風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)專利申請態(tài)勢分析

2017-09-07 09:36:40 《風(fēng)能》　點擊量：評論 (0)

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電機組變槳技術(shù)的專利申請方面，中國企業(yè)還與國外存在較大差距，把握技術(shù)熱點的能力也偏弱。尤其是在作為變槳系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢的獨立變槳技術(shù)的研發(fā)上，還需要國內(nèi)企業(yè)與各大高校共同合作，加

在風(fēng)電機組中，變槳系統(tǒng)的主要作用包括：根據(jù)風(fēng)速的大小自動調(diào)整葉片與風(fēng)向之間的夾角，從而實現(xiàn)風(fēng)輪對風(fēng)力發(fā)電機有一個恒定轉(zhuǎn)速；利用空氣動力學(xué)原理可以使槳葉順槳90度，與風(fēng)向平行，使機組停機。變槳系統(tǒng)的工作原理為：通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進而控制機組的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使機組安全停機。風(fēng)電機組正常運行期間，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過控制葉片的角度使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速保持恒定，任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90 度位置。變槳系統(tǒng)主要包括：變槳軸承，機組的葉片（根部）通過變槳軸承與輪轂相連；變槳電機，其通過一個小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動。此外，變槳系統(tǒng)有時需要由備用電池供電進行變槳操作，因此，變槳系統(tǒng)必須配備備用電池以確保機組發(fā)生嚴(yán)重故障或重大事故時可以安全停機；并且還需要一個冗余限位開關(guān)，在主限位開關(guān)失效時確保變槳電機的安全制動。

本文從全球?qū)＠暾垜B(tài)勢、中國專利申請態(tài)勢兩個方面對變槳系統(tǒng)的專利申請情況進行分析，從而對比國內(nèi)外技術(shù)的差距。其中全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數(shù)據(jù)庫，中國專利申請態(tài)勢分析的樣本來源于中國專利數(shù)據(jù)庫（CPRS）。

變槳系統(tǒng)全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

為分析變槳系統(tǒng)全球?qū)＠暾垜B(tài)勢，本節(jié)重點關(guān)注全球?qū)＠暾堏厔莺椭匾暾埲伺琶麅蓚€方面。

一、申請趨勢

圖1 顯示了風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)專利全球申請量的走勢，大致可分為三個階段：

（一）技術(shù)積累期（1970 年—2005 年）

1970 年，出現(xiàn)了首件關(guān)于變槳系統(tǒng)的專利申請，但從1970 年至2005年，申請量總體上處于增長緩慢的狀態(tài)。1978 年—1988 年，申請量達(dá)到了一個小的峰值，這得益于美國眾議院和參議院于1978 年通過的風(fēng)能政策法，確定1978 年—1988 年國家風(fēng)能開發(fā)計劃。在此期間，美國企業(yè)提出了大量專利申請，使得這段時期的專利申請量出現(xiàn)了一次峰值。然而在1988 年—1999 年這十年的期間，變槳系統(tǒng)的申請不僅沒有增長，反而小幅回落。到了2000 年—2005 年，變槳系統(tǒng)才開始重新得到了關(guān)注，專利申請量也有了小幅度增長。

（二）快速發(fā)展期（2006 年—2011 年）

從2006 年至今，變槳系統(tǒng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，特別是在2006年—2011 年期間，申請量增長了數(shù)倍。這主要得益于2006 年1 月1 日中國開始實施的《可再生能源法》，國家鼓勵和支持可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，從而使得中國的申請量出現(xiàn)了井噴式增長。這期間，中國申請人提交了大量相關(guān)申請。

（三）技術(shù)穩(wěn)定期（2012 年至今）

在經(jīng)歷了快速的發(fā)展期后，到2012 年后，風(fēng)電機組市場出現(xiàn)短期飽和，專利申請量也出現(xiàn)了小幅回落，但每年仍保持了較高的申請量水平。而2014 年后的申請量數(shù)據(jù)受到公開滯后的影響，并不能準(zhǔn)確反映真實申請量。

二、主要申請人排名

圖2 顯示了風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)專利的全球申請人排名。在變槳系統(tǒng)專利領(lǐng)域排名前十的申請人中，中國企業(yè)僅占到了3 席，且總申請量也遠(yuǎn)落后于國外企業(yè)。這顯示出中國企業(yè)在風(fēng)電變槳系統(tǒng)的研發(fā)和保護上已有一定的成效，但與全球范圍內(nèi)領(lǐng)先的企業(yè)相比仍有較大差距。此外，通用電氣、維斯塔斯分別名列第一、第二，在申請量上并駕齊驅(qū)，這兩家企業(yè)的申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他企業(yè)；西門子和三菱重工位列第三、第四。上述排名前十的申請人全部為公司，其余排名靠前的也均為公司或者研究機構(gòu)，基本沒有個人申請。可見變槳系統(tǒng)是一個技術(shù)水平要求和產(chǎn)業(yè)化較高的領(lǐng)域，個人很難進入。

變槳系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢分析

為分析變槳系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢，本節(jié)重點研究了變槳系統(tǒng)中國專利申請趨勢、申請技術(shù)分布、國內(nèi)外技術(shù)對比三個方面。

一、申請趨勢

圖3 顯示了風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)領(lǐng)域中國專利申請量的發(fā)展趨勢。

1990 年，中國出現(xiàn)了首件變槳系統(tǒng)的專利申請。但從1990 年開始至2005 年，申請量總體上處于增長緩慢的狀態(tài)，15 年間僅有26 件。在這15 年時間內(nèi)，變槳系統(tǒng)的整體研發(fā)水平較低，成果較少。2006 年后，申請量出現(xiàn)了快速增長，尤其是2011 年、2012 年達(dá)到200 件以上專利申請的頂峰，之后的幾年也都一直保持著100件以上的申請量。這同樣也主要得益于2006 年1 月1 日中國開始實施的《可再生能源法》。2012 年后，這種趨勢有所放緩。2013 年—2015 年，申請量出現(xiàn)了一定下滑。

二、技術(shù)分布

圖4 是變槳系統(tǒng)中國專利申請的技術(shù)分布及申請量走勢。從圖中可以看出，在中國申請的變槳系統(tǒng)專利中，以變槳裝置總成和變槳控制方法居多，分別占29% 和25%，其次為變槳電控結(jié)構(gòu)、安全和可靠性。從申請量走勢來看，2004 年及以前，各大技術(shù)分支的申請量均較少。早期的申請大部分涉及變槳裝置總成，并且自2005 年以來，變槳裝置總成和變槳控制方法的申請量出現(xiàn)了較快增長。然而在2011年達(dá)到頂峰之后，變槳裝置總成的申請量出現(xiàn)了大幅下滑，而變槳控制方法的申請量仍然保持了較高的水平；變槳電控結(jié)構(gòu)、變槳軸承齒輪的專利申請量則在2009 年開始增長，之后一直保持穩(wěn)定；涉及安全及可靠性方面的專利申請在早期就有少量，而在2007 年開始出現(xiàn)井噴，2011 年后至今更是成為重點關(guān)注的技術(shù)分支之一。

三、國內(nèi)外技術(shù)分布對比

圖5 顯示了變槳系統(tǒng)國內(nèi)外專利申請的技術(shù)分布對比雷達(dá)圖，其中申請量按照百分計算。從圖中可以看出，在變槳系統(tǒng)的七大技術(shù)分支中，國內(nèi)外最關(guān)注的技術(shù)點不同。首先，國內(nèi)申請人較為關(guān)注變槳裝置總成，占總申請量的26% ；而國外申請人對變槳控制方法的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他技術(shù)分支，占到總申請量的43%。進一步對這些申請進行詳細(xì)分析后可以看出，上述國內(nèi)申請主要涉及變槳裝置總體結(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。其次，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，涉及該方面的申請量所占比重很大，達(dá)到21% ；而國內(nèi)對這方面的關(guān)注較少，僅占總申請量的6%。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。

綜上所述，我們認(rèn)為在此類專利申請上，目前國內(nèi)與國外還存在一定差距。通過對變槳系統(tǒng)專利申請的技術(shù)分布走勢進行分析可知，目前變槳系統(tǒng)的熱點在于變槳控制方法以及安全和可靠性。國外申請人把握住了熱點，十分注重對這兩項技術(shù)分支的申請。而國內(nèi)申請人則過于注重對于變槳裝置結(jié)構(gòu)的改進，對上述技術(shù)熱點關(guān)注不足，特別是在安全和可靠性方面，國內(nèi)申請人對這些技術(shù)分支的專利申請更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。

獨立變槳技術(shù)專利申請分析

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，機組容量越來越大，風(fēng)輪直徑也持續(xù)增大。由于風(fēng)切變、湍流、擾動效應(yīng)，塔筒的塔影效應(yīng)，葉片的重力、離心力等因素使葉片載荷發(fā)生不規(guī)則變化的影響也隨之加劇，葉片、輪轂、主軸、塔筒等部件的疲勞載荷增加，降低了這些部件的壽命和機組的可靠性。另一方面，隨著載荷測量傳感器技術(shù)的發(fā)展，能夠長期可靠測量機組上的載荷。通過獨立變槳控制，以減小大型風(fēng)電機組各主要部件的疲勞載荷，比通過增加機械結(jié)構(gòu)強度來提高設(shè)備的可靠性和壽命更經(jīng)濟實惠。2005 年后，獨立變槳技術(shù)的專利申請量有了顯著增長。本節(jié)選取了變槳系統(tǒng)專利申請量在全球范圍內(nèi)排名前四的通用電器、維斯塔斯、西門子以及三菱重工，來具體分析它們的獨立變槳技術(shù)專利申請情況。

從圖6 中可以看到，這四家公司均申請了獨立變槳技術(shù)專利。特別是維斯塔斯公司，作為專門致力于風(fēng)能利用研究的一家公司，以32 件與獨立變槳技術(shù)相關(guān)的專利申請量遙遙領(lǐng)先于其他公司。這主要是由于維斯塔斯公司供應(yīng)的產(chǎn)品大部分為單機容量在兆瓦級以上的大型風(fēng)電機組，而目前絕大多數(shù)大型機組均采用了獨立變槳技術(shù)。

圖7 顯示了四大公司獨立變槳專利申請的技術(shù)分支情況。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，這些申請主要涉及三個方面：

1. 載荷計算。技術(shù)的主要作用是，在保證功率輸出的前提下，降低運行過程中機組各部件的疲勞載荷。因此，對于各部件載荷的測量計算（或估算）是獨立變槳技術(shù)的基礎(chǔ)。通用電氣、維斯塔斯和西門子公司均有9 項與載荷計算相關(guān)的申請，可見這些公司十分注重對這方面專利的保護。

2. 環(huán)境監(jiān)測。各槳葉所受風(fēng)速、風(fēng)向不同是引起載荷不平衡的主要因素，因此，對風(fēng)速、風(fēng)向進行實時監(jiān)測，以及更加準(zhǔn)確、有效地測定這些參數(shù)是獨立變槳技術(shù)研究的重點方向。另外，對風(fēng)電機組周圍的噪聲、槳葉的振動、塔架的側(cè)擺、甚至是葉片上的結(jié)冰等環(huán)境因素進行監(jiān)測，并通過獨立變槳技術(shù)控制相應(yīng)地消除這些不利因素也是獨立變槳技術(shù)的一些具體應(yīng)用方向。在環(huán)境監(jiān)測方面，維斯塔斯、通用電氣分別以11 件、10 件申請量名列前茅，而西門子和三菱重工在這方面的技術(shù)研發(fā)明顯較為薄弱。

3. 控制策略。在獲得風(fēng)速、風(fēng)向、載荷等參數(shù)后，還必須利用這些參數(shù)建立有效的模型，并通過相應(yīng)的控制策略才能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)化的控制。目前常用的模型中，線性模型相對簡單，但是通常忽略了機組的部分特性；非線性模型則通常較為復(fù)雜，難以分析計算。而控制策略主要有基于模糊控制的智能控制策略以及基于葉片疲勞載荷的控制策略等。在這方面，維斯塔斯公司以12 件申請量排在第一位，而三菱重工的大部分申請也均集中在控制策略上。

從各大公司的申請方向來看，通用電氣主要關(guān)注載荷計算和環(huán)境監(jiān)測兩個方面，并且具有較強的競爭力；而維斯塔斯在三個方面的申請量十分均衡，并且均為第一或并列第一；西門子主要致力于載荷計算方面的研發(fā)，另外在控制策略方面也有少量布局；三菱重工則在控制策略方面有一定優(yōu)勢，對載荷計算、環(huán)境監(jiān)測的研發(fā)涉足甚少。

結(jié)論

隨著風(fēng)電機組的整體結(jié)構(gòu)、各部件結(jié)構(gòu)增大，導(dǎo)致其承受的負(fù)載增大，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)降低不平衡載荷的變槳系統(tǒng)的應(yīng)用也會更加受到如通用電氣、維斯塔斯、西門子等全球各大風(fēng)電廠商的重視，并在世界范圍內(nèi)申請了大量的相關(guān)專利。這些全球最強的風(fēng)電廠商也不約而同地進入中國申請了大量變槳系統(tǒng)專利，構(gòu)筑了一道道“壁壘”。而中國企業(yè)對變槳系統(tǒng)的研究還不夠深入，僅僅停留在對變槳裝置結(jié)構(gòu)、部件的改進上，對變槳控制方法以及采用變槳系統(tǒng)提高機組安全性和可靠性等方面的成果仍然較少。獨立變槳技術(shù)是變槳系統(tǒng)未來發(fā)展的一個必然趨勢，想在獨立變槳技術(shù)占有一席之地，對于各部件載荷測量與計算，風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素的檢測，以及基于線性非線性模型的模糊控制策略方面的基礎(chǔ)研發(fā)都必不可少。而在這三個方面中，國內(nèi)企業(yè)雖然與國外差距較大，但是國外企業(yè)也是近些年才獲得了一些成果。特別是對于控制策略方面，由于其相比載荷計算以及環(huán)境監(jiān)測更接近于技術(shù)理論與算法的研究，建議國內(nèi)企業(yè)與各大高校共同合作，加強基礎(chǔ)學(xué)科的研究，以期在獨立變槳控制策略方面能夠有所突破。（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局機械部風(fēng)力機械處）

原標(biāo)題:調(diào)研 | 風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)專利申請態(tài)勢分析

責(zé)任編輯：lixin

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