文 | 張人天，衛(wèi)紅

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)專利分析

文 | 張人天，衛(wèi)紅*

偏航系統(tǒng)的專利申請發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期，于2012年左右到達(dá)頂峰，后又有所回落。在全部專利申請中，以中國、美國所占的份額最大。但是在全球?qū)＠暾堉校蟛糠謥碜試馄髽I(yè)。在對(duì)中國的專利申請中，大部分也來自國外公司。

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要組成部分之一。偏航系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，其主要作用有：一是與機(jī)組控制系統(tǒng)配合，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙使風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向保持垂直，使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最大的發(fā)電能力；二是當(dāng)機(jī)艙處于正確位置時(shí)，在風(fēng)向不變的情況下，提供必要的鎖緊力矩，使機(jī)艙定位，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行；三是由于風(fēng)電機(jī)組可能持續(xù)地向一個(gè)方向偏航，機(jī)組懸垂部分的電纜有可能產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂、失效，因此，偏航系統(tǒng)的另一個(gè)作用是在電纜達(dá)到設(shè)計(jì)纏繞值時(shí)能自動(dòng)解除纏繞。

偏航系統(tǒng)主要分為兩大類：被動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和主動(dòng)迎風(fēng)系統(tǒng)。前者多用于小型的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由尾舵控制，風(fēng)向改變時(shí)，被動(dòng)對(duì)風(fēng)。后者則多用于大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由位于下風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)對(duì)風(fēng)控制。

偏航系統(tǒng)大致由偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器、偏航計(jì)數(shù)器和紐纜保護(hù)裝置等幾部分組成。

本文從全球?qū)＠暾垜B(tài)勢、中國專利申請態(tài)勢兩方面對(duì)偏航系統(tǒng)的專利進(jìn)行分析。其中，全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數(shù)據(jù)庫，中國專利申請態(tài)勢分析的樣本來源于中國專利數(shù)據(jù)庫（CPRS）。

偏航系統(tǒng)全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

為分析偏航系統(tǒng)全球?qū)＠暾垜B(tài)勢，本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注全球?qū)＠暾堏厔?、全球?qū)＠暾埖膰?地區(qū)分布、重要申請人專利申請量排名及申請趨勢分析等幾個(gè)方面。

一、申請趨勢

從圖1可以看出，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)專利申請量的發(fā)展可以分為以下4個(gè)階段：

（一）技術(shù)積累期（2000年之前）

與偏航系統(tǒng)相關(guān)的專利申請量在2000年之前一直維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，這一時(shí)期的總申請量為148項(xiàng)，并且每年申請量都不大，只有1980年、1981年、1996年、1999年四年的申請量超過10項(xiàng)，其余年份的申請量均為個(gè)位數(shù)，可以稱這段時(shí)期為技術(shù)積累期。這段時(shí)期專利的首次申請大部分是在美、德、法、英等國專利局以及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局等提出的，可見最初的技術(shù)積累大多存在于美、德、英、法等傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)達(dá)國家。

（二）低速增長期（2000年—2007年）

2000年至2007年，該領(lǐng)域?qū)＠暾埩窟M(jìn)入了一個(gè)低速增長的階段。其中，2000年的申請量為13項(xiàng)，2007年則為90項(xiàng)，平均年增長率為31.8%，可以稱這段時(shí)期為低速增長期。在該時(shí)期內(nèi)，專利的首次申請主要指向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、美國、日本、中國、德國、歐洲專利局、韓國等（按照申請量大小排列）。值得一提的是，在該階段，指向日本和中國的專利申請?jiān)鲩L最為迅速，在總申請量上占據(jù)了第三、第四的位置。其中，指向中國的申請量與德國持平，均為35項(xiàng)。同時(shí)，申請量排名大幅下降的有英、法等國。由此可以看出，由于技術(shù)的發(fā)展和新興市場的崛起，專利申請重點(diǎn)在全球范圍內(nèi)得以重新分配。

（三）高速增長期（2008年—2012年）

從2008年開始，至2012年結(jié)束，該領(lǐng)域的專利申請量迎來了一次飛速發(fā)展的時(shí)期，短短5年時(shí)間專利申請量就達(dá)到了1203項(xiàng)，超過所有其他年份申請量的總和，因此稱該段時(shí)期為高速增長期。在該時(shí)期，指向中國、韓國的專利申請量增長最為迅速。中國為318項(xiàng)，排名第一，大幅領(lǐng)先其他國家和地區(qū)；韓國為146項(xiàng)，排名第四。位列申請量第二、第三、第五的依次為世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（214項(xiàng)）、美國（201項(xiàng)）、歐洲專利局（96項(xiàng)）。可見，以中、韓為代表的亞洲新興市場成為了全球?qū)＠季值闹攸c(diǎn)區(qū)域。

（四）穩(wěn)定期（2013年之后）

經(jīng)歷了前一階段的高速發(fā)展，隨后，該領(lǐng)域的專利申請量進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展時(shí)期。2013年的申請量有所回落，在全球范圍內(nèi)有268項(xiàng)，相較于處于項(xiàng)峰的2012年（307項(xiàng)）稍有回落。2014年和2015年申請的專利尚未全部公開，不具有參考價(jià)值，因此，不予考慮。但是根據(jù)2014年的公開數(shù)據(jù)可以預(yù)見，2014年和2015年的專利申請量不會(huì)再有類似前一階段的大幅增長。因此，可以稱2013年至今的時(shí)期為穩(wěn)定期。

圖1 偏航系統(tǒng)全球?qū)＠暾堏厔?/p>

圖2 偏航系統(tǒng)全球?qū)＠暾埖赜蚍植?/p>

二、全球?qū)＠暾垏?地區(qū)分布

從圖2中可以看出，中國作為潛力巨大的新興市場，吸引了各方面充分的關(guān)注，在該領(lǐng)域中指向中國的專利申請有510項(xiàng)，位列第一。除中國外，申請量超過100項(xiàng)的分別有美國（368項(xiàng)）、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（355項(xiàng)）、韓國（210項(xiàng)）、德國（171項(xiàng)）、歐洲專利局（166項(xiàng)）和日本（163項(xiàng)）。在該項(xiàng)專利申請指向國的申請量排名中，亞洲占據(jù)三席，已經(jīng)與歐美傳統(tǒng)工業(yè)強(qiáng)國有了分庭抗禮之勢。

圖3 偏航系統(tǒng)重要申請人全球申請量排名

三、重要申請人專利申請量對(duì)比

圖3的數(shù)據(jù)取自偏航技術(shù)領(lǐng)域申請量在20項(xiàng)以上的重要申請人，且僅統(tǒng)計(jì)第一申請人，共15名。排名第一的是來自美國的通用電氣，這也是排名中僅有的美國企業(yè)，但其申請量遠(yuǎn)多于其他申請人。排名第二的是韓國三星重工業(yè)株式會(huì)社。此外，還有另一個(gè)韓國申請人——現(xiàn)代重工業(yè)株式會(huì)社在總排名中位列第十四。來自日本的申請人有4位，分別為三菱重工業(yè)株式會(huì)社、納博特斯克株式會(huì)社、富士重工業(yè)株式會(huì)社和日立集團(tuán)，分列第四、第七、第八、第十位。另外，還有來自丹麥的維斯塔斯、德國的西門子和法國的阿爾斯通入圍前十五強(qiáng)。

在重要申請人中，除上述提到的國外企業(yè)，其余5位均是來自中國的企業(yè)，分別為上海翌威科技、廣東東興風(fēng)盈、國電聯(lián)合動(dòng)力、華銳風(fēng)電和金風(fēng)科技。對(duì)比圖2可以看出，雖然在本領(lǐng)域中指向中國的總申請量要超過其他國家，但國內(nèi)企業(yè)的貢獻(xiàn)并不是十分突出。由此可以推斷在中國的專利申請中，國外企業(yè)來華申請和國內(nèi)的個(gè)人申請占據(jù)了較大比重。這一方面說明了國外大企業(yè)對(duì)中國這個(gè)巨大新興市場的重視，另一方面也說明了國內(nèi)存在大量、片面、不成系統(tǒng)的個(gè)人申請。實(shí)際上，分析國內(nèi)的專利申請結(jié)構(gòu)可知，個(gè)人申請大部分是申請質(zhì)量和技術(shù)含量均有限的實(shí)用新型專利申請。因此，國內(nèi)企業(yè)對(duì)于專利布局的意識(shí)和行動(dòng)需要加強(qiáng)，并設(shè)法在國外重要企業(yè)已經(jīng)形成或者即將形成的專利壁壘中尋求出路。

四、重要申請人專利申請趨勢分析

圖4是偏航領(lǐng)域中申請量最大的5個(gè)申請人在全球的專利申請態(tài)勢對(duì)比。這5個(gè)全部是國外申請人，按順序依次為通用電氣、維斯塔斯、三星重工、三菱重工、西門子。申請量最大的年份均分布于2009年以后，并且在達(dá)到最大申請量后又有了明顯的回落，這與整個(gè)行業(yè)在全球的發(fā)展有關(guān)。

這幾個(gè)申請人中，通用電氣、維斯塔斯、三菱重工和西門子等都是屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域傳統(tǒng)的強(qiáng)勢群體，唯有三星重工并非屬于這個(gè)陣營，但其在偏航、變槳和控制領(lǐng)域的專利申請量均榜上有名且申請量居于前列，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)檢索，獲得如下信息：

為了減輕新船訂單下滑帶來的影響，三星重工正計(jì)劃進(jìn)軍到2020年市值將達(dá)到740億美元的風(fēng)力發(fā)電市場生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前，三星重工正在為建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠選址。據(jù)三星重工預(yù)測，到2010年建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廠將具備年產(chǎn)200臺(tái)2.5兆瓦和5兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能力。根據(jù)三星重工的計(jì)劃，到2015年，該公司將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組500臺(tái)，年銷售額3萬億韓元，該公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)量還有可能增長到1600臺(tái)。三星重工還計(jì)劃進(jìn)入包括中國和印度在內(nèi)的海外風(fēng)力發(fā)電市場。在由于經(jīng)濟(jì)衰退導(dǎo)致全球減少對(duì)船舶需求的情況下，三星重工將與現(xiàn)代重工聯(lián)手?jǐn)U大其經(jīng)營范圍。

該信息早在2009年6月9日就被發(fā)布，可見在這之前，三星重工已有進(jìn)軍風(fēng)力發(fā)電市場的計(jì)劃，并且依托三星集團(tuán)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，比如電子產(chǎn)業(yè)、芯片制造、控制算法等方面，使得三星重工在偏航、變槳以及控制方面的專利申請量一舉超過了一部分本行業(yè)傳統(tǒng)企業(yè)。

圖4 五大公司在偏航領(lǐng)域?qū)＠暾垜B(tài)勢對(duì)比

圖5 偏航系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢

偏航系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢分析

為分析偏航系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢，本節(jié)重點(diǎn)研究了偏航領(lǐng)域的中國專利申請趨勢、中國專利申請類型、重要申請人申請量排名、技術(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)比這4個(gè)方面。

一、申請趨勢

如圖5所示，在中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局成立的當(dāng)年就有了涉及偏航系統(tǒng)的專利申請。從總體來看，中國與全球的偏航系統(tǒng)專利申請量變化趨勢比較類似，均是在2000年以前的各年申請量比較少，并且比較穩(wěn)定，各年之間的申請量變化不大。從2000年至2007年迎來一個(gè)低速增長的時(shí)期，2007年至2012年之間增長迅猛，而2012年以后又有了明顯的回落。因此，也可以將中國偏航系統(tǒng)專利申請量的發(fā)展分為技術(shù)積累期、低速增長期、高速增長期和穩(wěn)定期這幾個(gè)時(shí)期。

同樣，2014年之后提交的專利申請尚未完全公開，因此，該部分申請量數(shù)據(jù)也不具有參考價(jià)值。2012年之后的申請量下降現(xiàn)象，則是與“三北”地區(qū)大規(guī)模棄風(fēng)限電有關(guān)。按照國家能源局政策，在電網(wǎng)接納能力不足、風(fēng)電場建設(shè)工期不匹配等主要問題解決以前，原則上不再擴(kuò)大風(fēng)電建設(shè)規(guī)模，因此，各大廠商從設(shè)計(jì)研發(fā)到生產(chǎn)制造上都進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，表現(xiàn)在專利申請上，就是申請量的一定程度下降。

二、中國專利申請類型

從圖6來看，由于本領(lǐng)域的申請人中，國外申請人所占的比重較大，并且很多專利申請涉及控制方法策略等方面，因此，發(fā)明專利的申請量要遠(yuǎn)大于實(shí)用新型專利申請量。另外，在發(fā)明專利申請中，有1/5左右的是進(jìn)入中國國家階段的PCT申請。在實(shí)用新型中，PCT申請量有2件。

由圖7可知，本領(lǐng)域的申請人中，公司/企業(yè)占了61%，個(gè)人占26%，而高校和科研機(jī)構(gòu)加起來僅占13%。在企業(yè)的申請中，超過半數(shù)來自于通用電氣、維斯塔斯，西門子和三菱重工這幾個(gè)本領(lǐng)域國際知名企業(yè)。

圖6 偏航系統(tǒng)中國專利申請態(tài)勢

圖7 中國的偏航系統(tǒng)專利申請人類型

圖8 偏航系統(tǒng)重要申請人申請量排序

三、重要申請人申請量排名

在本領(lǐng)域的重要申請人中，前4位均來自國外，其中專利申請量最大的是通用電氣，申請量為50件，其次是維斯塔斯（30件）、西門子（29件）和三菱重工（25件）。而在國內(nèi)，本領(lǐng)域知名企業(yè)金風(fēng)科技的申請量為21件，排名第五，隨后是國電聯(lián)合和湘電風(fēng)能。另外，楊潔是申請量最大的個(gè)人，申請的全部是關(guān)于液壓偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

如前所述，三星重工早有進(jìn)軍風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的計(jì)劃，并于2009年之前就表現(xiàn)在實(shí)際行動(dòng)上，在偏航領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埩績H次于通用電氣，成為第二大戶。但通過對(duì)中國國內(nèi)的數(shù)據(jù)分析可知，三星重工并未開始就本領(lǐng)域在中國進(jìn)行大規(guī)模專利布局，因此，國內(nèi)申請人可適當(dāng)參考其在國外的專利申請并進(jìn)行改進(jìn)，試探性地在控制策略、算法電子元器件、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行防御性的專利布局。

四、通用電氣、金風(fēng)科技和維斯塔斯在偏航領(lǐng)域?qū)＠暾埣夹g(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖9展示了3家重要企業(yè)在偏航領(lǐng)域?qū)＠暾埖募夹g(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)比?？梢钥闯觯ㄓ秒姎鈧?cè)重于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略方面，金風(fēng)科技側(cè)重于信號(hào)采集和控制策略，維斯塔斯側(cè)重于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。金風(fēng)科技作為目前國內(nèi)裝機(jī)容量以及專利申請量最大的企業(yè)，在偏航領(lǐng)域與國外著名企業(yè)之間的主要差距在于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面。通過瀏覽相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，維斯塔斯和通用電氣對(duì)偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，主要集中于力矩控制、調(diào)速性能、潤滑性能、與控制系統(tǒng)更好的匹配等方面，因此，這些方面國內(nèi)企業(yè)尚有發(fā)展的空間。

但是，由于前述國際巨頭，尤其是通用電氣在本領(lǐng)域發(fā)展歷時(shí)已久，專利布局已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)密，其在國外的申請有很多都有中文同族專利存在，因此，想要突破其專利壁壘也并非易事，需要適當(dāng)關(guān)注其早期在國外申請、并且已經(jīng)失效的專利。

圖9 通用電氣、金風(fēng)科技和維斯塔斯在偏航領(lǐng)域?qū)＠暾埣夹g(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)比

攝影：王忠偉

小結(jié)

與偏航系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展，按專利申請量增加的趨勢來劃分大致經(jīng)歷4個(gè)時(shí)期，申請量增長速度也是由慢至快，并于2012年左右到達(dá)頂峰，后又有所回落。在全部專利申請中，以中國、美國所占的份額最大，中國排名第一。但是在全球?qū)＠暾堉?，大部分是國外企業(yè)的申請。在重要申請人的申請量排名中，中國企業(yè)占據(jù)了五席，但其申請量仍然相對(duì)較少，與通用電氣、維斯塔斯、三菱重工等國際巨頭相比，還是有很大的差距。

在技術(shù)方面，被動(dòng)偏航這種方式雖然目前還應(yīng)用于不少小型風(fēng)電機(jī)組，也存在相應(yīng)的專利申請，但隨著風(fēng)電機(jī)組越來越大，被動(dòng)偏航在驅(qū)動(dòng)力等方面顯然已滿足不了要求，其申請量也是越來越小。近幾年來，關(guān)于偏航系統(tǒng)的專利申請大多是關(guān)于主動(dòng)偏航的。主動(dòng)偏航中，關(guān)于電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)也是齊頭并進(jìn)。另外，隨著計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的發(fā)展，智能偏航出現(xiàn)并獲得非常重要的位置，各大公司均有相應(yīng)的專利申請。

在對(duì)中國的專利申請中，大部分來自國外公司，國內(nèi)企業(yè)在專利布局上仍然無法與之相抗衡，因此，需要后者關(guān)注國外已過期或即將過期專利技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)，在重重壁壘中尋求出路。

*等同第一作者。

（作者單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械部）