蘭志剛，蘭 瀅，孫洋洲，郭雪飛

基于專利信息的海上風電技術趨勢分析

蘭志剛1，蘭 瀅2，孫洋洲1，郭雪飛1

(1. 中海油研究總院, 北京 100028; 2. 帝國理工學院, 英國 倫敦 SW7 2AZ)

基于德溫特數(shù)據(jù)庫中的專利信息, 通過對比海上風電和其他海洋主要可再生能源的年專利信息, 結(jié)合海上風電專利數(shù)量與碳減排壓力以及年新增裝機數(shù)量之間的相關性分析, 對海上風電技術發(fā)展做了分析, 歸納了海上風電的重點技術領域; 構(gòu)建了海上風電技術成熟度預測分析模型。分析結(jié)果表明, 海上風電技術發(fā)展迅速, 目前整體的技術成熟度已達到0.87, 已從成熟期進入飽和期。浮式風電作為一種具有替代性特征的新興技術, 也得到了快速的發(fā)展, 目前的技術成熟度已達到0.54, 從技術成長期進入技術成熟期。

海上風電; 技術成熟度; 專利分析

氣候變暖對人類生存環(huán)境帶來了嚴重威脅。在此背景下, 碳排放約束日益成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力, 也帶動了可再生能源的迅猛發(fā)展。海上風能是海洋可再生能源的重要組成部分, 也是海洋可再生能源中技術最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化應用前景的能種, 發(fā)展?jié)摿薮?。國際能源署(International Energy Agency, IEA)采用地理空間分析技術, 按國家評估了海上風電技術潛力。分析結(jié)果顯示, 最好的近岸海上風電場每年可提供全球近36 000 TWh的電力, 幾乎相當于2040年的全球電力需求[1]。

但根據(jù)IEA的分析, 海上風電技術的發(fā)展還需要進一步加快, 方能滿足可持續(xù)發(fā)展情景(Sustainable Development Scenario)對海上風電技術進步的要求[1]。海上風電的發(fā)展有必要對海上風電的關鍵技術進行梳理分析, 對其技術成熟度進行分析和研判, 以便對海上風電的未來發(fā)展進行科學的預判和把握。專利是科技創(chuàng)新的風向標, 專利分析也理所當然地成為了技術分析和預測的重要手段。20世紀80年代, G.S.Altshuller成功將專利分析技術用于技術成熟度評估。他在對大量專利數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn), 專利數(shù)量、專利等級和產(chǎn)品性能等變量與技術的發(fā)展進化有著密切的關聯(lián), 可用于技術分析和預測[2]。Young Gil Kim等[3]從目標技術領域的專利文獻中提取的關鍵詞, 采用k-均值算法對專利文獻進行聚類, 構(gòu)建了可視化的技術分析方法。楊良選[4]研究了技術發(fā)展與技術專利文獻間的關系, 提出了多維技術成熟度預測的方法和模型。王興旺通過研究基于專利信息的技術預測方法, 進一步證實了利用專利信息進行技術預測的科學性和有效性[5]。

德溫特創(chuàng)新平臺(Derwent Innovation)是一個涵蓋來自50多個專利授權機構(gòu)及2個防御性公開的非專利文獻的全球性科技文獻數(shù)據(jù)庫。其中的專利記錄始于1900年, 時間跨度大, 數(shù)據(jù)量大, 為開展對各項技術的評價提供了翔實的基礎信息來源。本文將利用德溫特創(chuàng)新平臺數(shù)據(jù)庫和其他科技文獻獲得的信息, 構(gòu)建海上風電技術成熟度預測模型, 結(jié)合專利分析技術中的核心專利分析方法, 對海上風電的關鍵技術和整體技術成熟度進行分析。

1 海上風電技術專利統(tǒng)計和變化趨勢分析

海上風電作為一種資源量豐富的綠色可再生能源,其技術發(fā)展異常迅猛。表1是由德溫特創(chuàng)新平臺專利信息數(shù)據(jù)庫中查得的海上風電、海洋溫差能、波浪能以及潮流能四種海洋可再生能種2000—2019年年申請專利數(shù)量。從表中數(shù)據(jù)中可以看出, 自2009年起,海上風電異軍突起, 其年申請專利數(shù)量激增, 遠遠超過其他海洋可再生能種, 從而反映出了其技術發(fā)展的速度在各海洋可再生能源中也遙遙領先。海上風電的年申請專利數(shù)量在2012年達到階段性頂峰。2012年后, 數(shù)量雖然有所下降, 但與其他海洋可再生能種相比, 依然處于高位, 發(fā)展優(yōu)勢明顯。

表2是從德溫特創(chuàng)新平臺專利信息數(shù)據(jù)庫中查得的海上風電領域的年公開專利數(shù)量以及國際能源署網(wǎng)站公布的全球發(fā)電二氧化碳排放指數(shù)及全球海上風電的年新增裝機量[8]。

表1 各類主要海洋可再生能種年申請專利數(shù)量

表2 海上風電年公開專利數(shù)量

圖1是海上風電技術領域的年公開專利數(shù)量和發(fā)電二氧化碳排放量指數(shù)走勢的對比圖, 從該圖中可以看出, 兩者之間的變化趨勢有著很高的相似度。

對兩者進行相關性分析, 可以算出兩組數(shù)據(jù)的決定系數(shù)2為0.937, 表明海上風電技術的發(fā)展速度與碳減排壓力之間具有很強的相關性(參見圖2), 而且年公開專利數(shù)量隨發(fā)電二氧化碳排放量指數(shù)(即碳排放量)的增加, 呈指數(shù)增長趨勢, 說明在全球氣候變暖的背景下, 碳減排壓力成為驅(qū)動海上風電技術發(fā)展的重要因素之一。特別是2009年哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會之后, 歐洲率先展開減排行動的落實, 由此帶來了海上風電領域的迅速發(fā)展。而巴黎協(xié)定的簽署, 則標志著在世界范圍內(nèi)對碳減排的緊迫性達成了更廣泛的共識。由此, 海上風電也迎來了更大規(guī)模的快速發(fā)展。從圖1海上風電領域?qū)＠夹g的大幅增加上也可清楚地看出上述關聯(lián)趨勢。另據(jù)國際能源署發(fā)布的世界海上風電展望2019預測, 在未來20年, 海上風電規(guī)模的增加, 可以為全球電力部門減少50億噸至70億噸的二氧化碳的排放[1], 這進一步印證了碳減排和海上風電發(fā)展之間存在的內(nèi)在邏輯。

圖1 海上風電年公開專利量以及全球發(fā)電二氧化碳排放量指數(shù)的年變化曲線對比

圖2 海上風電年公開專利量與發(fā)電二氧化碳排放量指數(shù)之間的關系擬合曲線

對表2中的海上風電的年公開專利數(shù)量和年新增裝機數(shù)量進行對比, 也可以看出兩者有明顯的正相關性(參見圖3), 說明海上風電的技術進步促進了海上風電領域的投資, 反過來海上風電領域的投資也進一步驅(qū)動了海上風電技術發(fā)展。

圖3 海上風電年公開專利量與年新增裝機數(shù)量之間的關系擬合曲線

2 海上風電的重點技術領域分布

將上述專利按國際專利分類(International Patent Classification, IPC)所涉獵技術方向進行分類并選出公開專利數(shù)量最多的8個領域, 可以發(fā)現(xiàn)其主要涉及風機、基礎、施工方法及裝備、供配電系統(tǒng)、塔筒、信息處理、電纜及鋪設、綜合利用等技術。詳見圖4。

圖4 公開專利數(shù)量最多的海上風電技術領域分布

新版德溫特數(shù)據(jù)庫專利信息中增加了專利中綜合專利影響力字段, 對從德溫特數(shù)據(jù)庫中查得的海上風電公開專利中綜合專利影響力系數(shù)大于7(范圍1~10)的專利進行搜索, 檢出專利信息共計124條。對上述專利的技術領域進行統(tǒng)計可以看出, 在綜合專利影響力大的專利中, 涉及施工方法與裝備技術領域的專利數(shù)量最多, 共計36項; 涉及風機領域的專利共計29項, 其中涉及風輪和葉片技術以及風機控制技術的各有7項, 涉及冷卻系統(tǒng)技術的有6項, 涉及浮式風機技術的有4項, 涉及發(fā)電機技術和減振技術的各有2項, 涉及齒輪箱技術的有1項; 涉及風機基礎領域的專利共計19項, 其中涉及單樁和多樁基礎的專利各有3項, 涉及浮式基礎的有13項; 涉及塔筒方面的專利有15項; 涉及包括風機、基礎等綜合整體的專利有10項, 其中涉及浮式技術的有3項; 其他綜合專利影響力系數(shù)大于7的海上風電專利涉及的技術領域還有變壓變電、電纜、選址、風電場系統(tǒng)控制以及綜合利用等, 詳見表3。

綜合以上專利數(shù)據(jù)分析, 可以看出風機、基礎、施工方法及裝備、供配電系統(tǒng)、塔筒等是海上風電的核心技術。

表3 綜合專利影響力系數(shù)大于7的海上風電專利的技術領域統(tǒng)計

另外值得關注的是, 近年來隨著近岸海上風電場開發(fā)規(guī)模的快速增長以及近岸用海日趨緊張, 近岸海上風電場場址資源越來越少, 而深遠海區(qū)域風速更大、更穩(wěn)定, 且受限制減少, 因此走向深遠海(40~80 m)已成為海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。由于傳統(tǒng)固定式基礎結(jié)構(gòu), 隨著水深怎加造價將大幅增加, 已明顯不適應深海風電的開發(fā), 為此海上浮式風電技術應運而生。相關專利技術也呈現(xiàn)快速成長的態(tài)勢。表4是由德溫特數(shù)據(jù)庫查得的海上浮式風電年度申請專利數(shù)量, 從中可以看出, 2011年之后, 浮式風電技術專利增長較為迅速, 上升為3位數(shù)。浮式風電也已成為海上風電關注的熱點。從表2中也可以看出, 在綜合專利影響力系數(shù)大于7的124項海上風電專利技術領域中, 涉及海上浮式風電有20項, 占比16%, 已成為目前海上風電技術研發(fā)的主要熱點。

表4 海上浮式風電年申請專利數(shù)量

3 技術成熟度分析

目前國內(nèi)外機構(gòu)主要以技術成熟度作為技術評估最常用的方法。常見的技術成熟度度評價方法有四種, 分別為技術文獻計量法TBM、技術專利分析法TPA、技術性能測量法TCM和技術就緒水平評價法TRL。其中技術專利分析法來源于TRIZ(發(fā)明問題解決理論)的創(chuàng)建者——前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller, 他通過對大量專利數(shù)據(jù)進行分析, 發(fā)現(xiàn)在整個技術生命周期內(nèi), 技術的成長規(guī)律與生物進化模式相似, 總體過程呈現(xiàn)出S型曲線的形狀[2]。

常用的S型曲線為Logistic增長模型, 它是一種廣義線性回歸模型, 其數(shù)學表達式為:

式中,為技術成熟度表征量;為Logistic曲線的飽和值, 即技術成熟度表征量的理論上限;為時間;為Logistic曲線的形狀參數(shù), 是該曲線的斜率;為Logistic曲線的位置參數(shù)。

式中為歸一化的技術成熟度表征量。利用該式, 可以構(gòu)建技術專利統(tǒng)計量和發(fā)展時段的關系模型, 評價該技術目前所處的發(fā)展階段, 預測該技術發(fā)展關鍵時間節(jié)點。

利用公式(2)對德溫特數(shù)據(jù)庫查得的海上風電年累計申請專利數(shù)量以及海上浮式風電年累計申請專利數(shù)量做Logistic曲線擬合, 分別得到公式(3)所示的海上風電技術成熟度S曲線和公式(4)所示的海上風浮式電技術成熟度S曲線:

圖5是海上風電和海上浮式風電技術成熟度比較圖, 其中黑色曲線是擬合得到的海上風電技術成熟度曲線, 紅色曲線是擬合得到的海上浮式風電技術成熟度曲線。由圖可以看出, 海上風電自1997年申請第一項專利以來發(fā)展很快, 尤其是2008年以后發(fā)展更為迅速, 并在2011年前后進入技術成長期, 2016年前后進入技術成熟期。目前海上風電技術的成熟度已達到0.87, 已臨近飽和, 逐漸達到一種暫態(tài)平衡。特別是對于近岸海上風電而言, 其技術發(fā)展速度與前幾年相比, 會有所放緩, 未來的技術發(fā)展方向?qū)⒁袁F(xiàn)有技術的改進和替代為主。這一發(fā)展軌跡在全球海上風電的發(fā)展歷程中也得到了充分體現(xiàn)。丹麥?rsted公司(原DONG Energy)于20世紀90年代在近岸建成的世界第一個海上風電場Vindeby時, 僅有11 臺450 kW的風機組成 。隨著越來越多的歐洲國家步入海上風電領域, 海上風電技術不斷進步, 風機的性能和額定輸出的快速提高, 降低了運行和維護成本, 海上風電從試驗階段步入快速發(fā)展階段。2001年至2010年, 海上風電技術的發(fā)展逐漸加速, 平準化成本進一步降低, 海上風電的發(fā)展逐漸進入規(guī)?；虡I(yè)發(fā)展階段。2010—2018年, 得益于技術的高速發(fā)展和全球能源轉(zhuǎn)型的迫切需求, 全球海上風電市場年均增長近30%, 新項目的年容量系數(shù)從38%增加到43%[1], 甚至能夠與某些燃煤發(fā)電廠相當。截止到2019年, 僅?rsted公司的海上風電運行規(guī)模就達到了3 GW。海上風電已從規(guī)?；虡I(yè)發(fā)展階段進入了大規(guī)模成熟應用階段。近年來, 隨著深遠海風電開發(fā)需求越來越迫切, 浮式風電作為一種具有替代性特征的新興技術, 得到了快速的發(fā)展, 并為整個海上風電技術的發(fā)展注入了新的動能。特別是在2011年之后, 發(fā)展態(tài)勢更為強勁, 2017年挪威國家石油公司和Masdar公司合作在距離蘇格蘭東海岸25公里處建成了全球首個漂浮式風電場項目Hywind, 裝機規(guī)模為30MW。2018年又安裝了多個示范項目, 包括法國Ideol公司的Floatgen(2 MW)和日本的Hibiki(3 MW)等。此外, 歐洲至少還有10個達到商業(yè)化前期規(guī)模的漂浮式風電新項目正在籌備中[1]。從本文的數(shù)據(jù)分析結(jié)果看, 目前漂浮式風電技術成熟度已達到0.54, 即剛剛從技術成長期進入技術成熟期, 預計將在2023年左右達到完全成熟狀態(tài)并進入技術飽和期, 可以預期海上浮式風電技術未來對海上風電產(chǎn)業(yè)的拉動作用將愈加凸顯。

圖5 海上風電和海上浮式風電技術成熟度比較

4 結(jié)論

基于德溫特數(shù)據(jù)庫中的海上風電專利信息, 利用專利分析技術, 結(jié)合技術成熟度模型預測, 對海上風電的技術發(fā)展趨勢和重點技術領域進行有效分析。海上風電與其他主要海洋可再生能源的年專利申請數(shù)量相比, 海上風電技術發(fā)展優(yōu)勢明顯; 海上風電技術的發(fā)展速度與碳減排壓力之間具有很強的相關性, 而且年公開專利數(shù)量隨發(fā)電二氧化碳排放量指數(shù)(即碳排放量)的增加, 呈指數(shù)增長趨勢, 說明在全球氣候變暖的背景下, 碳減排壓力成為驅(qū)動海上風電技術發(fā)展的重要因素之一; 海上風電的年公開專利數(shù)量和年新增裝機數(shù)量之間也存在明顯的正相關性, 說明海上風電的技術進步促進了海上風電領域的投資, 反過來海上風電領域的投資也進一步驅(qū)動了海上風電技術發(fā)展; 對海上風電專利(特別是綜合專利影響力較大的專利)所涉及的技術領域進行分析, 可以看出海上風電的重點技術領域主要有風機(包括風輪/葉片、冷卻系統(tǒng)、風機控制系統(tǒng)等)、基礎、施工方法及裝備、供配電系統(tǒng)、塔筒、信息處理、電纜及鋪設、綜合利用等, 特別是隨著海上風電由近岸向深遠海發(fā)展, 浮式風電技術已成為目前海上風電技術研發(fā)的主要熱點; 本文還在專利信息分析的基礎上, 構(gòu)建了海上風電技術成熟度預測分析模型, 分析結(jié)果表明, 海上風電技術發(fā)展迅速, 在2011年前后進入技術成長期, 2016年前后進入技術成熟期, 從整體上看, 目前海上風電技術的成熟度已達到0.87。浮式風電作為一種具有替代性特征的新興技術, 也得到了快速的發(fā)展, 目前的技術成熟度已達到0.54, 剛剛從技術成長期進入技術成熟期, 并將在2023年左右達到完全成熟狀態(tài)并進入技術飽和期。

[1] IEA. Offshore Wind Outlook 2019, IEA, Paris https:// www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019.

[2] Altshuller G S. Creativity as an Extra Science[M]. New York: Corden and Breach Science Publishers Inc, 1984.

[3] Young Gil Kim, Jong Hwan Suh, Sang Chan Park. Visualization of patent analysis for emerging technol-ogy[J]. Expert Systems with Applications, 2008, 34(3): 1804-1812.

[4] 楊良選. 技術成熟度多維評估模型研究[J]. 國防科技, 2017, 38(3): 26-33.Yang Liangxuan. Research on multi-dimensional evaluation model of technology maturity[J]. National defense science & technology, 2017, 38(3): 26-33.

[5] 王興旺, 湯琰潔. 基于專利地圖的技術預測體系構(gòu)建及其實證研究[J].情報理論與實踐, 2013, 36(3): 51-55. Wang Xingwang, Tang Yanjie. Research on technology forecasting system and case study based on patent map[J]. Information Studies: Theory & Application, 2013, 36(3): 51-55.

[6] IRENA. Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050 (Edition: 2020), International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2020.

[7] Global Carbon Project (2019) Carbon budget and trends 2019. [www.globalcarbonproject.org/carbonbudget] published on 4 December 2019, along with any other original peer-reviewed papers and data sources as appropriate.

[8] International Energy Agency. Data and statistics [EB/OL]. [2020-05-13]. https://www.iea.org/data-and-statistics/

Analysis of offshore wind technology based on patent information

LAN Zhi-gang1, LAN Ying2, SUN Yang-zhou1, GUO Xue-fei1

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2. Imperial College London, London SW7 2AZ, UK)

Based on the patent information collected from the Derwent Innovation Database, this paper analyzes the annual patent information of offshore wind and other major ocean renewable energies. The correlation between the number of patents for offshore wind, the pressure of carbon emission reduction, and the number of new installed capacity per year are also evaluated. The development of offshore wind power technology is explored and the key technological fields of offshore wind power are summarized. This study proposes a prediction and analysis model of offshore wind technology based on the patent information analysis. The results reveal a rapid development of the offshore wind power technology reaching a technology maturity of 0.87. This signifies that it has entered the saturation stage from the mature stage. As a new alternative technology, floating offshore wind has also been developed rapidly with maturity reaching up to 0.54. This implies that it has just entered the mature stage from the technology expansion stage. This research shows that the patent analysis technology and technology maturity prediction can be effectively used to analyze the key technology fields of offshore wind power and predict its technology maturity.

offshore wind; technology maturity; patent analysis

Jun. 30, 2020

X87

A

1000-3096(2021)03-0071-06

10.11759/hykx20200630003

2020-06-30;

2020-11-17

[中國海洋石油集團公司綜合科研項目和中海油研究總院基礎前瞻及新能源技術探索研究項目]

[Comprehensive Scientific Research Project of CNOOC and Basic Prospective and New Energy Technology Research Project of CNOOC Research Institute]

蘭志剛, 男, 教授級高級工程師, 主要研究方向為新能源和海洋工程, E-mail: lanzhg@cnooc. com.cn

(本文編輯: 康亦兼)