基于专利信息的海洋温差能发电技术成熟度预测及关键技术领域分析*

兰志刚 于 汀 焦 婷 孙洋洲

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

海洋温差能发电是一种利用表层温海水和深层冷海水之间的热梯度进行发电的热电转换技术。该技术以表层海水作为高温热源，以500～1 000 m深处的冷海水作为低温热源，形成热力循环系统，用以驱动透平发电。1881年法国的Arsened Arsonval首次提出利用海水温度差发电的概念和构想。1930年世界上首台海洋温差能发电系统研发成功，并在古巴近海首次实现发电，但由于系统自耗功大于输出功，因此不具有实用价值[1-2]。20世纪70年代的石油危机促使全球加快寻找替代能源的步伐，海洋温差能发电再次引发关注，日本和美国相继开展了相关基础研究，并取得了一些明显技术突破和实质性进展。1979年,美国科学家在夏威夷群岛研发了世界上首台具有净电力输出(净输出功15 kW)的海洋温差能发电系统MINI-OTEC。1981年，东京电力公司在瑙鲁研建了一座120 kW岸基OTEC电站，并成功实现发电[1]。次年，九州电力公司在日本鹿儿岛建立了一座50 kW岸基OTEC电站，并成功发电[3]。之后，美国于20世纪90年代在夏威夷研发了210 kW装机规模的海洋温差能发电系统[4]。进入21世纪后，随着气候变化和碳减排压力对能源结构低碳化转型的要求日益增加，海洋温差能作为一种稳定的绿色可再生能源，再次引发科学家关注。2011年11月，NELHA(夏威夷管理局)的自然能源实验室与OTEC国际有限责任公司合作，在夏威夷的Keahole建造了一座1 MW的示范工厂[5]。然而，由于系统冷热源温差小、热转换效率低，加之海洋环境复杂、系统造价高昂以及其他技术性原因，海洋温差能发电领域至今一直在试验样机和示范工程阶段徘徊，未能进入商业化运行阶段。

海洋温差能发电的发展前景如何？目前在技术发展方面处于什么阶段，成熟度如何？还存在哪些技术难点？这一切都需要综合利用相关基础数据、借助必要的技术分析方法做出研判。20世纪80年代， Altshuller在对大量专利数据进行分析后发现，专利数量、专利等级和产品性能等变量与技术的发展进化密切关联，可用于技术分析和预测[6]。Kim等从目标技术领域的专利文献中提取关键词，采用k-均值算法对专利文献进行聚类，构建了可视化的技术分析方法[7]。杨良选研究了技术发展与技术专利文献间的关系，提出了多维技术成熟度预测的方法和模型[8]。王兴旺 等通过研究基于专利信息的技术预测方法，进一步证实了利用专利信息进行技术预测的科学性和有效性[9]。由此可见，专利是科技创新的风向标，专利分析可作为技术分析和预测的重要手段。

德温特创新(Derwent Innovation)数据库是一个涵盖来自50多个专利授权机构及2个防御性公开的非专利文献的全球性科技文献数据库，其中的专利记录始于1900年，时间跨度大，数据量大，为开展各项技术评价提供了详实的基础信息来源。本文基于德温特创新数据库和其他科技文献获得的信息，拟合出了海洋温差能发电技术成熟度预测模型，结合专利分析技术中的核心专利分析方法，分析了海洋温差能发电的技术发展现状，总结出了海洋温差能发电的关键技术领域和走向商业化应用过程中所面临的主要技术挑战，以期为后续研究提供参考。

1 技术成熟度评价方法

一项技术的发展一般要经历萌芽、成长、成熟和衰退等4个阶段的技术生命周期。位于萌芽期的技术成长较为缓慢，随着研发投入的加大和技术的提升，将迎来一段快速成长的爆发期；技术在成长期进步的势头迅猛，技术也随之逐渐成熟，逐渐进入成熟期；在成熟期，技术不断完善的需求依然强劲，保持着较强的发展势头；随着技术的不断完善、成熟和大规模推广应用，技术逐渐进入衰退期，不再有明显增长。

目前国内外机构主要以技术成熟度作为技术评估最常用的方法，常见的技术成熟度评价方法有技术文献计量法(TBM)、技术专利分析法(TPA)、技术性能测量法(TCM)和技术就绪水平评价法(TRL)等4种，其中TPA法源于前苏联发明家、教育家Altshuller，他通过对大量专利数据进行分析，发现在整个技术生命周期内，技术的成长规律与生物进化模式相似，总体过程呈现出S型曲线的形状[6]。

常用的S型曲线为Logistic增长模型，它是一种广义线性回归模型，其数学表达式为

(1)

式(1)中:Y为技术成熟度表征量；L为Logistic曲线的饱和值，即技术成熟度表征量的理论上限，在本文中代表年累计专利数量；t为时间，在本文中单位为年；k为Logistic曲线的形状参数，是该曲线的斜率；τ为Logistic曲线的位置参数。

(2)

式(2)中，y为归一化的技术成熟度表征量。

图1 基于Logistic模型的技术成熟度曲线特征图

2 海洋温差能发电技术成熟度预测

从德温特创新数据库专利信息数据库中可以查得海洋温差能发电领域自1976—2019年共产生技术专利1138项，其中德温特世界专利索引(DWPI)同族专利418项(表1)。

表1 1976—2019年海洋温差能发电领域申请的专利数量

图2为海洋温差能发电技术领域的年专利申请数和国际原油价格走势对比图，可以看出，两者的变化趋同。自20世纪70年代初期国际原油价格大幅攀升后，海洋温差能发电相应研发投入逐渐增加，申请专利的数量也随即上升。20世纪80年代后期至90年代末，随着国际原油价格逐渐下滑，并多年维持在较低水平，海洋温差能发电研究投入热度也随之降低，专利申请数量一直在低位徘徊。之后随着国际原油价格逐渐走高，2007年及之后海洋温差能发电技术领域的专利申请数量出现爆发式增长，并于2010—2013年连续4年专利申请量超过100项，到达申请量的顶峰。2015年起，随着国际原油价格步入快速下行轨道，海洋温差能发电领域的技术研究也呈现大幅下滑趋势，专利年申请数量从2010年最高时的130项下滑至2019年的17项，研究热度锐减。

图2 OTEC年专利申请量与国际原油价格走势比较

图3为海洋温差能发电技术专利年申请数与国际原油价格的关系曲线图，可以算出2组数据的相关系数约为0.82，表明海洋温差能发电技术的发展速度与国际原油价格之间具有一定相关性。从技术发展的驱动力属性上看，外部推动作用明显。但反观图2也可以看出，海洋温差能发电专利年申请数量的增长略滞后于国际原油价格的增长，而下降时则略超前于国际原油价格，这也在一定程度上印证了该领域技术创新的内在驱动力不足。

图3 OTEC年专利申请量与国际原油价格的关系曲线

利用式(2)对德温特数据库查得的海洋温差能发电专利数量做Logistic曲线拟合，可以得到式(3)所示的海洋温差能发电技术成熟度S曲线函数：

(3)

为了更好地理解和把握海洋温差能发电技术的发展状况，将海洋温差能发电技术成熟度曲线与海上风电的技术成熟度曲线做了对比(图4)。可以看出，海上风电自1997年申请第一项专利以来发展很快，尤其是2008年以后发展更为迅速，并在2011年前后进入技术成长期，2016年前后进入技术成熟期。而海洋温差能发电则不同，虽然在1976年就申请了第一个专利，但历经40余年的发展，现在刚刚步入技术成长期。按照本文构建的海洋温差能发电技术成熟度曲线预测，海洋温差能发电以现有的发展速度最快也要到2030年后才能进入技术成熟期。另从申请专利的数量来看，海上风电历经短短23年，形成专利的数量却高达7 803项；而海洋温差能发电自1976年开始历经44年，申请专利数量只有1 138项。这可能从一方面反映出海洋温差能发电关注度较低，不被看好；另一方面也折射出了其技术复杂，近期难以取得突破性进展。综合以上分析，海洋温差能发电技术成熟度总体还处于较低水平。

图4 海洋温差能发电和海上风电技术成熟度比较

3 海洋温差能发电关键技术领域分析

将海洋温差能发电技术专利按所涉技术方向进行分类，可以发现其主要涉及海洋温差能发电总体概念方案、冷水管、热力循环形式、换热器、海洋温差能发电综合利用、能量转换(透平发电机)、平台载体、腐蚀附着、海水泵和工质，如图5所示。其中，总体概念方案既涉及有热力循环形式、换热器及透平等热力循环技术，也有海水管、载体及定位技术。综合利用包括制氢、海水淡化、渔业养殖等，与海洋温差能发电技术关联较小。

图5 海洋温差能发电专利的技术领域分布

洛克希德马丁公司是海洋温差能发电研发领域的领军企业，1985—2019年共获得了207项海洋温差能发电技术领域的专利，是该领域拥有专利最多的研发机构。图6为该公司在海洋温差能发电方面的专利统计情况，从专利技术分布来看，主要布局在换热器和冷水管技术方面。

图6 1985—2019年洛克希德马丁公司海洋温差能发电专利的技术领域分布

世界权威专利计量研究机构CHI的研究表明，某项专利被引用的次数越多，则该专利重要性越大。因此，被引次数可作为判断该专利是否为核心专利以及是否为关键技术的重要依据[10]。对搜索到的1 139项海洋温差能发电专利的被引次数进行统计，提取出引用次数最高的前40项专利(表2)。可以看出，换热器、概念方案、冷水管、冷水管与平台接口、平台及定位、热力循环、防腐防污、综合利用方面的专利分别有11、10、5、4、4、5、2、1项。上述各类专利中，概念方案方面的专利涉及完整的海洋温差能发电系统，包括由换热器、工质泵、膨胀机等主要组件构成的热力循环系统，由冷海水管、温海水管和海水泵等组件构成的海水循环系统以及海洋温差能发电系统的平台载体等，是多个领域技术的系统集成。综合利用方面的专利涉及的技术方向是海洋温差能发电转换在其他生产系统或装备中的应用，并非海洋温差能发电技术本身。从技术分解的角度看，两者不属于海洋温差能发电领域的技术子类。而其余各类专利涉及的技术，均为海洋温差能发电技术领域的相关技术。因此，从专利被引次数指标可以判断，换热器、冷水管及接口、平台及定位、热力循环和防腐防污是海洋温差能发电的关键技术领域。上述所有专利中被引次数最多的是一项涉及冷水管技术的专利。该专利为一种用于海洋温差能发电的柔性可伸缩冷水管，于1985年公开，专利权人为洛克希德马丁公司，被引次数高达107次。

表2 高被引率的海洋温差能发电专利的被引次数统计

综合以上专利数据分析，热力循环、工质、换热器、透平发电机、海水泵、平台载体及定位、冷水管、冷水管和平台之间的连接、水下电缆及输电等技术是海洋温差能发电研究的重要方向，海洋温差能发电技术走向商业化应用过程中面临的主要技术挑战包括以下几个方面：

1) 由于海洋温差能所用的冷热源温差很小，循环效率低，如朗肯循环的发电效率约为3%，卡利纳循环的发电效率约为4.5%，优化后的上原循环的发电效率也不过4.97%。如何完善现有热力循环系统，研发更加高效的热力循环形式，以及可以更好地匹配海洋温差能冷热源温度特点的工质，是提高海洋温差能发电系统发电效率所面临的重要技术挑战。

2) 换热器是海洋温差能发电系统的关键设备，如何进一步提高换热效率、优化结构、减小体积、抵御海洋生物附着和海水及工质的腐蚀，是提高海洋温差能发电技术经济性的重要技术环节。

3) 泵与透平技术较为成熟，相较其他技术而言，离大规模工业化应用最近。但由于海洋温差能发电热品位低、压差小，对于装机规模大的系统方案，选用的氨透平体积会很大，造成设备选型困难甚至需要专门定制，对于海水泵来说，由于流量巨大，更是如此。

4) 平台及定位技术在海上油气工业的推动下，本身已经相当成熟，在海洋温差能发电上所面临的主要问题是如何在确保功能和安全的前提下降低造价，同时鉴于海洋温差能发电关键结构(平台、海水管、系泊系统)运动耦合的复杂性，应进一步开展结构形式及其水动力特性研究和系泊技术研究。

5) 冷水管的制造、安装和施工技术，国内尚不掌握，应进一步深入开展相关研究。冷水管与载体平台的接口是海洋温差能发电装置最为复杂的配套工程装备，也是制约浮式海洋温差能发电系统能否成功应用的关键技术环节，其发展目前还面临巨大的技术挑战。如果接口出现泄露，将严重影响发电系统的效率，且由于修复需要在水下开展，势必造成施工困难和成本增加。特别是当接口完全失效时，可能导致冷水管脱落丢失，给电站造成巨大损失。

4 结论

在充分挖掘专利数据的基础上，通过构建技术成熟度预测模型，并结合专利分析技术中的核心专利分析方法，可以很好地对选定技术的成熟度和发展趋势进行预测，并对其中的关键技术进行提取和归纳。本文对海洋温差能发电技术专利信息的研究结果表明，从技术成熟度分析结果来看，海洋温差能发电技术刚刚从技术萌芽期进入技术成长期，与快速发展的海上风电相比，技术发展缓慢，成熟度尚处于较低水平；热力循环、换热器、能量转换装置、海水泵、平台载体及定位、冷水管、冷水管和平台之间的连接等技术是海洋温差能发电领域的关键技术。