生物質發(fā)電技術的專利分析

作者簡介：楊展，碩士，助理工程師；主要從事知識產權與科技成果轉化等方面的研究。

關鍵詞：生物質；發(fā)電；農林廢棄物；專利分析；態(tài)勢導航中圖分類號：TS7 文獻標識碼：A DOI： 10.11980/j. issn.0254-508X.2025.07.006

Abstract：ossogenetolostandiatuilasestdaagsofotal friendinessdiisssetsfialsetiiducto lardevelopenteanilitisfgeatsigfaeforpromotingthuiaelesouceutilizationofiluralandfrstryste andfacitatingthecountry’s“dual-arbon”goalsispaperanalyzdtheglobaldevelopmenttrendofbiomasspowergenerationtechology fromtheperspeivesofatentaplicationtreds，applicationregions，ndaininnovationentites.Corespondingatentnvigationsug gestionswereputforardfortheeseachndevelopmentiovation，patentprotecion，ndutlizatioofenterprisesandsitfe search institutions.

Key words：biomass；power generation；agricultural and forestry waste；patentanalysis；trend navigation

隨著全球能源需求持續(xù)增長和化石燃料過度使用，環(huán)境問題日益嚴峻，發(fā)展可持續(xù)、低碳的可再生能源技術已成為國際社會共同關注的焦點[1-3]。潮汐能、風能、太陽能等間歇性可再生能源的快速發(fā)展在一定程度上降低了工業(yè)生產的碳排放強度，但其不穩(wěn)定性與儲能技術瓶頸仍對能量供應的穩(wěn)定性構成挑戰(zhàn)[4。相比之下，生物質能因其來源廣泛、儲量豐富及能源利用形式多樣（如發(fā)電、供熱、制氫等），成為可再生能源體系中不可或缺的組成部分[7-8]

生物質能主要來源于農林廢棄物、能源作物及有機垃圾等。植物通過光合作用固定大氣中的 CO₂ ，并在能源化利用中實現碳的閉環(huán)循環(huán)，這一特性使其在《巴黎協定》框架下被廣泛視為“負碳排放”技術的潛在載體。作為生物質能高效利用的關鍵方向，生物質發(fā)電技術通過熱化學轉化（如直接燃燒、氣化）、生物化學轉化（如厭氧發(fā)酵）等方式，將有機質轉化為電能，兼具廢物資源化與能源供應雙重效益，逐漸成為實現能源、環(huán)保、農業(yè)增收三者兼顧的新路徑。目前，在歐美等國家和地區(qū)，該技術已非常成熟，并成為農業(yè)產業(yè)發(fā)展中的重要一環(huán)[]。

專利作為知識產權的重要組成部分，是技術的載體和重要表現形式[-2]。本文以專利數據為基礎，對生物質發(fā)電技術迭代速度、覆蓋范圍及區(qū)域創(chuàng)新水平等進行分析，以期為科研機構和企業(yè)在生物質發(fā)電技術領域的發(fā)展和政府產業(yè)政策的制定提供有益啟示。

1專利文獻檢索范圍

本文圍繞全球生物質發(fā)電技術開展系統(tǒng)全面的專利文獻檢索，檢索數據來源于中國知識產權網（CNI-PR）中外專利數據庫服務平臺和incoPAT全球專利數據庫，以中國（CN）、美國（US）、日本（JP）、歐洲專利局（EPO）4大區(qū)域的專利文獻數據為主，檢索了截至2025年1月31日公開的專利數據。對檢索得到的初始數據進行人工去噪，剔除不相關技術領域的專利，共計得到國內外相關專利4283件。

2專利文獻檢索結果分析

2.1全球專利申請情況

在檢索的全球提出的4283件生物質發(fā)電相關技術專利申請中，各年份專利申請數量情況如圖1所示。從圖1可以看出，在全球范圍內，生物質發(fā)電技術的專利最早從1979年開始申請，這與當時丹麥等西方國家為應對世界性能源危機爆發(fā)，率先開始嘗試采用秸稈等農林廢棄物發(fā)電的探索有關3]。近46年來，全球范圍內共申請專利4283件，年均約93件，從時間上劃分為3個階段。

2.1.1探索與推廣階段

1979—2002年，專利申請共108件，年均約5件。該階段全球能源危機促使西方國家尋找替代能源，生物質能因其可再生性進入視野。丹麥建成世界上第一座秸稈生物質直燃發(fā)電廠，標志著生物質發(fā)電技術從實驗室走向工業(yè)化應用，瑞典、芬蘭等歐洲國家開始嘗試生物質氣化技術，但是規(guī)模較小，生物質發(fā)電技術處于緩慢發(fā)展階段[4]。

2.1.2 技術發(fā)展階段

2003—2016年，專利申請共1838件，年均141件。該階段許多發(fā)達國家制定了相關的能源政策和發(fā)展計劃，同時歐美國家推廣流化床燃燒技術，解決了生物質燃料高含水率和低熱值問題，提升燃燒穩(wěn)定性，極大地促進了全球生物質發(fā)電技術的發(fā)展[15]，專利申請量呈現快速上升狀態(tài)。

2. 1.3 成熟與多元化發(fā)展階段

2017一2024年，專利申請共2337件，年均334件。在此階段，中國生物質發(fā)電技術發(fā)展迅速，裝機容量快速擴張，垃圾焚燒發(fā)電量占比持續(xù)提升，2017年，國家能源局發(fā)布了《關于開展燃煤耦合生物質發(fā)電技改試點工作的通知》[，推動燃煤耦合生物質發(fā)電技術發(fā)展；2023年歐盟議會通過了《可再生能源指令（REDⅢI）》，其中明確將生物質能作為碳中和核心路徑之一。鑒于專利申請公開的滯后性，2021年后的專利申請情況有待于進一步跟蹤

綜上所述，從1979年起至今，在生物質發(fā)電技術領域，全球專利申請數量呈現出階梯式穩(wěn)步上升趨勢，表明生物質發(fā)電技術在全球范圍內被不斷重視，技術創(chuàng)新不斷加強，并呈現快速發(fā)展時期。

2.2全球主要創(chuàng)新主體

圖2展示了全球主要的生物質發(fā)電技術創(chuàng)新主體。從圖2可以看出，在全球范圍內，生物質發(fā)電技術領域相關專利申請人主要為中國企業(yè)及相關高校，其中，江蘇朝陽液壓機械集團有限公司申請專利65件，排名第1；華北電力大學申請專利50件，排名第2；西安熱工研究院有限公司申請專利41件，排名第3；武漢豐盈長江生態(tài)科技研究總院有限公司申請專利36件，排名第4；中節(jié)能（宿遷）生物質發(fā)電有限公司申請專利32件，排名第5。此外，全球專利申請量排名前15位的創(chuàng)新主體中，除中國的高校和企業(yè)外，還有2家日本公司，其中財團法人電力中央研究所，申請專利26件，排名第8；三菱重工業(yè)株式會社，申請專利19件，排名第13。

圖1生物質發(fā)電技術年代發(fā)展趨勢圖

Fig.1Trends in BiomassPowerGeneration Technology Era

生物質發(fā)電技術作為一種生物質資源高值化利用的重要手段，全流程涉及農業(yè)、林業(yè)、能源、環(huán)保、機械制造及電力工程等多個領域，在生物質原料選擇、生物質預處理手段及發(fā)電轉化的方法等方面[7-18]，不同的創(chuàng)新主體均有所側重，布局了各自的專利保護網，在生物質發(fā)電技術領域，江蘇朝陽液壓機械集團有限公司、華北電力大學及西安熱工研究院有限公司均具有較強技術實力和競爭能力，技術集中度較高。

2.3全球專利主要來源地分析

圖3展示了全球生物質發(fā)電技術專利主要來源地分布。從圖3可以看出，生物質發(fā)電技術相關專利主要來源于中國、日本、美國、韓國及歐洲。中國作為生物質發(fā)電技術專利最主要的申請國，其專利申請數量展現出一枝獨秀的狀態(tài)。近年來，我國相繼發(fā)布了《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體系的指導意見》 ??2030 年前碳達峰行動方案》《“十四五”現代能源體系規(guī)劃》等一系列相關政策，大力推動我國生物質發(fā)電技術的發(fā)展；此外，世界生物質能協會《2024全球生物質能統(tǒng)計報告》顯示，我國已成為全球生物質能發(fā)電裝機容量最高的國家，裝機容量接近全球的 1/3^[19-21] 。總體而言，專利申請的數量在一定程度上可以反映該國家或地區(qū)該項技術的發(fā)展水平及政府對于該項技術的支持力度，中國憑借資源、政策與市場規(guī)模的協同效應，在生物質發(fā)電領域實現了全球領先。

圖3全球生物質發(fā)電技術專利主要來源地分布

Fig.3Distribution of major sources of global biomass power generation technology patents

2.4專利申請類型

圖4展示了生物質發(fā)電技術專利類型數量情況。由圖4可知，在檢索的全球提出的4283件生物質發(fā)電技術專利申請中，發(fā)明專利申請共2795件，占總量的 65.26% ，其內容主要為生物質發(fā)電的裝置、工藝流程及方法；實用新型專利申請1472件，占總量的 34.37% ，主要保護生物質發(fā)電裝置及其零部件；外觀設計申請16件，占總量的 0.37% ，主要針對生物質發(fā)電裝置的外觀結構。在生物質發(fā)電技術領域，其發(fā)明專利的占比較高，從技術創(chuàng)新角度看，意味著該領域技術創(chuàng)新活動較為活躍，科研人員和企業(yè)不斷探索新技術、新工藝與新設備；從發(fā)展?jié)摿嵌榷裕哒急润w現出相關科研主體對于生物質發(fā)電技術未來市場前景的樂觀預期，積極通過技術門檻更高、審查過程更加嚴格的發(fā)明專利布局搶占市場先機[22]。

圖4生物質發(fā)電技術專利類型數量情況

Fig.4Amount of patent types for biomass power generation technologies

2.5重點專利技術透視

生物質發(fā)電技術通過多元化利用農林廢棄物、生活垃圾等豐富的生物質資源，結合直燃發(fā)電、氣化發(fā)電及垃圾焚燒發(fā)電等技術路線，依托政策扶持與產業(yè)鏈整合，實現高效低碳的能源轉化[23]。通過專利數據庫對生物質發(fā)電行業(yè)的4283件相關專利進行檢索，并對其中相關專利的關鍵詞進行提取，如圖5所示。由圖5可知，生物質發(fā)電技術發(fā)展重點或熱點主要分布在發(fā)電控制系統(tǒng)、能源轉換效率、二氧化碳回收等方面，這也正是目前行業(yè)內研究的熱點方向。

國內外科研、創(chuàng)新主體在生物質儲存運輸、生物質預處理、生物質發(fā)電裝置及發(fā)電方式等技術領域均布局了大量專利，通過對全球范圍內主要創(chuàng)新主體專利的深度技術分析，能夠更加了解生物質發(fā)電的熱點、關鍵技術，為我國高校、科研單位的研發(fā)提供思路借鑒。

華北電力大學于2019年公開了名為“一種新型太陽能輔助生物質能的發(fā)電系統(tǒng)”的發(fā)明專利，屬于新能源發(fā)電技術領域，具體為太陽能與生物質能耦合的聯合發(fā)電系統(tǒng)，涉及光熱轉換、生物質能利用、熱力循環(huán)集成及多能互補技術；該發(fā)明采用太陽能和生物質能進行發(fā)電，利用生物質鍋爐尾部煙氣對生物質燃料進行加熱，采用塔式太陽能集熱場與空氣預熱器并聯，從煙冷氣流出的煙氣則用來對生物質燃料進行干燥，根據太陽能的光照強度調整性地對空氣預熱器進行加熱，充分結合了太陽能與生物質能2種可再生能源，避免了焚燒秸稈帶來的環(huán)境污染[24]。2024年，西安熱工研究院有限公司公開了名為“一種燃煤耦合生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法”的發(fā)明專利，屬于可再生能源與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的耦合利用技術，涉及生物質氣化、燃煤機組改造、多能互補發(fā)電及碳減排技術，該發(fā)明通過氣化單元有效降低了生物質儲運及混合處理環(huán)節(jié)的風險，通過冷卻單元有效解決生物質可燃氣輸送過程中焦油析出粘連管道的問題，避免了生物質直接混合燃煤燃燒帶來的鍋爐結渣、腐蝕等問題，通過回流管道的設計，有效地減少 CO₂ 、 NO_x 、SO等溫室氣體和污染物的排放，同時避免了能量浪費[25]。2023年，日本財團法人電力中央研究所公開了名為“生物質處理/利用設施及生物質處理/利用方法”的發(fā)明專利，屬于生物質能多聯產系統(tǒng)技術領域，融合了生物質處理、能源轉換和碳中和技術，創(chuàng)造性地將用于生物質碳化以獲得碳化材料的制造設備、用于儲存碳化材料的儲存裝置，以及利用碳化產生的熱解氣體的熱發(fā)電設備有效結合，實現了發(fā)電過程的零碳排放，為日本2050年實現碳中和的目標提供有效助力[2。2024年，日本三菱重工業(yè)株式會社公開了名為“生物質顆粒粉碎裝置、具有該裝置的發(fā)電設備及生物質顆粒粉碎裝置的控制方法”的發(fā)明專利，該專利內容橫跨機械制造、能源工程、自動化控制3大領域，屬于新能源裝備與智能控制技術，旨在解決纖維素原料較難粉碎的問題，提升蒸汽發(fā)電過程中的發(fā)電效率[27]。

3結語

生物質發(fā)電技術作為一種重要的可再生能源利用形式，對于實現能源可持續(xù)發(fā)展、應對氣候變化等方面具有重要意義，對其綜合利用已經成為實現“雙碳”目標和解決國家能源短缺的重要途徑之一。我國目前已逐漸成為全球范圍內的技術創(chuàng)新核心驅動力，專利申請量占比顯著提升；與此同時，日本、歐洲等國家和地區(qū)的企業(yè)在關鍵設備優(yōu)化與零碳排放技術上亦取得突破，形成差異化競爭格局。因此，我國在生物質發(fā)電技術自主研發(fā)過程中，可以參考借鑒在我國不具有專利權的專利申請以及在國外提出專利申請的技術方案，用于啟迪自主創(chuàng)新；同時，在充分消化和吸收這些技術的基礎上，開展我國生物質發(fā)電關鍵技術自主研發(fā)，在規(guī)避專利侵權風險的同時，提高我國生物質發(fā)電關鍵技術的研發(fā)起點；此外，當前生物質原料收集成本高、技術路線適配性不足等問題仍需突破，未來應著眼于開發(fā)高效低成本的原料預處理與儲運技術，破解生物質資源分散性與季節(jié)性的制約，完善全生命周期碳核算體系，探索生物質發(fā)電與碳捕集技術的集成模式，進一步強化其“負碳”潛力。

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（責任編輯：楊苗秀）