生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的專利分析

作者簡介：楊展，碩士，助理工程師；主要從事知識產(chǎn)權(quán)與科技成果轉(zhuǎn)化等方面的研究。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；發(fā)電；農(nóng)林廢棄物；專利分析；態(tài)勢導(dǎo)航中圖分類號：TS7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.11980/j. issn.0254-508X.2025.07.006

Abstract：ossogenetolostandiatuilasestdaagsofotal friendinessdiisssetsfialsetiiducto lardevelopenteanilitisfgeatsigfaeforpromotingthuiaelesouceutilizationofiluralandfrstryste andfacitatingthecountry’s“dual-arbon”goalsispaperanalyzdtheglobaldevelopmenttrendofbiomasspowergenerationtechology fromtheperspeivesofatentaplicationtreds，applicationregions，ndaininnovationentites.Corespondingatentnvigationsug gestionswereputforardfortheeseachndevelopmentiovation，patentprotecion，ndutlizatioofenterprisesandsitfe search institutions.

Key words：biomass；power generation；agricultural and forestry waste；patentanalysis；trend navigation

隨著全球能源需求持續(xù)增長和化石燃料過度使用，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展可持續(xù)、低碳的可再生能源技術(shù)已成為國際社會共同關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。潮汐能、風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源的快速發(fā)展在一定程度上降低了工業(yè)生產(chǎn)的碳排放強(qiáng)度，但其不穩(wěn)定性與儲能技術(shù)瓶頸仍對能量供應(yīng)的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)[4。相比之下，生物質(zhì)能因其來源廣泛、儲量豐富及能源利用形式多樣（如發(fā)電、供熱、制氫等），成為可再生能源體系中不可或缺的組成部分[7-8]

生物質(zhì)能主要來源于農(nóng)林廢棄物、能源作物及有機(jī)垃圾等。植物通過光合作用固定大氣中的 CO₂ ，并在能源化利用中實(shí)現(xiàn)碳的閉環(huán)循環(huán)，這一特性使其在《巴黎協(xié)定》框架下被廣泛視為“負(fù)碳排放”技術(shù)的潛在載體。作為生物質(zhì)能高效利用的關(guān)鍵方向，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化（如直接燃燒、氣化）、生物化學(xué)轉(zhuǎn)化（如厭氧發(fā)酵）等方式，將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能，兼具廢物資源化與能源供應(yīng)雙重效益，逐漸成為實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)增收三者兼顧的新路徑。目前，在歐美等國家和地區(qū)，該技術(shù)已非常成熟，并成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要一環(huán)[]。

專利作為知識產(chǎn)權(quán)的重要組成部分，是技術(shù)的載體和重要表現(xiàn)形式[-2]。本文以專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)迭代速度、覆蓋范圍及區(qū)域創(chuàng)新水平等進(jìn)行分析，以期為科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和政府產(chǎn)業(yè)政策的制定提供有益啟示。

1專利文獻(xiàn)檢索范圍

本文圍繞全球生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)開展系統(tǒng)全面的專利文獻(xiàn)檢索，檢索數(shù)據(jù)來源于中國知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)（CNI-PR）中外專利數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺和incoPAT全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，以中國（CN）、美國（US）、日本（JP）、歐洲專利局（EPO）4大區(qū)域的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為主，檢索了截至2025年1月31日公開的專利數(shù)據(jù)。對檢索得到的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行人工去噪，剔除不相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利，共計(jì)得到國內(nèi)外相關(guān)專利4283件。

2專利文獻(xiàn)檢索結(jié)果分析

2.1全球?qū)＠暾埱闆r

在檢索的全球提出的4283件生物質(zhì)發(fā)電相關(guān)技術(shù)專利申請中，各年份專利申請數(shù)量情況如圖1所示。從圖1可以看出，在全球范圍內(nèi)，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的專利最早從1979年開始申請，這與當(dāng)時丹麥等西方國家為應(yīng)對世界性能源危機(jī)爆發(fā)，率先開始嘗試采用秸稈等農(nóng)林廢棄物發(fā)電的探索有關(guān)3]。近46年來，全球范圍內(nèi)共申請專利4283件，年均約93件，從時間上劃分為3個階段。

2.1.1探索與推廣階段

1979—2002年，專利申請共108件，年均約5件。該階段全球能源危機(jī)促使西方國家尋找替代能源，生物質(zhì)能因其可再生性進(jìn)入視野。丹麥建成世界上第一座秸稈生物質(zhì)直燃發(fā)電廠，標(biāo)志著生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用，瑞典、芬蘭等歐洲國家開始嘗試生物質(zhì)氣化技術(shù)，但是規(guī)模較小，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)處于緩慢發(fā)展階段[4]。

2.1.2 技術(shù)發(fā)展階段

2003—2016年，專利申請共1838件，年均141件。該階段許多發(fā)達(dá)國家制定了相關(guān)的能源政策和發(fā)展計(jì)劃，同時歐美國家推廣流化床燃燒技術(shù)，解決了生物質(zhì)燃料高含水率和低熱值問題，提升燃燒穩(wěn)定性，極大地促進(jìn)了全球生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[15]，專利申請量呈現(xiàn)快速上升狀態(tài)。

2. 1.3 成熟與多元化發(fā)展階段

2017一2024年，專利申請共2337件，年均334件。在此階段，中國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量快速擴(kuò)張，垃圾焚燒發(fā)電量占比持續(xù)提升，2017年，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)工作的通知》[，推動燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展；2023年歐盟議會通過了《可再生能源指令（REDⅢI）》，其中明確將生物質(zhì)能作為碳中和核心路徑之一。鑒于專利申請公開的滯后性，2021年后的專利申請情況有待于進(jìn)一步跟蹤

綜上所述，從1979年起至今，在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，全球?qū)＠暾垟?shù)量呈現(xiàn)出階梯式穩(wěn)步上升趨勢，表明生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)被不斷重視，技術(shù)創(chuàng)新不斷加強(qiáng)，并呈現(xiàn)快速發(fā)展時期。

2.2全球主要創(chuàng)新主體

圖2展示了全球主要的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新主體。從圖2可以看出，在全球范圍內(nèi)，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請人主要為中國企業(yè)及相關(guān)高校，其中，江蘇朝陽液壓機(jī)械集團(tuán)有限公司申請專利65件，排名第1；華北電力大學(xué)申請專利50件，排名第2；西安熱工研究院有限公司申請專利41件，排名第3；武漢豐盈長江生態(tài)科技研究總院有限公司申請專利36件，排名第4；中節(jié)能（宿遷）生物質(zhì)發(fā)電有限公司申請專利32件，排名第5。此外，全球?qū)＠暾埩颗琶?5位的創(chuàng)新主體中，除中國的高校和企業(yè)外，還有2家日本公司，其中財團(tuán)法人電力中央研究所，申請專利26件，排名第8；三菱重工業(yè)株式會社，申請專利19件，排名第13。

圖1生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)年代發(fā)展趨勢圖

Fig.1Trends in BiomassPowerGeneration Technology Era

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)作為一種生物質(zhì)資源高值化利用的重要手段，全流程涉及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、能源、環(huán)保、機(jī)械制造及電力工程等多個領(lǐng)域，在生物質(zhì)原料選擇、生物質(zhì)預(yù)處理手段及發(fā)電轉(zhuǎn)化的方法等方面[7-18]，不同的創(chuàng)新主體均有所側(cè)重，布局了各自的專利保護(hù)網(wǎng)，在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，江蘇朝陽液壓機(jī)械集團(tuán)有限公司、華北電力大學(xué)及西安熱工研究院有限公司均具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力和競爭能力，技術(shù)集中度較高。

2.3全球?qū)＠饕獊碓吹胤治?/p>

圖3展示了全球生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利主要來源地分布。從圖3可以看出，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)相關(guān)專利主要來源于中國、日本、美國、韓國及歐洲。中國作為生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利最主要的申請國，其專利申請數(shù)量展現(xiàn)出一枝獨(dú)秀的狀態(tài)。近年來，我國相繼發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》 ??2030 年前碳達(dá)峰行動方案》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》等一系列相關(guān)政策，大力推動我國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展；此外，世界生物質(zhì)能協(xié)會《2024全球生物質(zhì)能統(tǒng)計(jì)報告》顯示，我國已成為全球生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量最高的國家，裝機(jī)容量接近全球的 1/3^[19-21] ?？傮w而言，專利申請的數(shù)量在一定程度上可以反映該國家或地區(qū)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平及政府對于該項(xiàng)技術(shù)的支持力度，中國憑借資源、政策與市場規(guī)模的協(xié)同效應(yīng)，在生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全球領(lǐng)先。

圖3全球生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利主要來源地分布

Fig.3Distribution of major sources of global biomass power generation technology patents

2.4專利申請類型

圖4展示了生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利類型數(shù)量情況。由圖4可知，在檢索的全球提出的4283件生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利申請中，發(fā)明專利申請共2795件，占總量的 65.26% ，其內(nèi)容主要為生物質(zhì)發(fā)電的裝置、工藝流程及方法；實(shí)用新型專利申請1472件，占總量的 34.37% ，主要保護(hù)生物質(zhì)發(fā)電裝置及其零部件；外觀設(shè)計(jì)申請16件，占總量的 0.37% ，主要針對生物質(zhì)發(fā)電裝置的外觀結(jié)構(gòu)。在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)明專利的占比較高，從技術(shù)創(chuàng)新角度看，意味著該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新活動較為活躍，科研人員和企業(yè)不斷探索新技術(shù)、新工藝與新設(shè)備；從發(fā)展?jié)摿嵌榷?，高占比體現(xiàn)出相關(guān)科研主體對于生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)未來市場前景的樂觀預(yù)期，積極通過技術(shù)門檻更高、審查過程更加嚴(yán)格的發(fā)明專利布局搶占市場先機(jī)[22]。

圖4生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)專利類型數(shù)量情況

Fig.4Amount of patent types for biomass power generation technologies

2.5重點(diǎn)專利技術(shù)透視

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)通過多元化利用農(nóng)林廢棄物、生活垃圾等豐富的生物質(zhì)資源，結(jié)合直燃發(fā)電、氣化發(fā)電及垃圾焚燒發(fā)電等技術(shù)路線，依托政策扶持與產(chǎn)業(yè)鏈整合，實(shí)現(xiàn)高效低碳的能源轉(zhuǎn)化[23]。通過專利數(shù)據(jù)庫對生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的4283件相關(guān)專利進(jìn)行檢索，并對其中相關(guān)專利的關(guān)鍵詞進(jìn)行提取，如圖5所示。由圖5可知，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)或熱點(diǎn)主要分布在發(fā)電控制系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換效率、二氧化碳回收等方面，這也正是目前行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)方向。

國內(nèi)外科研、創(chuàng)新主體在生物質(zhì)儲存運(yùn)輸、生物質(zhì)預(yù)處理、生物質(zhì)發(fā)電裝置及發(fā)電方式等技術(shù)領(lǐng)域均布局了大量專利，通過對全球范圍內(nèi)主要創(chuàng)新主體專利的深度技術(shù)分析，能夠更加了解生物質(zhì)發(fā)電的熱點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)，為我國高校、科研單位的研發(fā)提供思路借鑒。

華北電力大學(xué)于2019年公開了名為“一種新型太陽能輔助生物質(zhì)能的發(fā)電系統(tǒng)”的發(fā)明專利，屬于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體為太陽能與生物質(zhì)能耦合的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，涉及光熱轉(zhuǎn)換、生物質(zhì)能利用、熱力循環(huán)集成及多能互補(bǔ)技術(shù)；該發(fā)明采用太陽能和生物質(zhì)能進(jìn)行發(fā)電，利用生物質(zhì)鍋爐尾部煙氣對生物質(zhì)燃料進(jìn)行加熱，采用塔式太陽能集熱場與空氣預(yù)熱器并聯(lián)，從煙冷氣流出的煙氣則用來對生物質(zhì)燃料進(jìn)行干燥，根據(jù)太陽能的光照強(qiáng)度調(diào)整性地對空氣預(yù)熱器進(jìn)行加熱，充分結(jié)合了太陽能與生物質(zhì)能2種可再生能源，避免了焚燒秸稈帶來的環(huán)境污染[24]。2024年，西安熱工研究院有限公司公開了名為“一種燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法”的發(fā)明專利，屬于可再生能源與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的耦合利用技術(shù)，涉及生物質(zhì)氣化、燃煤機(jī)組改造、多能互補(bǔ)發(fā)電及碳減排技術(shù)，該發(fā)明通過氣化單元有效降低了生物質(zhì)儲運(yùn)及混合處理環(huán)節(jié)的風(fēng)險，通過冷卻單元有效解決生物質(zhì)可燃?xì)廨斔瓦^程中焦油析出粘連管道的問題，避免了生物質(zhì)直接混合燃煤燃燒帶來的鍋爐結(jié)渣、腐蝕等問題，通過回流管道的設(shè)計(jì)，有效地減少 CO₂ 、 NO_x 、SO等溫室氣體和污染物的排放，同時避免了能量浪費(fèi)[25]。2023年，日本財團(tuán)法人電力中央研究所公開了名為“生物質(zhì)處理/利用設(shè)施及生物質(zhì)處理/利用方法”的發(fā)明專利，屬于生物質(zhì)能多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，融合了生物質(zhì)處理、能源轉(zhuǎn)換和碳中和技術(shù)，創(chuàng)造性地將用于生物質(zhì)碳化以獲得碳化材料的制造設(shè)備、用于儲存碳化材料的儲存裝置，以及利用碳化產(chǎn)生的熱解氣體的熱發(fā)電設(shè)備有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電過程的零碳排放，為日本2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)提供有效助力[2。2024年，日本三菱重工業(yè)株式會社公開了名為“生物質(zhì)顆粒粉碎裝置、具有該裝置的發(fā)電設(shè)備及生物質(zhì)顆粒粉碎裝置的控制方法”的發(fā)明專利，該專利內(nèi)容橫跨機(jī)械制造、能源工程、自動化控制3大領(lǐng)域，屬于新能源裝備與智能控制技術(shù)，旨在解決纖維素原料較難粉碎的問題，提升蒸汽發(fā)電過程中的發(fā)電效率[27]。

3結(jié)語

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)作為一種重要的可再生能源利用形式，對于實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化等方面具有重要意義，對其綜合利用已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和解決國家能源短缺的重要途徑之一。我國目前已逐漸成為全球范圍內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新核心驅(qū)動力，專利申請量占比顯著提升；與此同時，日本、歐洲等國家和地區(qū)的企業(yè)在關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化與零碳排放技術(shù)上亦取得突破，形成差異化競爭格局。因此，我國在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)自主研發(fā)過程中，可以參考借鑒在我國不具有專利權(quán)的專利申請以及在國外提出專利申請的技術(shù)方案，用于啟迪自主創(chuàng)新；同時，在充分消化和吸收這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展我國生物質(zhì)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)，在規(guī)避專利侵權(quán)風(fēng)險的同時，提高我國生物質(zhì)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)起點(diǎn)；此外，當(dāng)前生物質(zhì)原料收集成本高、技術(shù)路線適配性不足等問題仍需突破，未來應(yīng)著眼于開發(fā)高效低成本的原料預(yù)處理與儲運(yùn)技術(shù)，破解生物質(zhì)資源分散性與季節(jié)性的制約，完善全生命周期碳核算體系，探索生物質(zhì)發(fā)電與碳捕集技術(shù)的集成模式，進(jìn)一步強(qiáng)化其“負(fù)碳”潛力。

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（責(zé)任編輯：楊苗秀）