基于知識圖譜的抽水蓄能專利信息挖掘與可視化研究

于凱, 黃馨閱

(1.新疆財經(jīng)大學信息管理學院, 烏魯木齊 830012; 2.新疆財經(jīng)大學公共管理學院, 烏魯木齊 830012)

追溯最早的抽水蓄能電站是建于1882年的瑞士蘇黎世的奈特拉抽水蓄能電站,利用地勢落差,將汛期河流多余的水量抽到山上的湖泊中,在枯水期用這些水來發(fā)電,是一座季調(diào)節(jié)型抽水蓄能電站。目前抽水蓄能電站分布廣泛,遍及瑞士、意大利、德國、奧地利、捷克、法國、西班牙、美國、巴西、智利和日本等國家。該技術于20世紀六七十年代引入中國,經(jīng)歷迅速的發(fā)展,中國于2017年成為全世界抽水蓄能電站規(guī)模最大的國家[1]。

抽水蓄能技術是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分,其原理是在山上山下建設兩個水庫,在用電低谷時用“富余”的電,把山下的水抽到山上儲存起來,在用電高峰時,放水發(fā)電,其本質(zhì)相當于一個大的清潔能源蓄電池,可以作為電網(wǎng)的穩(wěn)壓器,清潔能源的儲存器。抽水蓄能電站能夠優(yōu)化電能結(jié)構,提高電網(wǎng)消化新能源的能力,存儲風電、太陽能發(fā)電、核電等清潔能源,節(jié)約煤炭資源,減少二氧化碳排放。在2021年9月,國家能源局印發(fā)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[2]中指出:抽水蓄能技術是當前經(jīng)濟性最優(yōu)、技術最成熟、最具大型規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng),同時也是助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要技術。為此在全球應對氣候變化,中國努力實現(xiàn)“2030年前碳達峰、2060 年前碳中和”目標,加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢下,抽水蓄能加快發(fā)展勢在必行。

近年來中外相關抽水蓄能技術研究成果豐富。在抽水蓄能電站的選址[3-5]與建設方面,考慮水文因素、地質(zhì)因素、經(jīng)濟因素、施工條件等[6]因素,抽水蓄能電站的選址范圍從傳統(tǒng)的上下游水庫發(fā)展到廢棄礦井[7-11]和沿海及海島地區(qū)[12-17]。這種地下或淺水層抽水蓄能電站可以合理利用地質(zhì)資源,減少投資以及對于當?shù)鼐坝^和居民的影響,也能拓展在平坦地形中建設抽水蓄能電站思路。在抽水蓄能與其他新能源協(xié)調(diào)發(fā)展方面,提出了“抽水蓄能+其他清潔能源”的聯(lián)合發(fā)展模型[18-21]。建立了以光伏、潮汐能、風電[22-24]、核能[25-26]和抽水蓄能為主體的新能源抽水蓄能組合系統(tǒng)模型,這為清潔能源存儲提供了靈活有效的解決方案,也為中國西部太陽能、風能的開發(fā)和穩(wěn)定輸出提供了新的技術支持[27]。在抽水蓄能電站優(yōu)化方面,包括電站的智能化[28],以及對于設備的優(yōu)化[29]。通過數(shù)字技術完善對電站進行檢修[30-31],依托云計算平臺及大數(shù)據(jù)收集分析[32],實現(xiàn)了掘進數(shù)據(jù)的分析與共享[33]。這些智能化的優(yōu)化幫助抽水蓄能電站建設和后期的管理。通過完善了抽水蓄能機組的調(diào)節(jié)功能[34-37],降低對電網(wǎng)造成的頻率調(diào)節(jié)壓力;完善相關變壓器的功能算法[38-39],保護電站的安全運行;改善調(diào)速器的精確性[40],提高電站的控制性能等。這些關鍵部件的優(yōu)化,幫助實現(xiàn)電站的穩(wěn)定運行。在抽水蓄能電價的設定方面,提出了依據(jù)電力市場背景下的抽水蓄能電站參與市場交易機制的具體方案[41-48]。如通過分階段然后使用長期邊際成本法[49]獲得抽水蓄能電站的分時報價策略,提高報價精度,實現(xiàn)更大利益。

綜上所述,中外學者針對抽水蓄能主要聚焦于選址、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、運營等方面的研究,目前鮮有抽水蓄能的專利研究,所以現(xiàn)以抽水蓄能相關專利為研究對象,通過對抽水蓄能專利信息的挖掘,用知識圖譜的方式展示中外抽水蓄能領域的研究熱點、研究現(xiàn)狀及專利權人的分布狀況,用PageRank算法結(jié)合聚類分析展示抽水蓄能領域所研究的重點方向,并基于中國目前的研發(fā)現(xiàn)狀提供建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 知識圖譜研究法

通過對專利信息的挖掘,可以反映出該技術領域的發(fā)展情況。在現(xiàn)存專利信息挖掘研究中,大量采用知識圖譜的研究方式,運用CiteSpace等軟件,通過德溫特手工代碼將專利信息從宏觀與微觀層面對專利信息進行量化挖掘研究分析,繪制所研究領域知識結(jié)構、知識演化等各類知識圖譜。之后再利用共現(xiàn)和聚類分析等方法來挖掘技術間的互聯(lián)關系,直觀清晰地呈現(xiàn)技術背后的研究領域的關鍵技術及其分化趨勢,再通過文本信息挖掘其發(fā)展趨勢,然后梳理出該領域的技術發(fā)展時間演變趨勢圖,經(jīng)過這一系列的研究后,可以從現(xiàn)有專利信息推測該領域未來可能的技術機會,例如,張問采等[50]直觀清晰地展示全球4D打印技術現(xiàn)階段的新興技術、關鍵領域。肖涵彬等[51]利用知識圖譜的可視化展示了碳捕集、 利用與封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技術專利的時間與空間分布、整體熱點技術與前沿技術,該研究在碳中和背景下會對未來從事該技術領域研究的學者起到了引導作用。在不同的時期對同一種專利技術進行分析,也會得到不一樣結(jié)果,像區(qū)塊鏈技術,邵澤宇等[52]基于知識圖譜研究區(qū)塊鏈專利發(fā)現(xiàn),研究重點從早期的數(shù)據(jù)庫、密碼學、金融演化到法律法規(guī)、識別等方向,車輛微處理器系統(tǒng)等應用占據(jù)關鍵地位;王傳高等[53]研究得出區(qū)塊鏈熱點技術領域為金融商業(yè)、通信和數(shù)據(jù)處理,其中數(shù)據(jù)處理和通訊領域是由于政策的推動,近兩年增速較快。由此可見,基于知識圖譜的專利信息挖掘可以在宏觀微觀層次上對于技術的發(fā)展進行展示,也能通過整合現(xiàn)有專利信息對于未來技術走向進行預測,還能對于現(xiàn)在的研究起到技術梳理的作用。

1.1.2 PageRank算法

有許多指標可以用來分析科研合作網(wǎng)絡的拓撲特征和演化特征。一共選取了4個指標:度、聚類系數(shù)、中介中心性和PageRank來研究機構間科研合作網(wǎng)絡的結(jié)構特征和演化特征。

PageRank算法借鑒了傳統(tǒng)的引文分析的思想,其原本用于分析網(wǎng)頁之間的貢獻程度,然后利用其結(jié)果對于網(wǎng)頁進行重要值的排序[54],這個排序?qū)τ诰W(wǎng)頁檢索有很大的幫助。國內(nèi)學者利用PageRank算法來對學術論文進行評價,因為PageRank算法將不同引用的重要性差別考慮在內(nèi),可以挖掘出容易被引次數(shù)忽視的重要的論文[55]。和傳統(tǒng)的利用被引次數(shù)來挖掘重要論文的方法相比,它可以更好地反映論文的權威性。此外,PageRank算法得到的排序能包含來自不同領域的論文,利用這個特性,可以利用其對“全局”進行排序。將利用PageRank算法的特性,將它所得的重要性值與聚類分析后專利的類別進行分類累加,然后對其值進行排序分析,得到最重要的類別排序,分析其類別中專利的特性,反映出該技術領域的特性。

將聚類分析所得的類與PageRank算法相結(jié)合,將聚類后所包含的每個專利的PageRank值進行累加之后排序,由此得出所得類的重要程度的排序,再對這些類進行分析,得出抽水蓄能領域重要研究方向。

1.2 數(shù)據(jù)來源

德溫特專利數(shù)據(jù)庫(derwent innovation index,DII)是全球最權威的專利數(shù)據(jù)庫之一,收錄1963年至今全世界不同專利機構授權的數(shù)千萬條專利信息,且每周更新一次[56-59]。本文研究使用的專利數(shù)據(jù)是在德溫特專利數(shù)據(jù)庫中以“抽水蓄能”為檢索主題,檢索式為TS=“pump* storag*”“OR pump* hydro”,獲得到2021年12月31日為止有關抽水蓄能的技術專利數(shù)據(jù)2 601條,數(shù)據(jù)下載日期為2022年1月26日。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 總體時間和空間分布

如圖1所示,1974—2021年期間全球抽水蓄能專利申請整體上呈上升趨勢。其中,1974—2011年,抽水蓄能專利申請呈平穩(wěn)增長態(tài)勢但申請量整體偏小。進入2011年后,專利申請量逐年大幅攀升,2017年專利申請數(shù)量有所回落,2018—2021年專利申請數(shù)量又開始快速增長。截至2021年12月31日,累計專利數(shù)達2601件。

圖1 1974—2021抽水蓄能技術專利時間分布

在擁有抽水蓄能技術專利數(shù)量排名前10的專利權人中,如表1所示,來自中國的公司和大學占大多數(shù),分別為:國家電網(wǎng)有限公司、國網(wǎng)新源控股公司、哈爾濱電機廠有限責任公司、山東泰山抽水蓄能電站有限公司、華北電力大學、中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司、華中科技大學。其他占專利權人排名前10的公司分別來自日本和德國,它們分別是:日立有限公司、東芝集團、沃伊斯造紙專利有限公司。

表1 抽水蓄能技術專利數(shù)量排名前10位的專利權人

通過統(tǒng)計各個國家發(fā)表的專利數(shù)目,對擁有專利數(shù)超過10個的共15個關鍵國家做矩形樹圖,如圖2所示。從整體來看,大部分專利都來自于中國,且專利量遠高于其他國家。排在第二位和第三位的國家分別是日本和德國。

圖2 關鍵國家抽水蓄能技術專利矩形樹圖

2.2 抽水蓄能技術創(chuàng)新熱點分析

2.2.1 技術創(chuàng)新領域共現(xiàn)分析

將從德溫特專利數(shù)據(jù)庫中采集到的2 601條抽水蓄能相關的專利數(shù)據(jù)導入CiteSpace中,首先進行格式轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化為CiteSpace可以識別的格式。采集的數(shù)據(jù)中最早的一條是在1974年,所以本文研究將時間段定為1974—2021年,時間切片設置為1年。閾值設置方式選擇閾值插值,為了讓圖譜體現(xiàn)出重要關系,將閾值(c,cc,ccv)分別設置為(1,2,20)、(3,2,20)、(4,3,20),剪枝算法選擇Pathfinder,剪枝策略選擇Pruning slice network以簡化網(wǎng)絡突出重要結(jié)構,以德溫特手工代碼為節(jié)點構建德溫特手工代碼共現(xiàn)網(wǎng)絡,得到一個節(jié)點數(shù)N=258、節(jié)點間連線E=608、網(wǎng)絡密度Density=0.02的網(wǎng)絡,結(jié)果如圖3所示。

圓圈表示專利中所包含的德溫特手工代碼;圓圈大小表示其出現(xiàn)次數(shù)的多少;連線表示各手工代碼之間的共現(xiàn)情況

為了更好地分析抽水蓄能專利的具體專利分布,統(tǒng)計了在德溫特手工代碼共現(xiàn)網(wǎng)絡中頻次排名前20位的手工代碼,并查詢每一個手工代碼的釋義和在共現(xiàn)網(wǎng)絡中第一次出現(xiàn)的年份,具體結(jié)果如表2所示。

表2 頻次排名前20位的德溫特手工代碼

如表2所示,頻次最高的德溫特手工代碼是Q54-X(其他非容積式流體發(fā)動機/機器;其他機械能系統(tǒng)),排在第2位的手工代碼是X12-H01B(多源系統(tǒng)、系統(tǒng)互連、電力傳輸),排在第3位的是X16-B01(電池)?？梢钥吹脚旁谇?位的手工代碼中,除了排在第2位和第4位的代碼,其他德溫特手工代碼首次出現(xiàn)的年份都在2012年之后;從整體排在前20位的德溫特手工代碼來看,只有5個代碼最早出現(xiàn)在1997年之前,其他的代碼首次出現(xiàn)都在2012年之后?？梢婋m然抽水蓄能技術已經(jīng)非常成熟,但在近10年里仍然有許多技術突破。1997年之前的研究主要集中在對抽水蓄能電站、電力傳輸、發(fā)電廠、渦輪機、電能存儲等一些大方面的基礎技術研究,而在2012年之后主要是從一些具體的方面做出技術改進或者有新的應用,技術改進包括減少或防止電源振蕩、供水管理、水的凈化、控制電壓的產(chǎn)生等,新的應用包括其他發(fā)動機、平衡網(wǎng)絡負載、電氣設備配套處理系統(tǒng)等。

2.2.2 技術創(chuàng)新領域突現(xiàn)分析

突發(fā)性檢測可以用于檢測短期內(nèi)節(jié)點頻次突然增加[51],德溫特手工代碼突發(fā)性檢測可以從動態(tài)的角度反映出一段時間里影響力較大的研究技術[60]。統(tǒng)計1974—2021年突現(xiàn)值排名前21位的德溫特手工代碼如表3所示。其中,突現(xiàn)度排在前10位的手工代碼分別是X11-B09(水力發(fā)電廠的其他詳細信息)、X11-B06(抽水蓄能電站)、X16-B01(電池)、U24-H(低功率系統(tǒng))、D04-A01F1(其他過濾工藝)、X25-H03(水和污水處理)、X13-G02X(發(fā)電機其他控制細節(jié))、X11-B10(監(jiān)控、操作和控制)、X21-A01F(電動車)和P14-B01(嚇唬、捕捉或殺死動物)。根據(jù)突現(xiàn)的時間分布情況可以將抽水蓄能的技術發(fā)展大致分為4個階段。

表3 Burst值排名前21位的德溫特手工代碼突現(xiàn)情況

在第一階段(1978—1996年),在這個時間區(qū)間里的專利技術主要與水力發(fā)電廠和發(fā)電機的其他細節(jié)相關(X11-B09和X13-G02X);有關泵、壓縮機(X25-L03)和啟動電動機或轉(zhuǎn)換器(X13-F01)的研究也都是第一階段里的熱點技術。這時主要以蓄水為目的,用于調(diào)節(jié)水電站發(fā)電季節(jié)不平衡的問題,主要是汛期蓄水,枯水期發(fā)電。

第二階段(1996—2011年),這段時間里,抽水蓄能電站(X11-B06)是研究的熱點技術領域且持續(xù)時間有19年,可以看出抽水蓄能相關技術研究由第一階段的由水力發(fā)電廠來發(fā)電供應到現(xiàn)在的通過抽水蓄能電站不僅將水能轉(zhuǎn)化為電能,還能將電能存儲起來等到需要的時候再用。這一階段的熱點技術還有對水力發(fā)電廠監(jiān)控、操作和控制(X11-B10)技術和低功率系統(tǒng)(U24-H)技術。這時抽水蓄能電站主要發(fā)揮的是調(diào)峰的設備和功能,由于發(fā)達國家和地區(qū)像美國、西歐、日本等陸續(xù)建造了大量的核電站,帶來了較大的調(diào)峰需求,為配合核電站運行,抽水蓄能電站蓬勃發(fā)展。同時,中國也積極發(fā)展引進抽水蓄能技術,在華北、東北、南方等地區(qū)相繼建設了一批抽水蓄能電站。

第三階段(2012—2016年),在這5年里出現(xiàn)了許多新的抽水蓄能熱點技術,對于水的處理是其中一個技術研究熱點,包括通過沉淀、沉降、絮凝凈化水(D04-A01B)、水和污水處理(X25-H03)、工作液(X15-A01A1)和流體加熱系統(tǒng)(Q74-A02A)等,在將水能轉(zhuǎn)化為電能技術逐漸成熟后,更多的是去關注后續(xù)的水如何處理的技術問題。另一方面有關電能的具體應用,有電池(X16-B01)技術相關研究和如何應用到電動車(X12-A01F)、如何與太陽能結(jié)合的技術等。隨著抽水蓄能技術的成熟和新能源的快速發(fā)展,抽水蓄能因其靈活的調(diào)節(jié)特新成為保障太陽能、風能等不可控新能源發(fā)電的重要手段。

從表3中可以看出，健康和婚姻狀況依然是影響主觀幸福感的顯著因素。主觀幸福感隨著主觀健康狀況的惡化呈逐漸下降的趨勢，客觀疾病雖然對主觀幸福感的負向影響依然顯著，顯著程度由OLS回歸的1%的水平變?yōu)?0%的水平。在婚姻狀況中，已婚和離異對主觀幸福感的影響并不顯著，喪偶顯著降低了個體的主觀幸福感。對比表3與表2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在控制了不可觀測的個體變量如性格、心理及其他等因素后，健康、疾病對于主觀幸福感的影響顯著減少了，而喪偶對主觀幸福感的負向影響顯著增加了。這一結(jié)果與表2的回歸結(jié)果相比更具真實性。

第四階段(2017—2021年),在這個時間段內(nèi)有關水處理的技術研究依然很多,有其他過濾工藝(D04-A01F1)和蓄水池(Q42-D03)。其他熱點技術有管道和渡槽(Q42-D01)技術研究、減少和防止電源震蕩(X12-H01A5)技術研究。由于抽水蓄能技術的成熟,該技術的發(fā)展更加注重于技術的改進。隨著抽水蓄能對于新能源靈活調(diào)節(jié)被越來越多國家所重視,抽水蓄能的專利也越來越多,國際可再生能源署(International Renewable Energy Agency, IRENA)的相關也反映了各國抽水蓄能建設意向,其中IRENA展望報告《電力儲存與可再生能源:2030年的成本與市場》[61]的基本預測情景中提出,到2030年,抽水蓄能裝機增長幅度為40%～50%。中國也發(fā)布了《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》,這都表明未來抽水蓄能將會有一個很好的發(fā)展。

2.2.3 技術創(chuàng)新領域聚類分析

對抽水蓄能領域技術專利德溫特手工代碼共現(xiàn)網(wǎng)絡進行k-means聚類,選取其中k聚類系數(shù)最大的10類,結(jié)果顯示如圖4所示,聚類模塊度值Q為0.715 3,聚類平均輪廓值S為0.845 5,Q>0.3且S>0.7,說明聚類結(jié)構顯著,聚類結(jié)果合理[61]。結(jié)合時間軸顏色的變化可以看出早期的4個類別(#3、#5、#8、#9)和其他類別融合程度較低,而后期余下的6類內(nèi)容融合度比較高。從內(nèi)容上看,主要研究的是結(jié)合太陽能板的水能與太陽能的混合發(fā)電技術(#0 solar energy panel);電能的存儲方法(#1 shell body、#2 box body)、一些具體裝置的改進技術(#6 water turbine)、污染物和廢料的處理技術(#3 removing pollutant、#7 waste material box)等。

圖4 抽水蓄能技術專利的聚類結(jié)果圖

2.2.4 技術創(chuàng)新領域演化分析

圖5展示的是k聚類系數(shù)排在前7位聚類的魚眼圖,類別按照聚類系數(shù)從大到小從上到下排列,圓圈代表技術,其標號為專利的德溫特手工代碼,圓圈的大小反映出現(xiàn)的頻次,圓圈之間的連線反映著各技術之間的聯(lián)系,圖5最上方的年份反映著關鍵詞首次出現(xiàn)的時間。魚眼圖一方面可以和時間線圖一樣體現(xiàn)每一個聚類內(nèi)部的發(fā)展,另一方面可以將感興趣的區(qū)域放大顯示,焦點周圍的信息內(nèi)容逐漸縮小,更有利于分析關注時間區(qū)域內(nèi)的信息。為了發(fā)現(xiàn)抽水蓄能領域的前沿技術,研究中重點關注近幾年的技術。首先是從共聚物(#5 copolymer)的角度實現(xiàn)抽水蓄能一些技術上的突破,但這個方向的研究只在前期研究的比較多,1985年之后較少。對于箱體(#2 box body)和水輪機(#6 water turbine)的研究持續(xù)時間最長。對于箱體的研究,在1983年左右,研究者們從多源系統(tǒng)、系統(tǒng)互聯(lián)、電力傳輸(X12-H01B)的角度實現(xiàn)在需要的時候?qū)⑶捌谕ㄟ^抽水存儲起來的能量轉(zhuǎn)化為電能并輸送出去;2012年左右,出現(xiàn)從電池(X16-B01)角度出發(fā)的技術;緊接著研究發(fā)現(xiàn)通過抽水蓄能可以實現(xiàn)通過儲能平衡網(wǎng)絡負載(X12-H01A7)的目的,2018年左右研究如何減少或防止功率振蕩的較多。太陽能電板(#0 solar energy panel)、殼體(#1 shell body)和抽水蓄能水電站(#4 pumping energy storage power station)主題的技術研究是近十年研究較集中且突破較多的主題。以太陽能電板主題研究為例,2012年左右出現(xiàn)集熱板技術(X15-A01A)和發(fā)電機(X15-B01B)技術,之后關于這一主題的研究一直較多,在2016年出現(xiàn)水供應(Q42-D)方面的研究,包括隨后出現(xiàn)的水利工程(Q42-A)和地下水(Q42-B)方面的研究,說明結(jié)合水能和太陽能的混合式發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為研究熱點。

圖5 抽水蓄能技術專利的魚眼圖

2.3 抽水蓄能研究的機構合作分析

采集到的數(shù)據(jù)中,2 601個發(fā)明專利中有669個專利是機構間合作完成的,多機構申請專利約占26%。如圖6所示,2010年之前有關抽水蓄能有關的研究較少,2010年以后,尤其是2017年開始有關抽水蓄能有關的研究顯著增多,科學合作比例也逐漸增加。

圖6 專利合作發(fā)表量和合作百分比的時間演化

如圖6所示,前期的專利數(shù)量比較少,所以后續(xù)的研究重點放在2011—2021年的專利數(shù)據(jù)。如圖7所示,2017年之后科研合作網(wǎng)絡的規(guī)模逐年增大,專利的科研合作網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量從46增長到117。對于抽水蓄能技術的研究,越來越多的機構意識到機構間合作的重要性,并積極參與到機構間的科研合作中來,一些權威機構也通過合作將資源分配給合作伙伴。

圖7 機構合作網(wǎng)絡節(jié)點和邊數(shù)量的時間演化圖

圖8是2011—2021年抽水蓄能技術專利中機構合作網(wǎng)絡圖?？梢钥吹?兩個最大的節(jié)點分別是國家電網(wǎng)有限公司和國網(wǎng)新源控股有限公司,可以看出這兩家公司在機構合作網(wǎng)絡中的重要地位。

節(jié)點的大小代表節(jié)點加權度的大小;節(jié)點的顏色由節(jié)點屬于的社區(qū)確定

為了驗證度分布是否是冪律分布,對機構合作網(wǎng)絡的度k和度對應的頻數(shù)P(k)進行雙對數(shù)處理,然后擬合成一條擬合度為0.769的直線,如圖9所示,說明節(jié)點的度分布服從冪律分布,2011—2021年的機構合作網(wǎng)絡具有異質(zhì)性和無標度特性。因此機構合作網(wǎng)絡中只有少數(shù)重要機構科研合作較多,大多數(shù)機構科研合作較少[62]。

圖9 節(jié)點度分布

研究中將度值排名在前20的節(jié)點定義為重要機構。利用中介中心性和聚類系數(shù)來量化各個節(jié)點的中介作用。在合作網(wǎng)絡中,中介中心性較高的節(jié)點是網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點,通常是資源較為豐富的機構[51]。聚類系數(shù)是網(wǎng)絡中個體的鄰居節(jié)點同時也表示互為鄰居節(jié)點的可能性。圖10中的重要機構大部分都來自中國,并且大部分都是公司,只有3個是科研院校,它們分別是湖南大學、華北電力大學和中國電力科學研究院。從圖10中可以看出聚類系數(shù)較小的國家電網(wǎng)有限公司、國網(wǎng)新源控股有限公司等機構中介中心性較高,這說明國家電網(wǎng)有限公司和國網(wǎng)新源控股有限公司處于抽水蓄能技術領域的中心位置,具有較多的資源。3個科研院校和國家電網(wǎng)有限公司相比中介中心性更低,但聚類系數(shù)要高于國家電網(wǎng)有限公司,說明3個科研院校在合作機構中不具有主導地位。

圖10 重要機構的聚類系數(shù)與中介中心性

2.4 抽水蓄能研究的引用分析

將專利中除去無引用數(shù)據(jù)的專利后進行共現(xiàn)網(wǎng)絡分析,共計838件專利,利用Gephi進行展示,各節(jié)點的大小反映其權重,引用次數(shù)越多的專利,其權重和大小會隨之變大,其邊反映各節(jié)點之間的引用關系,所得結(jié)果如圖11所示,所得圖密度為0.012,模塊化為0.799,平均聚類系數(shù)為0.938,平均路徑長度為5.182,具有小世界性的特征。

通過聚類被分為163個類,結(jié)合其節(jié)點的PageRank值之和來看類的重要程度,其中排名前10類的PageRank值已經(jīng)占其全部值的近53%,于是選擇其中排名前10的類進行分析。具體如表4所示。

表4 專利聚類分析排序表

表4中排名第1、3、4、6、10都是涉及抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換方式及建造選址。抽水蓄能與清潔能源的結(jié)合改變了傳統(tǒng)利用煤炭等燃燒產(chǎn)生電能轉(zhuǎn)移成水的勢能這一能量轉(zhuǎn)換方式。太陽能、風能、潮汐能的結(jié)合使污染降低,同時,在選址時考慮距離清潔能源較近的地區(qū)建造抽水蓄能電站,可以在發(fā)揮抽水蓄能電站調(diào)峰功能的同時儲存清潔能源,方便后續(xù)能源的使用,其中太陽能和抽水蓄能結(jié)合專利較多,可成為日后發(fā)展趨勢。合理利用地勢優(yōu)勢使得抽水蓄能電站的普及成為可能。淺海深海、露天礦井、湖泊或海洋的上部盆地等這些地方的選擇,可以合理利用天然地勢及廢棄礦井資源,有計劃和規(guī)劃地建造抽水蓄能電站可以更好實現(xiàn)提高輸電線路有效容量、輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性,適應受端電網(wǎng)負荷變化需求,減少受端電網(wǎng)調(diào)峰壓力和調(diào)峰電源規(guī)模,提高清潔能源在外送電量中的比例等目標。排名第四中的專利幾乎都來自中國,可見中國機構內(nèi)部之間合作程度高。其中中國專利涉及多源互補的電力系統(tǒng)、抽水蓄能電站調(diào)度、監(jiān)測、控制、評估相關的方法和技術等內(nèi)容較多。

排名第2、5、7、8、9都涉及電機、能源轉(zhuǎn)換裝置、建造抽水蓄能電站需要的零部件有關技術。如由磁性材料制成的靜液壓軸承、渦輪增壓器、用于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的軸向氣體推力軸承、用于生產(chǎn)磁盤驅(qū)動器的零靜摩擦執(zhí)行器樞軸軸承等。抽水蓄能電站建造離不開發(fā)電裝置,特殊的發(fā)電環(huán)境需要考慮其零部件在液體環(huán)境中的密封、防振、抗腐蝕等特性,提高抽水蓄能電站使用穩(wěn)定性及壽命。

聚類分析結(jié)果表明在進行抽水蓄能電站建設時要結(jié)合地勢和當?shù)刎S富的清潔能源進行具體分析,注重相關設備技術的升級換代和運營管理技術的更新。

3 結(jié)論與政策建議

3.1 結(jié)論

基于德溫特專利數(shù)據(jù)庫中抽水蓄能專利數(shù)據(jù),通過構建技術創(chuàng)新領域共現(xiàn)網(wǎng)絡、機構合作網(wǎng)絡和專利引用網(wǎng)絡,來分析抽水蓄能技術創(chuàng)新的熱點領域、領域演化過程和機構合作特點。得出如下結(jié)論。

(1)抽水蓄能技術創(chuàng)新熱點領域是管道、渡槽技術領域和防止電源震蕩技術領域。從領域出現(xiàn)頻次可以發(fā)現(xiàn),非容積式流體發(fā)動機和多源系統(tǒng)、系統(tǒng)互連、電力傳輸領域是總體的熱點領域。

(2)與其他清潔能源相結(jié)合是未來研究趨勢。目前抽水蓄能與太陽能的聯(lián)合技術研究專利較多,是現(xiàn)在的技術創(chuàng)新熱點領域,但與其他清潔能源的聯(lián)合技術研究相對較少。抽水蓄能可以通過靈活調(diào)節(jié)保障風能、太陽能等不可控能源,是未來一大研究趨勢。

(3)科研院校的學術研究落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國抽水蓄能技術創(chuàng)新領域的重要機構主要是公司而非科研院校。從機構合作的角度,國家電網(wǎng)等公司處于抽水蓄能技術創(chuàng)新科研合作的中心位置,而科研院校在科研合作中沒有體現(xiàn)出主導作用。所以我國抽水蓄能技術創(chuàng)新存在科研院校落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。

(4)抽水蓄能技術較成熟,需關注后續(xù)相關設備更新和日常維護。注重相關零部件、電機、發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換裝置、電源轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)展;注重和液體相關的密封、防振、彈性緩沖、減振裝置及其制造方法等的改進,以便使抽水蓄能電站進一步升級,在日常使用抽水蓄能電站時注意調(diào)度、監(jiān)測、控制、評估等方法的改進,使其使用壽命更長。

3.2 政策建議

(1)鼓勵抽水蓄能與其他清潔能源聯(lián)合建設。目前抽水蓄能與除太陽能外的其他清潔能源的聯(lián)合技術研究相對較少。未來可以充分利用各種清潔能源的優(yōu)勢有利于打造出多能互補的巨型能源體,助力節(jié)能減排,實現(xiàn)能源結(jié)構優(yōu)化。

(2)推動抽水蓄能電站領域的技術創(chuàng)新。如發(fā)電機、電源轉(zhuǎn)換、功率轉(zhuǎn)換領域等。注意形成規(guī)范管理流程,加強對抽水蓄能電站的運營維護。對于抽水蓄能電站日常運營管理相關調(diào)度、監(jiān)測、控制等技術要形成規(guī)范。

(3)加強產(chǎn)學研合作,提高科研院校在抽水蓄能發(fā)展中知識產(chǎn)權的貢獻。鼓勵國家電網(wǎng)發(fā)揮中介作用,帶動同行業(yè)公司和科研能力較強的科研院校合作,發(fā)揮科研院校在抽水蓄能技術創(chuàng)新中的優(yōu)勢作用,推動抽水蓄能技術的新突破。