垂直轴风电机组专利技术现状及发展趋势

李宏利，佟振霞，樊云飞，李建军

（1. 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100083；

2. 内蒙古蒙西高新材料股份有限公司，鄂尔多斯 016014）

0 引言

随着风电市场的不断扩大，加之现代风力发电技术的日臻完善以及由此产生的低成本化趋势，相对于常规能源而言，风力发电在一些地区已成为具有一定竞争力的新能源发电方式。甚至，相比其他新能源发电方式，风力发电更具经济性，也更容易实现大规模商品化生产[1-2]。

风电机组根据结构及其在气流中的位置通常分为两大类：一类是水平轴风电机组，另一类是垂直轴风电机组[3]。本文通过对垂直轴风电机组专利申请数据的收集、整理、比较和分析，总结垂直轴风电机组专利技术的特点、现状和发展趋势，以期为我国垂直轴风电机组专利技术的进一步发展提供情报支持和指导，同时也为我国政府和企业的宏观规划提供参考信息。

1 检索策略和检索范围

垂直轴风电机组技术出现较早，在IPC分类领域中拥有明确的分类位置，即F03D3/00分类号及其下位组F03D3/02、F03D3/04、F03D3/06，因此在检索时主要使用分类号进行检索，需要说明的是，其中的下位组F03D3/04（具有固定式导风装置，例如具有风筒或风道）主要是在已有的垂直轴风电机组结构上增加各种形式的导风装置，而不是对具体的垂直轴风电机组结构进行改进，因而在进行检索时排除了这一下位组，以将注意力集中在垂直轴风电机组结构的相关专利的分析上。在进行检索时，为了便于分析比较中外专利申请数据，在德温特世界专利索引数据库（DWPI）和中国专利数据库（CNPAT）中进行检索时将文献的公开时间限制在1985年1月1日至2012年5月31日。

2 垂直轴风电机组专利申请分布概括

2.1 世界范围内垂直轴风电机组专利情况分析

图1给出了1985年－2012年世界范围内（包括中国在内）垂直轴风电机组专利申请量年度变化状况[4]（本文中的专利申请统计均是以同族为单位进行的，未进行子母公司合并）。从图1中可以看出，2000年之前，在世界范围内垂直轴风电机组专利技术处于缓慢增长阶段，申请量较少，增长缓慢。2000年以后，尤其是2005年以后，开始进入急剧增长阶段，表明随着全球范围内的经济增长和能源需求的快速扩张，世界各国日益注意到发展垂直轴风力发电技术的重要性，积极投入力量研发新技术并进行全球布局。同时这也表明，垂直轴风力发电技术具有较好的发展前景和广阔的发展空间。需要指出的是，如图1所示，专利申请量从2011年出现了明显下滑，这是专利从申请到公开的时间滞后性造成的，2011年以后的一些申请尚未公开，导致采集到的数据明显小于实际的申请量，按照整体的申请趋势进行分析，预计2012年的申请量仍然会比较大，不会出现明显的下降。

2.2 我国垂直轴风电机组专利情况分析

图2显示了1985年－2011年我国垂直轴风电机组专利申请量年度变化状况。从中可以看出，我国专利法自1985年4月1日开始实施起，就出现了垂直轴风电机组专利申请，这时申请数量很少，在2000年之前基本保持着个位数。2000年之后，我国出台了一系列知识产权相关法律法规和鼓励政策，这些政策推动了国内知识产权事业的发展。我国技术人员对知识产权的认识得到了进一步提高，更加注重对知识产权成果的保护，垂直轴风电机组专利申请量有了较明显的提高，此后一直保持稳定增长态势。此外，我国相继出台的若干鼓励风电发展的政策，也极大地激发了我国技术人员对风电相关技术进行专利保护的热情。尤其是2005年以后，随着我国《可再生能源法》的颁布，风电产业得到空前发展，垂直轴风电机组专利申请量也不断增长，这与世界垂直轴风电机组专利技术的发展趋势大体接近。

尽管我国国内垂直轴风电机组专利申请量呈现快速发展的势头，但是我国的垂直轴风电机组技术发展存在以下两个方面的问题：

一方面是地区发展很不均衡。图3给出了垂直轴风电机组专利申请在我国的地区分布情况。可以看出，申请量最大的是广东省，其次是江苏省、北京市、上海市、山东省、辽宁省，经济欠发达地区的申请量相对较少。究其原因，广东省、江苏省从事垂直轴风电机组生产领域的相关企业较多，而北京市、上海市等地区则依托高校和科研院所优势，广泛开展垂直轴风电机组技术的研发工作；相反，经济欠发达地区的企业申请量较小，原因是技术分散，专利保护意识淡薄，没有形成自身的知识产权战略，难以获得一定程度的专利申请规模，从而很难形成从技术体系、专利技术划分到专利权维护的完整专利战略体系。

另一方面是专利申请过于分散。图4显示了我国范围内的申请人类型分布，从中可以看出，个人所占比例最大，达到了77%，数量上占绝对优势，而企业所占比例为18%，高校/科研院所所占比例仅为5%。说明在我国范围内，涉及对垂直轴风电机组的研发，个人的研发热情很高，参与度比较大，公司和高校/科研院所相对薄弱，因而垂直轴风电机组技术含量较低。同时，我国垂直轴风电机组的市场化程度不足，公司和高校/科研院所的研发热情不够，还需要进一步推动垂直轴风电机组技术在我国的推广应用。

3 主要垂直轴风电机组专利技术分布和研发现状

本文在进行垂直轴风电机组专利技术分析时，根据叶片类型不同，把垂直轴风电机组分为主要依靠叶片的阻力来工作的阻力型垂直轴机组和主要依靠叶片的升力来工作的升力型垂直轴机组。同时，阻力型垂直轴机组进一步细分为S形、风杯形、活动平板形三种主要类型，将升力型垂直轴机组进一步细分为直叶片型、弯叶片型两种主要类型[5]。

图5显示了1985年－2011年我国范围内阻力型和升力型垂直轴风电机组专利申请量的年度变化状况。从图5中可以看出，阻力型和升力型垂直轴风电机组专利申请量在我国范围内的整体发展趋势基本一致，但阻力型垂直轴机组的专利申请量一直比升力型垂直轴机组的数量具有明显优势。虽然从2000年以后，两种类型的垂直轴风电机组专利技术都进入了快速增长阶段，但是相较于阻力型垂直轴机组专利技术的急剧增长势头，升力型垂直轴机组专利技术的增长势头则显得较为温和。这一方面表明我国阻力型垂直轴风电机组专利技术得到了广泛的重视和应用；另一方面也与阻力型垂直轴风电机组技术发展较早、应用广泛、其后不断改进并且已相对成熟的发展历程有关。而升力型垂直轴风电机组专利技术的增长虽然相对缓慢，但2000年以后也进入了快速增长阶段，这表明该类型机组专利技术属于新近热点技术，并因其自身的独特优势已经越来越受到业界的重视。

3.1 阻力型垂直轴风电机组专利技术分布状况

阻力型垂直轴风电机组结构涉及五个技术分支：S型、风杯型、平板型、涡轮型和马达拉斯型。图6给出了我国国内这五类阻力型垂直轴风电机组专利申请的分布情况。涉及活动平板型的申请量最高为544件，涉及S型的申请量为196件，涉及风杯型的申请量128件，而涉及涡轮型和马达拉斯型的申请量则分别为47件和20件。涉及涡轮型和马达拉斯型的专利申请量较少是因为这两者不是业界关注和研发的热点，本文重点对申请量较多的S型、风杯型、平板型三种类型的阻力型垂直轴风电机组专利技术进行分析。

图7反映了S型、风杯型、平板型三种主要的阻力型垂直轴风电机组在我国专利申请的时间分布情况。涉及平板型的我国专利申请最早开始于1985年，每年都有一定数量的专利申请，但2000年之前申请量一直都比较小，2000年以后进入快速增长阶段，到2010年达到申请顶峰；涉及S型的我国专利申请始于1987年，但是2005年前申请量少且不稳定，2005年以后进入稳定增长阶段，到2011年达到申请的顶峰；我国风杯型的专利申请情况与S型的情况类似，其申请量到2009年达到顶峰，而2010年明显降低。

在S型阻力型垂直轴风电机组领域，尽管个人申请总量高于企业，但个人申请中实用新型的申请量占据比较大的份额，而企业申请中发明专利的申请占据较大的份额，明显高于个人申请。由于企业具有技术和资源优势，其研究具有一定的技术水平，因此，其申请往往具有比较高的技术含量。图8给出了我国范围内S型垂直轴风电机组各类申请人的申请状况。

图9列出了我国在S型垂直轴风电机组领域排名前8位的申请人及其申请量。其中有6位均是企业申请人，仅有1位为个人申请人，还有1位为个人和高校合作申请人，且各申请人的申请量不大，第1位的3家企业也仅有6件。这说明目前S型风轮领域的专利申请离散度很大。由以上数据还可以看出，仅有1家日本企业在我国的申请量较多，这说明在S型垂直轴风电机组领域，主要的专利技术基本已被我国企业掌握。

在风杯型阻力型垂直轴风电机组领域，个人的申请量最大，具有研究能力的企业、高校和科研院所对风杯型风轮技术的发展不够重视，投入低。而个人专利申请中仍然以实用新型为主，这也从侧面反映了风杯型风轮领域的技术水平较低。图10给出了我国国内风杯型垂直轴风电机组各类申请人的申请状况。

在活动平板型垂直轴风电机组领域，研发主体仍然为个人。图11列出了我国在该领域的主要申请人及其申请量。北京市西城区新开通用试验厂、张家港市贝尔机械有限公司、安徽池州皖美电器厂、上海凡鸿环保科技发展有限公司以及英国的七星全球有限公司是主要企业申请人。英国企业七星全球有限公司较多，说明其对平板型的研发比较重视，也注重我国市场的保护。尽管个人申请者余虹仪和徐毓艺申请量较多，但其申请主要为技术含量较低的实用新型，而邓允河的5件专利均为发明，证明其具有较强的研发和创新能力[6]。

3.2 升力型垂直轴风电机组专利技术分布状况

升力型垂直轴风电机组包括直叶片型和弯叶片型两种主要结构形式[7]。图12反映了这两种类型在我国专利申请的时间分布情况。我国涉及直叶片型的专利申请最早开始于1985年，但2005年之前申请量一直都比较小，2005年以后进入稳定增长阶段，到2011年达到申请的顶峰；而我国涉及弯叶片型的专利申请则出现的较晚，最早开始于2001年，其申请量到2009年达到顶峰，之后开始回落。

图13给出了我国范围内直叶片型垂直轴风电机组按申请人类型的分布情况。其中，个人申请量最大，占申请总量的51%；其次是企业申请，占申请总量的41%，高校和科研院所所占比例较少，分别为7%和1%。这说明在直叶片型风电机组领域，个人和企业的研发能力较强，专利活跃度较大。申请人中排名第一的是国能风力发电有限公司，其研究重点主要放在H型风电机组方面，排名第二和第四的均为个人申请，且其申请类型主要是发明。由此可见，个人申请在我国直叶片型风电机组技术领域的影响也不容忽视。

我国范围内弯叶片型风电机组的个人申请量最大，占申请总量的60%，其次是企业申请，占申请总量的30%，高校和科研院所所占比例较少，分别为7%和3%。排名前五的申请人中有3位为个人申请，可见个人申请对弯叶片型的研究也占主导地位。其中排名第一的邓允河，研究重点主要集中在Φ型风电机组方面。而且，以国内申请人为主，国外申请人虽然总量较少，但涉及到的国家较多，除美国、英国、加拿大外，还包括意大利、瑞典、爱尔兰、澳大利亚、波兰、丹麦、法国、韩国，这说明弯叶片的研究和发展在世界范围内受到广泛关注，国外公司也重视在我国的专利布局。

4 对我国垂直轴风电机组企业的发展建议

在垂直轴风电机组领域，我国的申请量处于领先地位，但专利质量不太高，实用新型专利居多，比较专注于国内市场，国外专利布局欠缺。但日本、美国、德国仍然具有很强的竞争力，而且这些国家的专利多为质量较高的发明专利，在保护国内市场的同时还非常注重国外市场的专利布局[8]。此外，个人申请量比重最大，企业，高校/科研院所所占的比例较少。由此可见，垂直轴风电机组技术的市场化和商业化程度不足，公司和高校/科研院所的研发热情不够。值得注意的是，日本从事垂直轴风电机组技术领域研发的公司数量较多，日本松下电器产业株式会社在风力发电领域具有极强的竞争实力。基于我国垂直轴风电机组技术领域中所呈现出的上述特点，笔者给出以下几个方面的建议。

4.1 增强自我研发实力，形成完善的研发体系

随着国际竞争逐渐加剧，国内企业必须尽快建立并发展自己的科研开发队伍，形成研发规模，在尽可能避让竞争对手的专利壁垒之外，还应该合理、充分地开展适合我国国情的技术研发，例如加强垂直轴风电机组的叶片制造、整体控制等方面的技术研发，这样有利于可持续发展。

4.2 加强行业内的交流，培养科技人才

对于国内的小企业而言，应加强行业内部的交流，尤其是欠发达地区的小企业，通过与经济发达地区企业的交流，便于找准适合自身的知识产权保护策略，避免研发内容的交叉重复，有利于扬长避短。对于已形成规模化发展的国内大型企业而言，应加强国际行业内的信息交流，在加强自身研发实力的同时，密切国外知名公司以及其他潜在竞争对手在我国的专利活动，对国内外主要专利申请人的专利信息加以研究利用，从而提升自己在垂直轴风电机组行业中的竞争力。

总之，我国的垂直轴风电机组企业必须意识到知识产权的重要意义，积极通过知识产权来维护自身的合法权益，通过技术创新提升企业的核心竞争力，从而在市场竞争中立于不败之地。

[1] 孙云峰, 田德, 王海宽, 等.垂直轴风力发电机的发展概况及趋势[J]. 农村牧区机械化，2008, 75（2）: 42-44.

[2] 田海姣, 王铁龙, 王颖.垂直轴风力发电机发展概述[J]. 应用能源技术, 2006, 107（11）: 22-27.

[3] 蒋超奇, 严强.水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J]. 上海电力，2007，（2）：163-165.

[4] 杨慧杰, 杨文通.小型垂直轴风力发电机在国外的新发展[J].电力需求侧管理，2007，（3）：68-70.

[5] 贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社，2006.

[6] 李德孚.户用小型风力发电系统现状与发展[J]. 节能与环保，2005(6):14-16.

[7] 王承煦.风力发电[M].北京:中国电力出版社，2003.

[8] 张红漫.风力发电变桨偏航轴承专利分析[J]风能，2012（3）：38-42.