风电叶片除冰技术专利分析

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CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2019
·中国科技信息2019年第13期
专利分析◎
基于CNABS和DWPI数据库，通过检索，统计分析了国内外风电叶片除冰技术的专利申请相关文献，梳理了风机叶片表面除冰/防冰技术发展现状，以期为国内风电叶片除冰技术的发展提供建议。引言传统能源过度消费，能源安全和生态环境问题因此愈发严峻，全球正在积极探索清洁可再生能源的发展之路，风力发电产业蓄势待发。我国的风力发电行业起步较晚，但发展迅速。尽管我国专利数量增加迅猛，但专利质量依然急需提高，而缩短差距的方法之一，便是取其精华、去其糟粕，在全方位了解国内同行技术脉络的基础上，引进国外的先进技术，从而解决风电机组的国产化。风力发电机机组一般安装于高山或边疆地区，由于这些地区常年平均温度偏低，室外温度低于零度的情况较为普遍，使得风力发电机的叶片表面极易结冰，而叶片表面结冰会直接导致其设计性能或发电机组的输出功率无法满足预设要求，并且也对风电场、运行机组和人员安全带来不良影响。因此，叶片的防冰与除冰显得尤为重要。同时叶片覆冰也会导致其空气动力学受到破坏，使叶片的受风能力大大降低，尤其在覆冰严重的区域会造成约20%~50%的发电量损失。因此，对风电叶片的除冰技术进行相关研究分析与数据统计则显得尤为必要。叶片除冰技术对于风机叶片的“防冰/除冰”，就冰层的结冰原理而言，防冰是通过对机体表面材料或结构进行设计以使过冷的水层在机体表面不易结冰，是一种具有“主动性”的预防措施；而除冰则是一种“被动地”处理已结冰层的方式。目前常见的叶片防冰/除冰技术包括：热力除冰、机械除冰、液体除冰、涂层防冰/除冰。图1所示为叶片除冰各技术分支的占比情况。首先，热力除冰因其成本较低、除冰效果好而成为目前应用最多的一种除冰方式，其主要包括有热电阻、热空气、微波和辐射加热等方式。热电阻法是通过安装在叶片结构表层的加热元件对叶片表面加热，从而防止叶片积冰。热空气加热法一般是在叶片空腔内通入热空气加热整个叶片，通过行业曲线linkindustryDOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2019.13.001传递热量至叶片表面从而阻止叶片积冰。而通过微波或辐射
的方式除冰，与热电阻或热空气一样，主要也是通过产生一
定热量防止冰层的形成或者使已结冰层融化，但目前主要采
用的还是通过热电阻的方式除冰或防冰。图2所示为热力除
冰中各二级技术分支的占比情况。
其次，机械除冰就是用力学方法把已结冰层破碎，再使
碎冰在叶片表面被气流冲击而滑落，或者利用叶片旋转时的
离心力或叶片微震的形式把冰除去，这即被动除冰。就目前
而言，采用直接击碎冰层的机械除冰方法为使用范围最广、
成本较低的一种被动除冰方式；然后为振动除冰，振动除冰
主要是借助于外动力控制风机叶片在一定频率范围内震颤，
通过使叶片与结冰层发生共振，在重力的作用下结冰层自然
脱落。
再次，液体除冰主要是利用将防冰液喷洒至叶片表面，
以使被喷洒防冰液的叶片表面的结冰点降低，但液体除冰的
成本高、资源浪费，因而其应用范围非常小。而涂层防冰/
除冰就是利用在叶片表面涂覆一定的化学涂层，通过物化反
应而改变叶片表面与冰层的附着力，从而起到预防结冰的作
用。该方法为一种较理想的防冰方法，因为它是一种主动式
的防冰措施，但其成本较高，维护不便，因而其应用也较少。
数据检索

在德温特世界专利数据库（DWPI）和中文专利文摘
数据库（CNABS）中选用的中文检索关键词为：除冰，防
冰，去冰，结冰，覆冰，冰冻，抗冰，抗冻；上述中文检

图1 叶片除冰技术分支占比图陈友庆 杜美塘（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心陈友庆，男，硕士研究生，主要研究方向为风力发电领域发明专利申请实质审查；杜美塘，女，硕士研究生，主要研究方向为风力发电领域发明专利申请实质审查。风电叶片除冰技术专利分析图2 热力除冰技术
分支占比图

可替代度影响力
真实度
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CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2019

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◎专利分析

索关键词对应的英文为：deice+，de?ice+，anti?ice+，
deicing，ice，frost+，freez+，frozen，glaciat+。IPC
检索分类号为F03D+。通过对上述中英文检索要素进行检
索，获得的专利申请文献经过筛选后建立专利申请数据库，
并将上述文献作为本文的研究对象。
数据处理与分析

全球专利申请量趋势分析
由图3可以看出，风机叶片除冰技术发展国外起步较早，
最早于1990年即出现叶片除冰的相关专利申请，而国内该
领域的发展相对较晚，最早于1997年才出现相关专利申请；
在全球范围内，相关专利申请量在2003年前均未有所增长，
均保持个位数的极低申请量，自2003年到2010年，不管
是国内申请还是国外申请，均呈现快速增长趋势，此时该领
域的发明专利申请处于高速增长期；在2010年至2015年
期间，每年相关专利申请量基本保持不变，国内外的申请量
也基本一致，此时该领域的发明专利申请处于稳定发展期；
由图3可知，在2015年国外专利申请量达到井喷，共计29
篇，而此时国内相关发明专利申请量仅为9篇，考虑到专利
申请的随机因素，从整体趋势来看，自2010年到2015年，
国内外的相关专利申请量基本保持不变；而自2015年之后，

由于对该技术领域的研究已相对成熟，国外专利申请量出现
逐年下滑，并且低于国内的相关专利申请量，而受到该领域
在国外研究已相对成熟的大环境影响，此时国内的申请量基
本保持低位持平，这说明我国在该领域不管是在研究水平方
面，还是重视程度方面均逐步赶超其他国家，而在我国起步
晚、发展水平低的历史背景之下，经过不断地发展与赶超，
在该领域的发明专利申请量方面，目前已基本超出其余各国
的专利申请总量。
技术来源国分析
从图4可知，位居前五位的分别是中国、德国、美国、日本、
韩国和加拿大，从具体的份额比例来看，这五个国家和地区
组织已经占据了发明专利申请量的94%，以上数据表明上
述五个国家和地区组织是该类技术的最主要的原发和创新市
场，这些国家的相关企业主导了风机叶片除冰技术的动向和
发展。事实上，我国在风机叶片除冰领域的发展起步较晚，
但发展较快，不管是公司申请、高校申请还是个人申请等，
均发展迅速，因此在申请总量上远远超出其他国家，而除此
以外，德国、美国、日本、韩国在申请量上面也占据较大比重，
均达到或超过申请总量的10%，且上述各国间的差距不大，
这些国家均是传统的风电技术强国，在质与量等综合实力上
面均在全球名列前茅。
申请人类别分析
参见图5，目前申请人类别主要包括四类：公司、高校、
研究所/院和个人申请。由于不同类别申请人在该领域的价
值驱动不尽相同，因此，统计并分析发明专利的申请人类别
的重要意义在于为该领域专利申请的价值驱动与导向来源提
供了重要参考，如图5所示为国内发明专利申请人类别分布，
其中不包括国外申请人在中国的专利申请。
由图5可以看出，在国内发明专利申请人类别中，公司
申请居大多数，其次是高校申请和个人申请，而申请人为研
究院的专利申请极少，其数量仅占总数的2%。通过该统计
可得知，由于风电叶片防冰除冰技术相对成熟、实践性较强、
市场应用较广，因此对于参与市场经济竞争的各企业来说，
该领域的专利申请尤其重要，并且该领域的市场竞争相对激
烈，并且可推断，企业在该领域的研发投入也相比其他类别
的申请人更多，其发展态势也更强劲。
结语

风机叶片除冰技术的专利布局，主要以中国、美国、德
国和日本居多。从专利申请的总量来看，我国的申请总量远
远超出其他各国，但由于我国的风电叶片除冰技术起点低、
发展慢，前期对专利的价值认识不够，使得相关的基础研究
以及专利成果均落后于其他主要国家，中前期的相关专利申
请主要源自国外，因而相关核心专利仍被握于国外申请人手
中，尤其对一些已授权并仍处于专利有效期内的核心基础专
利需要着重关注，可采取合作研发、专利收购或规避等方式；
从技术分支来看，研发核心还是热力除冰，尤其是电热和气
热，其次是机械除冰；从技术原创国来看，美国和德国的研
发实力最强，产品在进入美国或德国市场时，需要注意防范
侵权风险；而从申请人类别来看，公司申请占了绝大多数，
可见，该领域的市场需求较大，应用性较强，在研发中应当
重视选题的实际可操作性。

图5 申请人类别占比图
图4 技术来源国申请量
图3 专利申请量趋势图