0 引言
光伏发电是我国重要的战略性新兴产业，光伏电池、组件等关键部件产业化量产技术已达到世界领先水平，生产设备技术基本实现国产化。我国已掌握从多晶硅提纯技术、单晶/多晶生长技术到高效电池和组件制备技术的全产业链核心技术，光伏产品具有成本和质量优势。2021年全国新增光伏并网装机容量54.88GW，累计光伏并网装机容量达到306GW，新增和累计装机容量均为全球第一。全年光伏发电量为3 259 亿千瓦时，同比增长25.1%[3]。我国已发展成全球产业链最齐全、产能及产量最大的光伏生产国。
截至2021年，我国公路里程已达528.07万公里[8]，占有广阔的土地资源，在承担交通运输功能的同时，给太阳能资源的开发利用提供了平台。近些年，我国逐步开展了太阳能光伏在公路领域应用技术研发与实践，以推动公路交通设施从单纯能源消耗端，向能源消耗端与能源供给端共存模式转变。在国内相关研究中，胡恒武等[7]定义了基于光伏发电的道路能量收集技术的概念，明确了其在路侧、路面、路面上方空间等应用的范围和场景，总结了该领域最新研究和应用成果。蒋海峰等[9]提出了公路交通设施与太阳能清洁能源融合创新应用技术模式，包括隧道进出口光伏廊道、光伏公路边坡、联排光储充一体化停车位、公路太阳能收费门架、公路光伏发电防眩板、应急车道光伏路面等。杨鹏浩等[10]探讨了高速公路边坡太阳能的发展优势，提出了发展建议。乔飞等[11]针对光伏声屏障的应用，提出在吸声性能和发电光伏组件以及其他方面采取改进措施。韦永兰等[12]介绍了与高速公路加油站和服务区相结合的光伏充电站原理，对光伏充电站的经济效益进行了评估。综上，当前研究主要从技术原理、应用场景等方面分析太阳能光伏在公路领域的应用，提出发展建议，未有基于数据，分析公路光伏发电技术布局、技术应用、技术瓶颈等方面的研究。
鉴于此，本文将采用专利计量方法，基于对2012—2021十年间公路光伏发电专利数据的分析，揭示太阳能光伏在公路领域应用的技术布局、研发主体、研发热点、研发趋势等，结合我国公路光伏发电应用成果，分析目前存在的主要问题，提出发展建议。
1 研究方法
本文采用专利计量方法，专利计量是指以定量方法为主，通过对专利文献中包含的技术信息、经济信息、法律信息进行加工、整理与分析，以获得有价值的信息，形成专利情报，从而服务于创新与决策的一种科学研究活动[13]。本文主要采用技术发展趋势分析、专利布局分析、技术热点分析、核心专利识别等专利计量方法。
1.1 技术发展趋势分析方法
采用统计学方法，统计各年度公路光伏发电专利申请数量，公路光伏发电涉及的各技术主题或研发方向专利各年度申请数量，以及全球部分国家/地区各年度申请该领域专利数量等，以判断该领域技术整体发展趋势。
1.2 专利布局分析方法
（1）专利类型分布
统计发明、实用新型、外观设计等各类专利数量及所占比例，为宏观判断公路光伏发电领域创新能力提供参考。
（2）地域分布
统计部分国家（地区）或我国各省份公路光伏发电专利申请和授权数量、专利权人数量及所占比例，以揭示该领域技术和权利人的地域分布情况。
（3）研发方向分布
按照IPC（International Patent Classification）分类，统计各研发方向专利总量，以及各年度各研发方向专利数量，以揭示公路光伏发电涉及的关键技术和技术发展趋势。
1.3 技术热点分析方法
针对每一件专利，提取能代表专利核心内容的特征词。特征词是通过对专利名称和摘要进行文本内容分析而获得的。采用分词技术，获取专利名称和摘要中具有实际意义的词汇，使用TF-IDF算法对各词汇进行加权。TF-IDF 是文本信息分析和信息检索领域最经典的加权算法[14]，其数学模型为：
式（1）中： 为词汇的权重；TF（Term Frequency）为词频；IDF（Inverse Document Frequency）为逆向文件频率； 为词汇在该件专利中出现的次数； 为该件专利中词汇的总数； 为检索到的专利总数； 为包含该词汇的专利总数。
使用专利地图制作工具，选择 值较高的词汇作为特征词，用等高线的形式呈现，形成专利技术热点分布地图。地图中内容相近的专利距离也相近，从而形成山峰，不同山峰代表某一技术领域中聚集的专利群。专利技术热点分布地图用不同的颜色代表专利的密集程度。
1.4 核心专利识别方法
采用专利引证分析方法，统计专利被引用的次数。同时统计专利权人在不同专利组织多次申请或批准的内容基本相同的专利文献数量，以及请求保护的专利权利的数量。通过上述三项指标的统计分析，为识别公路光伏发电领域核心专利提供参考。
2 数据来源
本文使用智慧芽全球专利数据库。该数据库整合了1790年至今的全球126个国家/地区的1.7亿余条专利数据，不仅能提供专利信息检索，还支持专利引用检索和3D专利地图制作。本文采用IPC分类和关键词组合检索的方式，在对公路光伏发电技术领域专利进行检索和初步分析的基础上，确定近10年为该领域技术研发的活跃期，进而提取2012—2021年全球太阳能光伏在公路领域应用的专利申请总计2 097件，用于进行公路光伏发电技术发展趋势、专利布局、技术热点和核心专利分析。
3 研究结果
3.1 太阳能光伏在公路领域应用的技术发展趋势
通过对2012—2021十年间公路交通光伏发电专利进行技术发展趋势分析、专利布局分析和核心专利识别，总结太阳能光伏在公路领域应用的技术发展呈现出以下特征和趋势。
（1）公路光伏发电技术应用性强、创新性相对较弱
（2）我国是公路光伏发电最大的专利技术来源国和技术应用国
近10年，我国公路光伏发电技术专利申请量占全球专利总量的88%以上，并且中国籍发明人申请的专利数量与本国受理的专利数量基本持平。除我国外，主要技术来源国家（地区）包括韩国、西班牙等，技术应用国家（组织）包括韩国、世界知识产权组织等。
在我国，共有25个省（直辖市、自治区）进行了公路光伏发电技术专利布局。江苏、广东、浙江、山东、安徽、北京、河南、四川、上海、湖北是该领域布局专利较多的省份（直辖市、自治区）。其中江苏在该领域申请的专利达264项。江苏、广东、浙江、山东四省的专利申请数量占我国申请总量的1/3。该领域的专利权人较为分散，共有1 513家机构和个人活跃在该领域的研发中。国家电网公司、鸿翌科技有限公司和长安大学三家机构的专利申请量最多，但并未在绝对数量上占据优势。
（3）公路光伏发电技术研发主要集中在照明设备、电池装置、光伏组件结构等方向
（4）公路光伏发电核心专利国外多于国内，涉及路面、照明装置、充电装置、监控装置等领域
综合分析专利被引用的次数、专利权人在不同专利组织多次申请或批准的内容基本相同的专利文献数量、请求保护的专利权利的数量等三项指标，来识别公路光伏发电领域核心专利，发现重要专利均出现在2015年之后，国外专利多于国内专利，可见专利权人优先选择在国外（尤其是美国）布局。从内容上看，核心专利涉及了路面、照明装置、充电装置、监控装置等方面，其中光伏路面和光伏路灯的专利相对较多。
3.2 太阳能光伏在公路领域的应用场景及关键技术
（1）光伏公路边坡
光伏公路边坡利用支架将光伏组件铺设于公路沿线边坡上，在发电的同时还有护坡的功能。在边坡上布设太阳能板不受当前材料水平限制，发电效率基本不受交通状况的影响，其关键问题是选址和保障系统安全稳定运行。光伏公路边坡关键技术包括：最佳潜在安装选址评估方法、机架系统选型和架设位置确定方法、边坡及支护设施稳定性影响评估方法、交通安全影响评估方法等。
2012—2021年，光伏公路边坡相关专利申请主要集中在以下三个技术方向：光伏边坡防护装置，即依托防边坡滑坡装置设置光伏板、逆变器、蓄电池等组件；光伏边坡稳定性监测装置，即依托边坡形变监测仪安装光伏板、蓄电箱等；沙漠公路、高速公路地段等特定场景下光伏护坡装置和方法等技术方向。从专利布局来看，多为依托边坡防护、监测、治沙等设施安装光伏组件的实用新型专利，几乎没有涉及关键技术的发明专利。
公路边坡上布设太阳能板不会导致土地用途的改变，装机技术要求相对较低，施工和维修相对简便，且我国公路边坡面积可观，依托公路边坡开发利用太阳能资源蕴含着巨大的潜力。加强光伏公路边坡关键技术研发与应用，关键是要在提高发电效率、保障架设光伏发电设备后边坡的稳定性和安全性、保障交通安全等方面形成解决方案或技术产品。
（2）光伏声屏障
光伏声屏障是将声屏障和光伏系统相结合，在实现降低交通噪声的同时产生电能。光伏声屏障在道路环境中设置，需综合考虑其实际降噪和发电等方面的性能，关键技术包括：声屏障顶端及外形结构设计、声屏障吸声结构设计、双面发电光伏组件应用技术等。
2012—2021十年间光伏声屏障相关专利主要集中在依托隔音屏加装光伏发电装置、光伏板倾斜角度调节和双面光伏组件装置应用、利于散热的声屏障结构、便于安装与拆换的声屏障结构、防损坏声屏障结构、声反馈迟滞抑制装置、防止驾驶员视觉疲劳装置等技术方向。从专利情况来看，在关键技术领域均有专利布局，已具备一定的技术基础。
光伏声屏障使用现有的隔音屏障作为光伏模块的子结构，或将光伏模块整合到新的隔音屏障中，有利于节约土地资源，便于施工和维护，适合在人口密集地区和工业区部署，且目前在关键技术领域已有一定的技术基础，需进一步在平衡降噪与发电量、防眩光和防撞等方面优化结构设计。
（3）光伏路面
光伏路面是将光伏发电层应用于沥青或水泥混凝土路面表面的一种新型多功能路面, 具有承载交通和清洁发电的双重功能。光伏路面结构主要包括实体板块结构和空心板块结构两种[17]，涉及的关键技术包括：光伏路面结构模型设计、路面材料设计、联结电路设计、路面性能试验技术和标准、路面集热技术、路面养护维修技术等。
2012—2021十年间光伏路面相关专利主要集中在以下5个技术方向：光伏路面结构及施工方法和装置，包括实体板块结构，空心板块结构，利于换热通风的路面结构，具有排水、透光、防滑、融雪等特殊功能的路面结构，缓冲效果好的路面结构，光伏路面铺装方法，路面检测、加固、对齐、安装支架等附属装置等；光伏路面的材料、预制构件或组件及施工工艺，包括高透光、高强度路面材料，压电、热电、排水、提升光照度、减少内应力、与路面材料胶合等组件，光伏组件施工工艺等；光伏路面养护装置，包括清理/清扫工具、除冰融雪系统等；基于光伏路面的充电方法及设备，包括无线充电方法、充电亭/停车位、零气压轮胎等；光伏路面信息化管理系统。光伏路面专利数量较多，布局涉及了光伏路面结构、路面材料等关键技术领域。
光伏路面相关理论研究相对较多，但受成本、使用寿命、安全性等因素影响，应用还处于探索阶段，需加快结构设计、施工工艺、养护维修技术、集热技术等方面的研究与实践。
（4）光伏公路廊道
光伏公路廊道是将光伏发电系统架设在公路行车道上方，可同时实现发电、遮阳、避雨雪、公路线形诱导、辅助照明、智能监控等多重功能，涉及的关键技术包括：光伏公路廊道设计方法、荷载作用下廊道结构性能和发电效能评估方法等。
2012—2021十年间光伏公路廊道相关专利主要集中在光伏廊道及其结构、光伏廊道除雪装置等两个技术方向。从专利布局来看，主要解决廊道结构设计这一关键问题。
美国、比利时、德国、奥地利等国家依托高速公路、铁路隧道建设了光伏廊道，在提供电力的同时，能有效延长路面寿命，降低噪声污染[21⇓-23]。在我国的相关实践中，2017年，全国首例高速公路匝道圈分布式光伏发电项目——山东青兰高速孟疃收费站1 700kWP分布式光伏发电项目完成并网[2]；鄂西北片区高速公路分布式光伏发电站项目分布在鄂西北片区高速公路服务区、收费所屋顶和隧道出入口中央隔离带空地，于2018年1月并网运行[24]；杭金衢高速公路新岭隧道分布式光伏项目利用隧道空闲地面安装分布式发电系统，于2021年并网送电，年发电量可达23万度[25]；浙江嘉兴南湖服务区屋顶光伏铺装面积5 000m2，年发电量可达250MW[2]。
公路光伏廊道初始建设成本较高，运维难度较大，自提出以来发展缓慢，研发主要集中在廊道结构设计方面，需进一步评估其发电效能，论证其安全稳定性、性价比等。
（5）光伏停车棚
光伏停车棚是指将光伏系统安装在停车棚上，能在实现传统停车棚所有功能的基础上兼具生产可再生能源功能，其关键技术是考虑环境阴影遮挡、风荷载等作用的停车棚结构、朝向和倾角设计方法。
光伏停车棚依托传统停车场建设，建设方法相对简单，针对其结构和性能方面的研究较少，目前在该领域尚无专利布局。光伏停车棚主要服务于电动汽车，能量管理、电动汽车充电策略、对电网的影响等是关注的焦点。
（6）公路光伏充电站/充电桩/充电系统
公路光伏充电站/充电桩/充电系统是将光伏系统安装在高速公路服务区或供电站，为电动汽车、新能源汽车等提供充电服务。公路光伏充电站一般采用光伏发电-蓄电池充电的电池更换模式，由太阳能光伏电池组件阵列、直流汇流箱、光伏逆变器、光伏充电控制器及蓄电池等构成[12]，目前面临的主要技术问题是光伏发电的不稳定性、蓄电池成本，以及和国内外电动汽车充电桩标准脱轨。
2012—2021十年间光伏充电站/充电桩/充电系统相关专利主要集中在以下3个技术方向：充电装置，包括设置在道路单侧或双侧的分布式充电站、充电桩或充电系统，安装在高速公路服务区内的充电桩，在道路上可移动的充电桩，可实现在道路上边行驶边充电的即时系统，风光互补发电装置，以及依托道路地下空间、路灯、护栏等设置的充电站、充电桩或充电系统；充电站选址定容方法，包括适用于城市道路和高速公路两种场景下的方法；电动汽车智能停车充电站外形设计。
公路光伏充电站的应用依赖于光伏充电站技术的发展，在政府鼓励推广新能源汽车、各地积极推动充电设施建设的背景下, 公路光伏充电站具有较为广阔的应用前景。
（7）其他应用
光伏发电技术在公路领域的应用还包括设置在道路两侧、公路桥梁两侧、路灯上、跨路天桥上方、隔离带上等路面上方空间的光伏电网、光伏/风光电站、光伏发电系统，以及设置在高速公路服务区的风光微电网系统、光伏电站管理监控系统等。光伏电网、光伏道路净化/绿化装置、光伏道路清扫装置、光伏路灯、光伏电子监控装置、光伏防护栏/警示灯、光伏道路测速装置等专利密集程度较高, 布局较为成熟。
4 问题与建议
4.1 主要问题
通过对太阳能光伏在公路领域应用的技术布局、研发主体、研发热点、研发趋势等的分析，结合目前我国公路光伏发电应用成果，认为在该领域存在以下主要问题。
（1）光伏发电技术在公路领域的应用与国家要求差距较大
《国家综合立体交通网规划纲要》《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》等国家层面的政策鼓励在交通枢纽场站以及公路、铁路等沿线合理布局光伏发电及储能设施，建立交通自洽能源系统，推动交通基础设施网、信息网、新能源网“三网”融合。但从目前公路光伏发电技术研发和应用情况来看，光伏道路净化/绿化装置、光伏道路清扫装置、光伏路灯、光伏电子监控装置、光伏防护栏/警示灯、光伏道路测速装置等将光伏发电与交通设施简单结合、创新性相对较弱的专利数量较多。在国家所倡导的依托公路边坡、服务区、枢纽场站等公路基础设施和服务设施布局光伏发电设施方面，光伏公路边坡、光伏公路廊道、光伏停车棚专利数量少，涉及关键技术的发明专利更少，技术应用和发展缓慢；光伏声屏障关键技术具备一定的基础，但应用较少；公路光伏充电站受发电稳定性、蓄电池成本、标准等影响，未得到有效推广。光伏发电在公路领域的应用还处于起步阶段，建成的项目大多为试验性项目，结构设计、安全影响、管养、电力消纳等诸多问题亟待研究解决。
（2）光伏发电应用于公路领域缺乏标准规范
（3）产学研结合不紧密，研究成果应用缓慢，产业化程度低
“十三五”以来，我国光伏发电技术快速发展，在光伏电池、组件等多个领域达到世界领先水平。在交通与能源融合发展方面，围绕高速公路绿色能源自洽供给、智慧型太阳能高速公路等开展了一系列研究工作[29]，提出了公路与太阳能融合应用的若干技术方案，包括光伏公路边坡、光伏公路廊道、光储充一体化停车位、公路太阳能收费门架、光伏发电防眩板、智慧型光伏路面等[9]。然而从公路光伏发电专利布局及相关项目建设情况来看，光伏公路边坡、光伏公路廊道、光伏停车棚等依托公路交通基础设施进行光伏发电的专利技术布局稀疏，缺乏解决关键技术问题的专利，创新性不足。光伏路面理论研究相对较多，但成本、使用寿命、安全性等方面的技术难题尚未解决，应用前景不明朗。另外，对光伏发电与公路结合的各种应用场景的适用性、可行性、安全性和性价比的分析不足，多种应用场景技术方案尚未开展试验探索。研究成果应用转化不够，实施的项目大多以科研试验为主要目的，光伏发电在公路领域的应用还处于发展初期，产业化程度低。
4.2 发展建议
光伏发电成本在技术进步带动下持续下降，使得光伏与公路融合发展成为可能。为推进我国公路光伏发电技术发展与应用，降低对传统能源的依赖，逐步实现公路交通系统能源自洽的清洁能源生产和利用，提出以下政策建议。
（1）统筹规划，完善顶层设计
联合国家发改委、国家能源局、工信部等行业主管部门以及国家电网有限公司等央企，在交通与能源融合发展政策的引领下，对光伏发电在公路领域应用的各类场景进行充分分析，确定光伏发电在公路领域应用的目标，提出顶层设计和技术路线，做好产业发展规划，在交通固定资产投资中对公路光伏发电项目给予支持。
（2）加强关键技术研发和专利布局
依托国家重点研发计划、交通运输行业重点科技项目清单、地方政府重点科技项目、产学研合作项目等，开展光伏发电在公路领域应用关键技术攻关，主要包括：最佳潜在安装选址评估方法、机架系统选型和架设位置确定方法、边坡及支护设施稳定性影响评估方法、交通安全影响评估方法等公路边坡光伏设计施工技术；考虑提升发电量、降低噪声、防眩光、防撞等的光伏声屏障结构优化设计技术；公路光伏廊道结构性能和发电效能评估技术；路面结构模型设计、新型路面材料、路面养护维修、路面集热等光伏路面技术；光伏停车棚结构设计方法、发电储能充电一体化等光伏停车棚关键技术等。加强科研成果转化，在光伏公路边坡、光伏公路廊道、光伏充电站、光伏停车棚、光伏声屏障等光伏发电在公路交通基础设施和服务设施应用领域加强专利布局。
（3）建立健全标准规范体系
总结建成并投入运营的光伏充电站、光伏路面、光伏公路边坡、光伏公路廊道等项目的技术成果，结合交通与能源融合科技计划项目研究成果、公路光伏发电专利技术及应用情况等，提炼形成光伏发电技术应用于公路交通基础设施和服务设施的技术要求，补充至绿色公路建设系列标准，从而指导公路光伏发电项目的设计、施工、管养等。
（4）在绿色公路示范工程中因地制宜推广光伏发电技术
引导和鼓励在太阳能资源丰富的一、二类地区开展的绿色公路示范工程建设中，因地制宜地推广太阳能清洁资源的应用。根据公路所处地理环境、交通流量特征、公路供电需求等，有针对性地依托公路边坡、服务区、隧道等部署光伏发电设施，跟踪公路光伏发电技术研发和应用效益，积累产业化经验。
（5）完善市场机制，引导公路光伏发电领域企业健康发展
前述对公路光伏发电专利权人的分析显示，该领域研发主体分散，中小企业居多，尚未形成具有绝对优势并处于垄断地位的研发主体。需要联合工信部等行业主管部门，加强对公路光伏发电领域的产品认定和质量监督，建立健全市场准入机制，推动公路光伏发电纳入全国碳排放权交易等市场建设，确保光伏发电技术在公路领域的应用效果，引导该领域企业健康发展，推动公路光伏发电技术创新和产业化。
5 结语
加快交通与能源的融合发展，从供给侧和需求侧同步发力，是实现绿色低碳发展的重要路径。新能源发电技术的快速发展和产业链的日趋成熟，为其在公路领域推广应用创造了条件。本文采用技术发展趋势分析、专利布局分析、技术热点分析、核心专利识别等专利计量分析方法，基于2012—2021十年间公路光伏发电专利数据，分析了太阳能光伏在公路领域应用的技术布局、研发主体、研发热点、研发趋势等，重点剖析了光伏公路边坡、光伏声屏障、光伏路面、光伏公路廊道、光伏停车棚、光伏充电站、光伏电网等典型应用的关键技术及技术发展情况，结合我国公路光伏发电应用成果，分析目前存在的主要问题，提出发展建议。未来将进一步深化太阳能光伏在公路领域应用关键技术的研究，跟踪公路光伏发电项目建设和应用情况，为太阳能光伏在公路领域的推广应用提供切实有效的解决方案。
