風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與展望

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與展望

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，能源能力已成為世界上最成熟、最具開發(fā)成本的能源能源之一。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、丹麥等發(fā)達(dá)國(guó)際以及中國(guó)都對(duì)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電給以了高度關(guān)注。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)起步較晚,雖然也有較多的專利申請(qǐng),但是與發(fā)達(dá)國(guó)家大型企業(yè)動(dòng)輒上百年的研究歷史相比,我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)理論研究和對(duì)核心前沿技術(shù)的把握顯得不足本文選擇了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的葉片技術(shù)、軸承技術(shù)、偏航和變槳這三大關(guān)鍵技術(shù)為研究對(duì)象,旨在通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)專利的分析,揭示該技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)活動(dòng)的特點(diǎn),全面、客觀地展現(xiàn)全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)和專利保護(hù)現(xiàn)狀,為我國(guó)在這一重要能源技術(shù)領(lǐng)域中的研發(fā)決策、產(chǎn)業(yè)化布局提供參考。一、力發(fā)電葉片技術(shù)通過(guò)檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(kù)(DII),限定公開日期為2017年以前的專利,共得到風(fēng)力發(fā)電葉片技術(shù)相關(guān)專利(族)13000多項(xiàng)***。從專利申請(qǐng)數(shù)量的年度變化情況來(lái)看****(如圖1),2006年以前葉片技術(shù)發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢(shì);2006年后隨著材料科技的進(jìn)步,葉片發(fā)展顯著加快,專利數(shù)量快速增長(zhǎng),年均專利數(shù)量超過(guò)了700項(xiàng)。1.風(fēng)力發(fā)電葉片專利分析國(guó)際專利分類(IPC)是國(guó)際通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的專利技術(shù)分類體系,蘊(yùn)含著豐富的專利技術(shù)信息。通過(guò)對(duì)風(fēng)力葉片技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取該領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)主題和研發(fā)重點(diǎn)。對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片相關(guān)專利進(jìn)行基于國(guó)際專利分類號(hào)(IPC)的統(tǒng)計(jì)分析,選出申請(qǐng)量最高的10個(gè)分類(表1)?？梢钥闯鲲L(fēng)力發(fā)電葉片相關(guān)專利主要集中在:(1)具有與風(fēng)向一致的旋轉(zhuǎn)軸線的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片部件;(2)具有與風(fēng)向垂直的旋轉(zhuǎn)軸線的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片部件。利用DI平臺(tái)的專利地圖功能,對(duì)風(fēng)電葉片專利的技術(shù)主題分布進(jìn)行了分析(圖2)。可以看出,風(fēng)電葉片專利的熱點(diǎn)技術(shù)主題包括:(1)葉片材料。如樹脂纖維材料、碳纖維材料、玻璃纖維材料。(2)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)構(gòu)成方面熱點(diǎn)在加裝構(gòu)件、整體造型、分段葉片、翼型。在葉片結(jié)構(gòu)功效方面,熱點(diǎn)在提高效率、防腐蝕、降噪以及警示方面。(3)葉片工藝。熱點(diǎn)在纖維纏繞、樹脂傳遞模塑等方面。2.其他國(guó)家和地區(qū)從各國(guó)受理的專利優(yōu)先權(quán)數(shù)量來(lái)看(圖3),分為3個(gè)層次:中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家和地區(qū);韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和日本作為第二梯隊(duì);而英國(guó)、法國(guó)和俄羅斯等其他國(guó)家專利數(shù)量則相對(duì)較少。從各國(guó)專利技術(shù)構(gòu)成來(lái)看,布局較為接近,普遍重點(diǎn)集中在葉片纖維材料、葉片特殊結(jié)構(gòu)以及葉片制造工藝等核心技術(shù)方向進(jìn)行布局。3.主要專利技術(shù)類型從專利申請(qǐng)人來(lái)看,美國(guó)通用和丹麥的維斯塔斯在研發(fā)中具有絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),專利申請(qǐng)數(shù)量分別排名第一和第二,遠(yuǎn)超過(guò)處于第二梯隊(duì)的西門子、三星和三菱重工公司(如表2所示)。利用DDA工具分析主要專利權(quán)人申請(qǐng)的專利技術(shù)的主題詞,發(fā)現(xiàn)通用電氣的專利主要集中在葉片增強(qiáng)構(gòu)建和分段葉片技術(shù)上;西門子的專利比較重視整體造型,其次是增強(qiáng)構(gòu)件和葉根方面的技術(shù);維斯塔斯公司較重視增強(qiáng)構(gòu)件,其次是分段葉片和整體造型。LM艾爾姆玻璃纖維制品公司較重視玻璃纖維材料、葉片翼型和葉根。通用電氣在葉片技術(shù)上開始申請(qǐng)的時(shí)間雖然晚于西門子和維斯塔斯,但是不論專利總量還是近3年的專利申請(qǐng)量都位居第一。近3年專利申請(qǐng)量占專利申請(qǐng)總量比較高的公司有通用電氣、西門子和NordexEnergy公司,反映出這些公司正在積極研發(fā)風(fēng)力發(fā)電葉片新技術(shù)。二、主軸承技術(shù)專利分析通過(guò)檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(kù)(DII),限定公開日期為2017年以前的專利,共得到風(fēng)力發(fā)電主軸承技術(shù)相關(guān)專利(族)5000多項(xiàng)。從專利申請(qǐng)數(shù)量的年度變化情況來(lái)看(圖),2006年以前主軸承技術(shù)發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢(shì);2006年后隨著材料科技的進(jìn)步,風(fēng)力發(fā)電主軸承技術(shù)發(fā)展顯著加快,專利數(shù)量快速增長(zhǎng),年均專利數(shù)量超過(guò)了200項(xiàng)(近2年數(shù)據(jù)僅供參考)。1.風(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)通過(guò)對(duì)風(fēng)力葉片技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取申請(qǐng)量最高的10個(gè)分類(表3),可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)相關(guān)專利主要集中在:(1)與風(fēng)向垂直的旋轉(zhuǎn)軸線的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸承部件(2)具有基本上與風(fēng)向一致的旋轉(zhuǎn)軸線的風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子利用DI平臺(tái)的專利地圖功能,對(duì)風(fēng)力發(fā)電主軸承技術(shù)專利的技術(shù)主題分布進(jìn)行了分析(圖5)?？梢钥闯?風(fēng)電主軸軸承技術(shù)專利的熱點(diǎn)技術(shù)主題包括:主軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn),主軸承的安轉(zhuǎn)卸載,布置方式,材料工藝,監(jiān)測(cè)維護(hù),潤(rùn)滑,密封,保持架等方面。2.風(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)專利分析從各國(guó)受理的專利優(yōu)先權(quán)數(shù)量來(lái)看(圖6),分為3個(gè)層次:中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家和地區(qū);德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)和日本作為第二梯隊(duì),專利數(shù)量比較接近;而英國(guó)、法國(guó)和丹麥等其他國(guó)家專利數(shù)量則相對(duì)較少。3.dda分析工具專利分析從專利申請(qǐng)人來(lái)看(如表4所示),德國(guó)西門子、美國(guó)通用和丹麥的維斯塔斯在研發(fā)中具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),屬于第一梯隊(duì),專利申請(qǐng)數(shù)量分別排名第一、第二和第三;專利申請(qǐng)量處于第二梯隊(duì)的是三菱重工、NTN株式會(huì)社和瑞典SKF公司以及三星公司。中國(guó)的國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司、金風(fēng)科技和明陽(yáng)風(fēng)電進(jìn)入這一專利技術(shù)領(lǐng)域的時(shí)間不到10年,但是它們專利申請(qǐng)量可以排入前十名,反映出中國(guó)的風(fēng)電企業(yè)近年來(lái)發(fā)展比較快。利用DDA分析工具,對(duì)主要專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)的專利技術(shù)的主題詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)大部分專利集中于主軸軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面和應(yīng)用方面。其中西門子和通用電氣的專利側(cè)重于軸承的材料工藝技術(shù);維斯塔斯主要集中安裝卸載和布置方式上;NTN株式會(huì)社的研發(fā)重點(diǎn)是調(diào)心滾子軸承、圓錐滾子軸承及其保持架和軸承監(jiān)測(cè)維護(hù)方面;瑞典SKF的研發(fā)重點(diǎn)在圓錐滾子軸承和調(diào)心滾子軸承;國(guó)電聯(lián)合的專利主要集中在安裝卸載上;金風(fēng)科技和明陽(yáng)風(fēng)電的專利主要集中在安裝卸載和布置方式上。近3年專利申請(qǐng)量占專利申請(qǐng)總量比較高的公司有金風(fēng)科技、西門子和明陽(yáng)風(fēng)電公司,反映出這些公司正在積極布局風(fēng)力主軸軸承的新技術(shù)。從各機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)保護(hù)策略來(lái)看,除本國(guó)外,大部分國(guó)外企業(yè)非常重視在主要應(yīng)用市場(chǎng)的保護(hù),包括美國(guó)、中國(guó)、歐盟等,這也是風(fēng)電技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。同時(shí)維斯塔斯、三菱重工、瑞典SKF、西門子還申請(qǐng)了相當(dāng)數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國(guó)際市場(chǎng)的意圖。中國(guó)的風(fēng)電企業(yè)的專利申請(qǐng)地基本上都在中國(guó),少有國(guó)外的申請(qǐng),反應(yīng)出中國(guó)的企業(yè)不注重專利的海外布局(表5)。三、技術(shù)發(fā)展緩慢通過(guò)檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(kù)(DII),限定公開日期為2017年以前的專利,共得到偏航和變槳技術(shù)相關(guān)專利(族)近1600多項(xiàng)。從年度變化趨勢(shì)來(lái)看(圖12),2006年以前偏航和變槳技術(shù)發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢(shì);2006年后隨著市場(chǎng)需求的變化,偏航和變槳技術(shù)研發(fā)顯著加快,專利數(shù)量快速增長(zhǎng),年均專利數(shù)量超過(guò)了100項(xiàng),并且與2012年達(dá)到申請(qǐng)量的峰值,后又有所回落(近2年數(shù)據(jù)僅供參考)。1.．4變槳系統(tǒng)的動(dòng)力上傳通過(guò)對(duì)偏航和變槳技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取申請(qǐng)量最高的10個(gè)分類(表6),可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)相關(guān)專利主要集中在:(1)偏航和變槳系統(tǒng)的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié);(2)偏航和變槳系統(tǒng)的動(dòng)力傳送。利用DDA分析工具,對(duì)偏航和邊疆領(lǐng)域的專利技術(shù)的主題詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合閱讀相關(guān)專利,發(fā)現(xiàn)在偏航方面,發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)從過(guò)去的被動(dòng)偏航發(fā)展到主動(dòng)偏航和智能偏航。變槳系統(tǒng)的專利主要集中在:總成、電控、方法、軸承、液壓和安全方向。利用DI平臺(tái)的專利地圖功能,對(duì)風(fēng)力發(fā)電偏航和變槳技術(shù)專利的技術(shù)主題分布進(jìn)行了分析(圖8)?？梢钥闯?風(fēng)力發(fā)電偏航和變槳技術(shù)專利的熱點(diǎn)技術(shù)主題包括:偏航制動(dòng)器、備用馬達(dá)、備用動(dòng)力供給、液壓驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式偏航、獨(dú)立變槳等。2.專利優(yōu)先權(quán)比選從各國(guó)受理的專利優(yōu)先權(quán)數(shù)量來(lái)看(圖6),分為3個(gè)層次:從各國(guó)受理的專利優(yōu)先權(quán)數(shù)量來(lái)看(圖14),分為三個(gè)層次:中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航和變槳技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家和地區(qū);美國(guó)排名第二,數(shù)量上和中國(guó)有較大差距;日本、韓國(guó)、英國(guó)、丹麥和澳大利亞等其他國(guó)家專利數(shù)量則相對(duì)較少。3.u3000國(guó)外專利申請(qǐng)的現(xiàn)狀從專利申請(qǐng)人來(lái)看,美國(guó)通用的專利申請(qǐng)量具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),排名第一;北京金風(fēng)科技排名第二;國(guó)電聯(lián)合、維斯塔斯、西門子和三菱重工,依次排名第三到第六,并且其專利數(shù)量比較接近;值得注意的是專利申請(qǐng)量排名前十的有一半是中國(guó)公司(表6)。利用DDA分析工具,對(duì)主要專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)的專利技術(shù)的主題詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合對(duì)相關(guān)專利的摘要及全文進(jìn)行瀏覽發(fā)現(xiàn):偏航方面通用電氣側(cè)重于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略方面,維斯塔斯側(cè)重于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu),金風(fēng)側(cè)重信號(hào)采集和控制策略;變槳方面通用電氣、維斯塔斯、西門子等國(guó)外廠商,比較關(guān)注獨(dú)立變槳技術(shù),國(guó)內(nèi)企業(yè)較為關(guān)注變槳裝置總成,獨(dú)立變槳技術(shù)申請(qǐng)較少。獨(dú)立變槳的專利技術(shù)申請(qǐng)主要涉及載荷技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制策略。從各大公司的申請(qǐng)來(lái)看,通用電氣主要關(guān)注點(diǎn)載荷計(jì)算和環(huán)境監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面;維斯塔斯在3個(gè)方面的申請(qǐng)比較均衡;西門子主要致力于載荷計(jì)算方面的研發(fā),在控制策略方面有少量布局;三菱重工則在控制策略和載荷計(jì)算方面有一定的優(yōu)勢(shì),對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的研發(fā)甚少。近3年專利申請(qǐng)量占專利申請(qǐng)總量比較高的公司有國(guó)家電網(wǎng)、金風(fēng)科技和中船重工公司,反映出這些公司正在積極布局風(fēng)力發(fā)電偏航和變槳技術(shù)的相關(guān)技術(shù)。從各機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)保護(hù)策略來(lái)看,除本國(guó)外,大部分國(guó)外企業(yè)非常重視在主要應(yīng)用市場(chǎng)的保護(hù),包括美國(guó)、中國(guó)、歐盟等,這也是風(fēng)電技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。同時(shí)維斯塔斯、三菱重工、通用電氣還申請(qǐng)了相當(dāng)數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國(guó)際市場(chǎng)的意圖。中國(guó)的風(fēng)電企業(yè)的專利申請(qǐng)地基本上都在中國(guó),少有國(guó)外的申請(qǐng),反應(yīng)出中國(guó)的企業(yè)不注重專利的海外布局(表7)。通過(guò)選取表7種在中國(guó)進(jìn)行申請(qǐng)的專利集合,利用DDA工具進(jìn)行分析,同時(shí)結(jié)合人工閱讀發(fā)現(xiàn)上述國(guó)內(nèi)申請(qǐng)主要涉及變槳裝置的總體結(jié)構(gòu)的改進(jìn),而國(guó)外申請(qǐng)更加關(guān)注獨(dú)立變槳控制方法、根據(jù)信號(hào)執(zhí)行變槳控制的方法等。同時(shí)國(guó)外申請(qǐng)非常關(guān)注變槳系統(tǒng)在安全和可靠性方面的改進(jìn),其涉及該方面的申請(qǐng)所占比例很大,而國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的關(guān)注較小。另一方面,國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人較為關(guān)注的電控、液壓變槳系統(tǒng)則少有國(guó)外申請(qǐng)。四、國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)相關(guān)專利的檢測(cè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域最重要的葉片技術(shù)、主軸承技術(shù)和偏航變槳技術(shù)三大技術(shù)領(lǐng)域中,中國(guó)在專利數(shù)量上都占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)和日本也是這些領(lǐng)域主要的專利申請(qǐng)國(guó)。其中美國(guó)、歐洲各國(guó)進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域均較早,都比較重視其對(duì)專利技術(shù)在全球范圍進(jìn)行保護(hù)。我國(guó)雖然是目前全球最大的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)國(guó)和受理國(guó),但我國(guó)機(jī)構(gòu)進(jìn)入該技術(shù)領(lǐng)域普遍較晚,主要廠商基本都是進(jìn)入新世紀(jì)后才開始申請(qǐng)相關(guān)專利的,而且相關(guān)專利申請(qǐng)絕大多數(shù)也都是集中在2007年以后,并且?guī)缀跞考性趪?guó)內(nèi),國(guó)際保護(hù)力度極弱。1.風(fēng)力發(fā)電葉片方面,全球主要廠商都很重視分段式葉片結(jié)構(gòu),可以預(yù)見(jiàn)分段式葉片將是未來(lái)巨型葉片的主流。我國(guó)在分段式葉片的制造、分段模具的設(shè)計(jì)和制造方面應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研發(fā)。2.風(fēng)力發(fā)電主軸軸承領(lǐng)域,我國(guó)申請(qǐng)的專利主要集中安裝卸載和布置方式上,而國(guó)外廠商已經(jīng)對(duì)作為廣泛采用的主軸軸承類型的調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承在結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑、密封、涂層、保持架等方面申請(qǐng)了大量的專利,我國(guó)企業(yè)想要從這兩種類型的軸承上再有所創(chuàng)新難度較大,因而我國(guó)企業(yè)應(yīng)當(dāng)將目光轉(zhuǎn)向研發(fā)新型結(jié)構(gòu)的主軸軸承上。3.偏航和變槳。從專