基于專利信息的海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)及關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域分析*

蘭志剛 于 汀 焦 婷 孫洋洲

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

海洋溫差能發(fā)電是一種利用表層溫海水和深層冷海水之間的熱梯度進(jìn)行發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。該技術(shù)以表層海水作為高溫?zé)嵩?，?00～1 000 m深處的冷海水作為低溫?zé)嵩矗纬蔁崃ρh(huán)系統(tǒng)，用以驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。1881年法國(guó)的Arsened Arsonval首次提出利用海水溫度差發(fā)電的概念和構(gòu)想。1930年世界上首臺(tái)海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)成功，并在古巴近海首次實(shí)現(xiàn)發(fā)電，但由于系統(tǒng)自耗功大于輸出功，因此不具有實(shí)用價(jià)值[1-2]。20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)促使全球加快尋找替代能源的步伐，海洋溫差能發(fā)電再次引發(fā)關(guān)注，日本和美國(guó)相繼開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究，并取得了一些明顯技術(shù)突破和實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1979年,美國(guó)科學(xué)家在夏威夷群島研發(fā)了世界上首臺(tái)具有凈電力輸出(凈輸出功15 kW)的海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)MINI-OTEC。1981年，東京電力公司在瑙魯研建了一座120 kW岸基OTEC電站，并成功實(shí)現(xiàn)發(fā)電[1]。次年，九州電力公司在日本鹿兒島建立了一座50 kW岸基OTEC電站，并成功發(fā)電[3]。之后，美國(guó)于20世紀(jì)90年代在夏威夷研發(fā)了210 kW裝機(jī)規(guī)模的海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)[4]。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著氣候變化和碳減排壓力對(duì)能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型的要求日益增加，海洋溫差能作為一種穩(wěn)定的綠色可再生能源，再次引發(fā)科學(xué)家關(guān)注。2011年11月，NELHA(夏威夷管理局)的自然能源實(shí)驗(yàn)室與OTEC國(guó)際有限責(zé)任公司合作，在夏威夷的Keahole建造了一座1 MW的示范工廠[5]。然而，由于系統(tǒng)冷熱源溫差小、熱轉(zhuǎn)換效率低，加之海洋環(huán)境復(fù)雜、系統(tǒng)造價(jià)高昂以及其他技術(shù)性原因，海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域至今一直在試驗(yàn)樣機(jī)和示范工程階段徘徊，未能進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段。

海洋溫差能發(fā)電的發(fā)展前景如何？目前在技術(shù)發(fā)展方面處于什么階段，成熟度如何？還存在哪些技術(shù)難點(diǎn)？這一切都需要綜合利用相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、借助必要的技術(shù)分析方法做出研判。20世紀(jì)80年代， Altshuller在對(duì)大量專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，專利數(shù)量、專利等級(jí)和產(chǎn)品性能等變量與技術(shù)的發(fā)展進(jìn)化密切關(guān)聯(lián)，可用于技術(shù)分析和預(yù)測(cè)[6]。Kim等從目標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)中提取關(guān)鍵詞，采用k-均值算法對(duì)專利文獻(xiàn)進(jìn)行聚類，構(gòu)建了可視化的技術(shù)分析方法[7]。楊良選研究了技術(shù)發(fā)展與技術(shù)專利文獻(xiàn)間的關(guān)系，提出了多維技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)的方法和模型[8]。王興旺 等通過(guò)研究基于專利信息的技術(shù)預(yù)測(cè)方法，進(jìn)一步證實(shí)了利用專利信息進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)的科學(xué)性和有效性[9]。由此可見(jiàn)，專利是科技創(chuàng)新的風(fēng)向標(biāo)，專利分析可作為技術(shù)分析和預(yù)測(cè)的重要手段。

德溫特創(chuàng)新(Derwent Innovation)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)涵蓋來(lái)自50多個(gè)專利授權(quán)機(jī)構(gòu)及2個(gè)防御性公開的非專利文獻(xiàn)的全球性科技文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中的專利記錄始于1900年，時(shí)間跨度大，數(shù)據(jù)量大，為開展各項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)信息來(lái)源。本文基于德溫特創(chuàng)新數(shù)據(jù)庫(kù)和其他科技文獻(xiàn)獲得的信息，擬合出了海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)模型，結(jié)合專利分析技術(shù)中的核心專利分析方法，分析了海洋溫差能發(fā)電的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)出了海洋溫差能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域和走向商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法

一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展一般要經(jīng)歷萌芽、成長(zhǎng)、成熟和衰退等4個(gè)階段的技術(shù)生命周期。位于萌芽期的技術(shù)成長(zhǎng)較為緩慢，隨著研發(fā)投入的加大和技術(shù)的提升，將迎來(lái)一段快速成長(zhǎng)的爆發(fā)期；技術(shù)在成長(zhǎng)期進(jìn)步的勢(shì)頭迅猛，技術(shù)也隨之逐漸成熟，逐漸進(jìn)入成熟期；在成熟期，技術(shù)不斷完善的需求依然強(qiáng)勁，保持著較強(qiáng)的發(fā)展勢(shì)頭；隨著技術(shù)的不斷完善、成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用，技術(shù)逐漸進(jìn)入衰退期，不再有明顯增長(zhǎng)。

目前國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)主要以技術(shù)成熟度作為技術(shù)評(píng)估最常用的方法，常見(jiàn)的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法有技術(shù)文獻(xiàn)計(jì)量法(TBM)、技術(shù)專利分析法(TPA)、技術(shù)性能測(cè)量法(TCM)和技術(shù)就緒水平評(píng)價(jià)法(TRL)等4種，其中TPA法源于前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家Altshuller，他通過(guò)對(duì)大量專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)技術(shù)生命周期內(nèi)，技術(shù)的成長(zhǎng)規(guī)律與生物進(jìn)化模式相似，總體過(guò)程呈現(xiàn)出S型曲線的形狀[6]。

常用的S型曲線為L(zhǎng)ogistic增長(zhǎng)模型，它是一種廣義線性回歸模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式(1)中:Y為技術(shù)成熟度表征量；L為L(zhǎng)ogistic曲線的飽和值，即技術(shù)成熟度表征量的理論上限，在本文中代表年累計(jì)專利數(shù)量；t為時(shí)間，在本文中單位為年；k為L(zhǎng)ogistic曲線的形狀參數(shù)，是該曲線的斜率；τ為L(zhǎng)ogistic曲線的位置參數(shù)。

(2)

式(2)中，y為歸一化的技術(shù)成熟度表征量。

圖1 基于Logistic模型的技術(shù)成熟度曲線特征圖

2 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)

從德溫特創(chuàng)新數(shù)據(jù)庫(kù)專利信息數(shù)據(jù)庫(kù)中可以查得海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域自1976—2019年共產(chǎn)生技術(shù)專利1138項(xiàng)，其中德溫特世界專利索引(DWPI)同族專利418項(xiàng)(表1)。

表1 1976—2019年海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域申請(qǐng)的專利數(shù)量

圖2為海洋溫差能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的年專利申請(qǐng)數(shù)和國(guó)際原油價(jià)格走勢(shì)對(duì)比圖，可以看出，兩者的變化趨同。自20世紀(jì)70年代初期國(guó)際原油價(jià)格大幅攀升后，海洋溫差能發(fā)電相應(yīng)研發(fā)投入逐漸增加，申請(qǐng)專利的數(shù)量也隨即上升。20世紀(jì)80年代后期至90年代末，隨著國(guó)際原油價(jià)格逐漸下滑，并多年維持在較低水平，海洋溫差能發(fā)電研究投入熱度也隨之降低，專利申請(qǐng)數(shù)量一直在低位徘徊。之后隨著國(guó)際原油價(jià)格逐漸走高，2007年及之后海洋溫差能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，并于2010—2013年連續(xù)4年專利申請(qǐng)量超過(guò)100項(xiàng)，到達(dá)申請(qǐng)量的頂峰。2015年起，隨著國(guó)際原油價(jià)格步入快速下行軌道，海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)研究也呈現(xiàn)大幅下滑趨勢(shì)，專利年申請(qǐng)數(shù)量從2010年最高時(shí)的130項(xiàng)下滑至2019年的17項(xiàng)，研究熱度銳減。

圖2 OTEC年專利申請(qǐng)量與國(guó)際原油價(jià)格走勢(shì)比較

圖3為海洋溫差能發(fā)電技術(shù)專利年申請(qǐng)數(shù)與國(guó)際原油價(jià)格的關(guān)系曲線圖，可以算出2組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)約為0.82，表明海洋溫差能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展速度與國(guó)際原油價(jià)格之間具有一定相關(guān)性。從技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力屬性上看，外部推動(dòng)作用明顯。但反觀圖2也可以看出，海洋溫差能發(fā)電專利年申請(qǐng)數(shù)量的增長(zhǎng)略滯后于國(guó)際原油價(jià)格的增長(zhǎng)，而下降時(shí)則略超前于國(guó)際原油價(jià)格，這也在一定程度上印證了該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力不足。

圖3 OTEC年專利申請(qǐng)量與國(guó)際原油價(jià)格的關(guān)系曲線

利用式(2)對(duì)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)查得的海洋溫差能發(fā)電專利數(shù)量做Logistic曲線擬合，可以得到式(3)所示的海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度S曲線函數(shù)：

(3)

為了更好地理解和把握海洋溫差能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，將海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度曲線與海上風(fēng)電的技術(shù)成熟度曲線做了對(duì)比(圖4)?？梢钥闯?，海上風(fēng)電自1997年申請(qǐng)第一項(xiàng)專利以來(lái)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(jìn)入技術(shù)成長(zhǎng)期，2016年前后進(jìn)入技術(shù)成熟期。而海洋溫差能發(fā)電則不同，雖然在1976年就申請(qǐng)了第一個(gè)專利，但歷經(jīng)40余年的發(fā)展，現(xiàn)在剛剛步入技術(shù)成長(zhǎng)期。按照本文構(gòu)建的海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度曲線預(yù)測(cè)，海洋溫差能發(fā)電以現(xiàn)有的發(fā)展速度最快也要到2030年后才能進(jìn)入技術(shù)成熟期。另從申請(qǐng)專利的數(shù)量來(lái)看，海上風(fēng)電歷經(jīng)短短23年，形成專利的數(shù)量卻高達(dá)7 803項(xiàng)；而海洋溫差能發(fā)電自1976年開始?xì)v經(jīng)44年，申請(qǐng)專利數(shù)量只有1 138項(xiàng)。這可能從一方面反映出海洋溫差能發(fā)電關(guān)注度較低，不被看好；另一方面也折射出了其技術(shù)復(fù)雜，近期難以取得突破性進(jìn)展。綜合以上分析，海洋溫差能發(fā)電技術(shù)成熟度總體還處于較低水平。

圖4 海洋溫差能發(fā)電和海上風(fēng)電技術(shù)成熟度比較

3 海洋溫差能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域分析

將海洋溫差能發(fā)電技術(shù)專利按所涉技術(shù)方向進(jìn)行分類，可以發(fā)現(xiàn)其主要涉及海洋溫差能發(fā)電總體概念方案、冷水管、熱力循環(huán)形式、換熱器、海洋溫差能發(fā)電綜合利用、能量轉(zhuǎn)換(透平發(fā)電機(jī))、平臺(tái)載體、腐蝕附著、海水泵和工質(zhì)，如圖5所示。其中，總體概念方案既涉及有熱力循環(huán)形式、換熱器及透平等熱力循環(huán)技術(shù)，也有海水管、載體及定位技術(shù)。綜合利用包括制氫、海水淡化、漁業(yè)養(yǎng)殖等，與海洋溫差能發(fā)電技術(shù)關(guān)聯(lián)較小。

圖5 海洋溫差能發(fā)電專利的技術(shù)領(lǐng)域分布

洛克希德馬丁公司是海洋溫差能發(fā)電研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，1985—2019年共獲得了207項(xiàng)海洋溫差能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的專利，是該領(lǐng)域擁有專利最多的研發(fā)機(jī)構(gòu)。圖6為該公司在海洋溫差能發(fā)電方面的專利統(tǒng)計(jì)情況，從專利技術(shù)分布來(lái)看，主要布局在換熱器和冷水管技術(shù)方面。

圖6 1985—2019年洛克希德馬丁公司海洋溫差能發(fā)電專利的技術(shù)領(lǐng)域分布

世界權(quán)威專利計(jì)量研究機(jī)構(gòu)CHI的研究表明，某項(xiàng)專利被引用的次數(shù)越多，則該專利重要性越大。因此，被引次數(shù)可作為判斷該專利是否為核心專利以及是否為關(guān)鍵技術(shù)的重要依據(jù)[10]。對(duì)搜索到的1 139項(xiàng)海洋溫差能發(fā)電專利的被引次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取出引用次數(shù)最高的前40項(xiàng)專利(表2)。可以看出，換熱器、概念方案、冷水管、冷水管與平臺(tái)接口、平臺(tái)及定位、熱力循環(huán)、防腐防污、綜合利用方面的專利分別有11、10、5、4、4、5、2、1項(xiàng)。上述各類專利中，概念方案方面的專利涉及完整的海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)，包括由換熱器、工質(zhì)泵、膨脹機(jī)等主要組件構(gòu)成的熱力循環(huán)系統(tǒng)，由冷海水管、溫海水管和海水泵等組件構(gòu)成的海水循環(huán)系統(tǒng)以及海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)的平臺(tái)載體等，是多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的系統(tǒng)集成。綜合利用方面的專利涉及的技術(shù)方向是海洋溫差能發(fā)電轉(zhuǎn)換在其他生產(chǎn)系統(tǒng)或裝備中的應(yīng)用，并非海洋溫差能發(fā)電技術(shù)本身。從技術(shù)分解的角度看，兩者不屬于海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)子類。而其余各類專利涉及的技術(shù)，均為海洋溫差能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。因此，從專利被引次數(shù)指標(biāo)可以判斷，換熱器、冷水管及接口、平臺(tái)及定位、熱力循環(huán)和防腐防污是海洋溫差能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。上述所有專利中被引次數(shù)最多的是一項(xiàng)涉及冷水管技術(shù)的專利。該專利為一種用于海洋溫差能發(fā)電的柔性可伸縮冷水管，于1985年公開，專利權(quán)人為洛克希德馬丁公司，被引次數(shù)高達(dá)107次。

表2 高被引率的海洋溫差能發(fā)電專利的被引次數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜合以上專利數(shù)據(jù)分析，熱力循環(huán)、工質(zhì)、換熱器、透平發(fā)電機(jī)、海水泵、平臺(tái)載體及定位、冷水管、冷水管和平臺(tái)之間的連接、水下電纜及輸電等技術(shù)是海洋溫差能發(fā)電研究的重要方向，海洋溫差能發(fā)電技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面：

1) 由于海洋溫差能所用的冷熱源溫差很小，循環(huán)效率低，如朗肯循環(huán)的發(fā)電效率約為3%，卡利納循環(huán)的發(fā)電效率約為4.5%，優(yōu)化后的上原循環(huán)的發(fā)電效率也不過(guò)4.97%。如何完善現(xiàn)有熱力循環(huán)系統(tǒng)，研發(fā)更加高效的熱力循環(huán)形式，以及可以更好地匹配海洋溫差能冷熱源溫度特點(diǎn)的工質(zhì)，是提高海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

2) 換熱器是海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，如何進(jìn)一步提高換熱效率、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減小體積、抵御海洋生物附著和海水及工質(zhì)的腐蝕，是提高海洋溫差能發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

3) 泵與透平技術(shù)較為成熟，相較其他技術(shù)而言，離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用最近。但由于海洋溫差能發(fā)電熱品位低、壓差小，對(duì)于裝機(jī)規(guī)模大的系統(tǒng)方案，選用的氨透平體積會(huì)很大，造成設(shè)備選型困難甚至需要專門定制，對(duì)于海水泵來(lái)說(shuō)，由于流量巨大，更是如此。

4) 平臺(tái)及定位技術(shù)在海上油氣工業(yè)的推動(dòng)下，本身已經(jīng)相當(dāng)成熟，在海洋溫差能發(fā)電上所面臨的主要問(wèn)題是如何在確保功能和安全的前提下降低造價(jià)，同時(shí)鑒于海洋溫差能發(fā)電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(平臺(tái)、海水管、系泊系統(tǒng))運(yùn)動(dòng)耦合的復(fù)雜性，應(yīng)進(jìn)一步開展結(jié)構(gòu)形式及其水動(dòng)力特性研究和系泊技術(shù)研究。

5) 冷水管的制造、安裝和施工技術(shù)，國(guó)內(nèi)尚不掌握，應(yīng)進(jìn)一步深入開展相關(guān)研究。冷水管與載體平臺(tái)的接口是海洋溫差能發(fā)電裝置最為復(fù)雜的配套工程裝備，也是制約浮式海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其發(fā)展目前還面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果接口出現(xiàn)泄露，將嚴(yán)重影響發(fā)電系統(tǒng)的效率，且由于修復(fù)需要在水下開展，勢(shì)必造成施工困難和成本增加。特別是當(dāng)接口完全失效時(shí)，可能導(dǎo)致冷水管脫落丟失，給電站造成巨大損失。

4 結(jié)論

在充分挖掘?qū)＠麛?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合專利分析技術(shù)中的核心專利分析方法，可以很好地對(duì)選定技術(shù)的成熟度和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行提取和歸納。本文對(duì)海洋溫差能發(fā)電技術(shù)專利信息的研究結(jié)果表明，從技術(shù)成熟度分析結(jié)果來(lái)看，海洋溫差能發(fā)電技術(shù)剛剛從技術(shù)萌芽期進(jìn)入技術(shù)成長(zhǎng)期，與快速發(fā)展的海上風(fēng)電相比，技術(shù)發(fā)展緩慢，成熟度尚處于較低水平；熱力循環(huán)、換熱器、能量轉(zhuǎn)換裝置、海水泵、平臺(tái)載體及定位、冷水管、冷水管和平臺(tái)之間的連接等技術(shù)是海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。