吳勇虎 李彥尊 于 航 于廣欣

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

國際可再生能源署(IRENA)的最新研究認為，以可再生能源為主體的能源轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)2050年全球溫升控制在1.5 ℃的唯一途徑[1]。海上風電以其不占用陸地空間、風能儲量巨大、風速穩(wěn)定等優(yōu)點成為近些年備受青睞的新型可再生能源。全球新增裝機容量預計在2025年為20 GW，到2030年接近40 GW，2020—2030年的平均年度增長率達到20.9%；其中海上風電累計裝機容量在2020年為163.4 GW[2]。中國海上風電在2021年的新增裝機容量為16.9 GW，占全球新增海上風電裝機容量的80%，裝機規(guī)模已連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一[3]，風電產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新能力快速提升。

全球海上風電裝機容量在持續(xù)高速增長的同時，面臨著精細化海上風資源評估選址、大功率抗臺風海上風力發(fā)電機、深遠海浮式風機基礎、遠距離輸變電并網(wǎng)等新技術挑戰(zhàn)，海上風電產(chǎn)業(yè)鏈也呈現(xiàn)出專業(yè)化、細致化的特點。因此，傳統(tǒng)石化能源企業(yè)在投身海上風電開發(fā)時，需要從企業(yè)技術戰(zhàn)略布局和海上風電技術成熟度兩方面入手才能更全面把握海上風電市場發(fā)展方向。

本文采用科學情報計量方法，通過技術評估理解海上風電技術的創(chuàng)新模式，基于專利數(shù)據(jù)挖掘分析海上風電關鍵技術及其研究熱點，梳理分析各關鍵技術領域內(nèi)的龍頭企業(yè)戰(zhàn)略布局，同時基于技術成熟度開展多維評估并提出建議。本文研究成果可為海上風電產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵技術分析和企業(yè)戰(zhàn)略布局提供指導。

1 海上風電技術及企業(yè)布局策略分析

1.1 海上風電技術特征

德溫特數(shù)據(jù)庫(DWPI)專利數(shù)據(jù)檢索分析結(jié)果表明，自1993—2020年的全球海上風電技術年公開專利數(shù)有3個明顯階段，即起步階段(2000年以前)、慢速發(fā)展階段(2000—2010年)和快速發(fā)展階段(2010年至今)(圖1)。2000年，以英國、德國和丹麥為代表的歐洲國家能源政策促進了海上風電技術快速發(fā)展，如英國《可再生能源義務法令》、德國《可再生能源法》等；2009年，丹麥哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會按下了海上風電發(fā)展的加速鍵，碳減排的壓力促使各國出臺更為積極的能源法案和資金支持，一大批新技術和企業(yè)蓬勃發(fā)展；值得注意的是2014—2017年低油價時期，很多能源企業(yè)放緩了海上風電發(fā)展腳步。由此可見，海上風電技術開發(fā)受政策規(guī)劃、市場因素的影響比較明顯。

圖1 全球海上風電年公開專利趨勢(1993—2020)Fig.1 Global offshore wind power annual published patent trends(1993—2020)

全球海上風電專利的技術領域(圖2)呈以下特點：①海上風力發(fā)電機的專利申請數(shù)量仍占主體地位(占比15%)，單體大功率、高效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的風機主體一直是研究院所和海上風電企業(yè)的技術熱點，目前中國國內(nèi)已實現(xiàn)單機10 MW的海上風電機組列裝，中國東方電氣集團有限公司的13 MW海上風電機組成功下線，不斷刷新最大單機容量記錄；②風機塔筒結(jié)構(gòu)和風機基礎安裝正成為技術發(fā)展的重要方向，近幾年的相關專利申請量不斷增加，尤其中國海岸線漫長，各區(qū)域地質(zhì)條件十分復雜，需要有相適應的風機塔筒和風機基礎提高海上風電場整體的可靠性，縮短施工周期，降低后期運維成本；③海上風機的控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)專利數(shù)量不斷提升，說明對風機的精細化控制要求更高了，因而應聚焦于海上風電的電能質(zhì)量和獲能效率，以進一步提升海上風電的出力穩(wěn)定高效；④海上風機與其他發(fā)電裝置的結(jié)合應用技術成為新興熱點，如海上風機與潮流能、波浪能裝置的一體化設計，海上風電制氫和海水淡化裝置的硬件配套設施，國外研究機構(gòu)目前也對該領域進行了大量的技術投入。

圖2 全球海上風電專利申請的技術分布情況(1993—2020)Fig.2 Technology distribution of global offshore wind power patent applications(1993—2020)

1.2 關鍵核心技術分解

結(jié)合海上風電國際專利分類號(IPC)分類標準，將海上風電設計的關鍵技術進行三級技術分解，4個一級技術分別為海上風電場選址、海上風力發(fā)電機、基礎結(jié)構(gòu)、發(fā)輸電并網(wǎng)[4](表1)。在實際分析中，需要對檢索結(jié)果開展抽樣評估校正，以不斷完善檢索式，保證結(jié)果的準確性。

1.3 關鍵技術企業(yè)布局分析

1) 海上風電場選址及資源評估。

針對風資源測量技術、測量裝備和評估方法的專利權人(排名前12位)及其主要技術領域見表2?？梢钥闯?，排名前12位的專利權人共計持有相關專利531項，占該領域全部專利的52.5%，表明風資源評估及優(yōu)化的技術領域壟斷程度較高。這些專利設計的技術主要可分為風資源測量裝置和風資源測量評估技術兩大類，前者主要集中于研發(fā)程度高的企業(yè)(如三菱電機有限公司、國家電網(wǎng)有限公司、華為技術有限公司、QINETIQ GROUP LTD)，以激光雷達、多普勒激光雷達、光學接收處理裝置等核心技術為主；后者主要集中于高校和研究機構(gòu)(如中國科學院、中國海洋大學、浙江大學等)，以測風校準方法、風資源評估方法、風速預報方法、海上風電場址評價技術為主。

表1 海上風電關鍵技術分解表Table 1 Breakdown table of key offshore wind power technologies

表2 海上風資源測評專利主要申請人及其涉及技術領域(1993—2020)Table 2 Main applicants of offshore wind resources assessment patent and related technical fields (1993—2020)

值得關注的是，以北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司為代表的風機企業(yè)在技術布局方面，涵蓋了硬件測量裝置、風資源評估方法和數(shù)據(jù)修正方法，表明中國風電開發(fā)企業(yè)在逐步掌握核心環(huán)節(jié)且具有了一定的技術獨立性。

2) 海上風力發(fā)電機。

海上風力發(fā)電機組專利多被大型企業(yè)壟斷特點，其中通用電氣公司、西門子、維斯塔斯風力技術集團3家海上風電企業(yè)持有的專利數(shù)量達到521項，占比超過41%。通過排名前11位的優(yōu)化專利權人及其技術布局(表3)可以看出，以通用電氣公司、西門子和維斯塔斯風力技術集團為代表的整機企業(yè)在海上風電機組、葉片、塔筒、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面進行了全面的技術布局，在研發(fā)設計、制造安裝到運行控制3方面實現(xiàn)了專利技術的全產(chǎn)業(yè)鏈延伸。需要注意的是，由于風電行業(yè)和市場環(huán)境不斷變化，海上風機企業(yè)也在不斷進行資源整合：2016年，西門子股份公司收購歌美颯技術集團股份有限公司，成為海上風機市場領頭羊；2018年，海上整機巨頭Adwen GmbH公司徹底關閉了德國工廠并不再制造風機；2020年，維斯塔斯風力技術集團以7.09億歐元的價格從合作伙伴日本三菱重工業(yè)有限公司手中回購了三菱重工維斯塔斯公司(MHI Vestas)海上風電合資公司50%股權，實現(xiàn)了對MHI Vestas的百分百控股。

表3 海上風力發(fā)電機組專利主要申請人及其涉及技術領域(1993—2020)Table 3 Main applicant of the offshore wind turbine patents and related technical fields(1993—2020)

以新疆金風科技股份有限公司、明陽智慧能源集團股份公司、中國東方電氣集團有限公司、遠景能源科技有限公司為代表的中國風機企業(yè)經(jīng)過多年技術積累，實現(xiàn)了較高的中國市場占有率，并且具備了研發(fā)制造13 MW海上風電機組的技術能力，但在核心高端部件，如大直徑軸承、IGCT等方面對國外技術的依賴程度較大，因此中國風電企業(yè)在這些技術領域仍需繼續(xù)突破。

3) 浮式風機基礎結(jié)構(gòu)。

浮式風機的基礎研究多以大型跨國公司、風電整機企業(yè)、油氣公司等為主，其排名前12位的專利主要申請人及其技術領域布局如表4所示。可以看出：①浮式風機基礎研發(fā)仍是以海工背景企業(yè)、風機開發(fā)商為主；②排名前12位的專利權人共持有相關專利1587項，占該領域全部專利的45.6%，表明浮式風機基礎技術領域的壟斷程度相對較高，國外公司也基本上實現(xiàn)了產(chǎn)學研相結(jié)合的開發(fā)鏈；③國外研究以浮式結(jié)構(gòu)基礎、平臺載荷設計、施工安裝方法和錨定系統(tǒng)等為主并基本上掌握了關鍵技術；④國內(nèi)研究目前以理論方法與綜合開發(fā)利用為主，與國外仍存在一定的技術差距。

4) 發(fā)輸電并網(wǎng)技術。

在海上輸變電并網(wǎng)技術領域，中國以國家電網(wǎng)有限公司、國電聯(lián)合動力技術有限公司、中國電力科學研究院、中國能源工程有限公司和清華大學、河海大學等高校為代表；國外以老牌電氣公司，如西門子、ABB和EXXON MOBIL等公司為代表，其專利申請量排名前12位的優(yōu)化專利權人共計持有相關專利316項(表5)，占全部專利的59.3%；中國國家電網(wǎng)持有專利量高居首位，達到160項，占本領域總專利量的29.8%，說明中國在海上輸變電并網(wǎng)技術領域具有較高的自主知識產(chǎn)權。

表4 浮式風機基礎專利主要申請人及其布局技術領域(1993—2020)Table 4 Main applicant of the floating offshore turbine patents and its related technical fields(1993—2020)

表5 海上輸變電并網(wǎng)專利主要申請人及其布局技術領域(1993—2020)Table 5 The main applicants of the marine power transmission and transformation patents and related technical fields (1993—2020)

需要說明的是，以中國國家電網(wǎng)為代表的中國企業(yè)雖然專利數(shù)量具有較大優(yōu)勢，但其專利布局的技術領域涉及核心電氣工藝、核心輸變電并網(wǎng)的技術并不多；西門子和ABB的專利布局集中于較前沿的高壓直流輸電、中壓直流輸電和高壓變電設備方面，具有較強的技術前沿性。因此從這個角度看，中國與國外在核心技術上仍存在一定差距，但具有較大的技術趕超可能性。

2 海上風電技術發(fā)展成熟度分析

2.1 技術發(fā)展成熟度模型研究與建立

美國國家航空航天局在20世紀70年代提出了技術成熟度評估[5]，并在諸多領域?qū)嵺`了以技術就緒水平(Technology Readiness Level，TRL)、技術文獻計量方法(Technology Bibliometrics Method， TBM)、技術專利分析(Technology Patent Analysis,TPA)、技術性能測量( Technical Performance Measurement ，TPM)等為主的評估方法。技術文獻計量方法是應用最為廣泛的方法，通過對文獻專利時間序列與增長曲線(S曲線模型)的數(shù)值擬合，依據(jù)應用性能、文獻專利數(shù)量和多維評估模型，評估技術產(chǎn)品的成熟度和預測技術發(fā)展趨勢[6]。

Fisher-Pry模型是較為常用的S曲線模型，由Fisher和Pry于1971年提出，通過對文獻或?qū)＠麛?shù)量的統(tǒng)計描述該技術的發(fā)展趨勢，其表達式為

(1)

式(1)中：Y為待測指標，無量綱；t為時間，a；α為常數(shù)，無量綱；β為增長率，無量綱；L為技術成熟時專利或文獻數(shù)量，件。令y=Y/L即可得到技術成熟度S曲線評價模型：

(2)

式(2)中：y為待測指標的技術成熟度。對式(2)進行化簡，可得

(3)

即

(4)

式(4)中：b為形狀因子，無量綱，反映了技術發(fā)展趨勢的快慢；τ為位移因子，a，反映了文獻或?qū)＠麑τ诩夹g影響的滯后性，一般來說專利與技術存在3～5 a的滯后期。

2.2 海上風電各關鍵技術成熟度等級分析

S曲線模型可以描述各項技術的成熟度等級[7-8]，采用S曲線模型描述的海上風電技術發(fā)展大致可劃分為技術的萌芽期、成長期、成熟期和衰退期4個階段[9]，當曲線增長速率達到最大處時，標志著該技術進入成熟期，發(fā)展速度變得緩慢。

1) 海上風電場選址及資源評估技術成熟度分析。

全球海上風資源評估及選址技術的技術成熟度見圖3。可以看出：2000年前，該領域的發(fā)展一直較為緩慢；自2008年后開始快速發(fā)展，從2011年開始專利數(shù)量開始明顯增長。從全球范圍看，海上風資源評估技術處于技術生命周期的成熟發(fā)展階段(2021年技術成熟度達到0.70)，可積極開展技術布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

圖3 海上風電場選址及資源評估技術成熟度分析(1980—2060)Fig.3 Maturity analysis of offshore wind site selection and resource assessment technology(1980—2060)

2) 浮式風機基礎結(jié)構(gòu)技術成熟度分析。

浮式風機基礎結(jié)構(gòu)是海上風電近淺海及深遠海的研究熱點，其技術成熟度等級分析預測見圖4?？梢钥闯觯∈斤L機基礎技術研究經(jīng)歷了技術萌芽期(1982—1998年)、技術發(fā)展期(1999—2007年)和快速發(fā)展期(2008年至今)3個階段。歐洲、美國和日本等國家和地區(qū)設計了多種浮式結(jié)構(gòu)型式。中國于2016年由國家發(fā)改委、國家能源局和工信部聯(lián)合印發(fā)了《中國制造2025 能源裝備實施方案》，提出了重點發(fā)展海上浮式風機機組及各種基礎結(jié)構(gòu)的目標。從全球范圍看，浮式風機基礎結(jié)構(gòu)剛進入技術成熟發(fā)展階段(2021年技術成熟度0.59)，成熟度有待進一步加強，因此在此基礎上加大研發(fā)投資，開展技術布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，有利于企業(yè)在深遠海風電領域競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

圖4 浮式風機基礎結(jié)構(gòu)技術成熟度分析(1980—2040)Fig.4 Maturity analysis of floating wind turbine foundation technology(1980—2040)

3) 海上風力發(fā)電機技術成熟度分析。

海上風力發(fā)電機技術成熟度等級分析預測見圖5?？梢钥闯觯?000年前海上風力發(fā)電機發(fā)展緩慢，尚未有較多的技術布局，自2002年丹麥在北海建成了世界上首個16萬kW的海上風電場后，很多國家開始針對海上風力發(fā)電機進行技術布局，海上風機單機容量不斷刷新，適于深遠海的抗臺風技術不斷優(yōu)化，滿足產(chǎn)業(yè)化開發(fā)需要。從全球范圍看，海上風力發(fā)電機技術處于成熟發(fā)展階段(2021年技術成熟度0.75)，可積極開展技術布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

4) 海上發(fā)輸電并網(wǎng)技術成熟度分析。

海上發(fā)輸變電并網(wǎng)技術成熟度等級分析預測見圖6?？梢钥闯?，2002年前該領域的發(fā)展一直較為緩慢，2004年開始快速發(fā)展，2010年專利數(shù)量開始明顯增長。從全球范圍看，海上升壓站輸變電并網(wǎng)技術處于成熟發(fā)展階段(2021年技術成熟度0.71)，關鍵技術和核心裝備均有較成熟的應用，可開展技術布局和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

圖5 海上風力發(fā)電機技術成熟度分析(1980—2035)Fig.5 Maturity analysis of offhshore wind turbine technology(1980—2035)

圖6 海上發(fā)輸電并網(wǎng)技術成熟度分析(1980—2050)Fig.6 Maturity analysis of transmission and transformation grid connected technology(1980—2050)

3 結(jié)論與建議

1) 截至2021年，海上風電整體技術成熟度等級達到0.7以上，處于技術生命周期的成熟發(fā)展階段，各大能源公司進入海上風電領域的技術風險有所減弱，因而可利用自身優(yōu)勢資源積極開展技術布局和產(chǎn)業(yè)投資。

2) 細分海上風電技術領域發(fā)現(xiàn)，不同關鍵技術的發(fā)展參差不齊，浮式風機基礎成熟度等級僅為0.55，是目前制約海上風電走向深遠海的瓶頸，在未來10年有望成為下一個海上風電爆發(fā)式增長的關鍵技術。

3) 中國在海上風電各技術領域的專利數(shù)量雖多，但在風機核心部件和浮式基礎結(jié)構(gòu)的技術成熟仍不夠，在風機關鍵環(huán)節(jié)、技術集成應用和深遠海開發(fā)方面仍存在一定的技術依賴性，需進一步加強對海上風電核心技術的掌握。例如半潛式和立柱式浮式基礎型式是目前采用較多的技術路徑，但目前還沒有成熟完善的標準規(guī)范指導其穩(wěn)性計算與校核工作，國內(nèi)外研究主要以海洋油氣平臺的相關規(guī)范作為浮式風機穩(wěn)性校核參考。

4) 海上風電產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)具有壟斷集中的特點，海上風電開發(fā)商應通過資源整合，選擇合適的海上風電產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，在不同的細分領域進行產(chǎn)業(yè)技術布局，從而避免盲目競爭。尤其在中國國內(nèi)海上風電零補貼時代的背景下，應從設計到施工、運維等各環(huán)節(jié)降低海上風電成本，例如漂浮式風機一體化的設計理念，能夠在降低冗余度的同時，保障海上風電運行的可靠性及提高海上風電場整個生命周期的經(jīng)濟性。