潮汐能發電專利技術綜述

張冬梅

0 引言

潮汐是海水在月球和太陽引潮力的作用下產生的垂直于海面的周期性漲落現象。潮汐發電的優點是耗能小，每度電的成本僅火力發電站的八分之一。按運行方式將潮汐電站分為三種，即單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型。單庫單向型只用一個水庫，僅在漲潮（或落潮）時發電。現在潮汐發電的設計方式主要有兩種，即橫軸式和立軸式。早在 20 世紀初， 歐美等一些發達國家就已經開始了潮汐發電技術的研究。而后，1968 年前蘇聯也在基斯拉雅灣建造了一座潮汐電站。加拿大在 1980 年建設了一座試驗潮汐電站。

在日本、中國、菲律賓等國家的諸多海岸都具備建設潮汐電站的條件。為了研究潮汐發電專利技術的發展情況，本文采用專利檢索數據庫CNABS、DWPI和SIPOABS數據庫，通過IPC分類號（F03B13/26）、CPC分類號、關鍵詞（潮汐、發電）、追蹤檢索、塊檢索、轉庫檢索等檢索策略進行檢索，并對檢索數據進行數據整理、建立數據庫，利用S系統中的統計命令和Excel對該領域的專利申請數據進行統計分析并產生可視化報告，本次專利分析的檢索數據包括截止到2017年4月24日公開的專利申請。

1 國內與國外專利性分析

截止到2008年，我國的潮汐發電技術一直處于緩慢發展的階段，專利申請量變化不大，該階段我國潮汐發電技術還處于起步階段。自2008年以來，我國對于加大了對清潔能源發電的重視程度，許多高校、研究機構都著力對潮汐發電技術進行深入研究與開發。由于專利從申請放到公開一般存在18個月的滯后期，因此從2009年起，專利公開量持續增加，這是由于僅有上半年數據以及部分申請尚未公開。在潮汐發電技術迅猛發展的今天，外資企業十分重視中國市場，在我國申請專利的國家除中國（含中國臺灣、香港地區）以外，英國、美國、愛爾蘭和韓國的申請量較高。申請量較大的區域主要包括浙江、江蘇等沿海城市與北京等高校、與科研機構較為集中的城市，與中部和西部各省專利申請量相差較大。在中國，潮汐發電技術領域專利申請人以大學及科研機構為主。反映出我國對于潮汐發電技術的應用仍存在很大的潛力，仍需要進一步促進科研成果的轉化。潮汐發電技術專利申請較大的企業為國電聯合動力技術有限公司，外國企業為開放水知識產權有限公司，表明該領域的技術已向產業化邁進。潮汐發電技術領域主要集中在F部， （機械工程；照明；加熱；武器；爆破），主要分類為F03B（液力機械或液力發動機），其相近技術領域包括F03D（風力發動機），存在一些風力與潮汐組合發電的專利申請及將風力發動機原理用于潮汐發電的專利申請。

全球最早關于潮汐發電技術專利申請始于1900年，直到2001年，專利申請量都較為平緩，說明此階段市場對于潮汐發電技術的認識與研究均不足，研發尚未大規模開展，從2002年以后專利申請量開始逐漸上升。潮汐發電技術專利申請量較多的國家包括中國、韓國、英國、美國、日本及歐盟各國。

2 專利技術發展路線

在DWPI和SIPOABS數據庫中通過分類號與關鍵詞進行進一步限定，針對水下渦輪機結構在潮汐發電中的應用專利進一步分析。選取重要專利研究水下水輪機結構在潮汐發電應用中的技術發展與脈絡。經分析發現，水下渦輪機結構在潮汐發電的應用中面臨的主要問題包括：如何加強渦輪機及發電機的密封性能；如何便于裝置的安裝、維護和維修，如何在緊急情況下實現停機；如何適用水位變化；如何增強流體動力、控制速度、減小水流損失、提高發電效率。根據上述技術問題，水下渦輪機結構用于潮汐發電技術中主要發展脈絡包括：流動控制及安裝維護，流動控制技術手段主要包括葉片形狀設計、葉片角度和節距調整、附加導流結構、輪轂形狀設置、流道形狀設置、水輪機安裝方式等，利于安裝維護的技術手段主要包括支撐結構（懸掛、繩系、支撐住、浮船、浮體等）、水輪機分布設置、密封結構等方面。

對于流動控制與安裝維護方向的專利申請一直處于快速發展階段，在流動控制方面，初期的專利主要集中在通過將水輪機陣列分布，從而適應不同方向的水流，或者通過雙向水流的利用提高發電效率。中期的專利主要集中在設置輪轂與流道的形狀，從而使水力損失減小，控制葉片轉速，或者通過導流機構對水流方向與速度進行控制。近期的研究著重于對葉片結構和形狀的設計，以使得葉片更加符合流體水力特性，因此，對于葉片的結構以及葉片支撐和鎖緊手段，均是近期的熱點技術。在如何利于安裝維護方面，系繩式、支撐柱式、懸掛式、懸臂式和浮船式等支撐結構一直都是研究的熱點，近期，對于水輪機高度的調節已逐漸偏向智能化，水輪機高度控制手段將成為研究熱點。

3 小結

基于以上分析可以看出，潮汐發電技術涉及的技術點較為廣泛，中國已成為該領域專利的申請大國，而對于關鍵技術如水下渦輪機在潮汐發電中的應用，英國、美國、德國等國家仍處于技術領先的地位，且申請人屬性主要為企業性質，此類專利成果在這些國家已經得到較為成熟的轉化；而國內的申請人主要集中在高校與研究機構，與發達國家具有一定的技術差距，專利成果轉化仍任重道遠。潮汐發電技術的研究主要的技術問題包括如何利于安裝維護及如何高效控制流動以提高發電效率，目前潮汐能采集方式多種多樣，但采用水下水輪機作為動力收集，仍然是技術重點。