風力發電機組偏航系統專利分析

文 | 張人天，衛紅

風力發電機組偏航系統專利分析

文 | 張人天，衛紅*

偏航系統的專利申請發展大致經歷了4個時期，于2012年左右到達頂峰，后又有所回落。在全部專利申請中，以中國、美國所占的份額最大。但是在全球專利申請中，大部分來自國外企業。在對中國的專利申請中，大部分也來自國外公司。

偏航系統是風力發電機組特有的伺服系統，是風力發電機組的主要組成部分之一。偏航系統驅動機艙圍繞塔架中心線旋轉，其主要作用有：一是與機組控制系統配合，轉動機艙使風輪掃掠面與風向保持垂直，使風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，以保證風力發電機組具有最大的發電能力；二是當機艙處于正確位置時，在風向不變的情況下，提供必要的鎖緊力矩，使機艙定位，以保證風力發電機組的安全運行；三是由于風電機組可能持續地向一個方向偏航，機組懸垂部分的電纜有可能產生過度的紐絞而使電纜斷裂、失效，因此，偏航系統的另一個作用是在電纜達到設計纏繞值時能自動解除纏繞。

偏航系統主要分為兩大類：被動迎風偏航系統和主動迎風系統。前者多用于小型的獨立風力發電系統，由尾舵控制，風向改變時，被動對風。后者則多用于大型并網型風力發電系統，由位于下風向的風向標發出的信號進行主動對風控制。

偏航系統大致由偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航計數器和紐纜保護裝置等幾部分組成。

本文從全球專利申請態勢、中國專利申請態勢兩方面對偏航系統的專利進行分析。其中，全球專利申請態勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數據庫，中國專利申請態勢分析的樣本來源于中國專利數據庫（CPRS）。

偏航系統全球專利申請態勢分析

為分析偏航系統全球專利申請態勢，本節重點關注全球專利申請趨勢、全球專利申請的國家/地區分布、重要申請人專利申請量排名及申請趨勢分析等幾個方面。

一、申請趨勢

從圖1可以看出，全球風力發電機組偏航系統專利申請量的發展可以分為以下4個階段：

（一）技術積累期（2000年之前）

與偏航系統相關的專利申請量在2000年之前一直維持在一個相對穩定的水平，這一時期的總申請量為148項，并且每年申請量都不大，只有1980年、1981年、1996年、1999年四年的申請量超過10項，其余年份的申請量均為個位數，可以稱這段時期為技術積累期。這段時期專利的首次申請大部分是在美、德、法、英等國專利局以及世界知識產權組織、歐洲專利局等提出的，可見最初的技術積累大多存在于美、德、英、法等傳統工業發達國家。

（二）低速增長期（2000年—2007年）

2000年至2007年，該領域專利申請量進入了一個低速增長的階段。其中，2000年的申請量為13項，2007年則為90項，平均年增長率為31.8%，可以稱這段時期為低速增長期。在該時期內，專利的首次申請主要指向世界知識產權組織、美國、日本、中國、德國、歐洲專利局、韓國等（按照申請量大小排列）。值得一提的是，在該階段，指向日本和中國的專利申請增長最為迅速，在總申請量上占據了第三、第四的位置。其中，指向中國的申請量與德國持平，均為35項。同時，申請量排名大幅下降的有英、法等國。由此可以看出，由于技術的發展和新興市場的崛起，專利申請重點在全球范圍內得以重新分配。

（三）高速增長期（2008年—2012年）

從2008年開始，至2012年結束，該領域的專利申請量迎來了一次飛速發展的時期，短短5年時間專利申請量就達到了1203項，超過所有其他年份申請量的總和，因此稱該段時期為高速增長期。在該時期，指向中國、韓國的專利申請量增長最為迅速。中國為318項，排名第一，大幅領先其他國家和地區；韓國為146項，排名第四。位列申請量第二、第三、第五的依次為世界知識產權組織（214項）、美國（201項）、歐洲專利局（96項）。可見，以中、韓為代表的亞洲新興市場成為了全球專利布局的重點區域。

（四）穩定期（2013年之后）

經歷了前一階段的高速發展，隨后，該領域的專利申請量進入了一個相對穩定的發展時期。2013年的申請量有所回落，在全球范圍內有268項，相較于處于項峰的2012年（307項）稍有回落。2014年和2015年申請的專利尚未全部公開，不具有參考價值，因此，不予考慮。但是根據2014年的公開數據可以預見，2014年和2015年的專利申請量不會再有類似前一階段的大幅增長。因此，可以稱2013年至今的時期為穩定期。

圖1 偏航系統全球專利申請趨勢

圖2 偏航系統全球專利申請地域分布

二、全球專利申請國家/地區分布

從圖2中可以看出，中國作為潛力巨大的新興市場，吸引了各方面充分的關注，在該領域中指向中國的專利申請有510項，位列第一。除中國外，申請量超過100項的分別有美國（368項）、世界知識產權組織（355項）、韓國（210項）、德國（171項）、歐洲專利局（166項）和日本（163項）。在該項專利申請指向國的申請量排名中，亞洲占據三席，已經與歐美傳統工業強國有了分庭抗禮之勢。

圖3 偏航系統重要申請人全球申請量排名

三、重要申請人專利申請量對比

圖3的數據取自偏航技術領域申請量在20項以上的重要申請人，且僅統計第一申請人，共15名。排名第一的是來自美國的通用電氣，這也是排名中僅有的美國企業，但其申請量遠多于其他申請人。排名第二的是韓國三星重工業株式會社。此外，還有另一個韓國申請人——現代重工業株式會社在總排名中位列第十四。來自日本的申請人有4位，分別為三菱重工業株式會社、納博特斯克株式會社、富士重工業株式會社和日立集團，分列第四、第七、第八、第十位。另外，還有來自丹麥的維斯塔斯、德國的西門子和法國的阿爾斯通入圍前十五強。

在重要申請人中，除上述提到的國外企業，其余5位均是來自中國的企業，分別為上海翌威科技、廣東東興風盈、國電聯合動力、華銳風電和金風科技。對比圖2可以看出，雖然在本領域中指向中國的總申請量要超過其他國家，但國內企業的貢獻并不是十分突出。由此可以推斷在中國的專利申請中，國外企業來華申請和國內的個人申請占據了較大比重。這一方面說明了國外大企業對中國這個巨大新興市場的重視，另一方面也說明了國內存在大量、片面、不成系統的個人申請。實際上，分析國內的專利申請結構可知，個人申請大部分是申請質量和技術含量均有限的實用新型專利申請。因此，國內企業對于專利布局的意識和行動需要加強，并設法在國外重要企業已經形成或者即將形成的專利壁壘中尋求出路。

四、重要申請人專利申請趨勢分析

圖4是偏航領域中申請量最大的5個申請人在全球的專利申請態勢對比。這5個全部是國外申請人，按順序依次為通用電氣、維斯塔斯、三星重工、三菱重工、西門子。申請量最大的年份均分布于2009年以后，并且在達到最大申請量后又有了明顯的回落，這與整個行業在全球的發展有關。

這幾個申請人中，通用電氣、維斯塔斯、三菱重工和西門子等都是屬于風力發電領域傳統的強勢群體，唯有三星重工并非屬于這個陣營，但其在偏航、變槳和控制領域的專利申請量均榜上有名且申請量居于前列，經過互聯網檢索，獲得如下信息：

為了減輕新船訂單下滑帶來的影響，三星重工正計劃進軍到2020年市值將達到740億美元的風力發電市場生產風力發電機組。目前，三星重工正在為建風力發電機組生產廠選址。據三星重工預測，到2010年建風力發電機組廠將具備年產200臺2.5兆瓦和5兆瓦風力發電機組的能力。根據三星重工的計劃，到2015年，該公司將實現年產風力發電機組500臺，年銷售額3萬億韓元，該公司的風力發電機組產量還有可能增長到1600臺。三星重工還計劃進入包括中國和印度在內的海外風力發電市場。在由于經濟衰退導致全球減少對船舶需求的情況下，三星重工將與現代重工聯手擴大其經營范圍。

該信息早在2009年6月9日就被發布，可見在這之前，三星重工已有進軍風力發電市場的計劃，并且依托三星集團的優勢產業，比如電子產業、芯片制造、控制算法等方面，使得三星重工在偏航、變槳以及控制方面的專利申請量一舉超過了一部分本行業傳統企業。

圖4 五大公司在偏航領域專利申請態勢對比

圖5 偏航系統中國專利申請態勢

偏航系統中國專利申請態勢分析

為分析偏航系統中國專利申請態勢，本節重點研究了偏航領域的中國專利申請趨勢、中國專利申請類型、重要申請人申請量排名、技術結構對比這4個方面。

一、申請趨勢

如圖5所示，在中華人民共和國國家知識產權局成立的當年就有了涉及偏航系統的專利申請。從總體來看，中國與全球的偏航系統專利申請量變化趨勢比較類似，均是在2000年以前的各年申請量比較少，并且比較穩定，各年之間的申請量變化不大。從2000年至2007年迎來一個低速增長的時期，2007年至2012年之間增長迅猛，而2012年以后又有了明顯的回落。因此，也可以將中國偏航系統專利申請量的發展分為技術積累期、低速增長期、高速增長期和穩定期這幾個時期。

同樣，2014年之后提交的專利申請尚未完全公開，因此，該部分申請量數據也不具有參考價值。2012年之后的申請量下降現象，則是與“三北”地區大規模棄風限電有關。按照國家能源局政策，在電網接納能力不足、風電場建設工期不匹配等主要問題解決以前，原則上不再擴大風電建設規模，因此，各大廠商從設計研發到生產制造上都進行了適應性調整，表現在專利申請上，就是申請量的一定程度下降。

二、中國專利申請類型

從圖6來看，由于本領域的申請人中，國外申請人所占的比重較大，并且很多專利申請涉及控制方法策略等方面，因此，發明專利的申請量要遠大于實用新型專利申請量。另外，在發明專利申請中，有1/5左右的是進入中國國家階段的PCT申請。在實用新型中，PCT申請量有2件。

由圖7可知，本領域的申請人中，公司/企業占了61%，個人占26%，而高校和科研機構加起來僅占13%。在企業的申請中，超過半數來自于通用電氣、維斯塔斯，西門子和三菱重工這幾個本領域國際知名企業。

圖6 偏航系統中國專利申請態勢

圖7 中國的偏航系統專利申請人類型

圖8 偏航系統重要申請人申請量排序

三、重要申請人申請量排名

在本領域的重要申請人中，前4位均來自國外，其中專利申請量最大的是通用電氣，申請量為50件，其次是維斯塔斯（30件）、西門子（29件）和三菱重工（25件）。而在國內，本領域知名企業金風科技的申請量為21件，排名第五，隨后是國電聯合和湘電風能。另外，楊潔是申請量最大的個人，申請的全部是關于液壓偏航系統的結構和制動系統結構，如圖8所示。

如前所述，三星重工早有進軍風電產業的計劃，并于2009年之前就表現在實際行動上，在偏航領域的全球專利申請量僅次于通用電氣，成為第二大戶。但通過對中國國內的數據分析可知，三星重工并未開始就本領域在中國進行大規模專利布局，因此，國內申請人可適當參考其在國外的專利申請并進行改進，試探性地在控制策略、算法電子元器件、控制系統結構等方面進行防御性的專利布局。

四、通用電氣、金風科技和維斯塔斯在偏航領域專利申請技術結構對比

圖9展示了3家重要企業在偏航領域專利申請的技術結構對比。可以看出，通用電氣側重于偏航系統結構和控制策略方面，金風科技側重于信號采集和控制策略，維斯塔斯側重于偏航系統結構。金風科技作為目前國內裝機容量以及專利申請量最大的企業，在偏航領域與國外著名企業之間的主要差距在于偏航系統結構方面。通過瀏覽相關文獻發現，維斯塔斯和通用電氣對偏航系統結構方面的改進，主要集中于力矩控制、調速性能、潤滑性能、與控制系統更好的匹配等方面，因此，這些方面國內企業尚有發展的空間。

但是，由于前述國際巨頭，尤其是通用電氣在本領域發展歷時已久，專利布局已經相當嚴密，其在國外的申請有很多都有中文同族專利存在，因此，想要突破其專利壁壘也并非易事，需要適當關注其早期在國外申請、并且已經失效的專利。

圖9 通用電氣、金風科技和維斯塔斯在偏航領域專利申請技術結構對比

攝影：王忠偉

小結

與偏航系統相關的技術發展，按專利申請量增加的趨勢來劃分大致經歷4個時期，申請量增長速度也是由慢至快，并于2012年左右到達頂峰，后又有所回落。在全部專利申請中，以中國、美國所占的份額最大，中國排名第一。但是在全球專利申請中，大部分是國外企業的申請。在重要申請人的申請量排名中，中國企業占據了五席，但其申請量仍然相對較少，與通用電氣、維斯塔斯、三菱重工等國際巨頭相比，還是有很大的差距。

在技術方面，被動偏航這種方式雖然目前還應用于不少小型風電機組，也存在相應的專利申請，但隨著風電機組越來越大，被動偏航在驅動力等方面顯然已滿足不了要求，其申請量也是越來越小。近幾年來，關于偏航系統的專利申請大多是關于主動偏航的。主動偏航中，關于電動和液壓驅動方式的改進也是齊頭并進。另外，隨著計算機、控制技術的發展，智能偏航出現并獲得非常重要的位置，各大公司均有相應的專利申請。

在對中國的專利申請中，大部分來自國外公司，國內企業在專利布局上仍然無法與之相抗衡，因此，需要后者關注國外已過期或即將過期專利技術，在此基礎上進行研發改進，在重重壁壘中尋求出路。

*等同第一作者。

（作者單位：國家知識產權局專利局機械部）