张云芳 郭酝

摘要：此次综述主要研究对象是风力发电机叶片结构，为提高研究的针对性，主要以风力发电机叶片为对象，通过对全球主要的风电叶片研发、制造商的专利实力进行分析，制定了针对性的检索策略，对涉及主题相关的领域进行大范围检索，基本掌握该主题下的国内外专利分布情况，了解国内外主要申请人的专利申请状况，并从结构和功效方面对部分申请人进行了进一步研究。

关键词：风力发电机;叶片;主要申请人;综述

大型风电设备对于叶片的强度、重量、结构等有着严格的要求，对于风力发电机来说，进行良好的叶片设计、提供可靠的制造质量以及设定灵活的调节方式是提高风力发电效率、延长使用寿命，保证风力发电长期无故障高效稳定运行的重要因素。随着国家对绿色新能源产业的大力扶持，风电产业装机容量迎来飞速发展，风力发电叶片产业也经历了快速的增长，世界各大风电巨头纷纷进入中国抢滩开路，并形成了较为完整的风电设备制造产业链。国内风电制造商经过一系列技术引进、并购后也掌握了主流风电叶片制造技术，形成了一定产业规模。

目前，关于叶片的研究也主要集中在叶片的机械性能和疲劳强度的提高、叶片降噪、防结冰、防雷击以及启动性能的提高等方面。但是，今年来，随着叶片材质的发展，对获取风能量越来越大的要求，叶片的尺寸也不断的变化。叶片尺寸的增大可以增加叶片的捕风能力，改善发电的经济性，从而降低成本。叶片尺寸的增大随之带来的是叶片的生产、运输以及安装问题，因此，近年来，上述几个方面也是风电领域叶片研究的重点。

1.风电叶片重要申请人排名

基于VEN数据库为基础，对所有专利申请中涉及风力发电机叶片的申请人的申请量进行统计分析，得出如图1所示排名。从图中可知，排名靠前的几位申请人基本都是国际知名的风电设备制造企业，这说明了风力发电领域的技术门槛很高，技术研发集中度很高，只有国际上知名的几家公司在研发，或者说只有这几家公司有实力推动该方面的研发。

就全球的主要申请人而言，通用电气的申请量相比其他申请人多出很多，该申请人作为全球知名的能源动力设备提供商，对风电叶片的技术关注和研发投入产出更多，进而其在风电叶片方面的技术处于领先地位。

而乌本、LM和维斯塔斯、西门子的申请量处于第二梯队，这其中乌本和LM为专业的风电叶片制造商，维斯塔斯和西门子为知名的风电整机制造商，各申请人对风电设备的研发侧重点不同，显然在叶片方面，乌本和LM具有微弱的技术领先优势，维斯塔斯和西门子虽然略为落后，但实力仍然不容小觑，四位申请人中排名最后的西门子在全球仍有四百余件申请。

歌美飒、三菱、诺德克斯、远景、阿尔斯通在叶片研发上明显落后于前两个梯队，除歌美飒和三菱在全球拥有200多件申请外，其余三家均未超过百件申请，特别是阿尔斯通，受其主要业务方向调整的影响，以阿尔斯通为申请人的风电叶片申请明显偏少，只有25件，并且是申请日集中在2012-2015年间，近几年未有新的研发成果产出。

2.叶片技术分解

关于叶片的研究主要集中在叶片的机械性能和疲劳强度的提高、叶片

降噪、防结冰、防雷击以及启动性能的提高等方面。故本文基于以上方面从一级二级分支角度对其进行划分，从一级分支来看，主要从结构、功效、生产、运输以及安装方面进行分类，结构方面又从分段、整体、异形、伸缩等划分为四类叶片类型，从实现的功效方面，分为降噪、加热、雷电保护、气动性能提升、清洁等几个方面。其中考虑到数据量大小以及研究时间的限制，叶片的生产、运输以及安装方面不作为研究内容。对于实现的功效而言，有的通过叶片的结构外形改变而实现，例如降噪、气动性能的提升等一般通过叶片外形设计改变，有的则通过叶片内部安装结构实现，例如加热/冷却、雷电保护等。

维斯塔斯在风电叶片领域的申请量位于前列，实力不容小觑，因此对该公司的申请量较多的技术的细化研究是非常有必要的。

3.维斯塔斯叶片技术发展路线

由于叶片运输等问题的出现，人们将叶片采用分段制造以满足运输的需求，分段叶片必然需要面对的就是两段叶片的连接问题。维斯塔斯作为风电领域的巨头之一，也将精力放置此处：前期分段叶片采用插接的方式（如CN102287322A）;但是插接并不能保证应力的需求，因此将插接转换成翼梁结合紧固件固定的方式（如US2011/0158788A1），此方式既能满足气动表面不改变又能相对插接提高连接稳固性;随着时间的推移，维斯塔斯发现以上连接方式依然存在连接处结构变弱以及螺栓连接需要更大的截面积的问题，于是进行了大量的研究，研究显示增大接头部分叶片厚度可以降低例如由弯曲产生的应力，然而从空气动力学的角度看，优选使叶片厚度最小;为了应对上述挑战，维斯塔斯采用略微增大接头所在区域的弦宽，以及同时使弦与厚度之比沿叶片长度保持基本相同来解决上述问题（如CN102325990A）;随着技术的发展和对精度的要求，如何精确对准分段叶片也被提上日程（如CN107850042A）;当然，一种新形式的出现并不一定代表旧的没有可取之处，维斯塔斯没有放弃任何一种形式，每种形式都在不断的优化中。

风电设备竖立在具有优良风力条件的地区，且具有越来越高的塔架，空旷地带的建筑越高遭受雷击的机率越大，因此需要保护风轮机免遭雷击。维斯塔斯在该方面具有一定数量的研究成果。常规雷电保护装置难以承受雷击产生的大量的热且雷击位置处的铝蒸发导致雷电保护可靠性降低，为此维斯塔斯研制了一种由实心金属制成的叶片梢部（即承受雷击的部件），由于实心散热效果要优于之前的研究，并对金属进行了限制同时解决了铝蒸发的问题（如CN183259A），在随后的时间里，维斯塔斯还寻找到了采用碳纳米管同样可以解决上述问题（如CN101903649A）;但雷电击中部位并不能认为的控制，研究发现经常会出现雷电未击中接闪器而击中叶片其他部位的问题，此问题可以通过在接闪器周围布置绝缘垫片，由此可以防止任何雷击沿叶片表面行进，强制雷击沿导体行进到接地引下线元件（如

CN101438022A）;有时上述效果并不理想，人们急需寻找一种可以对叶片进行整体保护的装置—雷电防护网（如CN101949366A）;雷电防护的任何细节出现问题均会导致叶片的损伤，维斯塔斯也本着该精神对各个细节进行了改进（如CN201763543A、CN103124849A、US9644613B2、WO2015/185066A1、WO2018/050196A1）;在出现以上两种雷电防护装置的基础上，由于接闪器式雷电防护装置的造价等要远远高于雷电防护网，人们研究发现虽然雷电会击中叶片的其他部分，但主要击中部位仍然是叶尖，由此出现了两种雷电防护装置竞合的现象（如WO2013/007267A1）。从以上技术路线可以看出，维斯塔斯在葉片雷电防护方面的研究涉及方方面面，并且也很关注有关竞争对手的动向，如CN201763543A则是基于LM公司提出的导流条做出的改进。

4.案例小结

维斯塔斯公司在叶片方面的专利布局，其研究重点主要集中在异形叶片，而在人为定义时所谓异形叶片常常指带有降噪和气流扰动部件的翼型以及为了优化气动性能而改善气动表面的翼型，这在叶片结构和功效对比图中的饼图可以看出;虽然维斯塔斯早在1980年开始入主风电领域，但当时并未将精力放在叶片上;随着人们对清洁能源利用的关注，如何提高风电发电效率成为热点，而叶片正是提高风电发电效率的重要一环，正是基于对此的认知，维斯塔斯于2003年开始了风电叶片研究的漫漫长路;其对叶片的研究同样经历了从2003-2009的快速发展期、从2009-2012的瓶颈期、从2012至今的成熟稳定期。

掌握这些外国企业叶片的关键技术，对我国风力发电企业来讲，提高自身的技术创新能力，进而在激烈的技术和市场竞争中占据一席之地。