垂直軸風電機組專利技術現狀及發展趨勢

李宏利，佟振霞，樊云飛，李建軍

（1. 國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100083；

2. 內蒙古蒙西高新材料股份有限公司，鄂爾多斯 016014）

0 引言

隨著風電市場的不斷擴大，加之現代風力發電技術的日臻完善以及由此產生的低成本化趨勢，相對于常規能源而言，風力發電在一些地區已成為具有一定競爭力的新能源發電方式。甚至，相比其他新能源發電方式，風力發電更具經濟性，也更容易實現大規模商品化生產[1-2]。

風電機組根據結構及其在氣流中的位置通常分為兩大類：一類是水平軸風電機組，另一類是垂直軸風電機組[3]。本文通過對垂直軸風電機組專利申請數據的收集、整理、比較和分析，總結垂直軸風電機組專利技術的特點、現狀和發展趨勢，以期為我國垂直軸風電機組專利技術的進一步發展提供情報支持和指導，同時也為我國政府和企業的宏觀規劃提供參考信息。

1 檢索策略和檢索范圍

垂直軸風電機組技術出現較早，在IPC分類領域中擁有明確的分類位置，即F03D3/00分類號及其下位組F03D3/02、F03D3/04、F03D3/06，因此在檢索時主要使用分類號進行檢索，需要說明的是，其中的下位組F03D3/04（具有固定式導風裝置，例如具有風筒或風道）主要是在已有的垂直軸風電機組結構上增加各種形式的導風裝置，而不是對具體的垂直軸風電機組結構進行改進，因而在進行檢索時排除了這一下位組，以將注意力集中在垂直軸風電機組結構的相關專利的分析上。在進行檢索時，為了便于分析比較中外專利申請數據，在德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）和中國專利數據庫（CNPAT）中進行檢索時將文獻的公開時間限制在1985年1月1日至2012年5月31日。

2 垂直軸風電機組專利申請分布概括

2.1 世界范圍內垂直軸風電機組專利情況分析

圖1給出了1985年－2012年世界范圍內（包括中國在內）垂直軸風電機組專利申請量年度變化狀況[4]（本文中的專利申請統計均是以同族為單位進行的，未進行子母公司合并）。從圖1中可以看出，2000年之前，在世界范圍內垂直軸風電機組專利技術處于緩慢增長階段，申請量較少，增長緩慢。2000年以后，尤其是2005年以后，開始進入急劇增長階段，表明隨著全球范圍內的經濟增長和能源需求的快速擴張，世界各國日益注意到發展垂直軸風力發電技術的重要性，積極投入力量研發新技術并進行全球布局。同時這也表明，垂直軸風力發電技術具有較好的發展前景和廣闊的發展空間。需要指出的是，如圖1所示，專利申請量從2011年出現了明顯下滑，這是專利從申請到公開的時間滯后性造成的，2011年以后的一些申請尚未公開，導致采集到的數據明顯小于實際的申請量，按照整體的申請趨勢進行分析，預計2012年的申請量仍然會比較大，不會出現明顯的下降。

2.2 我國垂直軸風電機組專利情況分析

圖2顯示了1985年－2011年我國垂直軸風電機組專利申請量年度變化狀況。從中可以看出，我國專利法自1985年4月1日開始實施起，就出現了垂直軸風電機組專利申請，這時申請數量很少，在2000年之前基本保持著個位數。2000年之后，我國出臺了一系列知識產權相關法律法規和鼓勵政策，這些政策推動了國內知識產權事業的發展。我國技術人員對知識產權的認識得到了進一步提高，更加注重對知識產權成果的保護，垂直軸風電機組專利申請量有了較明顯的提高，此后一直保持穩定增長態勢。此外，我國相繼出臺的若干鼓勵風電發展的政策，也極大地激發了我國技術人員對風電相關技術進行專利保護的熱情。尤其是2005年以后，隨著我國《可再生能源法》的頒布，風電產業得到空前發展，垂直軸風電機組專利申請量也不斷增長，這與世界垂直軸風電機組專利技術的發展趨勢大體接近。

盡管我國國內垂直軸風電機組專利申請量呈現快速發展的勢頭，但是我國的垂直軸風電機組技術發展存在以下兩個方面的問題：

一方面是地區發展很不均衡。圖3給出了垂直軸風電機組專利申請在我國的地區分布情況。可以看出，申請量最大的是廣東省，其次是江蘇省、北京市、上海市、山東省、遼寧省，經濟欠發達地區的申請量相對較少。究其原因，廣東省、江蘇省從事垂直軸風電機組生產領域的相關企業較多，而北京市、上海市等地區則依托高校和科研院所優勢，廣泛開展垂直軸風電機組技術的研發工作；相反，經濟欠發達地區的企業申請量較小，原因是技術分散，專利保護意識淡薄，沒有形成自身的知識產權戰略，難以獲得一定程度的專利申請規模，從而很難形成從技術體系、專利技術劃分到專利權維護的完整專利戰略體系。

另一方面是專利申請過于分散。圖4顯示了我國范圍內的申請人類型分布，從中可以看出，個人所占比例最大，達到了77%，數量上占絕對優勢，而企業所占比例為18%，高校/科研院所所占比例僅為5%。說明在我國范圍內，涉及對垂直軸風電機組的研發，個人的研發熱情很高，參與度比較大，公司和高校/科研院所相對薄弱，因而垂直軸風電機組技術含量較低。同時，我國垂直軸風電機組的市場化程度不足，公司和高校/科研院所的研發熱情不夠，還需要進一步推動垂直軸風電機組技術在我國的推廣應用。

3 主要垂直軸風電機組專利技術分布和研發現狀

本文在進行垂直軸風電機組專利技術分析時，根據葉片類型不同，把垂直軸風電機組分為主要依靠葉片的阻力來工作的阻力型垂直軸機組和主要依靠葉片的升力來工作的升力型垂直軸機組。同時，阻力型垂直軸機組進一步細分為S形、風杯形、活動平板形三種主要類型，將升力型垂直軸機組進一步細分為直葉片型、彎葉片型兩種主要類型[5]。

圖5顯示了1985年－2011年我國范圍內阻力型和升力型垂直軸風電機組專利申請量的年度變化狀況。從圖5中可以看出，阻力型和升力型垂直軸風電機組專利申請量在我國范圍內的整體發展趨勢基本一致，但阻力型垂直軸機組的專利申請量一直比升力型垂直軸機組的數量具有明顯優勢。雖然從2000年以后，兩種類型的垂直軸風電機組專利技術都進入了快速增長階段，但是相較于阻力型垂直軸機組專利技術的急劇增長勢頭，升力型垂直軸機組專利技術的增長勢頭則顯得較為溫和。這一方面表明我國阻力型垂直軸風電機組專利技術得到了廣泛的重視和應用；另一方面也與阻力型垂直軸風電機組技術發展較早、應用廣泛、其后不斷改進并且已相對成熟的發展歷程有關。而升力型垂直軸風電機組專利技術的增長雖然相對緩慢，但2000年以后也進入了快速增長階段，這表明該類型機組專利技術屬于新近熱點技術，并因其自身的獨特優勢已經越來越受到業界的重視。

3.1 阻力型垂直軸風電機組專利技術分布狀況

阻力型垂直軸風電機組結構涉及五個技術分支：S型、風杯型、平板型、渦輪型和馬達拉斯型。圖6給出了我國國內這五類阻力型垂直軸風電機組專利申請的分布情況。涉及活動平板型的申請量最高為544件，涉及S型的申請量為196件，涉及風杯型的申請量128件，而涉及渦輪型和馬達拉斯型的申請量則分別為47件和20件。涉及渦輪型和馬達拉斯型的專利申請量較少是因為這兩者不是業界關注和研發的熱點，本文重點對申請量較多的S型、風杯型、平板型三種類型的阻力型垂直軸風電機組專利技術進行分析。

圖7反映了S型、風杯型、平板型三種主要的阻力型垂直軸風電機組在我國專利申請的時間分布情況。涉及平板型的我國專利申請最早開始于1985年，每年都有一定數量的專利申請，但2000年之前申請量一直都比較小，2000年以后進入快速增長階段，到2010年達到申請頂峰；涉及S型的我國專利申請始于1987年，但是2005年前申請量少且不穩定，2005年以后進入穩定增長階段，到2011年達到申請的頂峰；我國風杯型的專利申請情況與S型的情況類似，其申請量到2009年達到頂峰，而2010年明顯降低。

在S型阻力型垂直軸風電機組領域，盡管個人申請總量高于企業，但個人申請中實用新型的申請量占據比較大的份額，而企業申請中發明專利的申請占據較大的份額，明顯高于個人申請。由于企業具有技術和資源優勢，其研究具有一定的技術水平，因此，其申請往往具有比較高的技術含量。圖8給出了我國范圍內S型垂直軸風電機組各類申請人的申請狀況。

圖9列出了我國在S型垂直軸風電機組領域排名前8位的申請人及其申請量。其中有6位均是企業申請人，僅有1位為個人申請人，還有1位為個人和高校合作申請人，且各申請人的申請量不大，第1位的3家企業也僅有6件。這說明目前S型風輪領域的專利申請離散度很大。由以上數據還可以看出，僅有1家日本企業在我國的申請量較多，這說明在S型垂直軸風電機組領域，主要的專利技術基本已被我國企業掌握。

在風杯型阻力型垂直軸風電機組領域，個人的申請量最大，具有研究能力的企業、高校和科研院所對風杯型風輪技術的發展不夠重視，投入低。而個人專利申請中仍然以實用新型為主，這也從側面反映了風杯型風輪領域的技術水平較低。圖10給出了我國國內風杯型垂直軸風電機組各類申請人的申請狀況。

在活動平板型垂直軸風電機組領域，研發主體仍然為個人。圖11列出了我國在該領域的主要申請人及其申請量。北京市西城區新開通用試驗廠、張家港市貝爾機械有限公司、安徽池州皖美電器廠、上海凡鴻環保科技發展有限公司以及英國的七星全球有限公司是主要企業申請人。英國企業七星全球有限公司較多，說明其對平板型的研發比較重視，也注重我國市場的保護。盡管個人申請者余虹儀和徐毓藝申請量較多，但其申請主要為技術含量較低的實用新型，而鄧允河的5件專利均為發明，證明其具有較強的研發和創新能力[6]。

3.2 升力型垂直軸風電機組專利技術分布狀況

升力型垂直軸風電機組包括直葉片型和彎葉片型兩種主要結構形式[7]。圖12反映了這兩種類型在我國專利申請的時間分布情況。我國涉及直葉片型的專利申請最早開始于1985年，但2005年之前申請量一直都比較小，2005年以后進入穩定增長階段，到2011年達到申請的頂峰；而我國涉及彎葉片型的專利申請則出現的較晚，最早開始于2001年，其申請量到2009年達到頂峰，之后開始回落。

圖13給出了我國范圍內直葉片型垂直軸風電機組按申請人類型的分布情況。其中，個人申請量最大，占申請總量的51%；其次是企業申請，占申請總量的41%，高校和科研院所所占比例較少，分別為7%和1%。這說明在直葉片型風電機組領域，個人和企業的研發能力較強，專利活躍度較大。申請人中排名第一的是國能風力發電有限公司，其研究重點主要放在H型風電機組方面，排名第二和第四的均為個人申請，且其申請類型主要是發明。由此可見，個人申請在我國直葉片型風電機組技術領域的影響也不容忽視。

我國范圍內彎葉片型風電機組的個人申請量最大，占申請總量的60%，其次是企業申請，占申請總量的30%，高校和科研院所所占比例較少，分別為7%和3%。排名前五的申請人中有3位為個人申請，可見個人申請對彎葉片型的研究也占主導地位。其中排名第一的鄧允河，研究重點主要集中在Φ型風電機組方面。而且，以國內申請人為主，國外申請人雖然總量較少，但涉及到的國家較多，除美國、英國、加拿大外，還包括意大利、瑞典、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、丹麥、法國、韓國，這說明彎葉片的研究和發展在世界范圍內受到廣泛關注，國外公司也重視在我國的專利布局。

4 對我國垂直軸風電機組企業的發展建議

在垂直軸風電機組領域，我國的申請量處于領先地位，但專利質量不太高，實用新型專利居多，比較專注于國內市場，國外專利布局欠缺。但日本、美國、德國仍然具有很強的競爭力，而且這些國家的專利多為質量較高的發明專利，在保護國內市場的同時還非常注重國外市場的專利布局[8]。此外，個人申請量比重最大，企業，高校/科研院所所占的比例較少。由此可見，垂直軸風電機組技術的市場化和商業化程度不足，公司和高校/科研院所的研發熱情不夠。值得注意的是，日本從事垂直軸風電機組技術領域研發的公司數量較多，日本松下電器產業株式會社在風力發電領域具有極強的競爭實力。基于我國垂直軸風電機組技術領域中所呈現出的上述特點，筆者給出以下幾個方面的建議。

4.1 增強自我研發實力，形成完善的研發體系

隨著國際競爭逐漸加劇，國內企業必須盡快建立并發展自己的科研開發隊伍，形成研發規模，在盡可能避讓競爭對手的專利壁壘之外，還應該合理、充分地開展適合我國國情的技術研發，例如加強垂直軸風電機組的葉片制造、整體控制等方面的技術研發，這樣有利于可持續發展。

4.2 加強行業內的交流，培養科技人才

對于國內的小企業而言，應加強行業內部的交流，尤其是欠發達地區的小企業，通過與經濟發達地區企業的交流，便于找準適合自身的知識產權保護策略，避免研發內容的交叉重復，有利于揚長避短。對于已形成規模化發展的國內大型企業而言，應加強國際行業內的信息交流，在加強自身研發實力的同時，密切國外知名公司以及其他潛在競爭對手在我國的專利活動，對國內外主要專利申請人的專利信息加以研究利用，從而提升自己在垂直軸風電機組行業中的競爭力。

總之，我國的垂直軸風電機組企業必須意識到知識產權的重要意義，積極通過知識產權來維護自身的合法權益，通過技術創新提升企業的核心競爭力，從而在市場競爭中立于不敗之地。

[1] 孫云峰, 田德, 王海寬, 等.垂直軸風力發電機的發展概況及趨勢[J]. 農村牧區機械化，2008, 75（2）: 42-44.

[2] 田海姣, 王鐵龍, 王穎.垂直軸風力發電機發展概述[J]. 應用能源技術, 2006, 107（11）: 22-27.

[3] 蔣超奇, 嚴強.水平軸與垂直軸風力發電機的比較研究[J]. 上海電力，2007，（2）：163-165.

[4] 楊慧杰, 楊文通.小型垂直軸風力發電機在國外的新發展[J].電力需求側管理，2007，（3）：68-70.

[5] 賀德馨.風工程與工業空氣動力學[M].北京：國防工業出版社，2006.

[6] 李德孚.戶用小型風力發電系統現狀與發展[J]. 節能與環保，2005(6):14-16.

[7] 王承煦.風力發電[M].北京:中國電力出版社，2003.

[8] 張紅漫.風力發電變槳偏航軸承專利分析[J]風能，2012（3）：38-42.