風(fēng)電領(lǐng)域重要申請人維斯塔斯葉片技術(shù)綜述

張云芳 郭醞

摘要：此次綜述主要研究對象是風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)，為提高研究的針對性，主要以風(fēng)力發(fā)電機葉片為對象，通過對全球主要的風(fēng)電葉片研發(fā)、制造商的專利實力進(jìn)行分析，制定了針對性的檢索策略，對涉及主題相關(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)外主要申請人的專利申請狀況，并從結(jié)構(gòu)和功效方面對部分申請人進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;葉片;主要申請人;綜述

大型風(fēng)電設(shè)備對于葉片的強度、重量、結(jié)構(gòu)等有著嚴(yán)格的要求，對于風(fēng)力發(fā)電機來說，進(jìn)行良好的葉片設(shè)計、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、延長使用壽命，保證風(fēng)力發(fā)電長期無故障高效穩(wěn)定運行的重要因素。隨著國家對綠色新能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)裝機容量迎來飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電葉片產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了快速的增長，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械性能和疲勞強度的提高、葉片降噪、防結(jié)冰、防雷擊以及啟動性能的提高等方面。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)、運輸以及安裝問題，因此，近年來，上述幾個方面也是風(fēng)電領(lǐng)域葉片研究的重點。

1.風(fēng)電葉片重要申請人排名

基于VEN數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對所有專利申請中涉及風(fēng)力發(fā)電機葉片的申請人的申請量進(jìn)行統(tǒng)計分析，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力推動該方面的研發(fā)。

就全球的主要申請人而言，通用電氣的申請量相比其他申請人多出很多，該申請人作為全球知名的能源動力設(shè)備提供商，對風(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、西門子的申請量處于第二梯隊，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)電整機制造商，各申請人對風(fēng)電設(shè)備的研發(fā)側(cè)重點不同，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，維斯塔斯和西門子雖然略為落后，但實力仍然不容小覷，四位申請人中排名最后的西門子在全球仍有四百余件申請。

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梯隊，除歌美颯和三菱在全球擁有200多件申請外，其余三家均未超過百件申請，特別是阿爾斯通，受其主要業(yè)務(wù)方向調(diào)整的影響，以阿爾斯通為申請人的風(fēng)電葉片申請明顯偏少，只有25件，并且是申請日集中在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械性能和疲勞強度的提高、葉片

降噪、防結(jié)冰、防雷擊以及啟動性能的提高等方面。故本文基于以上方面從一級二級分支角度對其進(jìn)行劃分，從一級分支來看，主要從結(jié)構(gòu)、功效、生產(chǎn)、運輸以及安裝方面進(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，從實現(xiàn)的功效方面，分為降噪、加熱、雷電保護(hù)、氣動性能提升、清潔等幾個方面。其中考慮到數(shù)據(jù)量大小以及研究時間的限制，葉片的生產(chǎn)、運輸以及安裝方面不作為研究內(nèi)容。對于實現(xiàn)的功效而言，有的通過葉片的結(jié)構(gòu)外形改變而實現(xiàn)，例如降噪、氣動性能的提升等一般通過葉片外形設(shè)計改變，有的則通過葉片內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)實現(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)域的申請量位于前列，實力不容小覷，因此對該公司的申請量較多的技術(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

由于葉片運輸?shù)葐栴}的出現(xiàn)，人們將葉片采用分段制造以滿足運輸?shù)男枨?，分段葉片必然需要面對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表面不改變又能相對插接提高連接穩(wěn)固性;隨著時間的推移，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，然而從空氣動力學(xué)的角度看，優(yōu)選使葉片厚度最小;為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，維斯塔斯采用略微增大接頭所在區(qū)域的弦寬，以及同時使弦與厚度之比沿葉片長度保持基本相同來解決上述問題（如CN102325990A）;隨著技術(shù)的發(fā)展和對精度的要求，如何精確對準(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率越大，因此需要保護(hù)風(fēng)輪機免遭雷擊。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心金屬制成的葉片梢部（即承受雷擊的部件），由于實心散熱效果要優(yōu)于之前的研究，并對金屬進(jìn)行了限制同時解決了鋁蒸發(fā)的問題（如CN183259A），在隨后的時間里，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)，強制雷擊沿導(dǎo)體行進(jìn)到接地引下線元件（如

CN101438022A）;有時上述效果并不理想，人們急需尋找一種可以對葉片進(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)問題均會導(dǎo)致葉片的損傷，維斯塔斯也本著該精神對各個細(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)競爭對手的動向，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，其研究重點主要集中在異形葉片，而在人為定義時所謂異形葉片常常指帶有降噪和氣流擾動部件的翼型以及為了優(yōu)化氣動性能而改善氣動表面的翼型，這在葉片結(jié)構(gòu)和功效對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)時并未將精力放在葉片上;隨著人們對清潔能源利用的關(guān)注，如何提高風(fēng)電發(fā)電效率成為熱點，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路;其對葉片的研究同樣經(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)和市場競爭中占據(jù)一席之地。