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风力发电机叶片产业分析报告
2016-11-29 09:47:56 阅读

  叶片是风力发电机组中最重要的部分,其自身的设计及制造直接影响到风力发电机整体的效率、可靠性等重要指标,轻质、可靠、受风效率高的叶片一直是业界的追求。在全球追求清洁新能源的形势下,在风力发电机中使用更加高效的叶片的需求显得更为急迫。近年来,在不断出台的扶持政策的带动下,我国风电市场增长迅速,这一方面使国内风电企业有了更大的舞台来施展自己,但另一方面这也使海外风电巨头加快了在我国的专利布局。
  基于风力发电行业发展尤其是叶片行业发展的需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目风力发电机课题组从全球叶片领域的特点、通用电气在叶片领域的专利布局以及未来值得关注的方向这三个方面,通过分析专利数据对叶片领域的技术特点进行了深入地剖析。
PART 1:整体——全球叶片领域的特点
  图1是叶片领域全球主要申请地区申请量,从此图可以看出,排名第一的是中国,在中国的专利申请量占全球专利申请总量的31%;排名第二的是美国,在美国的专利申请量占全球专利申请总量的17%;排名第三的是德国,在德国的专利申请量占全球专利申请总量的15%。也就是说,向中国申请的专利最多,其次是美国,这一方面说明中国风力发电机叶片的市场巨大,另一方面也说明当前国内风力发电机叶片领域相当活跃。但同时应当注意的是,向中国申请的专利,有百分之八十以上是只选定中国一个国家作为申请进入的对象,可以肯定的是,其中绝大部分为中国个人或是小型公司的申请,且长远看来并无出口的需求;而美国、德国等地区则均不存在该情况。这也从一个侧面反应出中国当前的叶片领域的技术现状,即非常活跃但缺乏国内自主的核心技术。
 
 
  图2是叶片领域全球主要申请人申请量分布比例图,全球申请量前五的公司分别是通用电气、维斯塔斯、西门子、三菱、三星,其中前五名的申请量占总申请量的16%,前二十名的申请量占总申请量的26%。可见在叶片领域,专利申请的集中度并不高,除了前五名有明显优势外,其它的优势并不明显,说明该领域处于一个百花齐放的活跃期,或者处于一个各公司研发高峰期,不管是哪种可能,都说明叶片领域是各公司均关注的,并有改进需求、充满机会的一个领域。
 
 
PART 2:个体——通用电气在叶片领域的专利布局
 
  通用电气作为拥有最多叶片技术专利的公司,对市场也有着极其敏锐的嗅觉。从2002年开始,通用电气公司在中国的申请量就有了迅猛而稳定的增长,申请主要集中在叶片结构方面,叶片工艺方面一直都有涉及,但占比不大,材料方面则很少。
 
  图3是通用电气全球叶片专利申请的技术-功效图,从图中可以看出,通用电气主要集中在提高风能效率、降噪方面的研究,其中与降噪相关的大部分申请也都能够实现风能效率的提高;其次是对雷电保护和冰雪保护的研究。采用的技术手段主要为加装构件、叶片的整体造型。
 
 
  图4是通用电气全球叶片效率技术路线图,其是在通用电气的全球305项叶片专利申请中挑选出关于提高风能效率的90项专利申请,经逐篇阅读与分析而绘制的。图中采用不同的颜色代表不同的技术,红色代表整体造型,黄色代表加装构件,玫红色代表翼型,绿色代表叶尖,浅蓝色代表材料。
 

 

 

  从图中可以明显看出,黄色所代表的通过加装构件来提高风能效率是通用电气采取的最多的技术,基本上自2004年开始每年都有这方面的专利申请,说明通用电气在这方面一直有技术改进和创新。加装构件包括产生主动流和涡流的结构、副翼、延伸部,其中,关于延伸部的相关申请是最多的,技术也在不断改进更新。如图中标有★的所示,既有固定式的延伸部,也有可展开的延伸部;延伸部的位置在发生改变,从最初的后缘再到前、后缘,随后还出现在了叶根;延伸部的数量在发生改变,从一件到两件甚至更多;同时还出现了关于延伸部展开的各种控制机构的演变。通过加装构件,通用电气还实现了前缘、后缘的移动和枢转,提高风能捕捉效率。

  在图中还可以发现,在2010年以前,均是采用单一技术,例如,仅采取叶片整体造型,或仅通过加装构件,而在2010年以后,开始出现了几种技术的组合。因此,将多个技术进行适当组合将会是对提高风能效率的一个重要手段和发展方向,值得国内企业关注。

PART 3:建议——未来值得关注的方向
 
  由于近年来对风机功率的要求越来越高,叶片的长度也在不断的加长,重量也不断的增加,对生产、运输等各个环节都带来了巨大的影响。因此,从各个方面突破现有壁垒、在可实现的范围内增加叶片的长度是现代以及将来很长时间的目标。
 
 
  由此给各个环节(如图5的叶片实践周期图所示)都带来了挑战以及机会,通过对全球叶片专利申请的数据分析,可以在此大胆地对未来风力发电机叶片技术做一下展望:
  1、材料:碳纤维将是未来的趋势,而如何价廉而高效地使用碳纤维将是未来研究的重点,碳纤维应用的部位以及应用的方式都将是研发的重点。
  2、结构:随着叶片长度的增加,分段式叶片必将是未来巨型叶片的主流方式。
  3、制造:分段式叶片的制造中,分段模具的设计和制造至关重要,但是现在这方面的申请很少。
  4、维护:随着市场上投入使用的风力发电机越来越多,维护问题也越来越突出。检测方面的专利已经越来越多;而发现故障后,是修补还是更换,尤其是修补方面,基本上无主流公司的申请。
  5、回收:目前来说,这方面基本是一片空白,现有技术中也只有竹纤维和木纤维叶片与回收比较相关,但毕竟这些材料不可能成为主流。因此,对于玻璃纤维增强复合材料叶片的回收,必然是一个巨大的市场。(国家知识产权局专利分析普及推广项目风力发电机课题组)
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