专利视角下海上风电基础技术态势分析及发展建议

李炜，廖琦琛，许丹海，李青，何奔，林志坚

（1.浙江省深远海风电技术研究重点实验室；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司；3.浙江省科技信息研究院）

发展海上风电有助于我国实现碳达峰、碳中和的庄严承诺，近年来我国海上风电技术发展迅速，海上风电业务已进入到国际风电市场。海上风电漂浮式基础是海上风电基础未来发展的重点，对漂浮式基础专利分布情况开展计量分析，深入了解各国在漂浮式基础领域的研发实力，对指导国内风电企业制定适合自身的相关技术专利战略以及风电企业“走出去”具有重要意义。

近年来，全球海上风电的规模化开发速度明显加快。欧洲之外，中国迅速成为新的增长引擎。根据国家能源局统计，2020年，全国海上风电新增装机306万千瓦，从新增装机分布看，中东部和南方地区占比约40%，“三北”地区占60%。到2020年底，全国海上风电累计装机约900万千瓦。

海上风电基础为风电机组提供至少25年的关键支撑，同时，在海上风电场的总投资中，基础成本占20%～30%，远高于陆上风电场的同类比重。海上风机在对基础进行选择时要综合考虑多方面的因素（海域地质、风能资源、海洋水文等环境条件），主要分为三种。在浅海或近海区域，单桩基础是目前海上风电场应用最多的一种结构；筒型基础适用于软粘土和松散砂土地质，工作水深有较大范围，是一种极具潜力的环境友好型海上风电基础。浮式结构适用于深海区域，远离海岸线，对海洋哺乳动物、鸟类、鱼类影响和海岸线视觉污染较小。

随着欧洲海上电网计划、美国亚特兰大风电互联计划的提出，海上风电逐步开始向更大规模、更深、更远海域发展。从经济性来看，采用各种固定于海底的贯穿桩结构的传统方式在深远海域的建设不可行，同时在技术上也面临巨大的挑战；所以，发展基于漂浮式平台的风电机组是解决这一问题的必然选择。未来风电场建设的趋势也必然是“由陆向海、由浅到深、由固定式向漂浮式”发展，单风机漂浮式基础将成为海上风电未来研究的重点。

国内漂浮基础结构型式还在学习和积累经验阶段，目前还没有成熟的海上风电工程采用案例。而国外此种基础型式已经处于发展阶段，如荷兰的Blue H Technologies公司在2008年用离岸油井技术开发出世界第一座浮式风能发电机（80kW），安装在意大利南部Puglia外海的风电场；2009年挪威Karmoy海域的Hywind（采用Spar基础）；葡萄牙Principle Power的Wind Float（2011）；University of Maine（2013）造了一个1∶8的大尺度样机模型在海上进行了试验，基础配备三个锚杆和三个浮箱；在2013年，日本建造了两个样机：半潜式和Spar式基础；2017年挪威石油在位于Scotland的Pilot Park浮式风电场安装五台6MW风机，基础采用Spar基础并通过锚链固定于海床。有鉴于此，本文通过结合关键词、IPC分类号等分析漂浮式风电基础的全球专利数据，结合我国在相关领域的研发现状，提出关于未来我国海上风电漂浮式基础创新发展的一些意见。

一、海上风电漂浮式基础专利分析

（一）漂浮式基础专利技术发展趋势

本文共检索到专利4814件（每件申请显示一个公开文本），共3293组简单同族（数据来源：智慧芽专利数据库；时间：2020年10月）。

漂浮式基础全球专利申请趋势如图1所示，可分为4个阶段：萌芽期（1974年以前）、成长期（1975—2006年）、发展期（2007年—2015）、瓶颈期（2016年至今）。在1974年以前有关海上风电基础专利的申请量相对较少，此阶段的专利主要为海上石油领域涉及漂浮式基础的专利。根据现有文献报道可知，海上风电可看作是海上风能和油气开采业的结合，用于建设海上油气开采相关的基础设施和水下设施及其技术也同样可为海上风电项目建造相关设施，因此本次检索将海上石油开采涉及漂浮式基础的专利也包含在内,此阶段漂浮式基础技术整体处于技术发展的萌芽期。1975—2006年，属于成长期，值得注意的是全球海上风电基础技术大约从20世纪90年初左右出现，因此，该阶段的专利申请大致可以分两大类，一类为海上石油领域涉及漂浮式基础的专利，另一类为海上风电领域涉及漂浮式基础的专利，此阶段专利申请量较为平均。2007年后进入发展期，可以看到从2007年起专利申请量大幅度增长，可能是由于北欧、美洲等一些国家地区陆续出台关于发展海上风电的相关政策，鼓励企业机构开展海上风电项目，因此全球海上风电建设活动在此期间发展较为活跃，同时东亚等国家地区的海上风电开发在此期间也开始加速发展建设。2007—2014年间全球专利呈持续性增长。但2015年后，专利申请量较之前相比有所下降，一方面表明漂浮式基础相关技术发展逐渐成熟，另一方面，随着海上风电相关设备和使用标准进一步提高，一定程度上降低了部分中小企业以及部分研究机构的活跃度，漂浮式基础在此阶段进入了发展瓶颈期。应当注意的是，图中所看到的近两年专利出现下降趋势并不能反映真实情况，这是因为专利从申请到公开，有时需要18个月甚至更长，所以2019年至今申请的部分专利还没有公开。

图1 漂浮式基础全球专利申请趋势图

（二）目标市场国/地区排名

通过分析专利申请所在国家信息，了解该技术在世界范围内的专利地域保护状态，从而揭示该技术专利保护的重要区域。图2显示了漂浮式基础的全球专利申请分布，可以看到目前漂浮式基础技术专利主要集中在美国、欧洲、巴西、中国等国家地区。美国和中国占据半壁江山，其中美国申请量最多，专利申请量占全球专利总申请30.03%，申请专利数量近1000项。中国专利申请量占全球专利总申请量的24.03%，这侧面说明了中国在漂浮式基础领域上具备了较强吸引力和市场潜力。从技术实力和产业规模看，欧洲在海上风电技术方面起步较早，无论是在技术研究、风场安装运营个数及容量均领先全球其他国家或地区，可以看到以法国、英国、挪威和德国为代表的欧洲部分国家也在该领域内占据了一定的份额。另一方面，亚洲国家中除中国以外，韩国与日本两国在该领域也有相关专利申请，但东南亚国家在该技术领域没有相关专利申请。

图2 海上风电漂浮式基础全球专利目标市场国/地区排名

（三）技术输入输出分析

图3为漂浮式基础专利申请流向分析，纵轴技术来源国指专利申请人所属的国家/地区信息，横轴的技术输出国是指该专利的目标市场国，即专利受理局所属国家。可以看到美国籍申请人和中国籍申请人的专利申请量最大，欧洲、日本和韩国的专利申请量相对较少。

图3 海上风电漂浮式基础技术输入输出分析

值得注意的是中国籍申请人的专利数量虽然较大，但是其专利申请约有89%的专利为国内申请，基本处于自给自足状态，申请专利流向其他区域的专利申请量都相对较少，申请的外国专利仅在美国和世界知识产权组织有较少申请，在欧洲和巴西等其他国家地区几乎没有申请。

相比之下，美国籍申请人除在本国进行专利申请外，在海外对欧洲、巴西以及日韩等国家地区都进行了专利布局。此外，西班牙、法国、德国等欧洲国家虽然专利申请数总量较少，但是这些国家除在本国和欧洲等周边国家地区进行专利申请外，在中国、巴西、墨西哥等亚洲、南美洲和北美洲地区也进行了专利申请。

美国、西班牙、挪威、法国、德国等国家在漂浮式基础领域已形成了一定的专利布局，并且国外申请人也很重视在中国、欧洲、南美洲、北美洲的专利布局，因此中国企业除了在本国做好防御型专利布局外，也需要注重海外专利布局和专利侵权风险防范，进一步加强海外专利的布局。

（四）申请人排名分析

申请人排名可以看出技术领域中的优势机构，图4显示了海上风电漂浮式基础全球排名前十的专利申请（专利权）人，其中CONOCO INC（美国康纳和石油公司，2002年与菲利普斯石油公司合并成为康菲石油公司）排名第一，该公司专利申请有71项，PETROLEO BRASILEIRO S.A.（巴西石油公司）排名第二。可以看到，在全球专利申请量排名前十的公司机构中，主要以欧美国家的公司机构为主，而中国主要是大连理工大学和上海交通大学两所高校的申请量最多。由此可见，欧美国家的漂浮式基础的发展要快于中国等亚洲国家。

图4 海上风电漂浮式基础领域全球申请人排名

值得注意的是，海上油气开发与海上风电开发有着相似的技术要求，因此此次检索将海上石油开采领域有关漂浮式基础的专利也考虑在内。一方面，由于部分海上风电机的漂浮平台技术是根据用于海底石油开发的海洋平台的设计建造发展而来的，另一方面，随着全球高速发展海上风电产业，越来越多的传统海上油气开采企业也开始进入海上风电产业，结合上述原因，可以解释漂浮式基础领域全球申请人排名前十的企业机构中多家企业为石油类公司。

（五）主要申请人技术分布

通过目前重要技术分支中主要申请人的分布，国内申请人可根据该图发现技术空白点从而进行专利布局，同时根据重要技术领域专利申请量进行防御型专利布局。图5可以看到，在B63B35和B63B21这两个领域主要的专利申请人全部都有相关专利申请，相比之下，部分专利申请人未申请F03D13、E02B17和F03D9等技术领域的专利。

图5 海上风电漂浮式基础全球专利主要申请人技术分布

（六）高质量专利分析

目前欧美国家在海上风电漂浮式基础领域发展较早且技术更为成熟，中国企业在该领域起步相对较晚，因此对该领域重点专利的相关技术进行了解分析，有助于国内企业对该领域的重点专利加强防范，对专利战略进行相关布局。表1为被引频次位居前10位的专利。通过被引用次数能够反映出该专利在漂浮式基础领域被相关研究人员的关注程度，引用次数越多，表明其在本领域中的技术关联性越大，很有可能是本领域作为基础或关键技术的重要专利或是代表着本领域的核心创新技术。

表1 海上风电漂浮式基础专利被引用量TOP 10

这10篇高被引专利全部为发明专利，其中有4篇专利涉及张力腿式基础的结构和锚定系统等内容，2篇专利涉及到半潜式基础的结构设计。由于张力腿（TLP）式基础的稳定性良好且造价相对低廉，目前已经出现很多张力腿式风电机组概念，除此之外漂浮式海上风电场中也出现较多采用半潜式基础的设计，侧面反映了目前在漂浮式基础领域关于张力腿式基础和半潜式基础的研究较为集中。

另外，这10篇高被引专利中有8篇为无效专利（由于期限届满、撤回或驳回等原因失效），占总数的80%，1篇专利为授权的有效专利，1篇专利处于PCT指定期满的状态。

二、海上风电基础创新态势分析

通过上述分析不难看出，海上风电漂浮式基础相关技术专利申请量近年来均处于快速上升期，中国专利申请量在漂浮式基础中排名第二，仅次于美国。但其中绝大部分都是中国机构或个人申请的，且从中国流向其他国家或地区的专利申请量很少。

从专利质量方面来看，中国企业或个人申请的专利其专利家族规模都较小，且大部分都集中在国内；相比之下国外企业在全球都有进行专利布局。从重点专利方面来看，无论是高被引用专利，还是高价值专利、权利要求数量、PCT专利以及专利家族规模等评估标准，排名在前的95%以上均为国外申请人，主要分布在美国以及法国、丹麦等欧洲国家。从专利技术分布方面来看，主要专利国家的专利申请集中关注浮式基础结构设计、浮式风机基础的系泊系统设计、浮式风机基础的锚固基础设计以及浮式基础结构的总体制作安装等技术领域，并且专利申请目标国主要集中在美国、丹麦、挪威以及巴西等国家。

整体来说，当前欧洲是全球浮式风机发展最迅速、漂浮式海上风电技术最为领先地区，中国企业、科研机构的海外专利布局存在明显不足，基本处于自给自足状态。这也从侧面说明中国的海上风电漂浮式基础相关技术相对于欧洲、美国等发达国家或地区起步较晚，在技术上仍具有明显差距，在国际市场的竞争中，仍旧处于劣势，缺乏在国外的专利保护，势必会影响中国的海外市场。由于专利保护具有地域性，因此中国相关专利技术仅能在中国获得保护，在其他市场容易陷入被侵权的风险，这一点需要引起企业的警惕和注意，需要进一步攻克漂浮式基础相关技术，并及时进行海外专利的布局。

三、关于国内海上风电漂浮式基础的发展建议

中国企业应该结合自身发展的整体战略、企业实力、行业技术特点、现有政策等因素，以实现最大化商业价值为目的，进行技术研发及专利布局。

第一，企业创新战略。通过提升企业自身技术创新能力，占据创新主体地位。一是加大自身科研人员和资金的投入；二是合作开发，与同类企业建立技术创新战略联盟，资源共享、优势互补；三是根据企业实际情况，可以实行市场购买的方案。

第二，技术研发策略。企业在研究开发海上风电基础相关技术时，要随时追踪、全面了解全球发展态势、竞争对手布局和最近技术进展，以便紧跟技术发展潮流，找准自身产品技术定位，及时调整研究开发方向，并获取创新灵感。在技术研发的全生命周期中，注意保护知识产权和规避已有风险。

第三，专利保护策略。针对中国专利申请质量普遍不高、对技术保护力度不强的现状，企业在积极进行海上风电漂浮式基础相关技术研发的同时，要争取政策支持，更要注重合理的专利布局，以提高企业专利的整体价值，提升企业的市场竞争力，有效发挥专利武器在企业竞争中的作用。

第四，市场布局策略。企业要密切关注国外企业的专利申请特点，及时调整自身的市场策略，巧妙绕开对方的专利壁垒，在竞争中变被动防御为攻防结合，培育和增强专利制衡的实力。寻找专利布局空白的国家区域，通过加大此类市场的专利布局力度，通过“市场共享”来实现目标市场准入的目的。行业龙头企业引导构建核心技术专利池。企业采取引进技术、研发技术突围和专利防护网布局。