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(fēng)力發(fā)電給以了高度關(guān)注。我國風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)起步較晚,雖然也有較多的專利申請,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(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)理論研究和對核心前沿技術(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)為研究對象,旨在通過對風(fēng)力發(fā)電機組相關(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)和專利申請活動的特點,全面、客觀地展現(xiàn)全球風(fēng)力發(fā)電機組相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)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(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(fēng)力發(fā)電葉片技術(shù)相關(guān)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(shù)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(fēng)力發(fā)電葉片專利分析國際專利分類(IPC)是國際通用的、標(biāo)準化的專利技術(shù)分類體系,蘊含著豐富的專利技術(shù)信息。通過對風(fēng)力葉片技術(shù)專利的IPC進行統(tǒng)計分析,可以準確、及時地獲取該領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)主題和研發(fā)重點。對風(fēng)力發(fā)電葉片相關(guān)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(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)電機的旋轉(zhuǎn)葉片部件。利用DI平臺的專利地圖功能,對風(fēng)電葉片專利的技術(shù)主題分布進行了分析(圖2)?？梢钥闯?風(fēng)電葉片專利的熱點技術(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。在結(jié)構(gòu)構(gòu)成方面熱點在加裝構(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(quán)數(shù)量來看(圖3),分為3個層次:中國風(fēng)力發(fā)電機葉片技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)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(shù)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及葉片制造工藝等核心技術(shù)方向進行布局。3.主要專利技術(shù)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(lǐng)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(quán)人申請的專利技術(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,其次是增強構(gòu)件和葉根方面的技術(shù);維斯塔斯公司較重視增強構(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(fēng)力發(fā)電葉片新技術(shù)。二、主軸承技術(shù)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(fēng)力發(fā)電主軸承技術(shù)相關(guān)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(shù)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(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,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(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)通過對風(fēng)力葉片技術(shù)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(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)動機的轉(zhuǎn)子利用DI平臺的專利地圖功能,對風(fēng)力發(fā)電主軸承技術(shù)專利的技術(shù)主題分布進行了分析(圖5)。可以看出,風(fēng)電主軸軸承技術(shù)專利的熱點技術(shù)主題包括:主軸承結(jié)構(gòu)改進,主軸承的安轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電主軸軸承技術(shù)專利分析從各國受理的專利優(yōu)先權(quán)數(shù)量來看(圖6),分為3個層次:中國風(fēng)力發(fā)電機主軸軸承技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)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(lǐng)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(shù)有限公司、金風(fēng)科技和明陽風(fēng)電進入這一專利技術(shù)領(lǐng)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(fēng)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(gòu)的專利技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面和應(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株式會社的研發(fā)重點是調(diào)心滾子軸承、圓錐滾子軸承及其保持架和軸承監(jiān)測維護方面;瑞典SKF的研發(fā)重點在圓錐滾子軸承和調(diào)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(fēng)科技和明陽風(fēng)電的專利主要集中在安裝卸載和布置方式上。近3年專利申請量占專利申請總量比較高的公司有金風(fēng)科技、西門子和明陽風(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)。從各機構(gòu)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(yīng)用市場的保護,包括美國、中國、歐盟等,這也是風(fēng)電技術(shù)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(dāng)數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國際市場的意圖。中國的風(fēng)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(yīng)出中國的企業(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(shù)相關(guān)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(shù)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(shù)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(shù)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(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)的自動控制和調(diào)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(lǐng)域的專利技術(shù)的主題詞進行統(tǒng)計分析,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(fēng)力發(fā)電偏航和變槳技術(shù)專利的技術(shù)主題分布進行了分析(圖8)。可以看出,風(fēng)力發(fā)電偏航和變槳技術(shù)專利的熱點技術(shù)主題包括:偏航制動器、備用馬達、備用動力供給、液壓驅(qū)動主動式偏航、獨立變槳等。2.專利優(yōu)先權(quán)比選從各國受理的專利優(yōu)先權(quán)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(quán)數(shù)量來看(圖14),分為三個層次:中國風(fēng)力發(fā)電機偏航和變槳技術(shù)專利數(shù)量遙遙領(lǐng)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(lǐng)先優(yōu)勢,排名第一;北京金風(fēng)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(gòu)的專利技術(shù)的主題詞進行統(tǒng)計分析,結(jié)合對相關(guān)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(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(guān)注獨立變槳技術(shù),國內(nèi)企業(yè)較為關(guān)注變槳裝置總成,獨立變槳技術(shù)申請較少。獨立變槳的專利技術(shù)申請主要涉及載荷技術(shù)、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(guān)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(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)。從各機構(gòu)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(yīng)用市場的保護,包括美國、中國、歐盟等,這也是風(fēng)電技術(shù)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(dāng)數(shù)量的PCT專利,反映了其搶占國際市場的意圖。中國的風(fēng)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(yīng)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(jié)合人工閱讀發(fā)現(xiàn)上述國內(nèi)申請主要涉及變槳裝置的總體結(jié)構(gòu)的改進,而國外申請更加關(guān)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(guān)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(nèi)對這方面的關(guān)注較小。另一方面,國內(nèi)申請人較為關(guān)注的電控、液壓變槳系統(tǒng)則少有國外申請。四、國內(nèi)企業(yè)對相關(guān)專利的檢測在風(fēng)力發(fā)電機領(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(lǐng)域主要的專利申請國。其中美國、歐洲各國進入風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域均較早,都比較重視其對專利技術(shù)在全球范圍進行保護。我國雖然是目前全球最大的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專利申請國和受理國,但我國機構(gòu)進入該技術(shù)領(lǐng)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(guān)專利的,而且相關(guān)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?nèi),國際保護力度極弱。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(shè)計和制造方面應(yīng)當(dāng)加強研發(fā)。2.風(fēng)力發(fā)電主軸軸承領(lǐng)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(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承在結(jié)構(gòu)、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(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