基于專利視角的海上風(fēng)電技術(shù)布局現(xiàn)狀分析*

吳勇虎 李彥尊 于 航 于廣欣

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

國際可再生能源署(IRENA)的最新研究認為，以可再生能源為主體的能源轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)2050年全球溫升控制在1.5 ℃的唯一途徑[1]。海上風(fēng)電以其不占用陸地空間、風(fēng)能儲量巨大、風(fēng)速穩(wěn)定等優(yōu)點成為近些年備受青睞的新型可再生能源。全球新增裝機容量預(yù)計在2025年為20 GW，到2030年接近40 GW，2020—2030年的平均年度增長率達到20.9%；其中海上風(fēng)電累計裝機容量在2020年為163.4 GW[2]。中國海上風(fēng)電在2021年的新增裝機容量為16.9 GW，占全球新增海上風(fēng)電裝機容量的80%，裝機規(guī)模已連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一[3]，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力快速提升。

全球海上風(fēng)電裝機容量在持續(xù)高速增長的同時，面臨著精細化海上風(fēng)資源評估選址、大功率抗臺風(fēng)海上風(fēng)力發(fā)電機、深遠海浮式風(fēng)機基礎(chǔ)、遠距離輸變電并網(wǎng)等新技術(shù)挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈也呈現(xiàn)出專業(yè)化、細致化的特點。因此，傳統(tǒng)石化能源企業(yè)在投身海上風(fēng)電開發(fā)時，需要從企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略布局和海上風(fēng)電技術(shù)成熟度兩方面入手才能更全面把握海上風(fēng)電市場發(fā)展方向。

本文采用科學(xué)情報計量方法，通過技術(shù)評估理解海上風(fēng)電技術(shù)的創(chuàng)新模式，基于專利數(shù)據(jù)挖掘分析海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)及其研究熱點，梳理分析各關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的龍頭企業(yè)戰(zhàn)略布局，同時基于技術(shù)成熟度開展多維評估并提出建議。本文研究成果可為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)分析和企業(yè)戰(zhàn)略布局提供指導(dǎo)。

1 海上風(fēng)電技術(shù)及企業(yè)布局策略分析

1.1 海上風(fēng)電技術(shù)特征

德溫特數(shù)據(jù)庫(DWPI)專利數(shù)據(jù)檢索分析結(jié)果表明，自1993—2020年的全球海上風(fēng)電技術(shù)年公開專利數(shù)有3個明顯階段，即起步階段(2000年以前)、慢速發(fā)展階段(2000—2010年)和快速發(fā)展階段(2010年至今)(圖1)。2000年，以英國、德國和丹麥為代表的歐洲國家能源政策促進了海上風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展，如英國《可再生能源義務(wù)法令》、德國《可再生能源法》等；2009年，丹麥哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會按下了海上風(fēng)電發(fā)展的加速鍵，碳減排的壓力促使各國出臺更為積極的能源法案和資金支持，一大批新技術(shù)和企業(yè)蓬勃發(fā)展；值得注意的是2014—2017年低油價時期，很多能源企業(yè)放緩了海上風(fēng)電發(fā)展腳步。由此可見，海上風(fēng)電技術(shù)開發(fā)受政策規(guī)劃、市場因素的影響比較明顯。

圖1 全球海上風(fēng)電年公開專利趨勢(1993—2020)Fig.1 Global offshore wind power annual published patent trends(1993—2020)

全球海上風(fēng)電專利的技術(shù)領(lǐng)域(圖2)呈以下特點：①海上風(fēng)力發(fā)電機的專利申請數(shù)量仍占主體地位(占比15%)，單體大功率、高效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的風(fēng)機主體一直是研究院所和海上風(fēng)電企業(yè)的技術(shù)熱點，目前中國國內(nèi)已實現(xiàn)單機10 MW的海上風(fēng)電機組列裝，中國東方電氣集團有限公司的13 MW海上風(fēng)電機組成功下線，不斷刷新最大單機容量記錄；②風(fēng)機塔筒結(jié)構(gòu)和風(fēng)機基礎(chǔ)安裝正成為技術(shù)發(fā)展的重要方向，近幾年的相關(guān)專利申請量不斷增加，尤其中國海岸線漫長，各區(qū)域地質(zhì)條件十分復(fù)雜，需要有相適應(yīng)的風(fēng)機塔筒和風(fēng)機基礎(chǔ)提高海上風(fēng)電場整體的可靠性，縮短施工周期，降低后期運維成本；③海上風(fēng)機的控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)專利數(shù)量不斷提升，說明對風(fēng)機的精細化控制要求更高了，因而應(yīng)聚焦于海上風(fēng)電的電能質(zhì)量和獲能效率，以進一步提升海上風(fēng)電的出力穩(wěn)定高效；④海上風(fēng)機與其他發(fā)電裝置的結(jié)合應(yīng)用技術(shù)成為新興熱點，如海上風(fēng)機與潮流能、波浪能裝置的一體化設(shè)計，海上風(fēng)電制氫和海水淡化裝置的硬件配套設(shè)施，國外研究機構(gòu)目前也對該領(lǐng)域進行了大量的技術(shù)投入。

圖2 全球海上風(fēng)電專利申請的技術(shù)分布情況(1993—2020)Fig.2 Technology distribution of global offshore wind power patent applications(1993—2020)

1.2 關(guān)鍵核心技術(shù)分解

結(jié)合海上風(fēng)電國際專利分類號(IPC)分類標(biāo)準(zhǔn)，將海上風(fēng)電設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行三級技術(shù)分解，4個一級技術(shù)分別為海上風(fēng)電場選址、海上風(fēng)力發(fā)電機、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、發(fā)輸電并網(wǎng)[4](表1)。在實際分析中，需要對檢索結(jié)果開展抽樣評估校正，以不斷完善檢索式，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)企業(yè)布局分析

1) 海上風(fēng)電場選址及資源評估。

針對風(fēng)資源測量技術(shù)、測量裝備和評估方法的專利權(quán)人(排名前12位)及其主要技術(shù)領(lǐng)域見表2?？梢钥闯?，排名前12位的專利權(quán)人共計持有相關(guān)專利531項，占該領(lǐng)域全部專利的52.5%，表明風(fēng)資源評估及優(yōu)化的技術(shù)領(lǐng)域壟斷程度較高。這些專利設(shè)計的技術(shù)主要可分為風(fēng)資源測量裝置和風(fēng)資源測量評估技術(shù)兩大類，前者主要集中于研發(fā)程度高的企業(yè)(如三菱電機有限公司、國家電網(wǎng)有限公司、華為技術(shù)有限公司、QINETIQ GROUP LTD)，以激光雷達、多普勒激光雷達、光學(xué)接收處理裝置等核心技術(shù)為主；后者主要集中于高校和研究機構(gòu)(如中國科學(xué)院、中國海洋大學(xué)、浙江大學(xué)等)，以測風(fēng)校準(zhǔn)方法、風(fēng)資源評估方法、風(fēng)速預(yù)報方法、海上風(fēng)電場址評價技術(shù)為主。

表1 海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)分解表Table 1 Breakdown table of key offshore wind power technologies

表2 海上風(fēng)資源測評專利主要申請人及其涉及技術(shù)領(lǐng)域(1993—2020)Table 2 Main applicants of offshore wind resources assessment patent and related technical fields (1993—2020)

值得關(guān)注的是，以北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司為代表的風(fēng)機企業(yè)在技術(shù)布局方面，涵蓋了硬件測量裝置、風(fēng)資源評估方法和數(shù)據(jù)修正方法，表明中國風(fēng)電開發(fā)企業(yè)在逐步掌握核心環(huán)節(jié)且具有了一定的技術(shù)獨立性。

2) 海上風(fēng)力發(fā)電機。

海上風(fēng)力發(fā)電機組專利多被大型企業(yè)壟斷特點，其中通用電氣公司、西門子、維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團3家海上風(fēng)電企業(yè)持有的專利數(shù)量達到521項，占比超過41%。通過排名前11位的優(yōu)化專利權(quán)人及其技術(shù)布局(表3)可以看出，以通用電氣公司、西門子和維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團為代表的整機企業(yè)在海上風(fēng)電機組、葉片、塔筒、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面進行了全面的技術(shù)布局，在研發(fā)設(shè)計、制造安裝到運行控制3方面實現(xiàn)了專利技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈延伸。需要注意的是，由于風(fēng)電行業(yè)和市場環(huán)境不斷變化，海上風(fēng)機企業(yè)也在不斷進行資源整合：2016年，西門子股份公司收購歌美颯技術(shù)集團股份有限公司，成為海上風(fēng)機市場領(lǐng)頭羊；2018年，海上整機巨頭Adwen GmbH公司徹底關(guān)閉了德國工廠并不再制造風(fēng)機；2020年，維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團以7.09億歐元的價格從合作伙伴日本三菱重工業(yè)有限公司手中回購了三菱重工維斯塔斯公司(MHI Vestas)海上風(fēng)電合資公司50%股權(quán)，實現(xiàn)了對MHI Vestas的百分百控股。

表3 海上風(fēng)力發(fā)電機組專利主要申請人及其涉及技術(shù)領(lǐng)域(1993—2020)Table 3 Main applicant of the offshore wind turbine patents and related technical fields(1993—2020)

以新疆金風(fēng)科技股份有限公司、明陽智慧能源集團股份公司、中國東方電氣集團有限公司、遠景能源科技有限公司為代表的中國風(fēng)機企業(yè)經(jīng)過多年技術(shù)積累，實現(xiàn)了較高的中國市場占有率，并且具備了研發(fā)制造13 MW海上風(fēng)電機組的技術(shù)能力，但在核心高端部件，如大直徑軸承、IGCT等方面對國外技術(shù)的依賴程度較大，因此中國風(fēng)電企業(yè)在這些技術(shù)領(lǐng)域仍需繼續(xù)突破。

3) 浮式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

浮式風(fēng)機的基礎(chǔ)研究多以大型跨國公司、風(fēng)電整機企業(yè)、油氣公司等為主，其排名前12位的專利主要申請人及其技術(shù)領(lǐng)域布局如表4所示?？梢钥闯觯孩俑∈斤L(fēng)機基礎(chǔ)研發(fā)仍是以海工背景企業(yè)、風(fēng)機開發(fā)商為主；②排名前12位的專利權(quán)人共持有相關(guān)專利1587項，占該領(lǐng)域全部專利的45.6%，表明浮式風(fēng)機基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的壟斷程度相對較高，國外公司也基本上實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的開發(fā)鏈；③國外研究以浮式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、平臺載荷設(shè)計、施工安裝方法和錨定系統(tǒng)等為主并基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)；④國內(nèi)研究目前以理論方法與綜合開發(fā)利用為主，與國外仍存在一定的技術(shù)差距。

4) 發(fā)輸電并網(wǎng)技術(shù)。

在海上輸變電并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，中國以國家電網(wǎng)有限公司、國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司、中國電力科學(xué)研究院、中國能源工程有限公司和清華大學(xué)、河海大學(xué)等高校為代表；國外以老牌電氣公司，如西門子、ABB和EXXON MOBIL等公司為代表，其專利申請量排名前12位的優(yōu)化專利權(quán)人共計持有相關(guān)專利316項(表5)，占全部專利的59.3%；中國國家電網(wǎng)持有專利量高居首位，達到160項，占本領(lǐng)域總專利量的29.8%，說明中國在海上輸變電并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域具有較高的自主知識產(chǎn)權(quán)。

表4 浮式風(fēng)機基礎(chǔ)專利主要申請人及其布局技術(shù)領(lǐng)域(1993—2020)Table 4 Main applicant of the floating offshore turbine patents and its related technical fields(1993—2020)

表5 海上輸變電并網(wǎng)專利主要申請人及其布局技術(shù)領(lǐng)域(1993—2020)Table 5 The main applicants of the marine power transmission and transformation patents and related technical fields (1993—2020)

需要說明的是，以中國國家電網(wǎng)為代表的中國企業(yè)雖然專利數(shù)量具有較大優(yōu)勢，但其專利布局的技術(shù)領(lǐng)域涉及核心電氣工藝、核心輸變電并網(wǎng)的技術(shù)并不多；西門子和ABB的專利布局集中于較前沿的高壓直流輸電、中壓直流輸電和高壓變電設(shè)備方面，具有較強的技術(shù)前沿性。因此從這個角度看，中國與國外在核心技術(shù)上仍存在一定差距，但具有較大的技術(shù)趕超可能性。

2 海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展成熟度分析

2.1 技術(shù)發(fā)展成熟度模型研究與建立

美國國家航空航天局在20世紀70年代提出了技術(shù)成熟度評估[5]，并在諸多領(lǐng)域?qū)嵺`了以技術(shù)就緒水平(Technology Readiness Level，TRL)、技術(shù)文獻計量方法(Technology Bibliometrics Method， TBM)、技術(shù)專利分析(Technology Patent Analysis,TPA)、技術(shù)性能測量( Technical Performance Measurement ，TPM)等為主的評估方法。技術(shù)文獻計量方法是應(yīng)用最為廣泛的方法，通過對文獻專利時間序列與增長曲線(S曲線模型)的數(shù)值擬合，依據(jù)應(yīng)用性能、文獻專利數(shù)量和多維評估模型，評估技術(shù)產(chǎn)品的成熟度和預(yù)測技術(shù)發(fā)展趨勢[6]。

Fisher-Pry模型是較為常用的S曲線模型，由Fisher和Pry于1971年提出，通過對文獻或?qū)＠麛?shù)量的統(tǒng)計描述該技術(shù)的發(fā)展趨勢，其表達式為

(1)

式(1)中：Y為待測指標(biāo)，無量綱；t為時間，a；α為常數(shù)，無量綱；β為增長率，無量綱；L為技術(shù)成熟時專利或文獻數(shù)量，件。令y=Y/L即可得到技術(shù)成熟度S曲線評價模型：

(2)

式(2)中：y為待測指標(biāo)的技術(shù)成熟度。對式(2)進行化簡，可得

(3)

即

(4)

式(4)中：b為形狀因子，無量綱，反映了技術(shù)發(fā)展趨勢的快慢；τ為位移因子，a，反映了文獻或?qū)＠麑τ诩夹g(shù)影響的滯后性，一般來說專利與技術(shù)存在3～5 a的滯后期。

2.2 海上風(fēng)電各關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級分析

S曲線模型可以描述各項技術(shù)的成熟度等級[7-8]，采用S曲線模型描述的海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展大致可劃分為技術(shù)的萌芽期、成長期、成熟期和衰退期4個階段[9]，當(dāng)曲線增長速率達到最大處時，標(biāo)志著該技術(shù)進入成熟期，發(fā)展速度變得緩慢。

1) 海上風(fēng)電場選址及資源評估技術(shù)成熟度分析。

全球海上風(fēng)資源評估及選址技術(shù)的技術(shù)成熟度見圖3。可以看出：2000年前，該領(lǐng)域的發(fā)展一直較為緩慢；自2008年后開始快速發(fā)展，從2011年開始專利數(shù)量開始明顯增長。從全球范圍看，海上風(fēng)資源評估技術(shù)處于技術(shù)生命周期的成熟發(fā)展階段(2021年技術(shù)成熟度達到0.70)，可積極開展技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

圖3 海上風(fēng)電場選址及資源評估技術(shù)成熟度分析(1980—2060)Fig.3 Maturity analysis of offshore wind site selection and resource assessment technology(1980—2060)

2) 浮式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度分析。

浮式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電近淺海及深遠海的研究熱點，其技術(shù)成熟度等級分析預(yù)測見圖4?？梢钥闯觯∈斤L(fēng)機基礎(chǔ)技術(shù)研究經(jīng)歷了技術(shù)萌芽期(1982—1998年)、技術(shù)發(fā)展期(1999—2007年)和快速發(fā)展期(2008年至今)3個階段。歐洲、美國和日本等國家和地區(qū)設(shè)計了多種浮式結(jié)構(gòu)型式。中國于2016年由國家發(fā)改委、國家能源局和工信部聯(lián)合印發(fā)了《中國制造2025 能源裝備實施方案》，提出了重點發(fā)展海上浮式風(fēng)機機組及各種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。從全球范圍看，浮式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛進入技術(shù)成熟發(fā)展階段(2021年技術(shù)成熟度0.59)，成熟度有待進一步加強，因此在此基礎(chǔ)上加大研發(fā)投資，開展技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，有利于企業(yè)在深遠海風(fēng)電領(lǐng)域競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

圖4 浮式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度分析(1980—2040)Fig.4 Maturity analysis of floating wind turbine foundation technology(1980—2040)

3) 海上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)成熟度分析。

海上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)成熟度等級分析預(yù)測見圖5?？梢钥闯觯?000年前海上風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展緩慢，尚未有較多的技術(shù)布局，自2002年丹麥在北海建成了世界上首個16萬kW的海上風(fēng)電場后，很多國家開始針對海上風(fēng)力發(fā)電機進行技術(shù)布局，海上風(fēng)機單機容量不斷刷新，適于深遠海的抗臺風(fēng)技術(shù)不斷優(yōu)化，滿足產(chǎn)業(yè)化開發(fā)需要。從全球范圍看，海上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)處于成熟發(fā)展階段(2021年技術(shù)成熟度0.75)，可積極開展技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

4) 海上發(fā)輸電并網(wǎng)技術(shù)成熟度分析。

海上發(fā)輸變電并網(wǎng)技術(shù)成熟度等級分析預(yù)測見圖6?？梢钥闯?，2002年前該領(lǐng)域的發(fā)展一直較為緩慢，2004年開始快速發(fā)展，2010年專利數(shù)量開始明顯增長。從全球范圍看，海上升壓站輸變電并網(wǎng)技術(shù)處于成熟發(fā)展階段(2021年技術(shù)成熟度0.71)，關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備均有較成熟的應(yīng)用，可開展技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

圖5 海上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)成熟度分析(1980—2035)Fig.5 Maturity analysis of offhshore wind turbine technology(1980—2035)

圖6 海上發(fā)輸電并網(wǎng)技術(shù)成熟度分析(1980—2050)Fig.6 Maturity analysis of transmission and transformation grid connected technology(1980—2050)

3 結(jié)論與建議

1) 截至2021年，海上風(fēng)電整體技術(shù)成熟度等級達到0.7以上，處于技術(shù)生命周期的成熟發(fā)展階段，各大能源公司進入海上風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)風(fēng)險有所減弱，因而可利用自身優(yōu)勢資源積極開展技術(shù)布局和產(chǎn)業(yè)投資。

2) 細分海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，不同關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展參差不齊，浮式風(fēng)機基礎(chǔ)成熟度等級僅為0.55，是目前制約海上風(fēng)電走向深遠海的瓶頸，在未來10年有望成為下一個海上風(fēng)電爆發(fā)式增長的關(guān)鍵技術(shù)。

3) 中國在海上風(fēng)電各技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)量雖多，但在風(fēng)機核心部件和浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的技術(shù)成熟仍不夠，在風(fēng)機關(guān)鍵環(huán)節(jié)、技術(shù)集成應(yīng)用和深遠海開發(fā)方面仍存在一定的技術(shù)依賴性，需進一步加強對海上風(fēng)電核心技術(shù)的掌握。例如半潛式和立柱式浮式基礎(chǔ)型式是目前采用較多的技術(shù)路徑，但目前還沒有成熟完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)其穩(wěn)性計算與校核工作，國內(nèi)外研究主要以海洋油氣平臺的相關(guān)規(guī)范作為浮式風(fēng)機穩(wěn)性校核參考。

4) 海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)具有壟斷集中的特點，海上風(fēng)電開發(fā)商應(yīng)通過資源整合，選擇合適的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，在不同的細分領(lǐng)域進行產(chǎn)業(yè)技術(shù)布局，從而避免盲目競爭。尤其在中國國內(nèi)海上風(fēng)電零補貼時代的背景下，應(yīng)從設(shè)計到施工、運維等各環(huán)節(jié)降低海上風(fēng)電成本，例如漂浮式風(fēng)機一體化的設(shè)計理念，能夠在降低冗余度的同時，保障海上風(fēng)電運行的可靠性及提高海上風(fēng)電場整個生命周期的經(jīng)濟性。