风力发电技术的应用与展望

风力发电技术的应用与展望

经过几十年的发展，能源能力已成为世界上最成熟、最具开发成本的能源能源之一。美国、德国、法国、丹麦等发达国际以及中国都对发展风力发电给以了高度关注。我国风电技术的研发起步较晚,虽然也有较多的专利申请,但是与发达国家大型企业动辄上百年的研究历史相比,我国在风力发电的基础理论研究和对核心前沿技术的把握显得不足本文选择了风力发电机组中的叶片技术、轴承技术、偏航和变桨这三大关键技术为研究对象,旨在通过对风力发电机组相关关键技术专利的分析,揭示该技术领域技术研发和专利申请活动的特点,全面、客观地展现全球风力发电机组相关关键技术的技术研发态势和专利保护现状,为我国在这一重要能源技术领域中的研发决策、产业化布局提供参考。一、力发电叶片技术通过检索德温特创新索引数据库(DII),限定公开日期为2017年以前的专利,共得到风力发电叶片技术相关专利(族)13000多项***。从专利申请数量的年度变化情况来看****(如图1),2006年以前叶片技术发展较为缓慢,专利数量呈现慢速增加态势;2006年后随着材料科技的进步,叶片发展显著加快,专利数量快速增长,年均专利数量超过了700项。1.风力发电叶片专利分析国际专利分类(IPC)是国际通用的、标准化的专利技术分类体系,蕴含着丰富的专利技术信息。通过对风力叶片技术专利的IPC进行统计分析,可以准确、及时地获取该领域涉及的主要技术主题和研发重点。对风力发电叶片相关专利进行基于国际专利分类号(IPC)的统计分析,选出申请量最高的10个分类(表1)。可以看出风力发电叶片相关专利主要集中在:(1)具有与风向一致的旋转轴线的风力发电机的旋转叶片部件;(2)具有与风向垂直的旋转轴线的风力发电机的旋转叶片部件。利用DI平台的专利地图功能,对风电叶片专利的技术主题分布进行了分析(图2)。可以看出,风电叶片专利的热点技术主题包括:(1)叶片材料。如树脂纤维材料、碳纤维材料、玻璃纤维材料。(2)叶片结构设计。在结构构成方面热点在加装构件、整体造型、分段叶片、翼型。在叶片结构功效方面,热点在提高效率、防腐蚀、降噪以及警示方面。(3)叶片工艺。热点在纤维缠绕、树脂传递模塑等方面。2.其他国家和地区从各国受理的专利优先权数量来看(图3),分为3个层次:中国风力发电机叶片技术专利数量遥遥领先于其他国家和地区;韩国、德国、美国和日本作为第二梯队;而英国、法国和俄罗斯等其他国家专利数量则相对较少。从各国专利技术构成来看,布局较为接近,普遍重点集中在叶片纤维材料、叶片特殊结构以及叶片制造工艺等核心技术方向进行布局。3.主要专利技术类型从专利申请人来看,美国通用和丹麦的维斯塔斯在研发中具有绝对领先优势,专利申请数量分别排名第一和第二,远超过处于第二梯队的西门子、三星和三菱重工公司(如表2所示)。利用DDA工具分析主要专利权人申请的专利技术的主题词,发现通用电气的专利主要集中在叶片增强构建和分段叶片技术上;西门子的专利比较重视整体造型,其次是增强构件和叶根方面的技术;维斯塔斯公司较重视增强构件,其次是分段叶片和整体造型。LM艾尔姆玻璃纤维制品公司较重视玻璃纤维材料、叶片翼型和叶根。通用电气在叶片技术上开始申请的时间虽然晚于西门子和维斯塔斯,但是不论专利总量还是近3年的专利申请量都位居第一。近3年专利申请量占专利申请总量比较高的公司有通用电气、西门子和NordexEnergy公司,反映出这些公司正在积极研发风力发电叶片新技术。二、主轴承技术专利分析通过检索德温特创新索引数据库(DII),限定公开日期为2017年以前的专利,共得到风力发电主轴承技术相关专利(族)5000多项。从专利申请数量的年度变化情况来看(图),2006年以前主轴承技术发展较为缓慢,专利数量呈现慢速增加态势;2006年后随着材料科技的进步,风力发电主轴承技术发展显著加快,专利数量快速增长,年均专利数量超过了200项(近2年数据仅供参考)。1.风力发电主轴轴承技术通过对风力叶片技术专利的IPC进行统计分析,选取申请量最高的10个分类(表3),可以发现风力发电主轴轴承技术相关专利主要集中在:(1)与风向垂直的旋转轴线的风力发电机的旋转轴承部件(2)具有基本上与风向一致的旋转轴线的风力发动机的转子利用DI平台的专利地图功能,对风力发电主轴承技术专利的技术主题分布进行了分析(图5)。可以看出,风电主轴轴承技术专利的热点技术主题包括:主轴承结构改进,主轴承的安转卸载,布置方式,材料工艺,监测维护,润滑,密封,保持架等方面。2.风力发电主轴轴承技术专利分析从各国受理的专利优先权数量来看(图6),分为3个层次:中国风力发电机主轴轴承技术专利数量遥遥领先于其他国家和地区;德国、美国、韩国和日本作为第二梯队,专利数量比较接近;而英国、法国和丹麦等其他国家专利数量则相对较少。3.dda分析工具专利分析从专利申请人来看(如表4所示),德国西门子、美国通用和丹麦的维斯塔斯在研发中具有领先优势,属于第一梯队,专利申请数量分别排名第一、第二和第三;专利申请量处于第二梯队的是三菱重工、NTN株式会社和瑞典SKF公司以及三星公司。中国的国电联合动力技术有限公司、金风科技和明阳风电进入这一专利技术领域的时间不到10年,但是它们专利申请量可以排入前十名,反映出中国的风电企业近年来发展比较快。利用DDA分析工具,对主要专利申请机构的专利技术的主题词进行统计分析发现大部分专利集中于主轴轴承的结构设计方面和应用方面。其中西门子和通用电气的专利侧重于轴承的材料工艺技术;维斯塔斯主要集中安装卸载和布置方式上;NTN株式会社的研发重点是调心滚子轴承、圆锥滚子轴承及其保持架和轴承监测维护方面;瑞典SKF的研发重点在圆锥滚子轴承和调心滚子轴承;国电联合的专利主要集中在安装卸载上;金风科技和明阳风电的专利主要集中在安装卸载和布置方式上。近3年专利申请量占专利申请总量比较高的公司有金风科技、西门子和明阳风电公司,反映出这些公司正在积极布局风力主轴轴承的新技术。从各机构的专利申请保护策略来看,除本国外,大部分国外企业非常重视在主要应用市场的保护,包括美国、中国、欧盟等,这也是风电技术的主要竞争市场。同时维斯塔斯、三菱重工、瑞典SKF、西门子还申请了相当数量的PCT专利,反映了其抢占国际市场的意图。中国的风电企业的专利申请地基本上都在中国,少有国外的申请,反应出中国的企业不注重专利的海外布局(表5)。三、技术发展缓慢通过检索德温特创新索引数据库(DII),限定公开日期为2017年以前的专利,共得到偏航和变桨技术相关专利(族)近1600多项。从年度变化趋势来看(图12),2006年以前偏航和变桨技术发展较为缓慢,专利数量呈现慢速增加态势;2006年后随着市场需求的变化,偏航和变桨技术研发显著加快,专利数量快速增长,年均专利数量超过了100项,并且与2012年达到申请量的峰值,后又有所回落(近2年数据仅供参考)。1.．4变桨系统的动力上传通过对偏航和变桨技术专利的IPC进行统计分析,选取申请量最高的10个分类(表6),可以发现风力发电主轴轴承技术相关专利主要集中在:(1)偏航和变桨系统的自动控制和调节;(2)偏航和变桨系统的动力传送。利用DDA分析工具,对偏航和边疆领域的专利技术的主题词进行统计分析,结合阅读相关专利,发现在偏航方面,发展重点已经从过去的被动偏航发展到主动偏航和智能偏航。变桨系统的专利主要集中在:总成、电控、方法、轴承、液压和安全方向。利用DI平台的专利地图功能,对风力发电偏航和变桨技术专利的技术主题分布进行了分析(图8)。可以看出,风力发电偏航和变桨技术专利的热点技术主题包括:偏航制动器、备用马达、备用动力供给、液压驱动主动式偏航、独立变桨等。2.专利优先权比选从各国受理的专利优先权数量来看(图6),分为3个层次:从各国受理的专利优先权数量来看(图14),分为三个层次:中国风力发电机偏航和变桨技术专利数量遥遥领先于其他国家和地区;美国排名第二,数量上和中国有较大差距;日本、韩国、英国、丹麦和澳大利亚等其他国家专利数量则相对较少。3.u3000国外专利申请的现状从专利申请人来看,美国通用的专利申请量具有领先优势,排名第一;北京金风科技排名第二;国电联合、维斯塔斯、西门子和三菱重工,依次排名第三到第六,并且其专利数量比较接近;值得注意的是专利申请量排名前十的有一半是中国公司(表6)。利用DDA分析工具,对主要专利申请机构的专利技术的主题词进行统计分析,结合对相关专利的摘要及全文进行浏览发现:偏航方面通用电气侧重于偏航系统结构和控制策略方面,维斯塔斯侧重于偏航系统结构,金风侧重信号采集和控制策略;变桨方面通用电气、维斯塔斯、西门子等国外厂商,比较关注独立变桨技术,国内企业较为关注变桨装置总成,独立变桨技术申请较少。独立变桨的专利技术申请主要涉及载荷技术、环境监测和控制策略。从各大公司的申请来看,通用电气主要关注点载荷计算和环境监测两个方面;维斯塔斯在3个方面的申请比较均衡;西门子主要致力于载荷计算方面的研发,在控制策略方面有少量布局;三菱重工则在控制策略和载荷计算方面有一定的优势,对环境监测的研发甚少。近3年专利申请量占专利申请总量比较高的公司有国家电网、金风科技和中船重工公司,反映出这些公司正在积极布局风力发电偏航和变桨技术的相关技术。从各机构的专利申请保护策略来看,除本国外,大部分国外企业非常重视在主要应用市场的保护,包括美国、中国、欧盟等,这也是风电技术的主要竞争市场。同时维斯塔斯、三菱重工、通用电气还申请了相当数量的PCT专利,反映了其抢占国际市场的意图。中国的风电企业的专利申请地基本上都在中国,少有国外的申请,反应出中国的企业不注重专利的海外布局(表7)。通过选取表7种在中国进行申请的专利集合,利用DDA工具进行分析,同时结合人工阅读发现上述国内申请主要涉及变桨装置的总体结构的改进,而国外申请更加关注独立变桨控制方法、根据信号执行变桨控制的方法等。同时国外申请非常关注变桨系统在安全和可靠性方面的改进,其涉及该方面的申请所占比例很大,而国内对这方面的关注较小。另一方面,国内申请人较为关注的电控、液压变桨系统则少有国外申请。四、国内企业对相关专利的检测在风力发电机领域最重要的叶片技术、主轴承技术和偏航变桨技术三大技术领域中,中国在专利数量上都占据绝对优势。美国、德国、韩国和日本也是这些领域主要的专利申请国。其中美国、欧洲各国进入风力发电领域均较早,都比较重视其对专利技术在全球范围进行保护。我国虽然是目前全球最大的风力发电技术专利申请国和受理国,但我国机构进入该技术领域普遍较晚,主要厂商基本都是进入新世纪后才开始申请相关专利的,而且相关专利申请绝大多数也都是集中在2007年以后,并且几乎全部集中在国内,国际保护力度极弱。1.风力发电叶片方面,全球主要厂商都很重视分段式叶片结构,可以预见分段式叶片将是未来巨型叶片的主流。我国在分段式叶片的制造、分段模具的设计和制造方面应当加强研发。2.风力发电主轴轴承领域,我国申请的专利主要集中安装卸载和布置方式上,而国外厂商已经对作为广泛采用的主轴轴承类型的调心滚子轴承和圆锥滚子轴承在结构、润滑、密封、涂层、保持架等方面申请了大量的专利,我国企业想要从这两种类型的轴承上再有所创新难度较大,因而我国企业应当将目光转向研发新型结构的主轴轴承上。3.偏航和变桨。从专