以通用电气为代表的风电领域重要申请人叶片专利技术分析

以通用电气为代表的风电领域重要申请人叶片专利技术分析

赵银凤

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州， 215000

摘要：主要基于VEN数据库，分析了风力发电领域关于叶片技术主要申请人专利申请的发展趋势，并且对各主要申请人在华申请做了进一步的对比，在此基础上，进一步分析了叶片技术的技术分解，从结构和性能方面进行技术划分，着重研究了通用电气公司在重点技术分支上的技术发展脉络，从重点申请人在叶片领域的研究辐射整个叶片技术的发展，为提高叶片技术领域的审查效率提供一定的帮助。

关键词：风力发电，叶片，结构，性能，重点申请人

引言

近年来，随着大量不可再生能源的消耗，以及随之而来的气候变暖、生态破坏和大气污染等一系列环境问题，使世界能源和环境问题日趋严峻，因而对于可再生能源的开发和利用变得尤为急切。风能是常见的可再生能源之一，并且具有取之不竭、用之不尽，清洁无污染的优点，因此，近年来，对风能的开发和利用日益受到重视和追捧。

风力发电是风能利用的常见形式之一，今年来，风力发电技术取得了较大的进步，各个国家对于风电技术的竞争也越来越白日化。叶片是风力发电设备的最基础和最关键的部件，其设计直接影响风能的转换效率和发电量，是风能利用的重要一环，保证叶片的良好设计、可靠的质量和优越的性能是各个风电企业的聚焦点之一。

国外重点企业在风电领域投入了大量的研发力量，注重风电专利的申请和布局，叶片的核心技术也基本掌握在少数几个风电巨头手中，相比较而言，我国风电技术发展较晚，拥有自主知识产权的核心技术较少，开展国外重点企业关于叶片的专利发展综述有助于梳理现有技术脉络，对今后国内风电叶片的研究具有一定的借鉴意义。

重点申请人技术分支发展脉络

1．叶片技术分支分解

（一）、从一级分支来看，主要从结构、功效、生产、运输以及安装方面进行分类，结构方面又从分段、整体、异形、伸缩等划分为四类叶片类型，从实现的功效方面，分为降噪、加热、雷电保护、气动性能提升、清洁等几个方面。其中考虑到数据量大小以及研究时间的限制，叶片的生产、运输以及安装方面不作为本文的研究内容。

（二）、对于实现的功效而言，有的通过叶片的结构外形改变而实现，例如降噪、气动性能的提升等一般通过叶片外形设计改变，有的则通过叶片内部安装结构实现，例如加热/冷却、雷电保护等。

2.重点申请人申请趋势

从叶片相应技术分支的总体申请量来看，通用电气申请总量214件，遥遥领先于排名第二的维斯塔斯126件，西门子公司100件，LM公司78件。可见通用电气在上述叶片技术分支上研发较为注重，维斯塔斯和西门子公司旗鼓相当，LM公司稍稍落后。

从各个技术分支各重要申请人的申请量可以看出，通用电气公司在上述叶片各技术分支的申请量均处于领先地位，尤其是在降噪、气动性能的提升、分段叶片的研究等方面的专利申请，更是位于第一位，基于此，笔者以通用电气公司的专利申请为例，着重研究了上述几个技术分支的技术发展脉络。

3.通用电气公司叶片技术分支发展脉络

3.1分段叶片技术发展路线

除了异形叶片，关于其他叶片结构方面，分段叶片是较有特点的，行业中对其研究也较多，因此着重分析了通用电气公司分段叶片发展的过程。其具体申请趋势以及技术演进路线如下：

通用电气关于分段式叶片的申请最早为2005年申请，在2005-2007年之间仅申请了两篇，属于初步的萌芽时期，随着叶片设计越来越长，为了便于叶片的加工制造以及运输，分段式的叶片在这种背景下诞生，最初的分段式叶片仅简单了涉及了叶片的分段，以及分段叶片的简易连接，例如CN101070816A，插接的方式实现分段叶片的连接。到了2008年，叶片段的连接方式又出现了渐缩叶片的插接连接，以及采用粘结剂实现连接等，并且研究人员开始注意将分段叶片与变桨技术结合，实现部分叶片变桨，通过变桨轴承连接叶片段，这显然是一个进步；2009-2012年这一阶段，叶片段之间的连接方式已经不仅仅限于简单的插接、粘结方式，这一阶段出现了较多了连接件结构，专门用于连接叶片段，更加方便了分段叶片的装配和拆卸，并且在这一阶段出现了叶尖的连接套筒，在改变叶片外形的情况下提高叶片的气动性能；2013-2017年，这一个阶段，叶片连接在考虑了实现方便装配和拆卸的基础上，进一步考虑了叶片强度，防止由于设置分段叶片而使得叶片整体的强度下降，采用嵌件的方式连接叶片段，并且可以将其设置在叶根和叶尖之间延长叶片的长度，同时为了防止撞击塔筒，将嵌件又设置成为弯曲的形状。

从整个分段式叶片的技术演进路线可以看出，从最初解决叶片生产制造、运输的难题，到其关注了连接处装配和拆卸的难易程度，考虑了叶片的气动性能，最终又考虑了叶片连接强度等，分段式叶片的连接正逐渐走向成熟，其不但解决了上述难题，并且在叶片气动性能方面也做了一定程度的改进。

3.2降噪技术发展路线

对于叶片降噪的申请，通用电气公司最早申请时间是2005年，在2005-2006的早期申请中，其主要采用了叶片表面可喷气、表面设置凹部，或者改变后缘厚度来降低叶片运行时的噪声，其中在叶片表面设置凹部已经开始考虑通过叶片外形的改变来降噪。

到了2007-2009年，随着人们对于风力发电机运转的噪声问题关注度越来越高，对于叶片降噪的研究也越来越多，相应的降噪方式也比较多样化：一种是叶片后缘加鬃毛和设置为锯齿结构，一种是叶片表面设置吸音材料，还有一种是通过叶片内部设置阻尼元件，减少叶片转动的自振从而达到降噪的目的。其中尾缘加鬃毛或者刚毛刷以及设置锯齿形，其是借鉴了飞机领域中对于飞机机翼降噪的经验，飞机领域为了减少由气流引起的噪音，在螺旋桨前缘附近贴上了锯齿形的镶边，有人建议在螺旋桨前缘缝翼的下部添加刚毛，自此，尾缘设置锯齿形或者贴刚毛的形式出现。到了2010-2012年，锯齿形尾缘的叶片申请大量出现，仅仅是锯齿形状有略微的变化，大致原理均相同。

另外，本领域人员同样还研究了叶片表面设置吸音的多孔材料或者内部设置阻尼元件的形式降噪，多孔材料的应用在后期也有一定的延续发展，通过尾缘设置副翼的方式改变叶片的气动性能，并且副翼设置为柔性材料或者可穿孔的金属。2013-2017年间，随着对叶片气动性能要求的提高，研发人员在注重降噪的同时也考虑了叶片气动性能的改进，因此，在这一阶段出现了大量申请，设计叶片涡流器或者叫做扰流器，其通过改变叶片表面气体流动，减少扰动进而提升了叶片捕获的风量同时也降低了叶片的噪声。

由此可以看出，叶片降噪的发展，从最初简单的喷气，吸音材料的设置，到借鉴飞机领域技术形成尾缘锯齿形状，最终结合了降噪和气动性能两个方面的优化，提出了更为高效、降噪能力更强的叶片。

3.3气动性能技术发展路线

从申请量的趋势来看，2010年之前和2014-2017年间，其申请量均较低，2010年之前申请量一直在6件以下，涉及的是在叶片表面设置凹部和襟翼（CN101684773, CN101275536）、叶尖到叶根变化的曲率（CN101619708），以及在叶尖部设置弧罩（CN101769168），其中襟翼和弧罩的设置都是后期涡流发生器以及叶尖小翼的原型。

直到2011-2012年，这两年的关于叶片气动性能的研究达到井喷状态，其中也出现了大量不同的改善叶片空气动力学性能的专利，例如将叶片边界层设置涡流发生器改变叶片表面的气体流动状态减少扰流，在叶尖设置小翼或者叶尖末梢设置为可偏转的形状（CN101929423），在风速较大时自动偏转降低阻力，2011年对于涡流发生器的设置又作了进一步的改进，涡流发生器不是永久的设置在叶片表面，而是可以形成致动式，可以从叶片腔体中伸出或者收回（US2011/0223033），这种类型在2012年申请中也有（CN102996331），所不同的是其在扰流板表面设置可变形膜，通过可变形膜的变形控制扰流板在致动位置和非致动位置之间移动，其改善了原来扰流板为永久性沿转子叶片表面设置影响转子叶片产生升力的问题。扰流板或者涡流发生器可以能够在低风速时伸出或者膨胀变形，提高叶片的升力，在高风速时收回到腔体中或者变形回缩来降低叶片的阻力，通过这种方式大大改善了叶片的气动性能，提高了叶片的空气动力学效率。

与此同时，叶尖相应的改进也存在，从最早设置弧罩的形式到设计叶尖小翼，并且小翼可以被动偏转，最终还改进了叶尖小翼的形状来提升气动性能，除了叶尖处的改进，还出现了叶根中央死风区的设计，例如CN102758723和CN106065845，分别通过在叶根区域设置辅助翅片，以及在叶根区域安装扰流板的形式来充分利用中央死风区的风能进行发电，提升了叶片整体的空气动力学性能。

总之，通用电气关于叶片气动性能方面的研究从最初萌芽到井喷发展，最后慢慢减少，其还是诞生了行业内较为领先的叶片气动性能设计方式方法，这些均是后期叶片气动研究的重点。

结论

本文以VEN库检索得到的数据为样本，对风力发电机叶片相关专利技术进行了分析。主要分析了行业内主要申请人相关叶片技术申请的整体趋势，以及重点申请人重点技术、主要技术分支发展脉络等。通用电气公司在叶片技术中掌握大量核心技术，并且比较重视在华申请，申请量占据了超过三分之一的来华申请，其申请总量以及申请的质量均不容小觑，对于分段叶片的技术发展作比较而言，通用电气和维斯塔斯均由最初的插接式，发展到专门的连接件以解决拆卸和安装的问题，最后又注意到叶片的强度方面的改进等，两公司分段式叶片的发展趋势基本相同，在另一方面也反映了二者之间激烈的技术竞争；

叶片技术领域包括多个方面，本文仅以部分技术分支作为了研究对象，事实上，随着风力装机容量增大，叶片的长度相应的增大，其生产、运输、安装也是行业内比较关注的技术问题，其专利技术申请也占据了较大的申请量，因此，未来对上述几个技术分支的研究也必将具有重要的意义。

另外，从研究的几个技术分支而言，通用电气、维斯塔斯等大型的风电企业在我国的风电叶片专利领域占有绝对的优势，并且排名靠前的均是国外企业，国内的仅有远景能源。由此可知，在叶片技术领域具有优势的跨国风电公司已经在我国专利市场进行大范围的跑马圈地，叶片的关键技术主要掌握在这些外国风力发电企业当中，对于我国风力发电企业来讲，如何提高自身的技术创新能力，进而在激烈的技术和市场竞争中突破外国申请人的技术壁垒将任重而道远^[1]。

参考文献

[1] 毛金生，风力发电行业专利分析，北京：知识产权出版社[M]，2011.11