基于專利分析的分布式光伏國內產業(yè)發(fā)展趨勢

柳 楊，趙立軍*，劉建輝，程建萍，何清吟，楊 艷

（1. 中國地質大學（武漢）圖書館，湖北 武漢430074；2. 青海大學啟迪新能源學院，青海 西寧810016）

0 引言

分布式光伏的大規(guī)模接入給現代電力系統的發(fā)、輸、配、用等環(huán)節(jié)帶來了翻天覆地的變化。電力系統從大容量電源長距離向負荷中心單向供電，轉變?yōu)檩斉潆娋W絡潮流的雙向流動［1］。分布式光伏以其分散接入的友好性、便捷性、經濟性受到了從工商業(yè)到民用等多種場景下的廣泛應用［2］。

分布式光伏在國內主要有兩種定義。一是能源局在2014年將分布式光伏定義為“在用戶所在場地或附近建設安裝、運行方式以用戶端自發(fā)自用為主、多余電量上網，且在配電網系統平衡調節(jié)為特征的光伏發(fā)電設施；在地面或利用農業(yè)大棚等無電力消費設施建設、以35 kV 及以下電壓等級接入電網、單個項目容量不超過2×104kW 且所發(fā)電量主要在并網點變電臺區(qū)消納的光伏電站項目，納入分布式光伏發(fā)電規(guī)模指標管理［3］”。二是國家電網公司在《國家電網公司關于印發(fā)分布式電源并網服務管理規(guī)則的通知》中將分布式光伏分為兩類。第一類：10 kV以下電壓等級接入，且單個并網點總裝機容量不超過6 MW的分布式電源。第二類：35 kV電壓等級接入，年自發(fā)自用大于50%的分布式電源；或10 kV 電壓等級接入且單個并網點總裝機容量超過6 MW，年自發(fā)自用電量大于50%的分布式電源［4］。第一類代表屋頂分布式光伏項目，第二類代表地面分布式光伏項目。

2002 年至今，光伏電站特許招標政策、上網優(yōu)惠電價、發(fā)電電量分地區(qū)補貼、金太陽工程等一系列政策的出臺，使得光伏產業(yè)在我國迅猛發(fā)展［5］。根據國家能源局數據顯示，2017 年我國新增裝機容量為53.06 GW，占到全球新增容量的37.40%，連續(xù)多年為全球第一大增量市場，累計裝機規(guī)模已超過130 GW，居于世界首位［6］。這也預示著我國已經成為全球光伏產業(yè)第一大國?？v觀分布式光伏產業(yè)在我國的發(fā)展歷程，主要可以分為以下3 個階段：金太陽階段（2009-2012年），度電補貼階段（2013年-2015年）和迅速增長階段（2016 年至今）［7］。為推進分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，在出臺的“十三五”規(guī)劃中，我國對光伏市場的裝機容量做了明確規(guī)劃，發(fā)展重心明顯向分布式光伏發(fā)電轉移，在規(guī)劃的105 GW裝機容量中，分布式光伏電站目標為60 GW，集中式地面電站目標為45 GW，占比過半［8］。

隨著分布式光伏在我國電源占比的逐步提高，與分布式光伏相關的各類產業(yè)也蓬勃發(fā)展，逐漸覆蓋了整個光伏全產業(yè)鏈，從原材料制造加工，電站設計與建設，后期運維與管理，整站測試與并網服務，我國的技術實力和裝備實力均逐年攀升［9］。

為以科學手段從專利角度分析我國分布式光伏產業(yè)的發(fā)展現狀和未來趨勢，本文借助專利信息服務平臺，編寫檢索式如下：（標題=“分布式光伏”O(jiān)R 摘要=“分布式光伏”O(jiān)R權利要求=“分布式光伏”）AND（申請日=20000101-20191231），得到申請日從2000年1月1日至2019 年12 月31 年間分布式光伏領域的專利數據，截止到檢索日2020年2月17日，共檢索到1 561件申請專利。通過對分布式光伏產業(yè)發(fā)展和競爭態(tài)勢分析，對產業(yè)發(fā)展方向和趨勢進行總結。

1 國內分布式光伏產業(yè)發(fā)展全景分析

1.1 專利量及類型分析

截止到2020年2月17日，分布式光伏產業(yè)國內專利申請共計1 561 件，其中發(fā)明專利申請973 件，占比為62.3%。發(fā)明專利授權232件，發(fā)明專利授權比例為23.8%；實用新型576 件，占比為36.9%；外觀設計12 件，占比為0.8%，見表1。2019 年國內發(fā)明專利授權比例為29%，分布式光伏產業(yè)發(fā)明專利累計授權比例略低于2019年國內水平。

從發(fā)明專利的法律狀態(tài)來看，授權有效專利227件，授權專利有效率為97.8%；在審專利587 件，占比60.3%，見表2。

表1 國內分布式光伏產業(yè)專利類型（件）Table 1 The type of patents in distributed photovoltaic industry of China

表2 發(fā)明專利法律狀態(tài)分析（件）Table 2 The legal status of invention patent

其中，有效量是指發(fā)明專利授權后，仍在維持狀態(tài)的專利量；失效量是指發(fā)明專利授權后，不在維持狀態(tài)的專利量；審中是指專利申請受理后，仍在審查狀態(tài)的專利量；撤回是指專利申請受理后，由申請人主動撤回的專利量；駁回是指專利申請受理后，由專利局駁回的專利量。

1.2 申請趨勢分析

如圖1所示，從專利申請時間分布趨勢來看，分布式光伏專利申請起始于2009 年，2009-2013 年專利申請量逐步提升。2009-2012 年，我國分布式光伏實行補貼政策，基于容量進行一次性投資補貼，光伏產業(yè)開始萌芽。該階段屬于金太陽階段，光伏發(fā)展以集中式光伏電站為主，分布式光伏為輔［10］?！敖鹛柟こ添椖俊睂嵤?0%的初始投資補貼，高初裝補貼帶動了光伏電站的裝機增長，2011年新增分布式光伏裝機同比增長245.8%，2012年同比增長79.7%［11］。

2014 年分布式光伏專利年申請量首次超過100件，其后專利年申請年保持高速增長趨勢，2015-2017年年專利申請量均在200 件以上，2018 年專利申請量達到峰值為382件。2013年國家能源局著手調整光伏發(fā)展戰(zhàn)略，重點發(fā)展分布式光伏產業(yè)，提出“2020年光伏發(fā)電裝機量達到100 GW”［12］，自此分布式光伏展業(yè)進入快速發(fā)展階段。

2016年以后，由于“三北地區(qū)”（東北、華北、西北）新能源裝機增長遠超預期，棄電限電現象日益嚴重，光伏產業(yè)的發(fā)展正式從以集中式為主的大型電站建設轉移到以分布式為主的爆發(fā)增長［13］。如圖2 所示，2015年以后我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量逐年提升，2016 年累計裝機容量達到10.32 GW［14］，2016-2019 年累計裝機量呈現爆發(fā)式增長態(tài)勢，截止到2019年我國分布式光伏累計裝機容量已達到58.7 GW［15］。

圖1 專利申請年度趨勢分析Fig.1 The annual trends of patent applications

圖2 2013-2019年前9個月分布式光伏發(fā)電累計裝機容量Fig.2 Cumulative installed capacity of distributed photovoltaic power generation from 2013 to September 2019

1.3 技術方向趨勢分析

如圖3 所示，分布式光伏的主要技術領域集中在配電裝置、適用于商業(yè)的集成系統和太陽能集熱器三大方向，專利數量分別為707、213 和173 件。由此可見，對光伏電站如何與配電網之間友好接入、協調運行是現階段分布式光伏產業(yè)主要研究方向，其專利申請數量呈現逐年遞增的趨勢，從2010年的3件，逐漸發(fā)展到2018年的178件，在2019年分布式光伏專利申請總數有所減少的情況下，分布式光伏與配電網領域依然是最熱門的技術發(fā)展方向。另一方面，也說明了現階段分布式光伏發(fā)展的主要制約因素是分布式光伏本體快速發(fā)展與我國配電網建設相對滯后的矛盾，即在光資源條件較好的地區(qū)，受制于電網接納能力的限制［16］，分布式光伏的投資建設逐漸趨于飽和。在配電網系統分布式電源承載能力有限的前提下，研究分布式光伏的友好高效接入模式、經濟協調運行模式依然是未來分布式光伏快速發(fā)展亟待解決的重點問題［17］。

在配電網接納能力有限的前提下，除快速發(fā)展我國配電網建設，加快與分布式光伏的協調建設之外，還需在以下幾個方面進行重點研究。

圖3 主要技術方向發(fā)展趨勢分析Fig.3 The technology development trends

一是分布式光伏出力的精準預測技術。眾所周知，光伏電站的發(fā)電出力隨著太陽輻照度的變化而變化，具有極大的隨機性。近年來，以局部地區(qū)高精度數值天氣預報為主的預測技術日益發(fā)展，光伏電站出力的精準預測成為現實［18］。如何在以分鐘、小時、天等不同時間尺度下，做到分布式光伏電站出力的準確預測，將會對指導配電網調度運行人員提前做好調節(jié)資源的調配，最大程度保證光伏電量的消納起到重要幫助［19］。

二是分布式光伏的靈活控制技術。目前分布式光伏往往以用戶側電源的方式接入電網，其控制方式為MPPT（Maximum Power Point Tracing，最大功率電跟蹤），即按照最大的發(fā)電能力向電網進行供電［20］，大多不具備調節(jié)能力。鑒于此，配電網在運行過程中必須具備更多輔助調節(jié)手段來匹配光伏發(fā)電的隨機性、波動性和不確定性［21］。如果分布式光伏在電網調節(jié)能力受限時具備一定的自我調節(jié)能力，那么配電網對于分布式光伏的接納能力將會大幅提升［22］。

三是分布式光伏的集群調度技術。分布式光伏的特點便是數量多、容量小、地理位置分散，實現單個電站的精益化運行管理成本高、難度大［23］。如何利用5G、邊緣計算、數字孿生等新興技術，將某一片區(qū)域內的若干數量的分布式光伏電站進行集群化的管理和調度，充分發(fā)揮集群內的調控運行靈活性，將會成為未來大規(guī)模的分布式光伏接入與消納的主要途徑［24］。

2 分布式光伏企業(yè)競爭力分析

2.1 主要申請人分析

國內分布式光伏產業(yè)的研究單位大致可分為高校和企業(yè)兩種類型，在專利擁有量排名前10的申請單位中，國家電網累積擁有538件專利申請，占國內分布式光伏產業(yè)總申請量的34.47%，這表明國內分布式光伏產業(yè)的專利成果集中程度較高，從所有專利的體量來看，國家電網的競爭實力遠超過其他機構，在國內市場 競爭中占有絕對優(yōu)勢，見圖4。

圖4 分布式光伏產業(yè)TOP10申請人Fig.4 The TOP 10 applicants in in distributed photovoltaic industry of China

企業(yè)在行業(yè)競爭中所處的優(yōu)勢地位與其擁有的專利體量和專利質量呈正相關關系。從專利體量維度分析，國內分布式光伏產業(yè)以國家電網和中國南方電網為代表，專利分布較為集中，技術實力差距較大。除國家電網和南方電網外，排名前10的專利申請人多為高校單位，以華北電力大學和天津大學為代表，這些高校擁有一批技術價值較高的研究成果，企業(yè)應注重開展與高校的產學研合作，促進高校專利成果的轉移轉化，從而提升行業(yè)整體發(fā)展水平。

對國家電網二級分支機構擁有的專利申請量進行統計分析，列舉專利申請量在20 件以上的二級單位。專利申請量排名前三的機構分別是國網江蘇省電力公司（88 件專利申請）、國網浙江省電力公司（64 件專利申請）、中國電力科學研究院（62件專利申請），這三家機構的專利申請量累積達214 件，占國家電網專利申請總量的39.78%，見圖5。

圖5 國家電網主要分支機構專利申請量Fig.5 The main branches of national grid

2.2 重點企業(yè)專利量及申請趨勢對比

對國家電網內部三家重點企業(yè)的專利量及申請趨勢進行分析。從專利類型來看，三家重點企業(yè)的專利申請以發(fā)明專利為主，專利質量普遍較高（見表3）。從申請趨勢來看，三家企業(yè)關于分布式光伏的專利申請均起始于2013 年，年申請量均呈現波動上漲趨勢，2015年年申請量達到第一個小高峰，但在2016年申請年均出現明顯回落（見圖6）。2013年由于國家的政策調整，分布式光伏的補貼模式由初投資補貼調整為電價補貼［25］，同時明確了相關財稅金融扶持政策，分布式光伏發(fā)電商業(yè)模式趨于成熟［26］，同年國家電網三家重點企業(yè)開始分布式光伏專利的國內布局。2016年，由于分布式光伏發(fā)電開始呈現爆發(fā)式增長，電價補貼資金的需求量也出現迅猛增長，光伏補貼的資金缺口開始呈現逐年擴大趨勢［27］。2016 年國家明確提出要降低光伏發(fā)電成本、實現平價上網，并推出了補貼退坡計劃［28］，三家重點企業(yè)的年專利申請量隨之出現了明顯下滑趨勢。2017年，國家能源局鼓勵以多種方式實現分布式發(fā)電項目電量的就近消納，電網企業(yè)承擔了分布式電源的電力輸送和交易服務［29］，2017年后三家重點企業(yè)的專利年申請量出現回暖。

從年申請趨勢來看，國家電網三家重點企業(yè)關于分布式光伏的專利布局時間較晚，三家企業(yè)均在分布式光伏市場趨于成熟的階段才開始專利布局。同時也可以看到，企業(yè)的專利申請趨勢與國家政策，特別是補貼政策的變化呈現正相關趨勢，在2018年以前分布式光伏技術的發(fā)展速度嚴重依賴于國家補貼政策。2018年以后，光伏發(fā)展政策出現重大調整，由單純的規(guī)模式增長變?yōu)樽非笙冗M技術、并向無補貼平價模式轉化，分布式光伏產業(yè)面臨發(fā)展模式轉型，即將迎來新的行業(yè)發(fā)展契機。

表3 重點企業(yè)專利申請量對比（件）Table 3 The comparison of patent applications of key enterprises

圖6 重點企業(yè)專利申請趨勢對比Fig.6 The comparison of patent application trends of key enterprises

綜上所述，未來分布式光伏的技術發(fā)展趨勢將由規(guī)模性的爆發(fā)式增長，逐漸轉型為與電網運行協調互濟的發(fā)展模式［30］，由純有功輸出節(jié)點轉變?yōu)楣β士煽氐撵`活可控電源，通過不斷地技術和產品革新，最終形成無補貼競價上網模式［31］。

3 結論

我國分布式光伏產業(yè)技術研發(fā)進入穩(wěn)定快速發(fā)展階段。我國分布式光伏專利申請起始于2009年，2014年首次突破年申請量100件大關，進入快速發(fā)展階段，2016 年以后年專利申請量均維持在200 件左右，專利申請進入快速穩(wěn)定增長時期。我國分布式光伏的技術發(fā)展呈現明顯的政策導向趨勢，專利申請量與國家政策的扶持力度呈現明顯正相關關系。

現階段我國的分布式光伏產業(yè)以如何實現與配電網之間的友好介入和協調運行為主要研究方向。如何在配電網系統有限的承載范圍內，實現分布式廣度的友好高效接入與經濟協調運行，始終是分布式光伏產業(yè)的熱點技術方向。此外，提升分布式光伏出力的精準預測技術、分布式光伏的靈活控制技術和集群調度技術，也是未來分布式光伏產業(yè)的技術增長方向。

從所擁有的專利體量來看，國家電網在國內分布式光伏產業(yè)市場競爭中占絕對優(yōu)勢。在專利擁有量排名前十的機構中，國家電網累計擁有專利申請538件，占國內申請總量的34.47%，其次為南方電網，專利申請量72件。在國家電網集團的下屬二級單位中，專利申請量排名前三的分別是國網江蘇公司、國網浙江公司和中國電科院。