謝添

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心（450000）

光伏太陽能在欄桿中的應(yīng)用專利技術(shù)綜述

謝添

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心（450000）

通過對(duì)光伏太陽能在欄桿中應(yīng)用基本概念的基礎(chǔ)上，介紹了光伏太陽能在欄桿領(lǐng)域出現(xiàn)的專利進(jìn)行梳理，并對(duì)該領(lǐng)域主要申請(qǐng)人概況及技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行了總結(jié)。

光伏；太陽能；欄桿

1　基本概念

太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的主要方面。光伏太陽能與建筑相結(jié)合是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念。在建筑物的欄桿、外墻圍欄上鋪設(shè)光伏組件以提供電力，開辟了光伏應(yīng)用的新領(lǐng)域。光伏與建筑欄桿一體化是指兩方面的內(nèi)容：一是光伏系統(tǒng)與建筑欄桿發(fā)電一體化；二是光伏器件與建筑欄桿材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

圖1　光伏系統(tǒng)與建筑欄桿一體化一例

2　技術(shù)發(fā)展路線

光伏太陽能在欄桿領(lǐng)域的應(yīng)用通常表現(xiàn)在欄桿和電池兩個(gè)方面，即提高太陽能的利用效率，增加建筑構(gòu)件的立面美觀度。光伏太陽能在欄桿上的應(yīng)用功效主要有：安全防護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、節(jié)能等。

2.1檢索依據(jù)

1）檢索數(shù)據(jù)庫

使用的檢索數(shù)據(jù)庫為摘要數(shù)據(jù)庫CNABS、VEN。

2）專利數(shù)據(jù)的起止時(shí)間

文中的專利數(shù)據(jù)為2014年4月之前公開的專利申請(qǐng)。因?yàn)閷＠暾?qǐng)一般是在提出申請(qǐng)后18個(gè)月公開，因此，2014年4月之前的部分申請(qǐng)沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2光伏太陽能欄桿專利申請(qǐng)情況

圖2　專利申請(qǐng)量趨勢(shì)圖

圖2為光伏太陽能欄桿發(fā)明專利和實(shí)用新型專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，1999年之前，專利申請(qǐng)量非常少，為技術(shù)發(fā)展的萌芽期。1999～2005年為技術(shù)的成長(zhǎng)期，這個(gè)階段的專利申請(qǐng)量開始波動(dòng)上升。2006年至今，為技術(shù)的全面發(fā)展期，專利申請(qǐng)量開始大幅上升。2010年申請(qǐng)量為45件，達(dá)到了近年來的峰值。

圖3　專利主要申請(qǐng)國分布圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，三個(gè)主要的專利申請(qǐng)國——中國、日本和韓國，專利申請(qǐng)量占到了全世界光伏太陽能欄桿專利申請(qǐng)量的80%。由此可見，亞洲國家比較重視發(fā)展新能源建設(shè)，其中我國的專利申請(qǐng)量最大，占到了全世界專利申請(qǐng)總量的40%，而我國的專利申請(qǐng)開始于21世紀(jì)之后，這與我國一直以“可持續(xù)發(fā)展”為基本國策以及“十一五規(guī)劃”、“十二五規(guī)劃”期間國家鼓勵(lì)大力發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)有很大的關(guān)系。日本和韓國光伏太陽能欄桿專利申請(qǐng)量，分別占全世界的28%和11%。

2.3對(duì)光伏太陽能欄桿領(lǐng)域?qū)＠M(jìn)行梳理

1）將太陽能光伏組件應(yīng)用于欄桿最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，此時(shí)光伏太陽能在建筑欄桿領(lǐng)域的應(yīng)用主要是將太陽能光伏組件安裝在欄桿的立面上，如FLAVIGNY HENRI于1976年10月11日申請(qǐng)的專利，為“陽臺(tái)踏腳板與太陽能集熱器的結(jié)合”。技術(shù)手段及效果：將一體的太陽能接收器傾斜地設(shè)置在陽臺(tái)或階地的踏腳板外表面，主要是用于集熱。

2）將光伏太陽能組件附加至原有的欄桿上，一方面安裝線件比較多，增加額外的荷載；另一方面會(huì)影響立面的美觀，所以光伏組件在建筑上應(yīng)用的主要發(fā)展方向?yàn)楣夥ㄖ惑w化。

進(jìn)入21世紀(jì)，光伏建筑一體化已經(jīng)達(dá)到了全面發(fā)展時(shí)期。如YKK ARCHITECTURAL于2000年11月24日申請(qǐng)的專利為“太陽能發(fā)電模塊的安裝結(jié)構(gòu)”。技術(shù)手段及效果：從太陽能發(fā)電模塊上邊突起有接線盒，接線盒與從框架的主要構(gòu)件形成開口以及支撐結(jié)構(gòu)連接。不需要輔助設(shè)施即能安裝太陽發(fā)電裝置，減少了安裝組件。

再如，PFEIFFER GUENTER于2001年3月24日申請(qǐng)的專利為“利用太陽能發(fā)電的以柵欄的形式使用光伏組件”。技術(shù)手段及效果：將單面的或雙面的太陽能電池線件安裝在柵欄構(gòu)件上。該結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單、成本低，可以減少表面的安裝組件，利用太陽能發(fā)電。

3）光伏太陽能組件不僅可以應(yīng)用在建筑物的欄桿上，也可以用于野外設(shè)施，如山道的欄桿等。如JAE KJ于2010年5月28日申請(qǐng)的專利為“山道的照明設(shè)備”。技術(shù)手段及效果：在第一級(jí)臺(tái)階的頂端設(shè)置太陽能電池，電存在蓄電池中，第一臺(tái)階設(shè)有壓力傳感器，欄桿柱的上端設(shè)計(jì)有LED照明燈泡，給登山者提供安全。

4）因?yàn)槊刻斓牟煌瑫r(shí)段及每年的不同季節(jié)，太陽光的照射角度及照射強(qiáng)度不同，為了充分利用太陽光，出現(xiàn)了太陽光照角度可調(diào)的光伏組件。如SU SS于2011年12月28日申請(qǐng)的專利“用于建筑物室外陽臺(tái)的太陽能收集裝置”。技術(shù)手段及效果：根據(jù)季節(jié)調(diào)整安裝在陽臺(tái)欄桿上的太陽光收集板的角度，提高熱量的收集效率，通過使用透明太陽電池組確保陽臺(tái)的美學(xué)效果。

3　主要申請(qǐng)人概況及技術(shù)發(fā)展路線

SEKI為日本積水株式會(huì)社，ASAG為日本AGG硝子建材株式會(huì)社，KURS為德國可樂麗歐洲有限責(zé)任公司，CHAN-N為常州一品千秋門欄科技有限公司，KANF為日本鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社，SHAF為日本夏普公司。

光伏太陽能欄桿領(lǐng)域的全球申請(qǐng)人較多，個(gè)人申請(qǐng)也比較多，可見現(xiàn)在全球都比較重視光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖4為主要申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量比較圖，從圖中可以看出，在全球申請(qǐng)量排前六的申請(qǐng)人中，日本申請(qǐng)人有三個(gè)，且日本積水株式會(huì)社的申請(qǐng)量為13項(xiàng)，遠(yuǎn)大于其他排名前六的國家，如并列第二名的申請(qǐng)人專利申請(qǐng)數(shù)量為5項(xiàng)和并列第三名的申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量為4項(xiàng)。結(jié)合圖2和圖3可知，我國雖然是專利申請(qǐng)量大國，但是專利申請(qǐng)人的集中度不高，這一方面說明我國研究光伏太陽能欄桿的人數(shù)比較多，技術(shù)普及較廣；另一方面申請(qǐng)人集中度不高，不利于技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。雖然我國申請(qǐng)人的申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)入全球前六的排名，但是申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人也只是排至并列第三，與排名第一的日本積水株式會(huì)社還有較大差距。由此可見，日本在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平。如果我國想要在光伏產(chǎn)業(yè)有較快發(fā)展，可以重點(diǎn)研究日本在光伏產(chǎn)業(yè)方面的技術(shù)。

圖4　主要申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量比較圖

下面重點(diǎn)就日本積水株式會(huì)社的專利申請(qǐng)情況，分析其技術(shù)發(fā)展路線。圖4中統(tǒng)計(jì)的日本積水株式會(huì)社的專利申請(qǐng)量為積水化學(xué)、積水樹脂和積水建筑專利申請(qǐng)量的總和。

1）日本積水株式會(huì)社于2000年申請(qǐng)了三項(xiàng)專利。

①9月2日申請(qǐng)專利主要技術(shù)手段及效果：太陽電池板安裝在陽臺(tái)外部的欄桿上，太陽電池板的底部為檐溝。下雨的時(shí)候雨水從太陽電池板流入檐溝，不會(huì)直接落在地面上，不會(huì)使過路人產(chǎn)生不舒服的感覺。

②10月12日申請(qǐng)專利主要技術(shù)手段及效果：安裝在欄桿上的太陽電池板相對(duì)于欄桿傾斜60°± 10°，可以增加太陽光的接收量，發(fā)電能力提高約15%，并且美觀。

③12月7日申請(qǐng)專利主要技術(shù)手段及效果：太陽能電池板安裝在透明防雪板的上表面，電力的使用更加高效，車輛運(yùn)行更加安全，顯著減少維修費(fèi)用。

2）21世紀(jì)的前十年，日本積水株式會(huì)社申請(qǐng)了12項(xiàng)專利，主要集中在通過調(diào)節(jié)欄板的角度，提高太陽能的接收量和利用率。

3）2012年至今，日本積水株式會(huì)社申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，其主要技術(shù)手段及效果：用于獨(dú)立式住宅和房間的陽臺(tái)，導(dǎo)管通過護(hù)壁的內(nèi)部，使電纜和太陽能電池板安全連接，防止電纜破壞。

從日本積水株式會(huì)社專利申請(qǐng)的情況可以看出，其早期申請(qǐng)中，太陽能電池板作為陽臺(tái)的一個(gè)結(jié)構(gòu)部件，起輔助防水、防雪等作用，但是隨著時(shí)間的推移、研究的深入，其研究的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)為如何提高太陽能的利用率，如何保證使用的安全。

4　總結(jié)

太陽能技術(shù)與建筑的結(jié)合能補(bǔ)充建筑本身的能源消耗，從而有效地減少占總能耗30%的建筑能耗。光伏電池板或集熱器安裝在建筑屋頂或立面上，不需要額外開發(fā)建設(shè)占地，節(jié)省了土地資源，原地安裝、原地供能，不需要另外架設(shè)輸電線路和熱水管道。太陽能光伏系統(tǒng)除保證自身建筑內(nèi)用電外，還可以向電網(wǎng)供電，減少了高峰電力需求，杜絕了由一般化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重空氣污染，這對(duì)于大自然及人類的未來發(fā)展有著極為重要的意義。

由近年來光伏太陽能欄桿專利申請(qǐng)量保持較高水平可以看出，該項(xiàng)技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義，我國的企業(yè)可以在如何提高太陽能的使用率和轉(zhuǎn)化率方面，以及如何保證電力傳輸?shù)陌踩矫孢M(jìn)行深入的研究。

［1］王春蘭.替代陽臺(tái)欄桿的太陽能熱水系統(tǒng)在嘉普通誕生.

［2］倪建華.平板—真空管式太陽能集熱器.

［3］梁盼，鞠睿，路曉明.太陽能光熱光電轉(zhuǎn)換與建筑欄桿一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).

［4］江猛，30平米太陽房能量系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究.