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大力发展海洋可再生能源发电技术（如波浪能、浮式风电、潮汐能等）对于我国加快建设海洋强国及实现2060年“碳中和”目标具有重要意义。波浪能发电装置的研发和应用在促进海洋经济发展的过程中具有现实价值。目前，波浪能发电技术仍处于起步阶段，积极推动其发展将有助于我国成为该领域的技术输出国，并提升我国在全球海洋可再生能源领域的国际地位。本书系统地介绍波浪能发电装置的发展历程、现状及相关研究方法，旨在满足读者对波浪能发电、海洋工程及海洋开发等领域深入了解的需求。全书共7章，内容涵盖绪论、波浪能理论、波浪能发电装置的概述、波浪能发电装置的水动力特性、波浪能发电装置的数值仿真试验、波浪能发电装置的几何优化、波浪能发电装置与多能互补。

第1章  绪论	1
1.1  研究意义与背景介绍	1
1.2  波浪能发电技术的应用潜力	11
1.3  波浪能发电技术面临的挑战	21
本章参考文献	22
第2章  波浪能理论	26
2.1  概述	26
2.2  规则波理论	31
2.3  不规则波理论	37
2.3.1  不规则波的时域表达	37
2.3.2  不规则波的频域表达	39
2.4  波浪能资源的分布	41
2.4.1  波浪能资源数据库	41
2.4.2  全球波浪能资源分布	44
2.4.3  中国波浪能资源分布	49
本章参考文献	52
第3章  波浪能发电装置的概述	54
3.1  概述	54
3.2  波浪能发电装置分类	56
3.2.1  按工作原理分类	56
3.2.2  按工作方向分类	65
3.3  功率取出系统和电力系统	67
3.3.1  功率取出系统	68
3.3.2  电力系统	73
3.4  波浪能发电装置的理论发电容量	76
3.4.1  根据工作原理分类	77
3.4.2  根据工作方向分类	82
本章参考文献	84
第4章  波浪能发电装置的水动力特性	88
4.1  概述	88
4.2  线性弹簧阻尼振荡模型	89
4.3  单自由度波浪能转化器的线性理论	91
4.3.1  线性理论的频域表达	92
4.3.2  线性理论的时域表达	94
4.4  单自由度波浪能发电装置的状态空间模型	95
4.4.1  辐射力卷积项的状态空间模型	95
4.4.2  波浪激励力卷积项的状态空间模型	95
4.4.3  波浪能发电装置的线性水动力响应模型	96
4.5  波浪能发电装置的非线性水动力响应模型	97
本章参考文献	101
第5章  波浪能发电装置的数值仿真试验	102
5.1  概述	102
5.2  完全非线性CFD模型	104
5.2.1  波浪能发电装置的CFD建模技术	104
5.2.2  CFD实例	106
5.3  圆柱形垂荡点吸式波浪能发电装置的线性及部分非线性模型	118
5.3.1  基于边界元方法的频域水动力参数	118
5.3.2  线性辐射力及波浪激励力的状态空间模型	120
5.3.3  非线性黏滞力阻尼系数	122
5.3.4  MATLAB/Simulink模型	123
5.4  双体铰接式波浪能发电装置的线性及部分非线性模型	128
5.4.1  WEC-Sim模型修正	128
5.4.2  双体铰接式波浪能发电装置的响应特性	132
本章参考文献	135
第6章  波浪能发电装置的几何优化	137
6.1  概述	137
6.2  几何外形及阻尼参数的设计	138
6.2.1  波浪能发电装置的几何外形设计	138
6.2.2  PTO系统的阻尼系数	139
6.3  几何外形对波浪能发电装置运动响应的影响	140
6.3.1  几何外形对水动力参数的影响	140
6.3.2  几何外形对自由运动动力学参数的影响	143
6.3.3  几何外形和PTO系统阻尼参数对功率捕获的联合效应	146
本章参考文献	153
第7章  波浪能发电装置与多能互补	154
7.1  概述	154
7.2  波浪能发电装置的功率追踪控制	154
7.2.1  系统参数	155
7.2.2  控制模型	156
7.2.3  目标函数	159
7.2.4  受控系统表现	160
本章参考文献	163

前    言
在全球气候系统持续变化与极端天气频发的背景下，构建低碳、高效、可持续的能源体系已成为国际社会的共同追求。目前，全球范围内的碳减排合作不断深化，各国纷纷设定温室气体控制目标，积极探索绿色发展路径。中国作为全球最大的发展中国家之一，于2020年郑重宣布力争在2060年前实现碳中和，标志着中国在全球气候治理中扮演着越来越重要的角色。
实现碳中和不仅需要控制终端能源消费，而且亟须推动一次能源供给结构的根本性变革。在这一过程中，可再生能源的发展被寄予厚望。目前，可再生能源涵盖多种类型，如水电、太阳能、风能、潮汐能、波浪能、生物质能、地热能等。其中，以海上风能、潮汐能和波浪能为代表的海洋能源，凭借其资源丰富、发展潜力巨大的优势，正逐步成为能源技术创新与绿色海洋经济发展的前沿领域。推动海洋能源规模化应用，将为实现碳达峰、碳中和目标提供有力支撑，同时为沿海国家拓展“蓝色能源”提供了广阔空间。
撰写本书时，陆上风能、太阳能和水能（水力发电技术）已相对成熟，并广泛并入电网使用，在推动能源结构多元化及实现碳中和目标方面发挥了重要作用。得益于陆上风能技术的快速发展，海上风能技术也相对成熟。相比之下，波浪能发电技术发展滞后，仍处于早期阶段，距离大规模商业化开发尚有较长的路要走。
尽管如此，波浪能具有高能量密度的独特优势，是可再生能源中能量密度较高的一种，尤其在风能和太阳能供应不足时，其可以作为重要的能源补充。因此，波浪能在增强海上可再生能源系统的弹性方面具有巨大潜力。据估算，如果全球可开发的波浪能资源得到充分利用，其年发电量可达约29500TW·h，足以满足全球年度发电的需求。
与风能和太阳能等能源相比，波浪能面临更大的技术挑战，特别是在复杂、随机海洋条件下如何提高发电效率，并增强设备在极端海况下的生存能力。波浪能发电装置的研发和应用对促进海洋经济发展具有重要意义，尤其在近海防波堤、海水淡化、海上浮标、通信设施、海上养殖场和海上制氢等场景中，可以提供长期、稳定的能源支持。目前，波浪能发电装置的发展仍处于起步阶段，推动其技术进步对于中国成为技术输出国、提升国际地位具有深远的战略意义。
本书结合了著者在波浪能领域的研究成果，并参考了国内外相关研究，系统地介绍了波浪能发电装置的历史与现状、研究方法与应用，以期满足波浪能发电、海洋工程及海洋开发等领域的读者需求。全书共7章，内容涵盖绪论、波浪能理论、波浪能发电装置的概述、波浪能发电装置的水动力特性、波浪能发电装置的数值仿真试验、波浪能发电装置的几何优化、波浪能发电装置与多能互补。
 
波浪能开发是一个充满挑战的前沿领域，仍有许多难题等待科研人员探索和解决。希望本书能帮助新入门的研究者系统地了解波浪能的发展历程、研究现状、关键技术、研究挑战及未来前景。同时，也希望为那些对波浪能怀有热情的研究者提供有价值的信息。我们期待有更多的科研人员加入这个领域，共同推动波浪能发电技术的全面进步，助力我国实现海洋强国的战略目标。
感谢“双一流”建设专项资金项目（0517124GH0201220）、国家重点研发计划青年科学家项目（2023YFB4204200）、国家自然科学基金青年科学基金项目（12402287）、姑苏青年创新领军人才项目（ZXL2023192）、中央高校基本科研业务费项目（G2022WD01004、23GH02029）、海岸与近海工程国家重点实验室开放基金项目（LP2201）、太仓基础研究计划面上项目（TC2022JC04）对本书的支持。
由于著者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者和相关专业人士批评指正。

著  者   
2025年2月

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