风力发电机涡流发生器技术分支专利申请趋势

风力发电机涡流发生器技术分支专利申请趋势

赵银凤

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州， 215000

风力发电机组的效率很大一部分取决于翼型，而翼型最重要的因素是气动性能，而叶片表面的流动分离对气动性能的影响较大。由于翼型表面的摩擦力作用，空气动能损失，导致翼型表面流速逐渐降低。越靠近翼型表面，流体微团受到的摩擦力越大，空气速度下降的也就越剧烈。在翼型后缘点处，靠近翼型表面的流体微团由于摩擦损耗其动能几乎为零，因此其流速也基本为零。但翼型表面压强仍持续增加，增大的压强导致附近流体出现逆流现象，即边界层流动发生分离。由于翼型表面的摩擦力作用，空气动能损失，导致翼型表面流速逐渐降低。

为了提高翼型的气动性能，采取了一系列的优化方法，例如人们发明了很多流动控制措施，设置涡流发生器就是其中的一种方式。涡流发生器是一种能够有效抑制边界层分离的气动附件，应用最早可以追溯到20世纪40年代，起初用于机翼，用于控制飞机机体出现的不利的气流分离现象，机体的气流分离，会让升力系数降低，阻力系数剧增，从而引起的提前失速。目前该技术在航空领域已经成熟运用。近来涡流发生器在风电叶片边界层分离控制中也取得很好的效果，将其 安装于风电叶片叶根到叶中区域的吸力面，可实现抑制流动分离，增加叶片输出功率的目的。涡流发生器的形状、安装位置及分布密度是影响风力机叶片性能的关键因素，同时涡流发生器的材质、与叶片的连接强度以及准确的安装条件是增加风力机叶片出功的有效保障。

延缓翼型表面流动分离其实质是给动能被消耗的边界层流体重新注入能量，目前主要有两种方式，引入射流和增大湍流强度。涡流发生器的原理其实就是增强边界层流动的湍流强度，从而增加边界层流体的能量。 

除了能够提高发电效率，设置在尾缘的涡流发生器还能够起到降噪的作用。该发现源于德国研究者注意到鸟类羽毛上末梢小支的生态学特征，通过观察猫头鹰羽毛形状，认为这是猫头鹰飞行寂静的主要原因。风力机叶片在高速旋转过程中叶片会产生很大的噪声，因此，人们受此启发，设计了在叶片尾缘加上锯齿尾缘的叶片，达到控制噪声的目的。

本文通过对涡流发生器的相关专利文献进行检索、梳理、标引，从涡流发生器安装的不同风力发电机，分为两个一级分支，分别是水平轴风力发电机上的涡流发生器和垂直轴风力发电机上的涡流发生器，并且继续基于在风力发电机不同部位上，将其分为：位于导风装置、叶片、塔筒等，而叶片又具体分为：叶尖、叶根、前缘、后缘、前后缘等。

当然由于涡流发生器按照不同的分类方法可以进行多种方式进行分类，例如可以根据涡流发生器需要达到的技术效果，防止边界层分离或者降低噪音等，也可以根据涡流发生器的形状例如三角形、翼型、梯形等形状进行分类。本文基于涡流发生器安装在风力发电机不同部位来研究涡流发生器具体起到的作用，技术演进等，其他分类方法暂时不在本文的研究范围之内。

一级技术分支而言，领域内申请人主要还是侧重研究水平轴风力发电机，由于垂直轴风力发电装置本身发电效率的原因，其整体申请量也远远少于水平轴风力发电机。而该项技术可以同时运用于水平轴和垂直轴的专利申请也是非常少的。因此对于该项技术的发展更应该关注其在水平轴风力发电机上的技术。

另外一方面，从申请趋势来看，三个技术分支的发展趋势基本相同，2000年以前，技术刚刚起步，其申请量较少，2000年之后技术迅猛发展，专利申请量稳步提升，尤其对于水平轴风力发电机上涡流发生器应用的专利申请量上升较快。从上述申请趋势来看，首先，涡流发生器安装在叶片上的申请总量是最多的。这主要是因为，叶片是风力发电机的重要捕风部件，其关系到发电功率的大小和发电效率的高低。涡流发生器安装在叶片上能够改善叶片周围的气流分离，提高叶片的气动性能从而增大风力发电的发电总功率和发电效率；并且随着风力发电场越来越多，周边环境对其运行环境要求越来越高，风力发电机运行噪音影响越来越受到研发人员的重视，而在叶片尾缘等部位安装锯齿形涡流发生器能够显著降低运行噪音，因此从这个角度也使得关于叶片涡流发生器的专利申请量较多；其次是设置在塔筒上的申请量处于第二位，这是因为近年来随着风力发电机输出功率要求越来越高，塔筒高度也在不断打破记录，而高塔筒必然带来振动等事件，严重振动可能会引起塔筒倒塌，因此塔筒抑振是刻不容缓的。塔筒振动和塔筒周围气流变化有着密切的关联，于是研发人员在塔筒上安装涡流发生器改善周围气流变化从而抑制塔筒振动，这方面的专利申请量就增长起来；最后是导风装置和其他，安装在其他部件上涡流发生器，其中其他部件主要有机舱和轮毂等，其均是用于改善风力发电机周围的气流稳定性的。

对于涡流发生器在叶片上的安装位置，首先在叶片表面的申请量居多，其次是后缘，再次是叶尖，最后是叶根、前缘等部位。由于风轮运转时，叶片表面容易引起气流分离，导致风轮捕风能量降低，因此在叶片表面加装涡流发生器是控制流动分离的有效方法，其相当于向边界层内注入了新的涡流能量，保持边界层速度型的饱满，增加升力阻止分离，增加风轮的功率输出；而叶片后缘加装涡流发生器主要是因为，在叶片运转期间，叶片后缘与湍流边界层中的湍流流的相互作用使得产生噪音，而噪音也是在使用风力涡轮机来产生功率方面的主要约束，因为噪声可打扰位于附近的居民区中的人，基于此，设置在后缘的涡流发生器的专利申请量也占据着一部分。另外，叶尖设置涡流发生器是为了防止叶尖涡的产生，其他部件设置涡流发生器均是为了提高叶片的空气动力学性能，以提高输出功率。

从上述分析中截取专利申请量前5名的申请人，对其申请进行分析，主要包括相应的整体申请趋势，各个技术分支的申请情况，从而反映出各重要申请人在涡流发生技术方面的整体实力和研发侧重点。

从申请量趋势可以看出，通用电气对于此项技术研发较早，专利申请量在早期已经达到了高峰，今年来一直处于平稳发展状态。其次是维斯塔斯，其发展紧跟通用电气之后，该项技术专利申请高峰也较早，但今年来的专利申请量已经持续下降，这两年几乎没有该方面的专利申请。另外是西门子公司，其专利申请高峰出现较晚，大约在2014年左右，今年来申请量也有所下降，埃纳肯对该项研究专利申请量不多，在2013年专利申请迎来小高峰。而国内的新疆金风科技，对该项技术研发起步较晚，在2017年申请量最大，目前处于平稳发展时期。

重要申请人的研发侧重点也均是在水平轴风力发电机气动性能提升方面，对于垂直轴的仅国内新疆金风科技公司有极少量的专利。说明对于水平轴风力发电机涡流发生器的研究仍是主流趋势。

对于导风装置、塔筒、叶片这几个部件上安装涡流发生器的研究对比也比较明显，主要集中在叶片气动性能的提升，说明近阶段风力发电机提高功率输出仍然是需要进一步优化的。至于导风装置或塔筒上涡流发生器安装，其实质上也是影响风力发电机功率输出的一方面因素，只不过叶片对输出功率的影响更为大一些，随着技术的发展和成熟，相信这两个方面的研究也会逐渐发展起来，从各个角度提升功率输出总量。

这几个重要申请人而言，通用电气、西门子、维斯塔斯、埃纳肯的研发重点均在于叶片，而西门子在导风装置、塔筒等方面都有涉及，可见西门子专利布局比较全面，而通用电气在塔筒方面有少量涉及，国内新疆金风科技研发主要侧重点在于塔筒，叶片也有涉及。

对于叶片上设置涡流发生器而言，重要申请人的研发重点在于叶片表面和后缘，其专利量达到了绝大多数，其次是叶尖和前后缘均设置的。并且通用电气和西门子公司是上述几个部件专利申请均涉及到，其专利布局较为全面，维斯塔斯涉及了表面、后缘、前后缘和叶尖部位，埃纳肯涉及到表面、后缘、前缘和叶尖，而新疆金风科技涉及到表面、后缘和叶尖。

通过分析发现，从技术起步和专利量来讲，国外对于涡流发生技术研究较早，技术较为成熟，尤其对于通用电气、西门子、维斯塔斯等风电巨头，在该项技术方面占据了大半壁江山，而国内对于该项技术研究本身起步较晚，并且涉足领域不多，国内代表性的风电企业新疆金风科技也仅塔筒和导风装置上涡流发生技术的研究较多一些，但量仍然不及上述提及的风电巨头。从专利有效性来看，虽然分析中国内专利占据绝大部分，但是国内申请一方面实用新型较多，技术含量相对较低，另一方面而言，专利的核心度不够，申请人比较分散，除去新疆金风科技，几乎没有集中在涡流发生技术上研究的个人或者企业或者高校科研院所，申请量在1-2个的申请人占据了绝大多数。