張?jiān)品?郭醞

摘要：此次綜述主要研究對(duì)象是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，為提高研究的針對(duì)性，主要以風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為對(duì)象，通過對(duì)全球主要的風(fēng)電葉片研發(fā)、制造商的專利實(shí)力進(jìn)行分析，制定了針對(duì)性的檢索策略，對(duì)涉及主題相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行大范圍檢索，基本掌握該主題下的國內(nèi)外專利分布情況，了解國內(nèi)外主要申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)狀況，并從結(jié)構(gòu)和功效方面對(duì)部分申請(qǐng)人進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);葉片;主要申請(qǐng)人;綜述

大型風(fēng)電設(shè)備對(duì)于葉片的強(qiáng)度、重量、結(jié)構(gòu)等有著嚴(yán)格的要求，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，進(jìn)行良好的葉片設(shè)計(jì)、提供可靠的制造質(zhì)量以及設(shè)定靈活的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)力發(fā)電效率、延長(zhǎng)使用壽命，保證風(fēng)力發(fā)電長(zhǎng)期無故障高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。隨著國家對(duì)綠色新能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)裝機(jī)容量迎來飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電葉片產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了快速的增長(zhǎng)，世界各大風(fēng)電巨頭紛紛進(jìn)入中國搶灘開路，并形成了較為完整的風(fēng)電設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)風(fēng)電制造商經(jīng)過一系列技術(shù)引進(jìn)、并購后也掌握了主流風(fēng)電葉片制造技術(shù)，形成了一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

目前，關(guān)于葉片的研究也主要集中在葉片的機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度的提高、葉片降噪、防結(jié)冰、防雷擊以及啟動(dòng)性能的提高等方面。但是，今年來，隨著葉片材質(zhì)的發(fā)展，對(duì)獲取風(fēng)能量越來越大的要求，葉片的尺寸也不斷的變化。葉片尺寸的增大可以增加葉片的捕風(fēng)能力，改善發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，從而降低成本。葉片尺寸的增大隨之帶來的是葉片的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝問題，因此，近年來，上述幾個(gè)方面也是風(fēng)電領(lǐng)域葉片研究的重點(diǎn)。

1.風(fēng)電葉片重要申請(qǐng)人排名

基于VEN數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對(duì)所有專利申請(qǐng)中涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的申請(qǐng)人的申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如圖1所示排名。從圖中可知，排名靠前的幾位申請(qǐng)人基本都是國際知名的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)，這說明了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)門檻很高，技術(shù)研發(fā)集中度很高，只有國際上知名的幾家公司在研發(fā)，或者說只有這幾家公司有實(shí)力推動(dòng)該方面的研發(fā)。

就全球的主要申請(qǐng)人而言，通用電氣的申請(qǐng)量相比其他申請(qǐng)人多出很多，該申請(qǐng)人作為全球知名的能源動(dòng)力設(shè)備提供商，對(duì)風(fēng)電葉片的技術(shù)關(guān)注和研發(fā)投入產(chǎn)出更多，進(jìn)而其在風(fēng)電葉片方面的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

而烏本、LM和維斯塔斯、西門子的申請(qǐng)量處于第二梯隊(duì)，這其中烏本和LM為專業(yè)的風(fēng)電葉片制造商，維斯塔斯和西門子為知名的風(fēng)電整機(jī)制造商，各申請(qǐng)人對(duì)風(fēng)電設(shè)備的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)不同，顯然在葉片方面，烏本和LM具有微弱的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，維斯塔斯和西門子雖然略為落后，但實(shí)力仍然不容小覷，四位申請(qǐng)人中排名最后的西門子在全球仍有四百余件申請(qǐng)。

歌美颯、三菱、諾德克斯、遠(yuǎn)景、阿爾斯通在葉片研發(fā)上明顯落后于前兩個(gè)梯隊(duì)，除歌美颯和三菱在全球擁有200多件申請(qǐng)外，其余三家均未超過百件申請(qǐng)，特別是阿爾斯通，受其主要業(yè)務(wù)方向調(diào)整的影響，以阿爾斯通為申請(qǐng)人的風(fēng)電葉片申請(qǐng)明顯偏少，只有25件，并且是申請(qǐng)日集中在2012-2015年間，近幾年未有新的研發(fā)成果產(chǎn)出。

2.葉片技術(shù)分解

關(guān)于葉片的研究主要集中在葉片的機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度的提高、葉片

降噪、防結(jié)冰、防雷擊以及啟動(dòng)性能的提高等方面。故本文基于以上方面從一級(jí)二級(jí)分支角度對(duì)其進(jìn)行劃分，從一級(jí)分支來看，主要從結(jié)構(gòu)、功效、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝方面進(jìn)行分類，結(jié)構(gòu)方面又從分段、整體、異形、伸縮等劃分為四類葉片類型，從實(shí)現(xiàn)的功效方面，分為降噪、加熱、雷電保護(hù)、氣動(dòng)性能提升、清潔等幾個(gè)方面。其中考慮到數(shù)據(jù)量大小以及研究時(shí)間的限制，葉片的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝方面不作為研究?jī)?nèi)容。對(duì)于實(shí)現(xiàn)的功效而言，有的通過葉片的結(jié)構(gòu)外形改變而實(shí)現(xiàn)，例如降噪、氣動(dòng)性能的提升等一般通過葉片外形設(shè)計(jì)改變，有的則通過葉片內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如加熱/冷卻、雷電保護(hù)等。

維斯塔斯在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的申請(qǐng)量位于前列，實(shí)力不容小覷，因此對(duì)該公司的申請(qǐng)量較多的技術(shù)的細(xì)化研究是非常有必要的。

3.維斯塔斯葉片技術(shù)發(fā)展路線

由于葉片運(yùn)輸?shù)葐栴}的出現(xiàn)，人們將葉片采用分段制造以滿足運(yùn)輸?shù)男枨?，分段葉片必然需要面對(duì)的就是兩段葉片的連接問題。維斯塔斯作為風(fēng)電領(lǐng)域的巨頭之一，也將精力放置此處：前期分段葉片采用插接的方式（如CN102287322A）;但是插接并不能保證應(yīng)力的需求，因此將插接轉(zhuǎn)換成翼梁結(jié)合緊固件固定的方式（如US2011/0158788A1），此方式既能滿足氣動(dòng)表面不改變又能相對(duì)插接提高連接穩(wěn)固性;隨著時(shí)間的推移，維斯塔斯發(fā)現(xiàn)以上連接方式依然存在連接處結(jié)構(gòu)變?nèi)跻约奥菟ㄟB接需要更大的截面積的問題，于是進(jìn)行了大量的研究，研究顯示增大接頭部分葉片厚度可以降低例如由彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，然而從空氣動(dòng)力學(xué)的角度看，優(yōu)選使葉片厚度最小;為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，維斯塔斯采用略微增大接頭所在區(qū)域的弦寬，以及同時(shí)使弦與厚度之比沿葉片長(zhǎng)度保持基本相同來解決上述問題（如CN102325990A）;隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)精度的要求，如何精確對(duì)準(zhǔn)分段葉片也被提上日程（如CN107850042A）;當(dāng)然，一種新形式的出現(xiàn)并不一定代表舊的沒有可取之處，維斯塔斯沒有放棄任何一種形式，每種形式都在不斷的優(yōu)化中。

風(fēng)電設(shè)備豎立在具有優(yōu)良風(fēng)力條件的地區(qū)，且具有越來越高的塔架，空曠地帶的建筑越高遭受雷擊的機(jī)率越大，因此需要保護(hù)風(fēng)輪機(jī)免遭雷擊。維斯塔斯在該方面具有一定數(shù)量的研究成果。常規(guī)雷電保護(hù)裝置難以承受雷擊產(chǎn)生的大量的熱且雷擊位置處的鋁蒸發(fā)導(dǎo)致雷電保護(hù)可靠性降低，為此維斯塔斯研制了一種由實(shí)心金屬制成的葉片梢部（即承受雷擊的部件），由于實(shí)心散熱效果要優(yōu)于之前的研究，并對(duì)金屬進(jìn)行了限制同時(shí)解決了鋁蒸發(fā)的問題（如CN183259A），在隨后的時(shí)間里，維斯塔斯還尋找到了采用碳納米管同樣可以解決上述問題（如CN101903649A）;但雷電擊中部位并不能認(rèn)為的控制，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雷電未擊中接閃器而擊中葉片其他部位的問題，此問題可以通過在接閃器周圍布置絕緣墊片，由此可以防止任何雷擊沿葉片表面行進(jìn)，強(qiáng)制雷擊沿導(dǎo)體行進(jìn)到接地引下線元件（如

CN101438022A）;有時(shí)上述效果并不理想，人們急需尋找一種可以對(duì)葉片進(jìn)行整體保護(hù)的裝置—雷電防護(hù)網(wǎng)（如CN101949366A）;雷電防護(hù)的任何細(xì)節(jié)出現(xiàn)問題均會(huì)導(dǎo)致葉片的損傷，維斯塔斯也本著該精神對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)（如CN201763543A、CN103124849A、US9644613B2、WO2015/185066A1、WO2018/050196A1）;在出現(xiàn)以上兩種雷電防護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，由于接閃器式雷電防護(hù)裝置的造價(jià)等要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雷電防護(hù)網(wǎng)，人們研究發(fā)現(xiàn)雖然雷電會(huì)擊中葉片的其他部分，但主要擊中部位仍然是葉尖，由此出現(xiàn)了兩種雷電防護(hù)裝置競(jìng)合的現(xiàn)象（如WO2013/007267A1）。從以上技術(shù)路線可以看出，維斯塔斯在葉片雷電防護(hù)方面的研究涉及方方面面，并且也很關(guān)注有關(guān)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的動(dòng)向，如CN201763543A則是基于LM公司提出的導(dǎo)流條做出的改進(jìn)。

4.案例小結(jié)

維斯塔斯公司在葉片方面的專利布局，其研究重點(diǎn)主要集中在異形葉片，而在人為定義時(shí)所謂異形葉片常常指帶有降噪和氣流擾動(dòng)部件的翼型以及為了優(yōu)化氣動(dòng)性能而改善氣動(dòng)表面的翼型，這在葉片結(jié)構(gòu)和功效對(duì)比圖中的餅圖可以看出;雖然維斯塔斯早在1980年開始入主風(fēng)電領(lǐng)域，但當(dāng)時(shí)并未將精力放在葉片上;隨著人們對(duì)清潔能源利用的關(guān)注，如何提高風(fēng)電發(fā)電效率成為熱點(diǎn)，而葉片正是提高風(fēng)電發(fā)電效率的重要一環(huán)，正是基于對(duì)此的認(rèn)知，維斯塔斯于2003年開始了風(fēng)電葉片研究的漫漫長(zhǎng)路;其對(duì)葉片的研究同樣經(jīng)歷了從2003-2009的快速發(fā)展期、從2009-2012的瓶頸期、從2012至今的成熟穩(wěn)定期。

掌握這些外國企業(yè)葉片的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國風(fēng)力發(fā)電企業(yè)來講，提高自身的技術(shù)創(chuàng)新能力，進(jìn)而在激烈的技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。