风电机组复合材料塔架的专利分析

在雾霾肆虐的今天，风能作为一种清洁能源，越来越受到人们的重视。风电机组塔架是支承机舱和叶轮的部件，为风轮提供必要的工作高度。

目前，大多数的风电机组塔架都是由钢材制成。比较常见的钢材料塔架主要有桁架状和圆筒式两种。常规的钢塔架作为部件在车间中生产，然后被输送到安装地点。混凝土塔架也是一种比较常见的塔架形式，然而混凝土塔架也存在重量大、施工难度大、周期长等问题。在风电行业中，能源需求量的增大导致了对更大型风电机组的需求。随着风电机组尺寸的不断增加，塔架直径与重量也在不断增加，最终导致塔架的尺寸达到了不同国家的基础结构所限定的界限，如在桥和隧道下的最大高度、允许的最大载重或者弯道的拐弯半径等。

近年来，为了克服上述缺陷，人们逐渐开始了对复合材料塔架的研究。复合材料塔架具有质量轻、成本低、可降低风振负载且可现场制造的优点。鉴于此，本文详细分析了风电机组复合材料塔架目前的专利申请现状，并且对该领域的专利发展趋势进行了总结。

专利现状

有关风电机组复合材料塔架的专利申请主要集中F03D和B29C这两个国际专利分类号上，涉及到的中文关键词主要为：风力、塔架、复合、增强纤维等，对应的英文关键词主要为：wind,tower,composite,fiber等。笔者通过采用分类号加关键词的检索方式在中国专利检索数据库（CPRS）和欧洲专利检索数据库(EPODOC)中进行检索，经阅读筛选后，总共得到相关专利申请共18篇（排除同一申请的实用新型），检索日期截至到2015年5月。

由表1可知，该领域的专利总申请量不多，仅十几件。相关的专利申请主要集中在公司、学校以及研究机构中，个人申请较少。从申请年代来看，涉及复合材料塔架的专利申请大部分集中在2008年－2014年之间；从申请人的国别来看，相关的专利申请主要集中在美国和中国；从申请的内容来看，大多涉及复合塔架的制作方式和结构。

由此可见，复合塔架这一技术目前还处于发展阶段，且进展缓慢，但对技术水平要求和产业化要求较高，个人很难进入该领域。目前各国以及各个相关企业对于这一技术重视度还不高，并未投入过多精力进行研发，导致专利申请量偏低。

通过分析，笔者认为造成这一现状的原因在于：

（1）研究人员更乐于研究能够提高风能利用率的叶片、偏航变桨等结构，而忽视了对塔架这种仅用于支承风电机组基础设施的研究，缺乏对复合塔架技术申请专利的动力。

（2）该技术对产业化的高要求使得研究范围仅局限于相关企业和机构，研发力量不充足。

（3）虽然复合塔架技术是近几年才慢慢开始发展，但是采用复合材料制作筒状支承件却已是现有技术。从专利授权的角度来看，这使得企业在复合塔架方面获取专利权更加困难。例如，美国的四件申请中仅有一件在中国获得授权。因此，专利申请热情度不高。

复合塔架的重点专利技术

目前，相关专利申请技术大多涉及制造方式和塔架结构。通过详细阅读检索到的相关专利申请，下面列出三种比较具有代表性的专利技术。

一、现场编织的复合材料塔架

通用电气公司为复合材料塔架专利申请量最多的申请人，其在2008年－2011年之间申请了四件专利申请，均涉及现场编织复合材料塔架及其制造方法。下面介绍其中一篇具有代表性的专利申请。

公布号：US2009211173A1

申请日：2008年2月27日

公布日：2009年8月27日

发明名称：复合式风力涡轮机塔架

技术方案：

提供具有表面的心轴403，通过在该心轴403的表面上布置多个增强纤维401以及对这些增强纤维提供基体材料而形成第一复合层501。施加芯材料601到第一层上形成芯层。第二复合层701通过在芯层的至少一部分上布置多个增强纤维401且施加到芯层上，并且对这些增强纤维提供基体材料。该基体材料固化以形成复合风电机组塔架的至少一部分。塔架能够部分或全部现场制造。其中纤维401包括纵向纤维405和环形纤维407。纤维401可为自然或人造纤维，如玻璃纤维、碳纤维、金属纤维或其它适合形成复合材料的任何纤维。环形纤维407施加在纵向纤维405上以形成增强结构。基体材料通过红外辐射、紫外辐射、热或其它固定方法来固化。适当的基体材料包括但不限于聚酯、聚乙烯、环氧化物或其它适合形成复合材料的任何基体。图1显示出了分层复合式塔架形成装置。

优点：

本专利申请的一个优点在于由分层复合结构所具有的阻尼特性，降低了风振负载，风力涡轮机的疲劳寿命因而延长。另一个优点为塔架制造过程可在现场进行。这样不仅降低了制造工厂的成本，还降低了运输成本。

二、采用真空灌注法制造的复合塔架

北京可汗之风科技有限公司提交了一种以条/板状材料为主的复合材料风电机组塔架及其制造方法的专利申请，其中提供了两种制作复合材料塔架的方法，其中一种是缠绕法，另一种是真空灌注法。下面主要介绍真空灌注法。

公布号：WO2011/075917A1

申请日：2009年12月25日

公布日：2011年6月30日

发明名称：用于风电机组塔架

技术方案：

图2为塔架制作真空灌注工艺示意图，其中真空灌注法工艺流程如下：

步骤1：按照塔架的内径尺寸制造内胎，材料采用钢质材料，也可采用其他表面状态良好的刚性材料；

步骤2：将玻璃纤维布53，板/条材54以及另外一层玻璃纤维布55 依次扎紧在内胎52上；

步骤3：连接进、出胶管51和56；

步骤4：使用玻璃钢真空灌注成型法对这些材料进行真空灌注成型；

步骤5：将经过完全固化好的产品脱出内胎胎具，并修整成为所需产品。

优点：

在结构和材料上的优化，使得风电机组的塔架同时具备复合材料的高强度、高模量、低重量、易于运输和装机、防腐性能好等特点，以及传统塔架的低成本、易回收等优点。

三、钢与复合材料结合的复合塔筒

南京工业大学提交了一种钢－复合材料风电机组塔筒的专利申请，以解决传统风电机组钢塔筒面临的防腐、加工及运输安装等问题。

公布号：CN102817795A

申请日：2012年8月23日

公布日：2012年12月12日

发明名称：钢－复合材料风电机组塔筒

技术方案：

这种钢－复合材料风电机组塔筒，包括多个锥形钢管节段连接而成的钢内管和由多个玻璃纤维复合材料管节段构成的复合材料外管。在每个钢内管的表面粘贴具有防腐性质的E－玻璃纤维布，形成钢－复合材料组合节段。该钢－复合材料组合节段沿圆周方向分为两片，沿每片的纵向设置纵向加劲肋，每两片钢－复合材料组合节段之间采用高强螺栓连接而成，最终形成钢－复合材料塔筒段。各钢－复合材料塔筒段之间采用法兰连接形成用于现场安装的钢－复合材料塔筒。所述E－玻璃纤维布通过防腐型的环氧树脂粘附于钢内管外表面，所述E－玻璃纤维布按四轴向准正交分两层铺设于每片钢板外表面。

优点：

与传统钢风电机组塔筒相比，钢－复合材料风电机组塔筒可以有效抵御风沙、风浪侵袭，耐疲劳、耐腐蚀，能够保证塔筒的寿命。同时，无需进行大面积的金属防锈防腐处理，结构全寿命过程费用相比传统钢塔筒较低，降低了制造成本。采用将塔筒段分片，方便工厂堆放，同时解决了塔筒运输过程中过桥高度的限制问题，在工厂标准化制作完成后，现场吊装、组装也较为方便；由于复合材料外筒具有轻质高强的优点，钢－复合材料风电机组塔筒较纯钢塔筒强度要高。

展望与建议

复合材料塔架由于具有质量轻、成本低、可降低风振负载且可现场制造的优点，现在越来越受到人们的重视。但是，复合材料塔架的专利申请却数量稀少，专利技术点不多。改变这种专利现状已刻不容缓。下面提出几点改进建议，供大家参考。

一、借鉴复合材料在其他相关领域的专利申请方式，为我所用。事实上，复合材料本身已经是一个发展较为成熟的技术，并且被广泛应用于各种领域。各种复合材料的特性以及所应用的领域也为大家所熟知。分析这些成熟的专利体系的申请思路，对比它们与本领域的共通之处，为复合材料塔架的专利申请提供参考。

例如，涉及风电机组的复合材料叶片这一技术的专利申请体系是相对成熟的，通过分析可以发现，相关专利申请涉及的技术内容相当广泛。其中，不仅涉及材料选择、制造工艺等与复合叶片直接相关的专利申请，还涉及复合叶片的叶型结构、制造叶片的设备、叶片的装配方法、复合叶片的仿雷电、仿结冰结构等等方面。这些专利仿佛一张蜘蛛网，对复合叶片这一技术进行了全方面的专利保护。复合材料塔架可以借鉴复合材料叶片的这种专利申请模式，扩大专利申请范围，增大专利申请量。

二、发掘可申请专利的技术点，广泛布局。专利申请并不限于对现有技术改进程度的大小，不是只有开拓式发明才能申请专利。无论大的方面的改进还是小的方面的改进，都可以申请专利。在专利申请中，多数专利都是在已有的结构中进行的改进型发明。因此，大到整个复合塔架结构的变化，小到安装复合塔架的一个螺钉位置的改变，只要能够解决现有的技术问题，达到好的技术效果，均可以申请专利。

三、重视复合材料塔架这一技术，提高热情度。通过检索分析，可以看到，涉及复合叶片的专利数量多达三百多件，而涉及复合塔架的专利数量仅十几件，两者之间存在巨大的差距。虽然复合塔架这一技术是近些年才开始研究的技术，起步较晚，但是专利申请量并未随着时间的增长而增加。如果投入更多的精力和人力来深入研究这一技术，并且申请专利保护研究的成果，相信必然能够改变这种专利现状。对于我国企业来说，这既是挑战，又是机遇。把握好这个机遇，在该领域进行专利布局，有助于我国风电企业在全球风电领域占据一席之地。

四、将技术运用于产业实践，在实践中不断改进技术。目前，仅知在2013年5月31日由缅因大学领导的DeepCwind联合集团在美国缅因州布鲁尔附近安装了PPG工业支助的首个复合材料风电塔架，而后再未见复合塔架实际应用的相关报道。任何理论都要禁得起实践的检验。将复合塔架运用于实际应用中，才能发现更多的问题，而解决这些问题的技术方案将是最好的专利申请素材。

结语

风电机组复合材料塔架具有广阔的发展前景。本文对于风力复合材料塔架目前的专利现状进行了介绍，分析了造成这种现状的原因，介绍了三种具有代表性的复合材料塔架的技术，并对该技术的未来专利发展给出了建议，供相关企业和机构参考。期望风电机组复合塔架这一技术在未来能够更快更好地发展。

来源：《风能》

作者：刘亚妮；单位：国家知识产权局机械发明审查部

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