，Te是波浪周期，d是水深，这个公式尤其适用于近海区域。
通过分析发现，发现中国沿海的波浪能密度呈现区域性增长。其中，东海增加最快，达到+80.84 W/m/年，南海次之，约 +60.12 W/m/年，而在渤海，反而略有下降，下降幅度约 -5.74 W/m/年。这种变化主要是由有效波高和波浪周期的变化引起的。在东海，有效波高每年增加约 0.8cm，波浪能周期每年增加 0.05秒，而渤海的Hs则呈现微弱下降趋势，约-0.2cm/年。
研究选取了四种典型的波浪能发电装置（Oyster、Pelamis、Wavestar、Wavedragon），计算了它们在9个关键站点的发电效率，结果发现了一个矛盾的现象，尽管波浪能在增加，但波浪能发电装置的实际发电量和捕获宽度普遍下降！
为什么会出现发电效率会下降呢？研究团队认为，这可能是由于波浪特性的变化导致的。波浪能发电装置的功率矩阵通常针对特定的有效波高-波浪能周期的组合优化，而长期气候变化可能导致波浪周期变长，使波浪能发电装置可能无法高效捕获能量，或者由于极端波浪事件，导致波浪能发电装置频繁进入停机保护状态。未来的波浪能发电装置须考虑波浪的长期变化趋势，否则发电效率可能会进一步降低。
图：年平均波能密度的分布(单位:kW/m)
波浪周期对波浪能的影响
根据前文，我们知道了波浪能主要影响因素包括有效波高和波浪周期，波浪的周期是指两个波峰之间的时间间隔，它的变化对波浪能有那些影响呢？
由西班牙巴斯克大学团队完成的一项研究，他们分析了1900-2010年全球海洋的波浪数据，北半球波周期普遍增加；南半球部分海域波周期减少，如印度洋和阿拉斯加湾的波周期呈现轻微下降趋势。从全球来看，1951~1980年，波周期增加0.2%，从1981开始到2010年，增幅扩大至2%，这些变化可能与全球变暖导致的海洋环流调整有关。
研究模拟了两种主流波浪能设备，振荡水柱OWC和浮动浮标O-FB的发电效率变化，分析了波浪周期变化对波浪能发电效率的影响。不同类型的设备对波浪特性的敏感度不同，振荡水柱OWC通过空气涡轮发电，其效率取决于波浪是否能与腔体的共振频率匹配；而浮动浮标O-FB通过机械结构吸收波浪能，其最佳工作状态与波浪周期直接相关。
波浪能发电设备的设计通常是针对特定波周期优化，一旦偏离最佳值，能量捕获能力就会降低。研究发现，波周期增加导致CWR效率上升约20%，可能是由于设备更接近共振频率；而浮动浮标O-FB随着波浪周期增加，效率下降下降约20%，可能是因为离最佳工作周期导致效率下降。根据浮动浮标O-FB公式，波周期每增加1秒，浮动浮标的发电效率可能下降近10%。CWR是捕获宽度比，衡量发电效率的指标。
气候变化对波浪能转换器的影响
波浪能转换器是波浪能发电的核心设备之一，它通过捕捉海浪的上下或前后运动，驱动发电机发电。最常见的波浪能转换器是点吸收式装置，通过浮标的上下浮动发电，波浪能转换器发电能力主要取决于波高、波周期。波浪越高，能量越强，发电量通常与波高的平方成正比；波浪间隔时间越长，能量传递效率可能更高。此外，波浪方向也可能影响发电效率。
气候变化对海洋波浪能又有什么影响呢？为了量化气候变化的影响，研究团队采用了欧洲中期天气预报中心1940-2023年共83年的全球波浪数据，选择了4个典型海域，从低波浪能区到极高波浪能区的8个观测点。
数据显示，全球波浪能资源在增长，波高、波浪功率、极端波浪事件等增多。1940-1980年全球平均波高稳定在2.21-2.31米，但2000年后加速上升，2023年达到2.54米；波浪功率在南大西洋增长最明显，如南非开普敦2023年达39.29 kW/m，比1940年增加57%。Hs₉₀波高比平均值增长更快，风暴频率和强度在增加。这些变化的可能原因是全球变暖导致海洋温度上升，加剧风力系统，从而生成更大、更强的波浪。季节性方面，冬季和夏季的波浪功率普遍较高。
不同海域的波浪能变化差异大，高波浪能区如南大西洋、北太平洋，波浪能增长最显著，如加拿大温哥华岛的波浪功率在冬季可达48.23 kW/m；热带海域低能区波高和波浪能增长较慢，如所罗门群岛年平均波高仅0.56米。
为了研究对波浪能转换装置的影响，研究模拟了4种波浪能转换器布局阵列，包括三角形，布设3台波浪能转换器、正方形布设4台、矩形+中心共计布设5台、五边形布设5台。通过ANSYS Aqwa软件进行水动力仿真，计算不同波浪条件下波浪能转换器的发电效率，并采用Mann-Kendall趋势检验分析长期变化规律。
研究发现，吸收功率增加，但效率未必提高。所有阵列布局的吸收功率均呈上升趋势，其中五边形布局表现最佳，年均增长趋势τ=0.6810。捕获宽度比和阵列相互作用因子（量化阵列中波浪能转换装置间的干扰效应）未呈现一致上升趋势，部分区域效率下降。
整体而言，气候变化导致全球波浪能潜力增加，但区域差异显著，波浪能转换装置阵列的吸收功率总体上升，但捕获宽度比和阵列相互作用因子效率指标受波浪-结构相互作用影响，部分区域出现下降，阵列布局优化是关键，五边形表现最佳，适应性强。
图：1921-1950年期间(顶部)、1951-1980年期间(中部)和1981-2010年期间(底部)北半球和南半球波峰周期(秒)的和相对于1921-1950年的百分比变化全球中值。
❓思考题：根据研究，全球波浪能资源在近几十年如何变化？
A.持续减少
B.基本不变
C.先减少后增加
D.总体增加
参考答案：（点击查看）
D.
解析：研究发现，1940-2023年全球波浪能资源总体增加，特别是2000年后波高和波浪功率显著上升。
本研究首次系统评估了长期气候变化对波浪能转换装置阵列性能的影响，揭示了波浪能资源的区域差异及效率变化机制，为未来波浪能转换器设计和部署提供了科学依据。
参考文献：Long-term climate change effects on power performance of wave energy converters: A case study.https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136101