風力發(fā)電技術的應用與展望

風力發(fā)電技術的應用與展望

經(jīng)過幾十年的發(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、德國、法國、丹麥等發(fā)達國際以及中國都對發(fā)展風力發(fā)電給以了高度關注。我國風電技術的研發(fā)起步較晚,雖然也有較多的專利申請,但是與發(fā)達國家大型企業(yè)動輒上百年的研究歷史相比,我國在風力發(fā)電的基礎理論研究和對核心前沿技術的把握顯得不足本文選擇了風力發(fā)電機組中的葉片技術、軸承技術、偏航和變槳這三大關鍵技術為研究對象,旨在通過對風力發(fā)電機組相關關鍵技術專利的分析,揭示該技術領域技術研發(fā)和專利申請活動的特點,全面、客觀地展現(xiàn)全球風力發(fā)電機組相關關鍵技術的技術研發(fā)態(tài)勢和專利保護現(xiàn)狀,為我國在這一重要能源技術領域中的研發(fā)決策、產業(yè)化布局提供參考。一、力發(fā)電葉片技術通過檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(DII),限定公開日期為2017年以前的專利,共得到風力發(fā)電葉片技術相關專利(族)13000多項***。從專利申請數(shù)量的年度變化情況來看****(如圖1),2006年以前葉片技術發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢;2006年后隨著材料科技的進步,葉片發(fā)展顯著加快,專利數(shù)量快速增長,年均專利數(shù)量超過了700項。1.風力發(fā)電葉片專利分析國際專利分類(IPC)是國際通用的、標準化的專利技術分類體系,蘊含著豐富的專利技術信息。通過對風力葉片技術專利的IPC進行統(tǒng)計分析,可以準確、及時地獲取該領域涉及的主要技術主題和研發(fā)重點。對風力發(fā)電葉片相關專利進行基于國際專利分類號(IPC)的統(tǒng)計分析,選出申請量最高的10個分類(表1)。可以看出風力發(fā)電葉片相關專利主要集中在:(1)具有與風向一致的旋轉軸線的風力發(fā)電機的旋轉葉片部件;(2)具有與風向垂直的旋轉軸線的風力發(fā)電機的旋轉葉片部件。利用DI平臺的專利地圖功能,對風電葉片專利的技術主題分布進行了分析(圖2)?？梢钥闯?風電葉片專利的熱點技術主題包括:(1)葉片材料。如樹脂纖維材料、碳纖維材料、玻璃纖維材料。(2)葉片結構設計。在結構構成方面熱點在加裝構件、整體造型、分段葉片、翼型。在葉片結構功效方面,熱點在提高效率、防腐蝕、降噪以及警示方面。(3)葉片工藝。熱點在纖維纏繞、樹脂傳遞模塑等方面。2.其他國家和地區(qū)從各國受理的專利優(yōu)先權數(shù)量來看(圖3),分為3個層次:中國風力發(fā)電機葉片技術專利數(shù)量遙遙領先于其他國家和地區(qū);韓國、德國、美國和日本作為第二梯隊;而英國、法國和俄羅斯等其他國家專利數(shù)量則相對較少。從各國專利技術構成來看,布局較為接近,普遍重點集中在葉片纖維材料、葉片特殊結構以及葉片制造工藝等核心技術方向進行布局。3.主要專利技術類型從專利申請人來看,美國通用和丹麥的維斯塔斯在研發(fā)中具有絕對領先優(yōu)勢,專利申請數(shù)量分別排名第一和第二,遠超過處于第二梯隊的西門子、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人申請的專利技術的主題詞,發(fā)現(xiàn)通用電氣的專利主要集中在葉片增強構建和分段葉片技術上;西門子的專利比較重視整體造型,其次是增強構件和葉根方面的技術;維斯塔斯公司較重視增強構件,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上開始申請的時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年的專利申請量都位居第一。近3年專利申請量占專利申請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)風力發(fā)電葉片新技術。二、主軸承技術專利分析通過檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(DII),限定公開日期為2017年以前的專利,共得到風力發(fā)電主軸承技術相關專利(族)5000多項。從專利申請數(shù)量的年度變化情況來看(圖),2006年以前主軸承技術發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢;2006年后隨著材料科技的進步,風力發(fā)電主軸承技術發(fā)展顯著加快,專利數(shù)量快速增長,年均專利數(shù)量超過了200項(近2年數(shù)據(jù)僅供參考)。1.風力發(fā)電主軸軸承技術通過對風力葉片技術專利的IPC進行統(tǒng)計分析,選取申請量最高的10個分類(表3),可以發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電主軸軸承技術相關專利主要集中在:(1)與風向垂直的旋轉軸線的風力發(fā)電機的旋轉軸承部件(2)具有基本上與風向一致的旋轉軸線的風力發(fā)動機的轉子利用DI平臺的專利地圖功能,對風力發(fā)電主軸承技術專利的技術主題分布進行了分析(圖5)。可以看出,風電主軸軸承技術專利的熱點技術主題包括:主軸承結構改進,主軸承的安轉卸載,布置方式,材料工藝,監(jiān)測維護,潤滑,密封,保持架等方面。2.風力發(fā)電主軸軸承技術專利分析從各國受理的專利優(yōu)先權數(shù)量來看(圖6),分為3個層次:中國風力發(fā)電機主軸軸承技術專利數(shù)量遙遙領先于其他國家和地區(qū);德國、美國、韓國和日本作為第二梯隊,專利數(shù)量比較接近;而英國、法國和丹麥等其他國家專利數(shù)量則相對較少。3.dda分析工具專利分析從專利申請人來看(如表4所示),德國西門子、美國通用和丹麥的維斯塔斯在研發(fā)中具有領先優(yōu)勢,屬于第一梯隊,專利申請數(shù)量分別排名第一、第二和第三;專利申請量處于第二梯隊的是三菱重工、NTN株式會社和瑞典SKF公司以及三星公司。中國的國電聯(lián)合動力技術有限公司、金風科技和明陽風電進入這一專利技術領域的時間不到10年,但是它們專利申請量可以排入前十名,反映出中國的風電企業(yè)近年來發(fā)展比較快。利用DDA分析工具,對主要專利申請機構的專利技術的主題詞進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)大部分專利集中于主軸軸承的結構設計方面和應用方面。其中西門子和通用電氣的專利側重于軸承的材料工藝技術;維斯塔斯主要集中安裝卸載和布置方式上;NTN株式會社的研發(fā)重點是調心滾子軸承、圓錐滾子軸承及其保持架和軸承監(jiān)測維護方面;瑞典SKF的研發(fā)重點在圓錐滾子軸承和調心滾子軸承;國電聯(lián)合的專利主要集中在安裝卸載上;金風科技和明陽風電的專利主要集中在安裝卸載和布置方式上。近3年專利申請量占專利申請總量比較高的公司有金風科技、西門子和明陽風電公司,反映出這些公司正在積極布局風力主軸軸承的新技術。從各機構的專利申請保護策略來看,除本國外,大部分國外企業(yè)非常重視在主要應用市場的保護,包括美國、中國、歐盟等,這也是風電技術的主要競爭市場。同時維斯塔斯、三菱重工、瑞典SKF、西門子還申請了相當數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國際市場的意圖。中國的風電企業(yè)的專利申請地基本上都在中國,少有國外的申請,反應出中國的企業(yè)不注重專利的海外布局(表5)。三、技術發(fā)展緩慢通過檢索德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(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相關專利(族)近1600多項。從年度變化趨勢來看(圖12),2006年以前偏航和變槳技術發(fā)展較為緩慢,專利數(shù)量呈現(xiàn)慢速增加態(tài)勢;2006年后隨著市場需求的變化,偏航和變槳技術研發(fā)顯著加快,專利數(shù)量快速增長,年均專利數(shù)量超過了100項,并且與2012年達到申請量的峰值,后又有所回落(近2年數(shù)據(jù)僅供參考)。1.．4變槳系統(tǒng)的動力上傳通過對偏航和變槳技術專利的IPC進行統(tǒng)計分析,選取申請量最高的10個分類(表6),可以發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電主軸軸承技術相關專利主要集中在:(1)偏航和變槳系統(tǒng)的自動控制和調節(jié);(2)偏航和變槳系統(tǒng)的動力傳送。利用DDA分析工具,對偏航和邊疆領域的專利技術的主題詞進行統(tǒng)計分析,結合閱讀相關專利,發(fā)現(xiàn)在偏航方面,發(fā)展重點已經(jīng)從過去的被動偏航發(fā)展到主動偏航和智能偏航。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平臺的專利地圖功能,對風力發(fā)電偏航和變槳技術專利的技術主題分布進行了分析(圖8)。可以看出,風力發(fā)電偏航和變槳技術專利的熱點技術主題包括:偏航制動器、備用馬達、備用動力供給、液壓驅動主動式偏航、獨立變槳等。2.專利優(yōu)先權比選從各國受理的專利優(yōu)先權數(shù)量來看(圖6),分為3個層次:從各國受理的專利優(yōu)先權數(shù)量來看(圖14),分為三個層次:中國風力發(fā)電機偏航和變槳技術專利數(shù)量遙遙領先于其他國家和地區(qū);美國排名第二,數(shù)量上和中國有較大差距;日本、韓國、英國、丹麥和澳大利亞等其他國家專利數(shù)量則相對較少。3.u3000國外專利申請的現(xiàn)狀從專利申請人來看,美國通用的專利申請量具有領先優(yōu)勢,排名第一;北京金風科技排名第二;國電聯(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量排名前十的有一半是中國公司(表6)。利用DDA分析工具,對主要專利申請機構的專利技術的主題詞進行統(tǒng)計分析,結合對相關專利的摘要及全文進行瀏覽發(fā)現(xiàn):偏航方面通用電氣側重于偏航系統(tǒng)結構和控制策略方面,維斯塔斯側重于偏航系統(tǒng)結構,金風側重信號采集和控制策略;變槳方面通用電氣、維斯塔斯、西門子等國外廠商,比較關注獨立變槳技術,國內企業(yè)較為關注變槳裝置總成,獨立變槳技術申請較少。獨立變槳的專利技術申請主要涉及載荷技術、環(huán)境監(jiān)測和控制策略。從各大公司的申請來看,通用電氣主要關注點載荷計算和環(huán)境監(jiān)測兩個方面;維斯塔斯在3個方面的申請比較均衡;西門子主要致力于載荷計算方面的研發(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算方面有一定的優(yōu)勢,對環(huán)境監(jiān)測的研發(fā)甚少。近3年專利申請量占專利申請總量比較高的公司有國家電網(wǎng)、金風科技和中船重工公司,反映出這些公司正在積極布局風力發(fā)電偏航和變槳技術的相關技術。從各機構的專利申請保護策略來看,除本國外,大部分國外企業(yè)非常重視在主要應用市場的保護,包括美國、中國、歐盟等,這也是風電技術的主要競爭市場。同時維斯塔斯、三菱重工、通用電氣還申請了相當數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國際市場的意圖。中國的風電企業(yè)的專利申請地基本上都在中國,少有國外的申請,反應出中國的企業(yè)不注重專利的海外布局(表7)。通過選取表7種在中國進行申請的專利集合,利用DDA工具進行分析,同時結合人工閱讀發(fā)現(xiàn)上述國內申請主要涉及變槳裝置的總體結構的改進,而國外申請更加關注獨立變槳控制方法、根據(jù)信號執(zhí)行變槳控制的方法等。同時國外申請非常關注變槳系統(tǒng)在安全和可靠性方面的改進,其涉及該方面的申請所占比例很大,而國內對這方面的關注較小。另一方面,國內申請人較為關注的電控、液壓變槳系統(tǒng)則少有國外申請。四、國內企業(yè)對相關專利的檢測在風力發(fā)電機領域最重要的葉片技術、主軸承技術和偏航變槳技術三大技術領域中,中國在專利數(shù)量上都占據(jù)絕對優(yōu)勢。美國、德國、韓國和日本也是這些領域主要的專利申請國。其中美國、歐洲各國進入風力發(fā)電領域均較早,都比較重視其對專利技術在全球范圍進行保護。我國雖然是目前全球最大的風力發(fā)電技術專利申請國和受理國,但我國機構進入該技術領域普遍較晚,主要廠商基本都是進入新世紀后才開始申請相關專利的,而且相關專利申請絕大多數(shù)也都是集中在2007年以后,并且?guī)缀跞考性趪鴥?國際保護力度極弱。1.風力發(fā)電葉片方面,全球主要廠商都很重視分段式葉片結構,可以預見分段式葉片將是未來巨型葉片的主流。我國在分段式葉片的制造、分段模具的設計和制造方面應當加強研發(fā)。2.風力發(fā)電主軸軸承領域,我國申請的專利主要集中安裝卸載和布置方式上,而國外廠商已經(jīng)對作為廣泛采用的主軸軸承類型的調心滾子軸承和圓錐滾子軸承在結構、潤滑、密封、涂層、保持架等方面申請了大量的專利,我國企業(yè)想要從這兩種類型的軸承上再有所創(chuàng)新難度較大,因而我國企業(yè)應當將目光轉向研發(fā)新型結構的主軸軸承上。3.偏航和變槳。從專