风电机组变桨系统专利申请态势分析

　　统计分析发现，在风电机组变桨技术的专利申请方面，中国企业还与国外存在较大差距，把握技术热点的能力也偏弱。尤其是在作为变桨系统未来发展趋势的独立变桨技术的研发上，还需要国内企业与各大高校共同合作，加强基础学科的研究。 　　
　　在风电机组中，变桨系统的主要作用包括：根据风速的大小自动调整叶片与风向之间的夹角，从而实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺桨90度，与风向平行，使机组停机。变桨系统的工作原理为：通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制机组的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使机组安全停机。风电机组正常运行期间，当风速超过额定风速时，通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定，任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90 度位置。变桨系统主要包括：变桨轴承，机组的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连；变桨电机，其通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。此外，变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作，因此，变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故时可以安全停机；并且还需要一个冗余限位开关，在主限位开关失效时确保变桨电机的安全制动。
　　
　　本文从全球专利申请态势、中国专利申请态势两个方面对变桨系统的专利申请情况进行分析，从而对比国内外技术的差距。其中全球专利申请态势分析的样本来源于世界专利索引（WPI）数据库，中国专利申请态势分析的样本来源于中国专利数据库（CPRS）。
　　
　　变桨系统全球专利申请态势分析
　　
　　为分析变桨系统全球专利申请态势，本节重点关注全球专利申请趋势和重要申请人排名两个方面。
　　
　　一、申请趋势

　　 　　
　　（ 一） 技术积累期（1970 年—2005 年）
　　
　　1970 年，出现了首件关于变桨系统的专利申请，但从1970 年至2005年，申请量总体上处于增长缓慢的状态。1978 年—1988 年，申请量达到了一个小的峰值，这得益于美国众议院和参议院于1978 年通过的风能政策法，确定1978 年—1988 年国家风能开发计划。在此期间，美国企业提出了大量专利申请，使得这段时期的专利申请量出现了一次峰值。然而在1988 年—1999 年这十年的期间，变桨系统的申请不仅没有增长，反而小幅回落。到了2000 年—2005 年，变桨系统才开始重新得到了关注，专利申请量也有了小幅度增长。
　　
　　（ 二） 快速发展期（2006 年—2011 年）
　　
　　从2006 年至今，变桨系统技术得到了快速的发展，特别是在2006年—2011 年期间，申请量增长了数倍。这主要得益于2006 年1 月1 日中国开始实施的《可再生能源法》，国家鼓励和支持可再生能源并网发电，从而使得中国的申请量出现了井喷式增长。这期间，中国申请人提交了大量相关申请。
　　
　　（三）技术稳定期（2012 年至今）
　　
　　在经历了快速的发展期后，到2012 年后，风电机组市场出现短期饱和，专利申请量也出现了小幅回落，但每年仍保持了较高的申请量水平。而2014 年后的申请量数据受到公开滞后的影响，并不能准确反映真实申请量。
　　
　　二、主要申请人排名

　　
　　图2 显示了风电机组变桨系统专利的全球申请人排名。在变桨系统专利领域排名前十的申请人中，中国企业仅占到了3 席，且总申请量也远落后于国外企业。这显示出中国企业在风电变桨系统的研发和保护上已有一定的成效，但与全球范围内领先的企业相比仍有较大差距。此外，通用电气、维斯塔斯分别名列第一、第二，在申请量上并驾齐驱，这两家企业的申请量远远多于其他企业；西门子和三菱重工位列第三、第四。上述排名前十的申请人全部为公司，其余排名靠前的也均为公司或者研究机构，基本没有个人申请。可见变桨系统是一个技术水平要求和产业化较高的领域，个人很难进入。
　　
　　变桨系统中国专利申请态势分析
　　
　　为分析变桨系统中国专利申请态势，本节重点研究了变桨系统中国专利申请趋势、申请技术分布、国内外技术对比三个方面。
　　
　　一、申请趋势

　　 　　
　　1990 年，中国出现了首件变桨系统的专利申请。但从1990 年开始至2005 年，申请量总体上处于增长缓慢的状态，15 年间仅有26 件。在这15 年时间内，变桨系统的整体研发水平较低，成果较少。2006 年后，申请量出现了快速增长，尤其是2011 年、2012 年达到200 件以上专利申请的顶峰，之后的几年也都一直保持着100件以上的申请量。这同样也主要得益于2006 年1 月1 日中国开始实施的《可再生能源法》。2012 年后，这种趋势有所放缓。2013 年—2015 年，申请量出现了一定下滑。
　　
　　二、技术分布

　　
　　图4 是变桨系统中国专利申请的技术分布及申请量走势。从图中可以看出，在中国申请的变桨系统专利中，以变桨装置总成和变桨控制方法居多，分别占29% 和25%，其次为变桨电控结构、安全和可靠性。从申请量走势来看，2004 年及以前，各大技术分支的申请量均较少。早期的申请大部分涉及变桨装置总成，并且自2005 年以来，变桨装置总成和变桨控制方法的申请量出现了较快增长。然而在2011年达到顶峰之后，变桨装置总成的申请量出现了大幅下滑，而变桨控制方法的申请量仍然保持了较高的水平；变桨电控结构、变桨轴承齿轮的专利申请量则在2009 年开始增长，之后一直保持稳定；涉及安全及可靠性方面的专利申请在早期就有少量，而在2007 年开始出现井喷，2011 年后至今更是成为重点关注的技术分支之一。
　　
　　三、国内外技术分布对比 　　
　　图5 显示了变桨系统国内外专利申请的技术分布对比雷达图，其中申请量按照百分计算。从图中可以看出，在变桨系统的七大技术分支中，国内外最关注的技术点不同。首先，国内申请人较为关注变桨装置总成，占总申请量的26% ；而国外申请人对变桨控制方法的关注远远超出了其他技术分支，占到总申请量的43%。进一步对这些申请进行详细分析后可以看出，上述国内申请主要涉及变桨装置总体结构的改进，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。其次，国外申请非常关注变桨系统在安全和可靠性方面的改进，涉及该方面的申请量所占比重很大，达到21% ；而国内对这方面的关注较少，仅占总申请量的6%。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。
　　
　　综上所述，我们认为在此类专利申请上，目前国内与国外还存在一定差距。通过对变桨系统专利申请的技术分布走势进行分析可知，目前变桨系统的热点在于变桨控制方法以及安全和可靠性。国外申请人把握住了热点，十分注重对这两项技术分支的申请。而国内申请人则过于注重对于变桨装置结构的改进，对上述技术热点关注不足，特别是在安全和可靠性方面，国内申请人对这些技术分支的专利申请更是远远落后于国外。
　　
　　独立变桨技术专利申请分析
　　
　　随着风电技术的发展，机组容量越来越大，风轮直径也持续增大。由于风切变、湍流、扰动效应，塔筒的塔影效应，叶片的重力、离心力等因素使叶片载荷发生不规则变化的影响也随之加剧，叶片、轮毂、主轴、塔筒等部件的疲劳载荷增加，降低了这些部件的寿命和机组的可靠性。另一方面，随着载荷测量传感器技术的发展，能够长期可靠测量机组上的载荷。通过独立变桨控制，以减小大型风电机组各主要部件的疲劳载荷，比通过增加机械结构强度来提高设备的可靠性和寿命更经济实惠。2005 年后，独立变桨技术的专利申请量有了显著增长。本节选取了变桨系统专利申请量在全球范围内排名前四的通用电器、维斯塔斯、西门子以及三菱重工，来具体分析它们的独立变桨技术专利申请情况。 　　
　　从图6 中可以看到，这四家公司均申请了独立变桨技术专利。特别是维斯塔斯公司，作为专门致力于风能利用研究的一家公司，以32 件与独立变桨技术相关的专利申请量遥遥领先于其他公司。这主要是由于维斯塔斯公司供应的产品大部分为单机容量在兆瓦级以上的大型风电机组，而目前绝大多数大型机组均采用了独立变桨技术。 　　
　　图7 显示了四大公司独立变桨专利申请的技术分支情况。经过对比分析发现，这些申请主要涉及三个方面：
　　
　　1. 载荷计算。技术的主要作用是，在保证功率输出的前提下，降低运行过程中机组各部件的疲劳载荷。因此，对于各部件载荷的测量计算（或估算）是独立变桨技术的基础。通用电气、维斯塔斯和西门子公司均有9 项与载荷计算相关的申请，可见这些公司十分注重对这方面专利的保护。
　　
　　2. 环境监测。各桨叶所受风速、风向不同是引起载荷不平衡的主要因素，因此，对风速、风向进行实时监测，以及更加准确、有效地测定这些参数是独立变桨技术研究的重点方向。另外，对风电机组周围的噪声、桨叶的振动、塔架的侧摆、甚至是叶片上的结冰等环境因素进行监测，并通过独立变桨技术控制相应地消除这些不利因素也是独立变桨技术的一些具体应用方向。在环境监测方面，维斯塔斯、通用电气分别以11 件、10 件申请量名列前茅，而西门子和三菱重工在这方面的技术研发明显较为薄弱。
　　
　　3. 控制策略。在获得风速、风向、载荷等参数后，还必须利用这些参数建立有效的模型，并通过相应的控制策略才能够实现更优化的控制。目前常用的模型中，线性模型相对简单，但是通常忽略了机组的部分特性；非线性模型则通常较为复杂，难以分析计算。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叶片疲劳载荷的控制策略等。在这方面，维斯塔斯公司以12 件申请量排在第一位，而三菱重工的大部分申请也均集中在控制策略上。
　　
　　从各大公司的申请方向来看，通用电气主要关注载荷计算和环境监测两个方面，并且具有较强的竞争力；而维斯塔斯在三个方面的申请量十分均衡，并且均为第一或并列第一；西门子主要致力于载荷计算方面的研发，另外在控制策略方面也有少量布局；三菱重工则在控制策略方面有一定优势，对载荷计算、环境监测的研发涉足甚少。
　　
　　结论
　　
　　随着风电机组的整体结构、各部件结构增大，导致其承受的负载增大，因此，能够实现降低不平衡载荷的变桨系统的应用也会更加受到如通用电气、维斯塔斯、西门子等全球各大风电厂商的重视，并在世界范围内申请了大量的相关专利。这些全球最强的风电厂商也不约而同地进入中国申请了大量变桨系统专利，构筑了一道道“壁垒”。而中国企业对变桨系统的研究还不够深入，仅仅停留在对变桨装置结构、部件的改进上，对变桨控制方法以及采用变桨系统提高机组安全性和可靠性等方面的成果仍然较少。独立变桨技术是变桨系统未来发展的一个必然趋势，想在独立变桨技术占有一席之地，对于各部件载荷测量与计算，风速、风向等环境因素的检测，以及基于线性非线性模型的模糊控制策略方面的基础研发都必不可少。而在这三个方面中，国内企业虽然与国外差距较大，但是国外企业也是近些年才获得了一些成果。特别是对于控制策略方面，由于其相比载荷计算以及环境监测更接近于技术理论与算法的研究，建议国内企业与各大高校共同合作，加强基础学科的研究，以期在独立变桨控制策略方面能够有所突破。（作者单位：国家知识产权局专利局机械部风力机械处）