基于專利計量的公路領(lǐng)域太陽能光伏應(yīng)用技術(shù)發(fā)展分析

張 麗，林 垚，孫逸帆，張 晗

（交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

在碳達(dá)峰碳中和背景下，推動能源與交通融合發(fā)展、促進(jìn)能源和交通運輸綠色低碳轉(zhuǎn)型，意義重大?！督煌◤妵ㄔO(shè)綱要》明確提出，要加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)可再生能源、清潔能源應(yīng)用[1]。在這一目標(biāo)的指引下，交通與可再生能源的一體化發(fā)展成為不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流，是關(guān)系到國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略布局[2]。太陽能光伏發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分之一，具有能量來源巨大、綠色環(huán)保無污染、安全可持續(xù)、安裝靈活、建設(shè)周期短、使用壽命長、運維成本低、應(yīng)用形式多樣、適用范圍廣等優(yōu)勢，近年來逐漸成為全球能源轉(zhuǎn)型的主流方向。

光伏發(fā)電是我國重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，光伏電池、組件等關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。我國已掌握從多晶硅提純技術(shù)、單晶/多晶生長技術(shù)到高效電池和組件制備技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，光伏產(chǎn)品具有成本和質(zhì)量優(yōu)勢。2021 年全國新增光伏并網(wǎng)裝機容量54.88GW，累計光伏并網(wǎng)裝機容量達(dá)到306GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。全年光伏發(fā)電量為3 259 億千瓦時，同比增長25.1%[3]。我國已發(fā)展成全球產(chǎn)業(yè)鏈最齊全、產(chǎn)能及產(chǎn)量最大的光伏生產(chǎn)國。

推進(jìn)光伏發(fā)電應(yīng)用對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。歐美等國家或地區(qū)自20世紀(jì)80年代起就開展了光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域的應(yīng)用探索。瑞士于1989年建成了世界上第一個光伏聲屏障[4]。美國于1996 年在加利福尼亞州圣莫尼卡建設(shè)了2.1千瓦光伏汽車充電站[5]，于2006年提出了光伏路面的設(shè)想，于2008年完成了全美首個光伏公路邊坡示范項目。法國于2016年建造了世界上第一條太陽能公路“Wattway”[6]。德國等歐洲國家已將停車場作為支持太陽能光伏安裝的重要基礎(chǔ)設(shè)施，并自2011 年起延長了促進(jìn)其發(fā)展的激勵措施[7]。

截至2021年，我國公路里程已達(dá)528.07萬公里[8]，占有廣闊的土地資源，在承擔(dān)交通運輸功能的同時，給太陽能資源的開發(fā)利用提供了平臺。近些年，我國逐步開展了太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與實踐，以推動公路交通設(shè)施從單純能源消耗端，向能源消耗端與能源供給端共存模式轉(zhuǎn)變。在國內(nèi)相關(guān)研究中，胡恒武等[7]定義了基于光伏發(fā)電的道路能量收集技術(shù)的概念，明確了其在路側(cè)、路面、路面上方空間等應(yīng)用的范圍和場景，總結(jié)了該領(lǐng)域最新研究和應(yīng)用成果。蔣海峰等[9]提出了公路交通設(shè)施與太陽能清潔能源融合創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)模式，包括隧道進(jìn)出口光伏廊道、光伏公路邊坡、聯(lián)排光儲充一體化停車位、公路太陽能收費門架、公路光伏發(fā)電防眩板、應(yīng)急車道光伏路面等。楊鵬浩等[10]探討了高速公路邊坡太陽能的發(fā)展優(yōu)勢，提出了發(fā)展建議。喬飛等[11]針對光伏聲屏障的應(yīng)用，提出在吸聲性能和發(fā)電光伏組件以及其他方面采取改進(jìn)措施。韋永蘭等[12]介紹了與高速公路加油站和服務(wù)區(qū)相結(jié)合的光伏充電站原理，對光伏充電站的經(jīng)濟效益進(jìn)行了評估。綜上，當(dāng)前研究主要從技術(shù)原理、應(yīng)用場景等方面分析太陽能光伏在公路領(lǐng)域的應(yīng)用，提出發(fā)展建議，未有基于數(shù)據(jù)，分析公路光伏發(fā)電技術(shù)布局、技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)瓶頸等方面的研究。

鑒于此，本文將采用專利計量方法，基于對2012—2021 十年間公路光伏發(fā)電專利數(shù)據(jù)的分析，揭示太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)布局、研發(fā)主體、研發(fā)熱點、研發(fā)趨勢等，結(jié)合我國公路光伏發(fā)電應(yīng)用成果，分析目前存在的主要問題，提出發(fā)展建議。

1 研究方法

本文采用專利計量方法，專利計量是指以定量方法為主，通過對專利文獻(xiàn)中包含的技術(shù)信息、經(jīng)濟信息、法律信息進(jìn)行加工、整理與分析，以獲得有價值的信息，形成專利情報，從而服務(wù)于創(chuàng)新與決策的一種科學(xué)研究活動[13]。本文主要采用技術(shù)發(fā)展趨勢分析、專利布局分析、技術(shù)熱點分析、核心專利識別等專利計量方法。

1.1 技術(shù)發(fā)展趨勢分析方法

采用統(tǒng)計學(xué)方法，統(tǒng)計各年度公路光伏發(fā)電專利申請數(shù)量，公路光伏發(fā)電涉及的各技術(shù)主題或研發(fā)方向?qū)＠髂甓壬暾垟?shù)量，以及全球部分國家/地區(qū)各年度申請該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量等，以判斷該領(lǐng)域技術(shù)整體發(fā)展趨勢。

1.2 專利布局分析方法

（1）專利類型分布

統(tǒng)計發(fā)明、實用新型、外觀設(shè)計等各類專利數(shù)量及所占比例，為宏觀判斷公路光伏發(fā)電領(lǐng)域創(chuàng)新能力提供參考。

（2）地域分布

統(tǒng)計部分國家（地區(qū)）或我國各省份公路光伏發(fā)電專利申請和授權(quán)數(shù)量、專利權(quán)人數(shù)量及所占比例，以揭示該領(lǐng)域技術(shù)和權(quán)利人的地域分布情況。

（3）研發(fā)方向分布

按 照IPC（International Patent Classification）分類，統(tǒng)計各研發(fā)方向?qū)＠偭?，以及各年度各研發(fā)方向?qū)＠麛?shù)量，以揭示公路光伏發(fā)電涉及的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)發(fā)展趨勢。

1.3 技術(shù)熱點分析方法

針對每一件專利，提取能代表專利核心內(nèi)容的特征詞。特征詞是通過對專利名稱和摘要進(jìn)行文本內(nèi)容分析而獲得的。采用分詞技術(shù)，獲取專利名稱和摘要中具有實際意義的詞匯，使用TFIDF 算法對各詞匯進(jìn)行加權(quán)。TF-IDF 是文本信息分析和信息檢索領(lǐng)域最經(jīng)典的加權(quán)算法[14]，其數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中：W為詞匯的權(quán)重；TF（Term Frequency）為詞頻；IDF（Inverse Document Frequency）為逆向文件頻率；i為詞匯在該件專利中出現(xiàn)的次數(shù)；m為該件專利中詞匯的總數(shù)；N為檢索到的專利總數(shù)；n為包含該詞匯的專利總數(shù)。

使用專利地圖制作工具，選擇W值較高的詞匯作為特征詞，用等高線的形式呈現(xiàn)，形成專利技術(shù)熱點分布地圖。地圖中內(nèi)容相近的專利距離也相近，從而形成山峰，不同山峰代表某一技術(shù)領(lǐng)域中聚集的專利群。專利技術(shù)熱點分布地圖用不同的顏色代表專利的密集程度。

1.4 核心專利識別方法

采用專利引證分析方法，統(tǒng)計專利被引用的次數(shù)。同時統(tǒng)計專利權(quán)人在不同專利組織多次申請或批準(zhǔn)的內(nèi)容基本相同的專利文獻(xiàn)數(shù)量，以及請求保護的專利權(quán)利的數(shù)量。通過上述三項指標(biāo)的統(tǒng)計分析，為識別公路光伏發(fā)電領(lǐng)域核心專利提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源

本文使用智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫整合了1790 年至今的全球126 個國家/地區(qū)的1.7億余條專利數(shù)據(jù)，不僅能提供專利信息檢索，還支持專利引用檢索和3D 專利地圖制作。本文采用IPC 分類和關(guān)鍵詞組合檢索的方式，在對公路光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠M(jìn)行檢索和初步分析的基礎(chǔ)上，確定近10 年為該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的活躍期，進(jìn)而提取2012—2021年全球太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的專利申請總計2 097 件，用于進(jìn)行公路光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢、專利布局、技術(shù)熱點和核心專利分析。

3 研究結(jié)果

3.1 太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展趨勢

通過對2012—2021十年間公路交通光伏發(fā)電專利進(jìn)行技術(shù)發(fā)展趨勢分析、專利布局分析和核心專利識別，總結(jié)太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出以下特征和趨勢。

（1）公路光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用性強、創(chuàng)新性相對較弱

圖1 所示為2012—2021 十年間公路光伏發(fā)電專利總體情況，專利申請總量為2 097 件，整體表現(xiàn)出持續(xù)增長后下降的趨勢。2018 年專利申請量出現(xiàn)小高峰。近10年來該領(lǐng)域平均專利授權(quán)比例為62.57%。在上述2 097 件專利中，實用新型專利數(shù)量最多，為1 187 件，占全部專利申請量的63.27%?？梢?，當(dāng)前公路光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用性強、創(chuàng)造程度相對較弱，在產(chǎn)品形狀、構(gòu)成或組合方面的革新多于方法發(fā)明或方法改進(jìn)。

圖1 2012—2021年公路交通光伏發(fā)電專利總體情況

（2）我國是公路光伏發(fā)電最大的專利技術(shù)來源國和技術(shù)應(yīng)用國

圖2 所示為全球部分國家/地區(qū)或組織在公路光伏發(fā)電領(lǐng)域各年度專利申請趨勢。該技術(shù)領(lǐng)域的最早專利申請出現(xiàn)在1986 年，近10 年為該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的活躍期，專利申請量占比達(dá)98.3%。我國在該領(lǐng)域的專利申請始于1998 年，在此之前，主要專利權(quán)人來自日本、法國、德國等，這些國家是較早開展太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用研究與實踐的國家。

圖2 全球部分國家/地區(qū)或組織在公路光伏發(fā)電領(lǐng)域各年度專利申請趨勢

近10年，我國公路光伏發(fā)電技術(shù)專利申請量占全球?qū)＠偭康?8%以上，并且中國籍發(fā)明人申請的專利數(shù)量與本國受理的專利數(shù)量基本持平。除我國外，主要技術(shù)來源國家（地區(qū)）包括韓國、西班牙等，技術(shù)應(yīng)用國家（組織）包括韓國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織等。

在我國，共有25個?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）進(jìn)行了公路光伏發(fā)電技術(shù)專利布局。江蘇、廣東、浙江、山東、安徽、北京、河南、四川、上海、湖北是該領(lǐng)域布局專利較多的省份（直轄市、自治區(qū)）。其中江蘇在該領(lǐng)域申請的專利達(dá)264 項。江蘇、廣東、浙江、山東四省的專利申請數(shù)量占我國申請總量的1/3。該領(lǐng)域的專利權(quán)人較為分散，共有1 513 家機構(gòu)和個人活躍在該領(lǐng)域的研發(fā)中。國家電網(wǎng)公司、鴻翌科技有限公司和長安大學(xué)三家機構(gòu)的專利申請量最多，但并未在絕對數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢。

（3）公路光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)主要集中在照明設(shè)備、電池裝置、光伏組件結(jié)構(gòu)等方向

圖3 所示為公路光伏發(fā)電主要的研發(fā)方向分布，該領(lǐng)域研發(fā)主要集中在照明設(shè)備、電池裝置、光伏組件結(jié)構(gòu)、道路標(biāo)志/交通信號裝置、道路車輛交通控制系統(tǒng)等方向。

圖3 公路光伏發(fā)電主要研發(fā)方向分布

圖4 所示為上述主要研發(fā)方向?qū)＠兓厔?。與專利申請趨勢類似，各主要研發(fā)領(lǐng)域的第一個小高峰出現(xiàn)在2017—2018 年。隨后，照明設(shè)備、電池裝置、道路車輛交通控制系統(tǒng)等技術(shù)研發(fā)布局逐步集中，專利數(shù)量在2020 年達(dá)到峰值。

圖4 公路交通光伏發(fā)電主要研發(fā)方向?qū)＠兓厔?/p>

（4）公路光伏發(fā)電核心專利國外多于國內(nèi)，涉及路面、照明裝置、充電裝置、監(jiān)控裝置等領(lǐng)域

綜合分析專利被引用的次數(shù)、專利權(quán)人在不同專利組織多次申請或批準(zhǔn)的內(nèi)容基本相同的專利文獻(xiàn)數(shù)量、請求保護的專利權(quán)利的數(shù)量等三項指標(biāo)，來識別公路光伏發(fā)電領(lǐng)域核心專利，發(fā)現(xiàn)重要專利均出現(xiàn)在2015年之后，國外專利多于國內(nèi)專利，可見專利權(quán)人優(yōu)先選擇在國外（尤其是美國）布局。從內(nèi)容上看，核心專利涉及了路面、照明裝置、充電裝置、監(jiān)控裝置等方面，其中光伏路面和光伏路燈的專利相對較多。

3.2 太陽能光伏在公路領(lǐng)域的應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)

圖5所示為采用1.3節(jié)所述技術(shù)熱點分布分析方法繪制的專利技術(shù)熱點分布圖。太陽能光伏在公路領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及光伏公路邊坡、光伏聲屏障、光伏路面、光伏公路廊道、光伏停車棚、光伏充電站、光伏電網(wǎng)，以及光伏道路養(yǎng)護裝置、光伏道路標(biāo)志標(biāo)線、光伏道路市政設(shè)施、光伏道路監(jiān)控裝置等。

圖5 公路光伏發(fā)電專利技術(shù)熱點分布地圖

（1）光伏公路邊坡

光伏公路邊坡利用支架將光伏組件鋪設(shè)于公路沿線邊坡上，在發(fā)電的同時還有護坡的功能。在邊坡上布設(shè)太陽能板不受當(dāng)前材料水平限制，發(fā)電效率基本不受交通狀況的影響，其關(guān)鍵問題是選址和保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。光伏公路邊坡關(guān)鍵技術(shù)包括：最佳潛在安裝選址評估方法、機架系統(tǒng)選型和架設(shè)位置確定方法、邊坡及支護設(shè)施穩(wěn)定性影響評估方法、交通安全影響評估方法等。

2012—2021 年，光伏公路邊坡相關(guān)專利申請主要集中在以下三個技術(shù)方向：光伏邊坡防護裝置，即依托防邊坡滑坡裝置設(shè)置光伏板、逆變器、蓄電池等組件；光伏邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測裝置，即依托邊坡形變監(jiān)測儀安裝光伏板、蓄電箱等；沙漠公路、高速公路地段等特定場景下光伏護坡裝置和方法等技術(shù)方向。從專利布局來看，多為依托邊坡防護、監(jiān)測、治沙等設(shè)施安裝光伏組件的實用新型專利，幾乎沒有涉及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)明專利。

繼美、日、德等國開展在公路和鐵路兩側(cè)建設(shè)光伏電站的實踐后，我國于2020年發(fā)布了《交通運輸部關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》（交規(guī)劃發(fā)〔2020〕75 號），鼓勵在公路沿線服務(wù)區(qū)、邊坡等合理布局光伏發(fā)電設(shè)施，與市電等并網(wǎng)供電。但我國目前對高速公路邊坡太陽能資源開發(fā)利用得并不多。2018 年，湖北交投新致公司在其投資的湖北某高速公路分布式光伏發(fā)電項目中，于寺坪高速公路收費站一側(cè)的路堤邊坡上建造了兩排太陽能板用以發(fā)電[9]。2021 年，山東高速集團在榮烏高速威海段建設(shè)了邊坡光伏發(fā)電試驗項目并成功并網(wǎng)，這是全國首個高速公路邊坡光伏試驗項目[15]。

公路邊坡上布設(shè)太陽能板不會導(dǎo)致土地用途的改變，裝機技術(shù)要求相對較低，施工和維修相對簡便，且我國公路邊坡面積可觀，依托公路邊坡開發(fā)利用太陽能資源蘊含著巨大的潛力。加強光伏公路邊坡關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，關(guān)鍵是要在提高發(fā)電效率、保障架設(shè)光伏發(fā)電設(shè)備后邊坡的穩(wěn)定性和安全性、保障交通安全等方面形成解決方案或技術(shù)產(chǎn)品。

（2）光伏聲屏障

光伏聲屏障是將聲屏障和光伏系統(tǒng)相結(jié)合，在實現(xiàn)降低交通噪聲的同時產(chǎn)生電能。光伏聲屏障在道路環(huán)境中設(shè)置，需綜合考慮其實際降噪和發(fā)電等方面的性能，關(guān)鍵技術(shù)包括：聲屏障頂端及外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、聲屏障吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計、雙面發(fā)電光伏組件應(yīng)用技術(shù)等。

2012—2021 十年間光伏聲屏障相關(guān)專利主要集中在依托隔音屏加裝光伏發(fā)電裝置、光伏板傾斜角度調(diào)節(jié)和雙面光伏組件裝置應(yīng)用、利于散熱的聲屏障結(jié)構(gòu)、便于安裝與拆換的聲屏障結(jié)構(gòu)、防損壞聲屏障結(jié)構(gòu)、聲反饋遲滯抑制裝置、防止駕駛員視覺疲勞裝置等技術(shù)方向。從專利情況來看，在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均有專利布局，已具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

瑞士、德國、法國、英國等十余個國家都安裝有光伏聲屏障[11]。2015 年，蘇州在西環(huán)高架勞動路段試點建設(shè)雙面光伏發(fā)電聲屏障試驗項目，這是我國首個公路光伏聲屏障應(yīng)用項目，該項目建成運行以來，每月發(fā)電量穩(wěn)定在8 000 度左右[10]。2022年10月，上海高架路試點安裝光伏聲屏障投入試運行[16]。

光伏聲屏障使用現(xiàn)有的隔音屏障作為光伏模塊的子結(jié)構(gòu)，或?qū)⒐夥K整合到新的隔音屏障中，有利于節(jié)約土地資源，便于施工和維護，適合在人口密集地區(qū)和工業(yè)區(qū)部署，且目前在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，需進(jìn)一步在平衡降噪與發(fā)電量、防眩光和防撞等方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）光伏路面

光伏路面是將光伏發(fā)電層應(yīng)用于瀝青或水泥混凝土路面表面的一種新型多功能路面,具有承載交通和清潔發(fā)電的雙重功能。光伏路面結(jié)構(gòu)主要包括實體板塊結(jié)構(gòu)和空心板塊結(jié)構(gòu)兩種[17]，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：光伏路面結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、路面材料設(shè)計、聯(lián)結(jié)電路設(shè)計、路面性能試驗技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)、路面集熱技術(shù)、路面養(yǎng)護維修技術(shù)等。

2012—2021 十年間光伏路面相關(guān)專利主要集中在以下5 個技術(shù)方向：光伏路面結(jié)構(gòu)及施工方法和裝置，包括實體板塊結(jié)構(gòu)，空心板塊結(jié)構(gòu)，利于換熱通風(fēng)的路面結(jié)構(gòu)，具有排水、透光、防滑、融雪等特殊功能的路面結(jié)構(gòu)，緩沖效果好的路面結(jié)構(gòu)，光伏路面鋪裝方法，路面檢測、加固、對齊、安裝支架等附屬裝置等；光伏路面的材料、預(yù)制構(gòu)件或組件及施工工藝，包括高透光、高強度路面材料，壓電、熱電、排水、提升光照度、減少內(nèi)應(yīng)力、與路面材料膠合等組件，光伏組件施工工藝等；光伏路面養(yǎng)護裝置，包括清理/清掃工具、除冰融雪系統(tǒng)等；基于光伏路面的充電方法及設(shè)備，包括無線充電方法、充電亭/停車位、零氣壓輪胎等；光伏路面信息化管理系統(tǒng)。光伏路面專利數(shù)量較多，布局涉及了光伏路面結(jié)構(gòu)、路面材料等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。

光伏路面最早由美國提出，法國、德國、荷蘭、日本、西班牙、匈牙利等國建設(shè)了太陽能路面試驗路[7]。2017 年12 月，我國首個承載式光伏高速公路試驗段正式建成通車[18]。光伏太陽能道路+移動式無線充電+無人駕駛智能車“三合一”超級道路工程于2018年在紹興蘭亭產(chǎn)業(yè)園內(nèi)正式落成[19]。2020 年啟動建設(shè)的我國首條“超級高速公路”杭紹甬智慧高速公路采用光伏路面，通過光伏發(fā)電補充插電式充電樁電量，進(jìn)而實現(xiàn)移動發(fā)電[20]。

光伏路面相關(guān)理論研究相對較多，但受成本、使用壽命、安全性等因素影響，應(yīng)用還處于探索階段，需加快結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝、養(yǎng)護維修技術(shù)、集熱技術(shù)等方面的研究與實踐。

（4）光伏公路廊道

光伏公路廊道是將光伏發(fā)電系統(tǒng)架設(shè)在公路行車道上方，可同時實現(xiàn)發(fā)電、遮陽、避雨雪、公路線形誘導(dǎo)、輔助照明、智能監(jiān)控等多重功能，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：光伏公路廊道設(shè)計方法、荷載作用下廊道結(jié)構(gòu)性能和發(fā)電效能評估方法等。

2012—2021 十年間光伏公路廊道相關(guān)專利主要集中在光伏廊道及其結(jié)構(gòu)、光伏廊道除雪裝置等兩個技術(shù)方向。從專利布局來看，主要解決廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計這一關(guān)鍵問題。

美國、比利時、德國、奧地利等國家依托高速公路、鐵路隧道建設(shè)了光伏廊道，在提供電力的同時，能有效延長路面壽命，降低噪聲污染[21-23]。在我國的相關(guān)實踐中，2017 年，全國首例高速公路匝道圈分布式光伏發(fā)電項目——山東青蘭高速孟疃收費站1 700kWP 分布式光伏發(fā)電項目完成并網(wǎng)[2]；鄂西北片區(qū)高速公路分布式光伏發(fā)電站項目分布在鄂西北片區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)、收費所屋頂和隧道出入口中央隔離帶空地，于2018 年1 月并網(wǎng)運行[24]；杭金衢高速公路新嶺隧道分布式光伏項目利用隧道空閑地面安裝分布式發(fā)電系統(tǒng)，于2021 年并網(wǎng)送電，年發(fā)電量可達(dá)23 萬度[25]；浙江嘉興南湖服務(wù)區(qū)屋頂光伏鋪裝面積5 000m2，年發(fā)電量可達(dá)250MW[2]。

公路光伏廊道初始建設(shè)成本較高，運維難度較大，自提出以來發(fā)展緩慢，研發(fā)主要集中在廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，需進(jìn)一步評估其發(fā)電效能，論證其安全穩(wěn)定性、性價比等。

（5）光伏停車棚

光伏停車棚是指將光伏系統(tǒng)安裝在停車棚上，能在實現(xiàn)傳統(tǒng)停車棚所有功能的基礎(chǔ)上兼具生產(chǎn)可再生能源功能，其關(guān)鍵技術(shù)是考慮環(huán)境陰影遮擋、風(fēng)荷載等作用的停車棚結(jié)構(gòu)、朝向和傾角設(shè)計方法。

光伏停車棚依托傳統(tǒng)停車場建設(shè)，建設(shè)方法相對簡單，針對其結(jié)構(gòu)和性能方面的研究較少，目前在該領(lǐng)域尚無專利布局。光伏停車棚主要服務(wù)于電動汽車，能量管理、電動汽車充電策略、對電網(wǎng)的影響等是關(guān)注的焦點。

（6）公路光伏充電站/充電樁/充電系統(tǒng)

公路光伏充電站/充電樁/充電系統(tǒng)是將光伏系統(tǒng)安裝在高速公路服務(wù)區(qū)或供電站，為電動汽車、新能源汽車等提供充電服務(wù)。公路光伏充電站一般采用光伏發(fā)電-蓄電池充電的電池更換模式，由太陽能光伏電池組件陣列、直流匯流箱、光伏逆變器、光伏充電控制器及蓄電池等構(gòu)成[12]，目前面臨的主要技術(shù)問題是光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性、蓄電池成本，以及和國內(nèi)外電動汽車充電樁標(biāo)準(zhǔn)脫軌。

2012—2021 十年間光伏充電站/充電樁/充電系統(tǒng)相關(guān)專利主要集中在以下3 個技術(shù)方向：充電裝置，包括設(shè)置在道路單側(cè)或雙側(cè)的分布式充電站、充電樁或充電系統(tǒng)，安裝在高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)的充電樁，在道路上可移動的充電樁，可實現(xiàn)在道路上邊行駛邊充電的即時系統(tǒng)，風(fēng)光互補發(fā)電裝置，以及依托道路地下空間、路燈、護欄等設(shè)置的充電站、充電樁或充電系統(tǒng)；充電站選址定容方法，包括適用于城市道路和高速公路兩種場景下的方法；電動汽車智能停車充電站外形設(shè)計。

公路光伏充電站的應(yīng)用依賴于光伏充電站技術(shù)的發(fā)展，在政府鼓勵推廣新能源汽車、各地積極推動充電設(shè)施建設(shè)的背景下,公路光伏充電站具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

（7）其他應(yīng)用

光伏發(fā)電技術(shù)在公路領(lǐng)域的應(yīng)用還包括設(shè)置在道路兩側(cè)、公路橋梁兩側(cè)、路燈上、跨路天橋上方、隔離帶上等路面上方空間的光伏電網(wǎng)、光伏/風(fēng)光電站、光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及設(shè)置在高速公路服務(wù)區(qū)的風(fēng)光微電網(wǎng)系統(tǒng)、光伏電站管理監(jiān)控系統(tǒng)等。光伏電網(wǎng)、光伏道路凈化/綠化裝置、光伏道路清掃裝置、光伏路燈、光伏電子監(jiān)控裝置、光伏防護欄/警示燈、光伏道路測速裝置等專利密集程度較高,布局較為成熟。

4 問題與建議

4.1 主要問題

通過對太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)布局、研發(fā)主體、研發(fā)熱點、研發(fā)趨勢等的分析，結(jié)合目前我國公路光伏發(fā)電應(yīng)用成果，認(rèn)為在該領(lǐng)域存在以下主要問題。

（1）光伏發(fā)電技術(shù)在公路領(lǐng)域的應(yīng)用與國家要求差距較大

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》等國家層面的政策鼓勵在交通樞紐場站以及公路、鐵路等沿線合理布局光伏發(fā)電及儲能設(shè)施，建立交通自洽能源系統(tǒng)，推動交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、信息網(wǎng)、新能源網(wǎng)“三網(wǎng)”融合。但從目前公路光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用情況來看，光伏道路凈化/綠化裝置、光伏道路清掃裝置、光伏路燈、光伏電子監(jiān)控裝置、光伏防護欄/警示燈、光伏道路測速裝置等將光伏發(fā)電與交通設(shè)施簡單結(jié)合、創(chuàng)新性相對較弱的專利數(shù)量較多。在國家所倡導(dǎo)的依托公路邊坡、服務(wù)區(qū)、樞紐場站等公路基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施布局光伏發(fā)電設(shè)施方面，光伏公路邊坡、光伏公路廊道、光伏停車棚專利數(shù)量少，涉及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)明專利更少，技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展緩慢；光伏聲屏障關(guān)鍵技術(shù)具備一定的基礎(chǔ)，但應(yīng)用較少；公路光伏充電站受發(fā)電穩(wěn)定性、蓄電池成本、標(biāo)準(zhǔn)等影響，未得到有效推廣。光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，建成的項目大多為試驗性項目，結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全影響、管養(yǎng)、電力消納等諸多問題亟待研究解決。

（2）光伏發(fā)電應(yīng)用于公路領(lǐng)域缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模不大，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。現(xiàn)行的《城市道路交通工程項目規(guī)范》（GB 55011—2021）[26]、《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）[27]、《高速公路設(shè)計指南》（DB 41/T 419—2014）[28]等國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)對于公路邊坡、服務(wù)區(qū)、沿線設(shè)施、交通樞紐等設(shè)計施工均有明確要求。在交通樞紐場站和公路沿線布局光伏發(fā)電設(shè)施，一方面要符合現(xiàn)行的公路工程設(shè)計施工技術(shù)規(guī)范，另外一方面要綜合考慮選址、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、管養(yǎng)、成本效益等多方面的問題，需在綠色公路建設(shè)系列標(biāo)準(zhǔn)中考慮光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。

（3）產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，研究成果應(yīng)用緩慢，產(chǎn)業(yè)化程度低

“十三五”以來，我國光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，在光伏電池、組件等多個領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。在交通與能源融合發(fā)展方面，圍繞高速公路綠色能源自洽供給、智慧型太陽能高速公路等開展了一系列研究工作[29]，提出了公路與太陽能融合應(yīng)用的若干技術(shù)方案，包括光伏公路邊坡、光伏公路廊道、光儲充一體化停車位、公路太陽能收費門架、光伏發(fā)電防眩板、智慧型光伏路面等[9]。然而從公路光伏發(fā)電專利布局及相關(guān)項目建設(shè)情況來看，光伏公路邊坡、光伏公路廊道、光伏停車棚等依托公路交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行光伏發(fā)電的專利技術(shù)布局稀疏，缺乏解決關(guān)鍵技術(shù)問題的專利，創(chuàng)新性不足。光伏路面理論研究相對較多，但成本、使用壽命、安全性等方面的技術(shù)難題尚未解決，應(yīng)用前景不明朗。另外，對光伏發(fā)電與公路結(jié)合的各種應(yīng)用場景的適用性、可行性、安全性和性價比的分析不足，多種應(yīng)用場景技術(shù)方案尚未開展試驗探索。研究成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化不夠，實施的項目大多以科研試驗為主要目的，光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域的應(yīng)用還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)化程度低。

4.2 發(fā)展建議

光伏發(fā)電成本在技術(shù)進(jìn)步帶動下持續(xù)下降，使得光伏與公路融合發(fā)展成為可能。為推進(jìn)我國公路光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，降低對傳統(tǒng)能源的依賴，逐步實現(xiàn)公路交通系統(tǒng)能源自洽的清潔能源生產(chǎn)和利用，提出以下政策建議。

（1）統(tǒng)籌規(guī)劃，完善頂層設(shè)計

聯(lián)合國家發(fā)改委、國家能源局、工信部等行業(yè)主管部門以及國家電網(wǎng)有限公司等央企，在交通與能源融合發(fā)展政策的引領(lǐng)下，對光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域應(yīng)用的各類場景進(jìn)行充分分析，確定光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域應(yīng)用的目標(biāo)，提出頂層設(shè)計和技術(shù)路線，做好產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，在交通固定資產(chǎn)投資中對公路光伏發(fā)電項目給予支持。

（2）加強關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和專利布局

依托國家重點研發(fā)計劃、交通運輸行業(yè)重點科技項目清單、地方政府重點科技項目、產(chǎn)學(xué)研合作項目等，開展光伏發(fā)電在公路領(lǐng)域應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，主要包括：最佳潛在安裝選址評估方法、機架系統(tǒng)選型和架設(shè)位置確定方法、邊坡及支護設(shè)施穩(wěn)定性影響評估方法、交通安全影響評估方法等公路邊坡光伏設(shè)計施工技術(shù)；考慮提升發(fā)電量、降低噪聲、防眩光、防撞等的光伏聲屏障結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；公路光伏廊道結(jié)構(gòu)性能和發(fā)電效能評估技術(shù)；路面結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、新型路面材料、路面養(yǎng)護維修、路面集熱等光伏路面技術(shù)；光伏停車棚結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、發(fā)電儲能充電一體化等光伏停車棚關(guān)鍵技術(shù)等。加強科研成果轉(zhuǎn)化，在光伏公路邊坡、光伏公路廊道、光伏充電站、光伏停車棚、光伏聲屏障等光伏發(fā)電在公路交通基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域加強專利布局。

（3）建立健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

總結(jié)建成并投入運營的光伏充電站、光伏路面、光伏公路邊坡、光伏公路廊道等項目的技術(shù)成果，結(jié)合交通與能源融合科技計劃項目研究成果、公路光伏發(fā)電專利技術(shù)及應(yīng)用情況等，提煉形成光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于公路交通基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施的技術(shù)要求，補充至綠色公路建設(shè)系列標(biāo)準(zhǔn)，從而指導(dǎo)公路光伏發(fā)電項目的設(shè)計、施工、管養(yǎng)等。

（4）在綠色公路示范工程中因地制宜推廣光伏發(fā)電技術(shù)

引導(dǎo)和鼓勵在太陽能資源豐富的一、二類地區(qū)開展的綠色公路示范工程建設(shè)中，因地制宜地推廣太陽能清潔資源的應(yīng)用。根據(jù)公路所處地理環(huán)境、交通流量特征、公路供電需求等，有針對性地依托公路邊坡、服務(wù)區(qū)、隧道等部署光伏發(fā)電設(shè)施，跟蹤公路光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用效益，積累產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。

（5）完善市場機制，引導(dǎo)公路光伏發(fā)電領(lǐng)域企業(yè)健康發(fā)展

前述對公路光伏發(fā)電專利權(quán)人的分析顯示，該領(lǐng)域研發(fā)主體分散，中小企業(yè)居多，尚未形成具有絕對優(yōu)勢并處于壟斷地位的研發(fā)主體。需要聯(lián)合工信部等行業(yè)主管部門，加強對公路光伏發(fā)電領(lǐng)域的產(chǎn)品認(rèn)定和質(zhì)量監(jiān)督，建立健全市場準(zhǔn)入機制，推動公路光伏發(fā)電納入全國碳排放權(quán)交易等市場建設(shè)，確保光伏發(fā)電技術(shù)在公路領(lǐng)域的應(yīng)用效果，引導(dǎo)該領(lǐng)域企業(yè)健康發(fā)展，推動公路光伏發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。

5 結(jié)語

加快交通與能源的融合發(fā)展，從供給側(cè)和需求側(cè)同步發(fā)力，是實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要路徑。新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，為其在公路領(lǐng)域推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。本文采用技術(shù)發(fā)展趨勢分析、專利布局分析、技術(shù)熱點分析、核心專利識別等專利計量分析方法，基于2012—2021 十年間公路光伏發(fā)電專利數(shù)據(jù)，分析了太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)布局、研發(fā)主體、研發(fā)熱點、研發(fā)趨勢等，重點剖析了光伏公路邊坡、光伏聲屏障、光伏路面、光伏公路廊道、光伏停車棚、光伏充電站、光伏電網(wǎng)等典型應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)發(fā)展情況，結(jié)合我國公路光伏發(fā)電應(yīng)用成果，分析目前存在的主要問題，提出發(fā)展建議。未來將進(jìn)一步深化太陽能光伏在公路領(lǐng)域應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究，跟蹤公路光伏發(fā)電項目建設(shè)和應(yīng)用情況，為太陽能光伏在公路領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供切實有效的解決方案。