全球太陽(yáng)能技術(shù)中心轉(zhuǎn)移及核心主題演進(jìn)研究

欒春娟,宋博文

(1.大連理工大學(xué)人文與社會(huì)科學(xué)學(xué)部,遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院,遼寧 盤(pán)錦 124221)

0 研究意義

探索全球太陽(yáng)能技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的地理空間變遷與核心主題演進(jìn)，對(duì)我們正確制定和實(shí)施新能源發(fā)展戰(zhàn)略和政策，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了哪些階段？在每個(gè)發(fā)展階段高產(chǎn)國(guó)家發(fā)生了怎樣的變遷？核心主題是怎樣演進(jìn)的？本研究擬對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行探討。

世界科學(xué)中心轉(zhuǎn)移問(wèn)題，長(zhǎng)久以來(lái)吸引著學(xué)者們的注意力。1954年，貝爾納首次提出了世界科學(xué)中心轉(zhuǎn)移[1]。湯淺光朝[2]在1962年提出，如果一個(gè)國(guó)家的科學(xué)成就所占同期全球的比例超過(guò)25%，則該國(guó)為世界科學(xué)中心。趙紅洲等[3]依據(jù)自然科學(xué)大事年表數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了世界科學(xué)中心轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。潘教峰等[4]闡述了近現(xiàn)代以來(lái)，意大利—英國(guó)—法國(guó)—德國(guó)—美國(guó)相繼成為世界科學(xué)中心的發(fā)展趨勢(shì)，并創(chuàng)造性地提出了促成世界科學(xué)中心的形成、演進(jìn)與更替的五要素鉆石模型：經(jīng)濟(jì)繁榮、思想解放、教育興盛、政府有力支持等社會(huì)因素以及科學(xué)成果涌現(xiàn)時(shí)機(jī)因素。孫玉濤等[5]分析了美國(guó)之所以能夠長(zhǎng)期占據(jù)世界科學(xué)活動(dòng)中心位置是因?yàn)榭茖W(xué)家跨國(guó)遷移，并運(yùn)用諾貝爾獎(jiǎng)獲得者數(shù)據(jù)對(duì)世界科學(xué)活動(dòng)中心轉(zhuǎn)移進(jìn)行了實(shí)證研究。已有的研究成果主要集中于科學(xué)中心的轉(zhuǎn)移，近些年一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注全球技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的空間演變。O’Shaughnessy 等[6]分析了美國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的空間分布，揭示了美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電地區(qū)之間的差異。Dincer[7]探索了領(lǐng)先國(guó)家太陽(yáng)能光伏發(fā)電的潛能與政策。欒春娟等[8]探索了世界數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠行霓D(zhuǎn)移的發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)主題演進(jìn)的研究近些年引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Wu等[9]利用荷蘭萊頓大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的CitNetExplorer軟件，探索了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的主題演進(jìn)，其提煉主題的過(guò)程雖有一定主觀性，但因其依據(jù)圖譜中的技術(shù)代碼提取的，因此還是具有較強(qiáng)的科學(xué)性。學(xué)者們研究更多的是科學(xué)主題的演進(jìn)[10-12]、技術(shù)熱點(diǎn)[13-15]、技術(shù)發(fā)展軌跡[16-18]和技術(shù)前沿探測(cè)[19-21]等相關(guān)問(wèn)題。

本文擬基于全球太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域1920—2018年間發(fā)表的全部發(fā)明專(zhuān)利304530個(gè)結(jié)果，探索在近100年的發(fā)展歷程中，不同發(fā)展階段的高產(chǎn)國(guó)家/地區(qū)分布，并追蹤不同發(fā)展階段核心主題的演進(jìn)，以期為我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供決策參考。

1 研究方法

1.1 理論框架

作為創(chuàng)新重要成果的專(zhuān)利文獻(xiàn)，因其含有豐富的技術(shù)信息而被廣泛應(yīng)用于探測(cè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的研究工作中[22-23]。本研究中的全球太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)采集方案如圖1所示。在PatSnap數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)檢索與精煉之后[24]，采用地圖可視化和文本聚類(lèi)分析方法 (Text clustering analysis)，探索全球太陽(yáng)能領(lǐng)域技術(shù)中心轉(zhuǎn)移及核心主題演進(jìn)等問(wèn)題。

圖1 理論框架

地圖可視化是以計(jì)算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息傳輸學(xué)與地理信息系統(tǒng)為知識(shí)基礎(chǔ)，將地圖作為載體，通過(guò)直觀、全面以及精確的圖片信息[25]，傳達(dá)地理信息并揭示自然、社會(huì)及科學(xué)發(fā)展規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)世界的目的[26]。地圖可視化技術(shù)的應(yīng)用有助于信息辨別以及對(duì)于信息創(chuàng)造和發(fā)展新次序的認(rèn)知，相較于圖表以及文字介紹更富有直觀性和交互探究性[27]，是當(dāng)前空間數(shù)據(jù)分析的重要方法與工具。本研究采用的地圖可視化工具為T(mén)ableau軟件，該軟件通過(guò)即時(shí)地理編碼將已有的地理位置數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為帶有16級(jí)縮放的豐富交互式地圖[28]，并通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)在Tableau軟件中的集成實(shí)現(xiàn)地理信息的可視化，將目標(biāo)信息全面、準(zhǔn)確的展現(xiàn)于地圖中。

核心主題演進(jìn)采用文本聚類(lèi)分析方法，該方法采用的是Lingo3G文本文檔聚類(lèi)算法 (Lingo3G text document clustering algorithm)[29-30]。該算法具體通過(guò)短語(yǔ)發(fā)現(xiàn) (phrase discovery)和語(yǔ)義索引 (Latent Semantic Indexing，LSI)技術(shù)相結(jié)合，將文本分為有意義的關(guān)鍵詞或短語(yǔ)組[31-32]，即本文中的核心主題。Lingo3G進(jìn)一步使用向量空間模型 (Vector Space Model，VSM)算法來(lái)確定哪些特定關(guān)鍵詞或短語(yǔ)與這些核心主題存在密切關(guān)系及其發(fā)生頻次[33-34]。文本聚類(lèi)算法使用單詞詞干 (word stem)來(lái)識(shí)別具有相同詞根的各種單詞形式[35-36]，之后過(guò)濾掉常見(jiàn)的停止單詞 (again，the，same等)和短語(yǔ)。如果專(zhuān)利文件與集群的核心概念有充分的相關(guān)性，則可能分為多個(gè)集群，每個(gè)集群進(jìn)一步細(xì)化，形成層級(jí)結(jié)構(gòu)的第二層，提供了更精細(xì)的關(guān)鍵詞維度分析。

1.2 數(shù)據(jù)檢索與分布

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)PatSnap。該數(shù)據(jù)庫(kù)深度整合了從1790年至今的全球106個(gè)國(guó)家/地區(qū)的1.2億條專(zhuān)利數(shù)據(jù)。檢索采用國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)代碼 (international patent classification code，IPC)。由于IPC代碼與技術(shù)領(lǐng)域之間并不存在非常清晰的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在這種情況下，要檢索出某一特定技術(shù)領(lǐng)域的全部專(zhuān)利常常是一件比較困難的事情，本研究依據(jù)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織 (World Intellectual Property Organization，WIPO)最新提供的、太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠腎PC代碼進(jìn)行檢索[37]，得到的檢索結(jié)果最大限度地保證了查新查全。我們按照?qǐng)D1所示步驟進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢索與精煉：第一步，選擇WIPO提供的IPC代碼；第二步，為了避免數(shù)據(jù)重復(fù)，選擇只顯示經(jīng)過(guò)歐洲專(zhuān)利局EPO處理的國(guó)際專(zhuān)利文獻(xiàn)，即 “INternational PAtent DOCumentation”家族 (INPADOC family)[38]，和每個(gè)國(guó)際專(zhuān)利文獻(xiàn)家族的一個(gè)代表專(zhuān)利文件 (One representative per INPADOC family)；第三步，選擇發(fā)明專(zhuān)利 (invention)。最后得到304850個(gè)檢索結(jié)果。圖2顯示了全球太陽(yáng)能發(fā)明專(zhuān)利發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展階段。

第一階段：1920—1973年，太陽(yáng)能技術(shù)萌芽階段。該階段全球太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展非常緩慢，專(zhuān)利數(shù)量從個(gè)位數(shù)到十位數(shù)到百位數(shù)，1973年的數(shù)量首次超過(guò)500條。第二階段：1974—1996年，快速發(fā)展階段。該階段的發(fā)展速度明顯加快，1974年專(zhuān)利數(shù)量首次超過(guò)1000條，之后每一年都保持在1000條以上的發(fā)展速度，1996年數(shù)量接近4000條。第三階段：1997—2018年，高速發(fā)展階段。1997年專(zhuān)利數(shù)量接近5000條，之后每一年都在5000條以上，2011年超過(guò)了18000條。

圖2 全球太陽(yáng)能發(fā)明專(zhuān)利發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展階段

2 結(jié)果與討論

2.1 技術(shù)中心轉(zhuǎn)移

全球太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展主要分為三個(gè)階段，通過(guò)分析各階段的專(zhuān)利空間分布比例可以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)中心呈現(xiàn)出由美國(guó)轉(zhuǎn)向日本，最后以中國(guó)為中心的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。在第一階段，全球太陽(yáng)能專(zhuān)利活動(dòng)強(qiáng)度最高的國(guó)家是美國(guó)，美國(guó)的占比超過(guò)30% (見(jiàn)表1)；之后是日本，占比超過(guò)20%；而后是法國(guó) (占比15%左右)和德國(guó) (占比12%左右)；第5位是英國(guó)，占比9%左右。

第二階段全球太陽(yáng)能技術(shù)中心轉(zhuǎn)移到日本，日本占比超過(guò)60%，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家；美國(guó)占比下降為17%左右；德國(guó)與法國(guó)的占比也都下降到5%以下；歐洲專(zhuān)利局EPO受理的太陽(yáng)能專(zhuān)利申請(qǐng)接近2%。第三階段全球太陽(yáng)能中心轉(zhuǎn)移到中國(guó)，該階段中國(guó)占比超過(guò)30%，成為太陽(yáng)能專(zhuān)利活動(dòng)最活躍的國(guó)家；日本的比例也很高，占比超過(guò)26%；美國(guó)的占比接近20%；韓國(guó)占比接近10%；中國(guó)臺(tái)灣占比超過(guò)3%。

表1 三個(gè)階段太陽(yáng)能專(zhuān)利產(chǎn)出前5名國(guó)家/地區(qū)

2.2 核心主題演進(jìn)

全球太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展三個(gè)階段的每個(gè)階段核心主題分布如表2所示。該表揭示了全球太陽(yáng)能技術(shù)核心主題演化狀況：熱 (Heat)—半導(dǎo)體層 (Semiconductor layer)—太陽(yáng)能電池 (Solar cell)。

表2 三個(gè)階段太陽(yáng)能技術(shù)前10核心主題

在發(fā)展速度低緩、時(shí)間漫長(zhǎng)的第一階段，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，來(lái)自太陽(yáng)系的熱 (Heat)這種寶貴資源，開(kāi)始好奇、關(guān)心、急于探索開(kāi)發(fā)利用這種寶貴資源，即太陽(yáng)能。圍繞如何采集、開(kāi)發(fā)、利用來(lái)自太陽(yáng)的熱能而發(fā)展了半導(dǎo)體器件、P-N結(jié)、基底、電發(fā)光、發(fā)光二極管等專(zhuān)利技術(shù)。第二階段，半導(dǎo)體層 (Semiconductor layer)成為太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的核心主題。同時(shí)該階段還新出現(xiàn)了液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能充電器等新興技術(shù)。第三階段，太陽(yáng)能電池 (Solar cell)是最近發(fā)展階段中最核心的太陽(yáng)能技術(shù)主題。此外還有顯示設(shè)備、半導(dǎo)體層、太陽(yáng)能發(fā)電、陳列基板、蓄電池組、光伏組件等新興技術(shù)。

2.3 整體發(fā)展模式

根據(jù)全球太陽(yáng)能技術(shù)的主要發(fā)展階段，結(jié)合各階段的技術(shù)中心轉(zhuǎn)移及核心主題演進(jìn)特征，繪制出太陽(yáng)能技術(shù)的整體發(fā)展模式，如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能技術(shù)整體發(fā)展模式

第一階段為太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的萌芽階段，由于礦物燃料的大量開(kāi)采以及太陽(yáng)能使用效率過(guò)低等因素[39]，太陽(yáng)能技術(shù)在這一階段并未受到廣泛重視，所以該階段的太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展較慢[40]。但由于貝爾實(shí)驗(yàn)室的硅太陽(yáng)能電池的研發(fā)成功使得美國(guó)在太陽(yáng)能領(lǐng)域搶先獲得優(yōu)勢(shì)[41]，美國(guó)在該階段占有超過(guò)30%的專(zhuān)利數(shù)量，隨后是日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)。從該階段研究的核心主題能夠發(fā)現(xiàn)，該階段的研究核心集中在半導(dǎo)體器件P-N結(jié)、基底、電發(fā)光、發(fā)光二極管等專(zhuān)利技術(shù)，這些技術(shù)多為第一代太陽(yáng)能電池以及太陽(yáng)爐的技術(shù)基礎(chǔ)與核心[40，42]，為后期的太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；第二階段為太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的成長(zhǎng)階段，全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變革，中東戰(zhàn)爭(zhēng)以及石油危機(jī)的爆發(fā)，極大地加速了太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展。由于本土能源的匱乏，日本政府于1973年開(kāi)始實(shí)施 “新能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”即 “陽(yáng)光計(jì)劃”，并將其列為國(guó)家重要戰(zhàn)略，隨后20年時(shí)間里，日本政府先后發(fā)布了 “節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃” “能源與環(huán)境領(lǐng)域綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)推進(jìn)計(jì)劃”等一系列舉措[43]，并投入大量資金用于清潔能源的開(kāi)發(fā)，使得日本在太陽(yáng)能領(lǐng)域快速發(fā)展[44]，占有該階段63.18%的專(zhuān)利，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家，該階段的技術(shù)中心由美國(guó)轉(zhuǎn)向日本，同時(shí)期，中國(guó)也開(kāi)始逐步發(fā)展自己的太陽(yáng)能技術(shù)。從研究主題來(lái)看，該階段的太陽(yáng)能技術(shù)研究逐漸增加了液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽(yáng)能充電器等新興技術(shù)，這些技術(shù)在發(fā)展第一代太陽(yáng)能電池的同時(shí)，也為第二代、第三代太陽(yáng)能電池的發(fā)展起到了極為重要的推動(dòng)作用[45]。1997年起太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第三個(gè)階段，以中國(guó)為核心的亞洲國(guó)家和地區(qū)逐漸成為太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的技術(shù)中心。第三階段專(zhuān)利數(shù)量排在前五位的國(guó)家和地區(qū)中，有4位來(lái)自亞洲，中國(guó)、日本、韓國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的專(zhuān)利總量占到總體的71.8%，中國(guó)也逐漸成為全球太陽(yáng)能技術(shù)研究的技術(shù)中心，專(zhuān)利數(shù)量占總體的32.16%。日本、美國(guó)緊隨其后專(zhuān)利數(shù)量分別占總體的26.3%、19.03%。這一階段中國(guó)太陽(yáng)能技術(shù)的高速發(fā)展離不開(kāi) 《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006—2020年)》中對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)及太陽(yáng)能技術(shù)的重視[46]。該規(guī)劃綱要的實(shí)施，極大地推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展。從該階段太陽(yáng)能技術(shù)的研究主題來(lái)看，全球太陽(yáng)能技術(shù)的研究仍以太陽(yáng)能電池為重點(diǎn)，在完善原有半導(dǎo)體層、液晶等技術(shù)的同時(shí)加大了對(duì)陳列基板、蓄電池組、光伏組件等技術(shù)的研發(fā)，為第三代太陽(yáng)能電池及光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用推波助瀾。

3 結(jié)論與展望

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于以1920—2018年間太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的304850條發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利為對(duì)象，依照專(zhuān)利年增長(zhǎng)量的變化情況將全球太陽(yáng)能領(lǐng)域的發(fā)展劃分為三個(gè)階段，并在領(lǐng)域發(fā)展的階段性信息的基礎(chǔ)上，分別以專(zhuān)利的地理信息以及研究主題為分析視角，挖掘出不同階段下太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)中心，以及在不同階段下的核心研究主題。結(jié)果揭示了太陽(yáng)能領(lǐng)域技術(shù)中心的轉(zhuǎn)移以及核心主題的演進(jìn)情況：太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，不同階段的技術(shù)中心存在差異；隨著研究范式的變化及需求的改變，太陽(yáng)能技術(shù)的核心研究主題也在不斷轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果對(duì)認(rèn)知國(guó)際太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展局勢(shì)和進(jìn)一步優(yōu)化企業(yè)兼并重組市場(chǎng)的實(shí)施，具有重要的理論意義與實(shí)踐意義。

整體來(lái)看，太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)歷三個(gè)階段，核心主題從早期的發(fā)熱、P-N結(jié)、基底、電發(fā)光、發(fā)光二極管等基礎(chǔ)型研究，發(fā)展成為液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽(yáng)能充電器等應(yīng)用型研究，再逐步將發(fā)展重點(diǎn)放在陳列基板、蓄電池組、光伏組件等追求清潔高效節(jié)能的優(yōu)化型技術(shù)研究，技術(shù)中心上呈現(xiàn)出美國(guó)—日本—中國(guó)的階段性轉(zhuǎn)變。隨著國(guó)際能源危機(jī)的日益加劇，太陽(yáng)能技術(shù)將在未來(lái)的能源產(chǎn)業(yè)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。中國(guó)作為當(dāng)前國(guó)際太陽(yáng)能技術(shù)研究的重要技術(shù)中心，在發(fā)展中應(yīng)切實(shí)適應(yīng)自身角色的改變，從過(guò)去的跟跑并跑變?yōu)楝F(xiàn)在領(lǐng)跑。因此，中國(guó)的太陽(yáng)能技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)在牢牢把握國(guó)際趨勢(shì)的同時(shí)，大力發(fā)展創(chuàng)新型太陽(yáng)能技術(shù)，推動(dòng)國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，助力創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。