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风电机组变桨装置专利情报分析

2024-10-26 15 上传者：管理员

摘要：风电机组的变桨装置是保证机组控制系统正常运行的重要部件，在提高风能利用率和优化机组运行方面起着至关重要的作用。从专利角度对风电机组的变桨装置进行了分析，从变桨装置在国内外的申请趋势、区域分布、主要申请人、重点专利技术等多个角度进行统计分析；并以中国的金风科技和美国的通用电气为对象，详细分析其变桨装置的专利布局方向，以期为风电机组变桨系统的研发方向提供知识产权情报支撑。

关键词：
专利分析
变桨装置
知识产权
能源
风力发电
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1、前言

在“碳中和”趋势的推动下，绿色低碳产业需求活跃，而风电产业是清洁能源的重要组成部分，全球风电正加速布局，风电产业的高速发展为风电机组控制系统行业带来了巨大的市场契机[1-3]。风电机组的控制系统主要包括偏航控制和变桨控制两大系统，其中变桨系统作为风电机组控制系统的重要组成部分，其在风电机组整体成本中的占比约为5%，但就是这样一个“小”部件，却对风电机组的安全运行发挥着至关重要的作用[4]。

变桨控制实质就是通过调节风力机叶片的桨距角，改变能量转换效率，来控制风电机组的功率输出，使风机捕获的功率最大化，或在机组需要降低转速或停机时改变空气动力进行制动。变桨系统的部件主要包括变桨动力源、变桨轴承和传动结构等。变桨动力源包括液压系统或变桨电机，变桨轴承用于连接轮毂和叶片，传动结构包括传动带、齿轮、连杆等部件。

变桨系统的研究主要包括变桨装置结构以及变桨控制方法两方面。本文以变桨装置为研究基础，从专利申请趋势、区域布局、专利技术构成、主要申请人等维度，对风电机组变桨装置的专利技术进行分析，对我国风电机组变桨技术的发展具有指导意义。

2、专利申请趋势

图1显示了1990年1月—2023年12月变桨装置的专利申请量年度分布。2000年以前，变桨装置整体发展水平较低，2006年以后，关于风电机组的变桨装置的研究趋于热门，专利申请量快速上升，特别是在2011年达到峰值，而此后出现了大幅下降后逐渐趋于平缓。中国的变桨控制技术在2000年以前处于较低水平，专利申请量在2006年后占全球申请量的比例逐渐升高，在2012年达到小高峰后略有回落，而在2015年后中国专利在该领域的申请量继续快速上升。整体来看，风电机组的变桨控制装置的中国专利申请量与全球趋势大体相似，但2015后由于中国新能源的快速发展以及国家政策鼓励创新，在全球申请量趋于平缓的情况下，中国的申请量仍然保持在较高位置，且在全球占比更是超过80%。

图1风电变桨装置专利申请量趋势

3、区域布局分析

风力发电机变桨装置相关专利申请的申请国分布状况如图2所示。图中可见，中国占据了总申请量的52%，占比最大。一方面，我国是全球最大风电市场，市场的不断扩大推动全球主导企业在我国进行专利布局；另一方面，我国政策支持风电产业零部件的国产化，中国申请人积极开展技术创新。同时，美国和日本也具备较大的申请量，分别占据总申请量的8%，接着是德国、丹麦、英国等国家。

图2风电变桨装置专利区域分布

4、专利技术构成分析

风力发电机的变桨装置按驱动原理可分为被动变桨和主动变桨。被动变桨主要是利用弹簧结构、离心原理等实现自适应被动变桨，其专利申请量相对较少，主要应用于小型风力机，例如浙江华鹰风电设备有限公司的申请就是针对中小型风力发电机设计的被动变桨机构。

对于大型风电机组基本采用主动变桨，变桨系统的主要部件包括动力源、传动部件、变桨轴承等。图3为变桨装置的专利技术分布情况。图中可见，变桨装置的专利申请中，以系统总成设计居多，占比57%；其次为变桨轴承，占比19%；然后是在润滑、散热以及安装结构等维护方面进行改进的专利，同时还包括桨叶限位锁定机构、驱动和传动装置、密封、润滑等其他零部件的专利。

图3变桨装置专利技术分布

动力源执行机构的动力形式主要包括电动驱动和液压驱动，在基本功能上，两种执行机构没有优劣之分，而从性能和细节上，两者各有利弊[5]。电动变桨执行机构利用电动机对桨叶进行控制调节，其结构紧凑，具有造价低、无泄露、适应性广、便于维护等优点，因而得到各大厂家的青睐，例如金风科技和通用电气在电动变桨方面布局了较多专利；而液压变桨通过液压系统推动桨叶转动，与电动变桨系统相比，具有体积小、重量轻、动态响应好、转矩大等优点，丹麦的维斯塔斯在液压变桨方面的专利数量最多。从图4可以看出，在动力执行机构方面，液压驱动的专利申请数量明显少于电动驱动。

图4变桨装置动力执行机构专利技术分布

5、变桨装置重点申请人

5.1重点申请人排名

中国在风电变桨装置方面的专利数据量虽然较多，但是从图5可以看出，申请量排名前5的公司中，中国仅有金风科技1家，申请量较多的主要还是来自美国的通用电气、丹麦的维斯塔斯、日本的三菱重工、法国的阿尔斯通等传统风电巨头。在变桨装置的专利布局方面，中国申请人中金风科技、浙江华鹰风电、明阳智慧能源在该领域的申请量均超过10篇，且在该领域的专利申请集中在近15年内，但其申请数量能够位列前茅，反映出中国风电企业发展迅速。同时，国内虽然有大量企业或个人进行变桨结构方面的研究，但是大部分申请人仅有一两篇专利申请，反映了我国申请人在风电变桨领域专利布局的缺乏。

图5变桨装置重点申请人分布

5.2重点申请人专利布局

图6列出了金风科技、通用电气、维斯塔斯、三菱重工、西门子等5家申请量排名靠前的公司在变桨执行机构相关专利的数量对比。金风科技和通用电气在电动变桨方面均布局了较多专利，其中通用电气在变桨驱动方面的专利基本采用电机驱动，仅有少数专利涉及液压变桨；维斯塔斯和三菱重工在液压和电动方面的专利数量较为均衡，且仅维斯塔斯在液压驱动方面的专利超过电机驱动，其余4家公司在变桨驱动方面的电机驱动的专利均超过液压驱动。

图7展示了金风科技、通用电气、维斯塔斯、三菱重工、西门子五大公司在变桨装置的专利技术分布。可以看出，在变桨系统总成方面，各大公司均有较多专利申请，体现出各公司均重视变桨系统的整体结构改进。在变桨轴承方面，三菱重工相对布局较少，金风科技、通用电气和维斯塔斯的布局数量较为均衡；在变桨驱动装置方面，金风科技和三菱重工较为重视；在限位装置方面，金风科技和维斯塔斯的申请数量相对更多。变桨系统总成的合理设计是保证变桨可靠性的最重要因素，变桨轴承是保证变桨装置使用寿命的关键部件，整体而言，变桨系统总成和变桨轴承是各大公司进行专利布局的重点方向。

图6五大公司关于变桨装置不同执行机构的申请量

图7五大公司变桨装置专利技术分布

5.3重点专利技术分析——以金风科技和通用电气为例

中国的金风科技和美国的通用电气均为全球风电整机制造龙头企业，在变桨装置的专利方面也位列前茅，以下针对金风科技和通用电气开展较为详细的专利分析。

金风科技是我国风电龙头企业，主营业务包括风力发电机组生产、研发与销售，风电服务，风电场投资与开发等，遍及全球6大洲、40个国家。金风科技已实现全球风电累计装机容量超119 GW，在运维服务量超64 GW，逾51 000台运行风电机组遍布世界。在风电机组的变桨装置方面，金风科技具有63项专利申请，其中授权专利55项，授权率达到87%，其技术方向涉及变桨系统总成、变桨驱动结构、变桨轴承、变桨限位等多个方面。

在变桨系统总成方面，金风科技的专利申请主要改进方面在于提高变桨系统的可靠性、便捷性、精确性。例如专利CN108590962A通过弹性件弹性势能的利用，在紧急顺桨时，释放驱动臂，弹性件利用弹性力做功来带动风力机叶片实现紧急顺桨，有效提高了风力发电机组的运行可靠性；专利CN109469582A在现有风电机组的变桨装置的基础上进行改进，通过齿盘结构驱动滚齿从而驱动多个叶片同步进行变桨操作，省略了风力发电机组传统轮毂的结构，简化了变桨装置结构；专利CN109958578A通过转动卷筒带动变桨轴承转动，基于变桨需求及叶片桨距角位置感应件参数的条件下，从而实现精确变桨。

在变桨驱动、传动装置方面，金风科技的专利申请主要改进之处在于延长驱动装置或传动装置的使用寿命，提高变桨效率。CN109555651A中的传动装置将动力源的动力传递给负载，同时在保证牵引部件的包角要求的基础上，还避免了因局部受力集中导致传动带断裂现象的发生，保证了安全性；专利CN105422766A提供的齿形带张紧装置可以迅速精确地控制齿形带的初预紧力，在变桨动作的过程中，实现对齿形带的预紧力的精确控制，避免传动带的张紧力变化引起寿命缩短、无法变桨等现象，进而提高变桨效率；专利CN109458433A通过在主体部上设置由复合结构构成的承载层和包覆于承载层周侧的包覆层，改善了传动带的机械性能，提高了传动带的使用寿命。

在变桨轴承方面，其主要改进方面在于提高轴承的使用寿命和使用可靠性。专利CN109737006A提供的轴承使得滚动体在卧球槽内单独运作，滚动体不互相干涉摩擦，减少了滚动体的无用功损失，从而提高了轴承的额定动负荷和额定的静负荷，提高轴承的使用寿命，并且降低了轴承的制造成本；专利CN106594065A在多个安装孔中的至少一处设置有通孔，能够防止内、外圈安装孔的腐蚀，从而避免因腐蚀而导致的应力集中，由此提高了轴承的可靠性；专利CN110345154A提供的滑动轴承通过在轴承内圈与外圈之间设置轴向柱瓦，其抵靠在内圈与外圈之间形成的卡扣部上，使得相对滑动的承载面充分接触，在提高轴承的承载力的同时降低了轴承失效风险。

在变桨限位结构方面，其主要改进方面在于提高变桨安全性，简化限位结构。专利CN103161662A设计了一种用于风力发电机上的限位挡块的安装结构，可使得风力发电机组应用不同长度叶片的情况下能够适用一种限位挡块安装结构配置；CN103726996A提供了一种能够在变桨执行机构发生故障的情况下，也能将叶片限位在特定角度范围内的限位结构，从而防止叶片失控旋转而带来的损害；CN207261170U提供的风力发电机组的变桨限位结构和叶片位置检测装置，能够准确检测叶片的位置，避免或减少因检测环节发生故障造成的误报停机，提高风电机组运行的安全性。金风科技变桨装置专利申请主要技术方向见表1。

表1金风科技变桨装置专利申请主要技术方向

美国通用电气公司（GE）是世界上最大的提供技术和服务业务的公司，通用电气在2002年收购了安然风电（Enron Wind）跻身世界风电制造业，凭借着通其雄厚资金和研发实力，以及超级强大的销售网络和技术服务体系，成为世界上最大的风电制造商之一。

通用电气在风电变桨装置的申请量仅次于金风科技，在变桨系统总成方面，专利CN102032113A的变桨装置包括多组变桨轴承齿，在第一组变桨轴承齿被磨损后变桨驱动系统联接到第二组轴承齿，从而延长了风电机组变桨组件的运行寿命；专利EP3757384A1中的叶片包括内叶片部分和外叶片部分，外叶片可枢转地联接到内叶片，变桨机构不仅使得整个转子叶片变桨，同时使得外叶片能够相对于内叶片进行旋转变桨。在变桨系统维护方面，专利US2015114756A1中的润滑系统在变桨传动小齿轮内设置润滑剂通道，通过多个径向方向的润滑剂输送管对传动小齿轮和轴承进行润滑；专利CN115076031A通过在叶片变桨轴承环或轮毂上设置传感器来确定目标相对于传感器的位置，从而便于确定变桨基准线，以保证变桨位置准确性。在变桨轴承方面，专利CN112105816A在变桨系统中设计了具有3个环圈的变桨轴承，且采用2点接触球轴承，保证承载能力的同时方便维护；专利EP3470671A1采用线接触滚动轴承，通过滚动件接触角的合理设置减小滑动摩擦，从而减小应力。在变桨限位方面，专利US2011044813A1采用机械式卡扣机构连接转子轮毂和叶片实现叶片锁紧功能；专利CN112664392A设置可移除的转子锁，通过驱动销轴在壳体开口内的移动，使得机组在维护期间遇到大风时将转子固定在固定位置，从而保证安全性。

从上述金风科技和通用电气公司在变桨装置方面的专利技术来看，两者均较为重视通过变桨装置的总成结构设计来提高变桨系统的运行可靠性，并且通过变桨轴承类型的合理选择和承载结构的改进来提高轴承的承载力，延长使用寿命；但是通用电气公司更为重视通过变桨系统在润滑、散热等方面的系统维护相关的改进以保证变桨性能，金风科技较为重视在变桨装置的驱动和传动结构方面的研发，以期通过优化传动部件来提高变桨效率。

6、结语

风力发电是碳达峰、碳中和目标下能源结构优化的重要实现路径。随着风电技术的不断发展改进，变桨系统的研发设计受到了金风科技、通用电气、维斯塔斯等各大风电巨头的重视，并申请大量相关专利。

中国在风电变桨装置领域的专利数量上占据绝对优势，但分布零散，较少公司形成系统化专利布局，且国内申请人在国外的专利保护较少，国际保护力度较弱。因此，国内企业应加强与高校和研究所的合作以协同创新，并在技术创新的同时重视专利布局，逐步扩大海外市场，以形成围绕自身研发成果的高价值专利保护体系。变桨系统总成和变桨轴承是风电机组变桨装置专利布局的重点方向，如何保证变桨系统安全可靠运行，提高变桨效率，降低投资成本、复杂性将是变桨装置研究的重要趋势。

本文对风电机组变桨装置的相关专利进行了分析和整理，梳理了申请量趋势、申请国分布、申请人分布以及技术构成等，并进行了较为全面的分析，可为我国风电变桨控制系统的研究发展方向和专利布局提供一定参考和借鉴。

参考文献:

[1]刘平,张媛,莫堃,等.风力发电设备技术现状与发展趋势[J].中国重型装备,2022(4):1-6.

[2]徐丹丹.基于“双碳”目标的清洁能源发电现状及发展分析[J].清洗世界,2024(7):70-72.

[3]谭凯.风能专利分析的意义[J].风能,2015(5):31.

[4]高原.中国风电机组控制系统行业综述(变桨系统篇)[J].风能,2021(1):50-52.

[5]刘晓林.浅谈风力发电机组的液压和电动变桨系统[J].电气应用,2009(15):70-73.

文章来源:杜美瑭.风电机组变桨装置专利情报分析[J].流体测量与控制,2024,5(05):67-71.