基于专利分析的分布式光伏国内产业发展趋势

柳 杨，赵立军*，刘建辉，程建萍，何清吟，杨 艳

（1. 中国地质大学（武汉）图书馆，湖北 武汉430074；2. 青海大学启迪新能源学院，青海 西宁810016）

0 引言

分布式光伏的大规模接入给现代电力系统的发、输、配、用等环节带来了翻天覆地的变化。电力系统从大容量电源长距离向负荷中心单向供电，转变为输配电网络潮流的双向流动［1］。分布式光伏以其分散接入的友好性、便捷性、经济性受到了从工商业到民用等多种场景下的广泛应用［2］。

分布式光伏在国内主要有两种定义。一是能源局在2014年将分布式光伏定义为“在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网，且在配电网系统平衡调节为特征的光伏发电设施；在地面或利用农业大棚等无电力消费设施建设、以35 kV 及以下电压等级接入电网、单个项目容量不超过2×104kW 且所发电量主要在并网点变电台区消纳的光伏电站项目，纳入分布式光伏发电规模指标管理［3］”。二是国家电网公司在《国家电网公司关于印发分布式电源并网服务管理规则的通知》中将分布式光伏分为两类。第一类：10 kV以下电压等级接入，且单个并网点总装机容量不超过6 MW的分布式电源。第二类：35 kV电压等级接入，年自发自用大于50%的分布式电源；或10 kV 电压等级接入且单个并网点总装机容量超过6 MW，年自发自用电量大于50%的分布式电源［4］。第一类代表屋顶分布式光伏项目，第二类代表地面分布式光伏项目。

2002 年至今，光伏电站特许招标政策、上网优惠电价、发电电量分地区补贴、金太阳工程等一系列政策的出台，使得光伏产业在我国迅猛发展［5］。根据国家能源局数据显示，2017 年我国新增装机容量为53.06 GW，占到全球新增容量的37.40%，连续多年为全球第一大增量市场，累计装机规模已超过130 GW，居于世界首位［6］。这也预示着我国已经成为全球光伏产业第一大国。纵观分布式光伏产业在我国的发展历程，主要可以分为以下3 个阶段：金太阳阶段（2009-2012年），度电补贴阶段（2013年-2015年）和迅速增长阶段（2016 年至今）［7］。为推进分布式光伏发电的发展，在出台的“十三五”规划中，我国对光伏市场的装机容量做了明确规划，发展重心明显向分布式光伏发电转移，在规划的105 GW装机容量中，分布式光伏电站目标为60 GW，集中式地面电站目标为45 GW，占比过半［8］。

随着分布式光伏在我国电源占比的逐步提高，与分布式光伏相关的各类产业也蓬勃发展，逐渐覆盖了整个光伏全产业链，从原材料制造加工，电站设计与建设，后期运维与管理，整站测试与并网服务，我国的技术实力和装备实力均逐年攀升［9］。

为以科学手段从专利角度分析我国分布式光伏产业的发展现状和未来趋势，本文借助专利信息服务平台，编写检索式如下：（标题=“分布式光伏”OR 摘要=“分布式光伏”OR权利要求=“分布式光伏”）AND（申请日=20000101-20191231），得到申请日从2000年1月1日至2019 年12 月31 年间分布式光伏领域的专利数据，截止到检索日2020年2月17日，共检索到1 561件申请专利。通过对分布式光伏产业发展和竞争态势分析，对产业发展方向和趋势进行总结。

1 国内分布式光伏产业发展全景分析

1.1 专利量及类型分析

截止到2020年2月17日，分布式光伏产业国内专利申请共计1 561 件，其中发明专利申请973 件，占比为62.3%。发明专利授权232件，发明专利授权比例为23.8%；实用新型576 件，占比为36.9%；外观设计12 件，占比为0.8%，见表1。2019 年国内发明专利授权比例为29%，分布式光伏产业发明专利累计授权比例略低于2019年国内水平。

从发明专利的法律状态来看，授权有效专利227件，授权专利有效率为97.8%；在审专利587 件，占比60.3%，见表2。

表1 国内分布式光伏产业专利类型（件）Table 1 The type of patents in distributed photovoltaic industry of China

表2 发明专利法律状态分析（件）Table 2 The legal status of invention patent

其中，有效量是指发明专利授权后，仍在维持状态的专利量；失效量是指发明专利授权后，不在维持状态的专利量；审中是指专利申请受理后，仍在审查状态的专利量；撤回是指专利申请受理后，由申请人主动撤回的专利量；驳回是指专利申请受理后，由专利局驳回的专利量。

1.2 申请趋势分析

如图1所示，从专利申请时间分布趋势来看，分布式光伏专利申请起始于2009 年，2009-2013 年专利申请量逐步提升。2009-2012 年，我国分布式光伏实行补贴政策，基于容量进行一次性投资补贴，光伏产业开始萌芽。该阶段属于金太阳阶段，光伏发展以集中式光伏电站为主，分布式光伏为辅［10］。“金太阳工程项目”实施50%的初始投资补贴，高初装补贴带动了光伏电站的装机增长，2011年新增分布式光伏装机同比增长245.8%，2012年同比增长79.7%［11］。

2014 年分布式光伏专利年申请量首次超过100件，其后专利年申请年保持高速增长趋势，2015-2017年年专利申请量均在200 件以上，2018 年专利申请量达到峰值为382件。2013年国家能源局着手调整光伏发展战略，重点发展分布式光伏产业，提出“2020年光伏发电装机量达到100 GW”［12］，自此分布式光伏展业进入快速发展阶段。

2016年以后，由于“三北地区”（东北、华北、西北）新能源装机增长远超预期，弃电限电现象日益严重，光伏产业的发展正式从以集中式为主的大型电站建设转移到以分布式为主的爆发增长［13］。如图2 所示，2015年以后我国分布式光伏发电累计装机容量逐年提升，2016 年累计装机容量达到10.32 GW［14］，2016-2019 年累计装机量呈现爆发式增长态势，截止到2019年我国分布式光伏累计装机容量已达到58.7 GW［15］。

图1 专利申请年度趋势分析Fig.1 The annual trends of patent applications

图2 2013-2019年前9个月分布式光伏发电累计装机容量Fig.2 Cumulative installed capacity of distributed photovoltaic power generation from 2013 to September 2019

1.3 技术方向趋势分析

如图3 所示，分布式光伏的主要技术领域集中在配电装置、适用于商业的集成系统和太阳能集热器三大方向，专利数量分别为707、213 和173 件。由此可见，对光伏电站如何与配电网之间友好接入、协调运行是现阶段分布式光伏产业主要研究方向，其专利申请数量呈现逐年递增的趋势，从2010年的3件，逐渐发展到2018年的178件，在2019年分布式光伏专利申请总数有所减少的情况下，分布式光伏与配电网领域依然是最热门的技术发展方向。另一方面，也说明了现阶段分布式光伏发展的主要制约因素是分布式光伏本体快速发展与我国配电网建设相对滞后的矛盾，即在光资源条件较好的地区，受制于电网接纳能力的限制［16］，分布式光伏的投资建设逐渐趋于饱和。在配电网系统分布式电源承载能力有限的前提下，研究分布式光伏的友好高效接入模式、经济协调运行模式依然是未来分布式光伏快速发展亟待解决的重点问题［17］。

在配电网接纳能力有限的前提下，除快速发展我国配电网建设，加快与分布式光伏的协调建设之外，还需在以下几个方面进行重点研究。

图3 主要技术方向发展趋势分析Fig.3 The technology development trends

一是分布式光伏出力的精准预测技术。众所周知，光伏电站的发电出力随着太阳辐照度的变化而变化，具有极大的随机性。近年来，以局部地区高精度数值天气预报为主的预测技术日益发展，光伏电站出力的精准预测成为现实［18］。如何在以分钟、小时、天等不同时间尺度下，做到分布式光伏电站出力的准确预测，将会对指导配电网调度运行人员提前做好调节资源的调配，最大程度保证光伏电量的消纳起到重要帮助［19］。

二是分布式光伏的灵活控制技术。目前分布式光伏往往以用户侧电源的方式接入电网，其控制方式为MPPT（Maximum Power Point Tracing，最大功率电跟踪），即按照最大的发电能力向电网进行供电［20］，大多不具备调节能力。鉴于此，配电网在运行过程中必须具备更多辅助调节手段来匹配光伏发电的随机性、波动性和不确定性［21］。如果分布式光伏在电网调节能力受限时具备一定的自我调节能力，那么配电网对于分布式光伏的接纳能力将会大幅提升［22］。

三是分布式光伏的集群调度技术。分布式光伏的特点便是数量多、容量小、地理位置分散，实现单个电站的精益化运行管理成本高、难度大［23］。如何利用5G、边缘计算、数字孪生等新兴技术，将某一片区域内的若干数量的分布式光伏电站进行集群化的管理和调度，充分发挥集群内的调控运行灵活性，将会成为未来大规模的分布式光伏接入与消纳的主要途径［24］。

2 分布式光伏企业竞争力分析

2.1 主要申请人分析

国内分布式光伏产业的研究单位大致可分为高校和企业两种类型，在专利拥有量排名前10的申请单位中，国家电网累积拥有538件专利申请，占国内分布式光伏产业总申请量的34.47%，这表明国内分布式光伏产业的专利成果集中程度较高，从所有专利的体量来看，国家电网的竞争实力远超过其他机构，在国内市场 竞争中占有绝对优势，见图4。

图4 分布式光伏产业TOP10申请人Fig.4 The TOP 10 applicants in in distributed photovoltaic industry of China

企业在行业竞争中所处的优势地位与其拥有的专利体量和专利质量呈正相关关系。从专利体量维度分析，国内分布式光伏产业以国家电网和中国南方电网为代表，专利分布较为集中，技术实力差距较大。除国家电网和南方电网外，排名前10的专利申请人多为高校单位，以华北电力大学和天津大学为代表，这些高校拥有一批技术价值较高的研究成果，企业应注重开展与高校的产学研合作，促进高校专利成果的转移转化，从而提升行业整体发展水平。

对国家电网二级分支机构拥有的专利申请量进行统计分析，列举专利申请量在20 件以上的二级单位。专利申请量排名前三的机构分别是国网江苏省电力公司（88 件专利申请）、国网浙江省电力公司（64 件专利申请）、中国电力科学研究院（62件专利申请），这三家机构的专利申请量累积达214 件，占国家电网专利申请总量的39.78%，见图5。

图5 国家电网主要分支机构专利申请量Fig.5 The main branches of national grid

2.2 重点企业专利量及申请趋势对比

对国家电网内部三家重点企业的专利量及申请趋势进行分析。从专利类型来看，三家重点企业的专利申请以发明专利为主，专利质量普遍较高（见表3）。从申请趋势来看，三家企业关于分布式光伏的专利申请均起始于2013 年，年申请量均呈现波动上涨趋势，2015年年申请量达到第一个小高峰，但在2016年申请年均出现明显回落（见图6）。2013年由于国家的政策调整，分布式光伏的补贴模式由初投资补贴调整为电价补贴［25］，同时明确了相关财税金融扶持政策，分布式光伏发电商业模式趋于成熟［26］，同年国家电网三家重点企业开始分布式光伏专利的国内布局。2016年，由于分布式光伏发电开始呈现爆发式增长，电价补贴资金的需求量也出现迅猛增长，光伏补贴的资金缺口开始呈现逐年扩大趋势［27］。2016 年国家明确提出要降低光伏发电成本、实现平价上网，并推出了补贴退坡计划［28］，三家重点企业的年专利申请量随之出现了明显下滑趋势。2017年，国家能源局鼓励以多种方式实现分布式发电项目电量的就近消纳，电网企业承担了分布式电源的电力输送和交易服务［29］，2017年后三家重点企业的专利年申请量出现回暖。

从年申请趋势来看，国家电网三家重点企业关于分布式光伏的专利布局时间较晚，三家企业均在分布式光伏市场趋于成熟的阶段才开始专利布局。同时也可以看到，企业的专利申请趋势与国家政策，特别是补贴政策的变化呈现正相关趋势，在2018年以前分布式光伏技术的发展速度严重依赖于国家补贴政策。2018年以后，光伏发展政策出现重大调整，由单纯的规模式增长变为追求先进技术、并向无补贴平价模式转化，分布式光伏产业面临发展模式转型，即将迎来新的行业发展契机。

表3 重点企业专利申请量对比（件）Table 3 The comparison of patent applications of key enterprises

图6 重点企业专利申请趋势对比Fig.6 The comparison of patent application trends of key enterprises

综上所述，未来分布式光伏的技术发展趋势将由规模性的爆发式增长，逐渐转型为与电网运行协调互济的发展模式［30］，由纯有功输出节点转变为功率可控的灵活可控电源，通过不断地技术和产品革新，最终形成无补贴竞价上网模式［31］。

3 结论

我国分布式光伏产业技术研发进入稳定快速发展阶段。我国分布式光伏专利申请起始于2009年，2014年首次突破年申请量100件大关，进入快速发展阶段，2016 年以后年专利申请量均维持在200 件左右，专利申请进入快速稳定增长时期。我国分布式光伏的技术发展呈现明显的政策导向趋势，专利申请量与国家政策的扶持力度呈现明显正相关关系。

现阶段我国的分布式光伏产业以如何实现与配电网之间的友好介入和协调运行为主要研究方向。如何在配电网系统有限的承载范围内，实现分布式广度的友好高效接入与经济协调运行，始终是分布式光伏产业的热点技术方向。此外，提升分布式光伏出力的精准预测技术、分布式光伏的灵活控制技术和集群调度技术，也是未来分布式光伏产业的技术增长方向。

从所拥有的专利体量来看，国家电网在国内分布式光伏产业市场竞争中占绝对优势。在专利拥有量排名前十的机构中，国家电网累计拥有专利申请538件，占国内申请总量的34.47%，其次为南方电网，专利申请量72件。在国家电网集团的下属二级单位中，专利申请量排名前三的分别是国网江苏公司、国网浙江公司和中国电科院。