風(fēng)電機(jī)組復(fù)合材料塔架的專利分析

文|劉亞妮

攝影：段繼兵

在霧霾肆虐的今天，風(fēng)能作為一種清潔能源，越來越受到人們的重視。風(fēng)電機(jī)組塔架是支承機(jī)艙和葉輪的部件，為風(fēng)輪提供必要的工作高度。

目前，大多數(shù)的風(fēng)電機(jī)組塔架都是由鋼材制成。比較常見的鋼材料塔架主要有桁架狀和圓筒式兩種。常規(guī)的鋼塔架作為部件在車間中生產(chǎn)，然后被輸送到安裝地點(diǎn)?；炷了芤彩且环N比較常見的塔架形式，然而混凝土塔架也存在重量大、施工難度大、周期長等問題。在風(fēng)電行業(yè)中，能源需求量的增大導(dǎo)致了對更大型風(fēng)電機(jī)組的需求。隨著風(fēng)電機(jī)組尺寸的不斷增加，塔架直徑與重量也在不斷增加，最終導(dǎo)致塔架的尺寸達(dá)到了不同國家的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所限定的界限，如在橋和隧道下的最大高度、允許的最大載重或者彎道的拐彎半徑等。

近年來，為了克服上述缺陷，人們逐漸開始了對復(fù)合材料塔架的研究。復(fù)合材料塔架具有質(zhì)量輕、成本低、可降低風(fēng)振負(fù)載且可現(xiàn)場制造的優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，本文詳細(xì)分析了風(fēng)電機(jī)組復(fù)合材料塔架目前的專利申請現(xiàn)狀，并且對該領(lǐng)域的專利發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。

專利現(xiàn)狀

有關(guān)風(fēng)電機(jī)組復(fù)合材料塔架的專利申請主要集中F03D和B29C 這兩個國際專利分類號上，涉及到的中文關(guān)鍵詞主要為：風(fēng)力、塔架、復(fù)合、增強(qiáng)纖維等，對應(yīng)的英文關(guān)鍵詞主要為：wind,tower,composite,fiber 等。筆者通過采用分類號加關(guān)鍵詞的檢索方式在中國專利檢索數(shù)據(jù)庫（CPRS）和歐洲專利檢索數(shù)據(jù)庫(EPODOC)中進(jìn)行檢索，經(jīng)閱讀篩選后，總共得到相關(guān)專利申請共18 篇（排除同一申請的實用新型），檢索日期截至到2015 年5 月。

由表1 可知，該領(lǐng)域的專利總申請量不多，僅十幾件。相關(guān)的專利申請主要集中在公司、學(xué)校以及研究機(jī)構(gòu)中，個人申請較少。從申請年代來看，涉及復(fù)合材料塔架的專利申請大部分集中在2008 年－2014 年之間；從申請人的國別來看，相關(guān)的專利申請主要集中在美國和中國；從申請的內(nèi)容來看，大多涉及復(fù)合塔架的制作方式和結(jié)構(gòu)。

表1 復(fù)合材料塔架的專利申請情況

由此可見，復(fù)合塔架這一技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，且進(jìn)展緩慢，但對技術(shù)水平要求和產(chǎn)業(yè)化要求較高，個人很難進(jìn)入該領(lǐng)域。目前各國以及各個相關(guān)企業(yè)對于這一技術(shù)重視度還不高，并未投入過多精力進(jìn)行研發(fā)，導(dǎo)致專利申請量偏低。

通過分析，筆者認(rèn)為造成這一現(xiàn)狀的原因在于：

（1）研究人員更樂于研究能夠提高風(fēng)能利用率的葉片、偏航變槳等結(jié)構(gòu)，而忽視了對塔架這種僅用于支承風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)施的研究，缺乏對復(fù)合塔架技術(shù)申請專利的動力。

（2）該技術(shù)對產(chǎn)業(yè)化的高要求使得研究范圍僅局限于相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)，研發(fā)力量不充足。

（3）雖然復(fù)合塔架技術(shù)是近幾年才慢慢開始發(fā)展，但是采用復(fù)合材料制作筒狀支承件卻已是現(xiàn)有技術(shù)。從專利授權(quán)的角度來看，這使得企業(yè)在復(fù)合塔架方面獲取專利權(quán)更加困難。例如，美國的四件申請中僅有一件在中國獲得授權(quán)。因此，專利申請熱情度不高。

復(fù)合塔架的重點(diǎn)專利技術(shù)

目前，相關(guān)專利申請技術(shù)大多涉及制造方式和塔架結(jié)構(gòu)。通過詳細(xì)閱讀檢索到的相關(guān)專利申請，下面列出三種比較具有代表性的專利技術(shù)。

一、現(xiàn)場編織的復(fù)合材料塔架

通用電氣公司為復(fù)合材料塔架專利申請量最多的申請人，其在2008 年－2011 年之間申請了四件專利申請，均涉及現(xiàn)場編織復(fù)合材料塔架及其制造方法。下面介紹其中一篇具有代表性的專利申請。

公布號：US2009211173A1

申請日：2008 年2 月27 日

公布日：2009 年8 月27 日

發(fā)明名稱：復(fù)合式風(fēng)力渦輪機(jī)塔架

技術(shù)方案：

提供具有表面的心軸403，通過在該心軸403 的表面上布置多個增強(qiáng)纖維401 以及對這些增強(qiáng)纖維提供基體材料而形成第一復(fù)合層501。施加芯材料601 到第一層上形成芯層。第二復(fù)合層701 通過在芯層的至少一部分上布置多個增強(qiáng)纖維401 且施加到芯層上，并且對這些增強(qiáng)纖維提供基體材料。該基體材料固化以形成復(fù)合風(fēng)電機(jī)組塔架的至少一部分。塔架能夠部分或全部現(xiàn)場制造。其中纖維401 包括縱向纖維405 和環(huán)形纖維407。纖維401 可為自然或人造纖維，如玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維或其它適合形成復(fù)合材料的任何纖維。環(huán)形纖維407 施加在縱向纖維405 上以形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。基體材料通過紅外輻射、紫外輻射、熱或其它固定方法來固化。適當(dāng)?shù)幕w材料包括但不限于聚酯、聚乙烯、環(huán)氧化物或其它適合形成復(fù)合材料的任何基體。圖1 顯示出了分層復(fù)合式塔架形成裝置。

優(yōu)點(diǎn)：

本專利申請的一個優(yōu)點(diǎn)在于由分層復(fù)合結(jié)構(gòu)所具有的阻尼特性，降低了風(fēng)振負(fù)載，風(fēng)力渦輪機(jī)的疲勞壽命因而延長。另一個優(yōu)點(diǎn)為塔架制造過程可在現(xiàn)場進(jìn)行。這樣不僅降低了制造工廠的成本，還降低了運(yùn)輸成本。

二、采用真空灌注法制造的復(fù)合塔架

北京可汗之風(fēng)科技有限公司提交了一種以條/板狀材料為主的復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔架及其制造方法的專利申請，其中提供了兩種制作復(fù)合材料塔架的方法，其中一種是纏繞法，另一種是真空灌注法。下面主要介紹真空灌注法。

公布號：WO2011/075917A1

申請日：2009 年12 月25 日

公布日：2011 年6 月30 日

發(fā)明名稱：用于風(fēng)電機(jī)組塔架

技術(shù)方案：

圖2 為塔架制作真空灌注工藝示意圖，其中真空灌注法工藝流程如下：

步驟1：按照塔架的內(nèi)徑尺寸制造內(nèi)胎，材料采用鋼質(zhì)材料，也可采用其他表面狀態(tài)良好的剛性材料；

步驟2：將玻璃纖維布53，板/條材54 以及另外一層玻璃纖維布55 依次扎緊在內(nèi)胎52 上；

步驟3：連接進(jìn)、出膠管51 和56；

步驟4：使用玻璃鋼真空灌注成型法對這些材料進(jìn)行真空灌注成型；

步驟5：將經(jīng)過完全固化好的產(chǎn)品脫出內(nèi)胎胎具，并修整成為所需產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：

在結(jié)構(gòu)和材料上的優(yōu)化，使得風(fēng)電機(jī)組的塔架同時具備復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高模量、低重量、易于運(yùn)輸和裝機(jī)、防腐性能好等特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)塔架的低成本、易回收等優(yōu)點(diǎn)。

三、鋼與復(fù)合材料結(jié)合的復(fù)合塔筒

南京工業(yè)大學(xué)提交了一種鋼－復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒的專利申請，以解決傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒面臨的防腐、加工及運(yùn)輸安裝等問題。

公布號：CN102817795A

申請日：2012 年8 月23 日

公布日：2012 年12 月12 日

發(fā)明名稱：鋼－復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒

技術(shù)方案：

圖1 分層復(fù)合式塔架形成裝置

圖2 塔架制作真空灌注工藝示意圖

這種鋼－復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒，包括多個錐形鋼管節(jié)段連接而成的鋼內(nèi)管和由多個玻璃纖維復(fù)合材料管節(jié)段構(gòu)成的復(fù)合材料外管。在每個鋼內(nèi)管的表面粘貼具有防腐性質(zhì)的 E－玻璃纖維布，形成鋼－復(fù)合材料組合節(jié)段。該鋼－復(fù)合材料組合節(jié)段沿圓周方向分為兩片，沿每片的縱向設(shè)置縱向加勁肋，每兩片鋼－復(fù)合材料組合節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接而成，最終形成鋼－復(fù)合材料塔筒段。各鋼－復(fù)合材料塔筒段之間采用法蘭連接形成用于現(xiàn)場安裝的鋼－復(fù)合材料塔筒。所述E－玻璃纖維布通過防腐型的環(huán)氧樹脂粘附于鋼內(nèi)管外表面，所述E－玻璃纖維布按四軸向準(zhǔn)正交分兩層鋪設(shè)于每片鋼板外表面。

優(yōu)點(diǎn)：

圖3 鋼-復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒的橫截面圖

與傳統(tǒng)鋼風(fēng)電機(jī)組塔筒相比，鋼－復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒可以有效抵御風(fēng)沙、風(fēng)浪侵襲，耐疲勞、耐腐蝕，能夠保證塔筒的壽命。同時，無需進(jìn)行大面積的金屬防銹防腐處理，結(jié)構(gòu)全壽命過程費(fèi)用相比傳統(tǒng)鋼塔筒較低，降低了制造成本。采用將塔筒段分片，方便工廠堆放，同時解決了塔筒運(yùn)輸過程中過橋高度的限制問題，在工廠標(biāo)準(zhǔn)化制作完成后，現(xiàn)場吊裝、組裝也較為方便；由于復(fù)合材料外筒具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，鋼－復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組塔筒較純鋼塔筒強(qiáng)度要高。

展望與建議

復(fù)合材料塔架由于具有質(zhì)量輕、成本低、可降低風(fēng)振負(fù)載且可現(xiàn)場制造的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在越來越受到人們的重視。但是，復(fù)合材料塔架的專利申請卻數(shù)量稀少，專利技術(shù)點(diǎn)不多。改變這種專利現(xiàn)狀已刻不容緩。下面提出幾點(diǎn)改進(jìn)建議，供大家參考。

一、借鑒復(fù)合材料在其他相關(guān)領(lǐng)域的專利申請方式，為我所用。事實上，復(fù)合材料本身已經(jīng)是一個發(fā)展較為成熟的技術(shù)，并且被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。各種復(fù)合材料的特性以及所應(yīng)用的領(lǐng)域也為大家所熟知。分析這些成熟的專利體系的申請思路，對比它們與本領(lǐng)域的共通之處，為復(fù)合材料塔架的專利申請?zhí)峁﹨⒖肌?/p>

例如，涉及風(fēng)電機(jī)組的復(fù)合材料葉片這一技術(shù)的專利申請體系是相對成熟的，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)專利申請涉及的技術(shù)內(nèi)容相當(dāng)廣泛。其中，不僅涉及材料選擇、制造工藝等與復(fù)合葉片直接相關(guān)的專利申請，還涉及復(fù)合葉片的葉型結(jié)構(gòu)、制造葉片的設(shè)備、葉片的裝配方法、復(fù)合葉片的仿雷電、仿結(jié)冰結(jié)構(gòu)等等方面。這些專利仿佛一張蜘蛛網(wǎng)，對復(fù)合葉片這一技術(shù)進(jìn)行了全方面的專利保護(hù)。復(fù)合材料塔架可以借鑒復(fù)合材料葉片的這種專利申請模式，擴(kuò)大專利申請范圍，增大專利申請量。

二、發(fā)掘可申請專利的技術(shù)點(diǎn)，廣泛布局。專利申請并不限于對現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)程度的大小，不是只有開拓式發(fā)明才能申請專利。無論大的方面的改進(jìn)還是小的方面的改進(jìn)，都可以申請專利。在專利申請中，多數(shù)專利都是在已有的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的改進(jìn)型發(fā)明。因此，大到整個復(fù)合塔架結(jié)構(gòu)的變化，小到安裝復(fù)合塔架的一個螺釘位置的改變，只要能夠解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，達(dá)到好的技術(shù)效果，均可以申請專利。

三、重視復(fù)合材料塔架這一技術(shù)，提高熱情度。通過檢索分析，可以看到，涉及復(fù)合葉片的專利數(shù)量多達(dá)三百多件，而涉及復(fù)合塔架的專利數(shù)量僅十幾件，兩者之間存在巨大的差距。雖然復(fù)合塔架這一技術(shù)是近些年才開始研究的技術(shù)，起步較晚，但是專利申請量并未隨著時間的增長而增加。如果投入更多的精力和人力來深入研究這一技術(shù)，并且申請專利保護(hù)研究的成果，相信必然能夠改變這種專利現(xiàn)狀。對于我國企業(yè)來說，這既是挑戰(zhàn)，又是機(jī)遇。把握好這個機(jī)遇，在該領(lǐng)域進(jìn)行專利布局，有助于我國風(fēng)電企業(yè)在全球風(fēng)電領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

四、將技術(shù)運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)實踐，在實踐中不斷改進(jìn)技術(shù)。目前，僅知在2013 年5 月31 日由緬因大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的DeepCwind 聯(lián)合集團(tuán)在美國緬因州布魯爾附近安裝了PPG工業(yè)支助的首個復(fù)合材料風(fēng)電塔架，而后再未見復(fù)合塔架實際應(yīng)用的相關(guān)報道。任何理論都要禁得起實踐的檢驗。將復(fù)合塔架運(yùn)用于實際應(yīng)用中，才能發(fā)現(xiàn)更多的問題，而解決這些問題的技術(shù)方案將是最好的專利申請素材。

結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組復(fù)合材料塔架具有廣闊的發(fā)展前景。本文對于風(fēng)力復(fù)合材料塔架目前的專利現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，分析了造成這種現(xiàn)狀的原因，介紹了三種具有代表性的復(fù)合材料塔架的技術(shù)，并對該技術(shù)的未來專利發(fā)展給出了建議，供相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)參考。期望風(fēng)電機(jī)組復(fù)合塔架這一技術(shù)在未來能夠更快更好地發(fā)展。