《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：How recycling technologies play stage-specific roles in renewable energy and energy storage systems? Insights from a patent claim analysis
編輯推薦：
本研究通過構建T&D專利聲明分析框架，系統解析物理、化學、生物回收技術在可再生能源儲能系統（REESS）各階段的應用模式、貢獻差異及協同網絡，揭示技術介入階段與功能定位的動態關聯。摘要：
趙學鋒|郝倩文|張偉|王瑞|李成江
華南農業大學經濟與管理學院，廣州，510642，中國
摘要
可再生能源和儲能系統（REESS）的持續擴展帶來了與材料消耗和環境可持續性相關的日益嚴峻的挑戰。回收技術（RT）已成為提高資源效率和實現循環經濟的關鍵推動因素。然而，不同類型的RT在REESS中的具體作用仍不甚明了。本研究利用大型語言模型（LLM）生成搜索詞以構建語料庫并對專利進行分類，細分專利子集，建立用于權利要求分析的類型與依賴關系機制，并采用三種分析方法來闡明RT在REESS發展中的演變作用。研究結果揭示了三個主要發現：（1）RT在不同階段表現出特定的應用模式，化學RT在控制階段占主導地位，而生物RT在發電階段的應用仍較為有限；（2）每種RT類型在不同階段發揮著不同的作用，化學RT的影響最大，物理RT提供穩定支持，生物RT則處于發展初期，潛力雖有限但正在增長；（3）RT在REESS各階段之間的關聯性日益增強，表明技術發展正朝著更加集成和循環的方向發展。這些發現有助于更深入地理解RT在REESS中的整合情況，并為推進可持續能源系統提供有價值的啟示。
引言
REESS是包括發電、儲能和控制階段的集成系統，旨在確保能源使用的可靠性和可持續性（Aramendia等人，2024；Jiang等人，2025；Gómez等人，2026）。它們將可再生能源轉化為電能，儲存多余的能源，并調節能量流動，在支持清潔能源轉型中發揮關鍵作用（Asim等人，2025；Khosravi，2025；Oyewo等人，2023）。然而，隨著REESS的擴展，它們面臨著與材料消耗和環境可持續性相關的日益增長的壓力（Spillias等人，2020；Lu等人，2026）。回收技術（RT），包括物理、化學和生物方法，通過改進資源利用和支持循環經濟來應對這些問題（Zhang，2023；Barnett等人，2023；Zeng和Liu，2023；Mrozik等人，2021；Sadat等人，2025）。因此，理解RT在REESS中的作用對于推動系統創新和整合至關重要。
然而，REESS的復雜結構使得難以評估每種RT類型的特定貢獻（Wang等人，2025a；Ahuis等人，2024）。因此，現有研究往往缺乏對每種RT在不同階段的功能及其如何共同支持REESS創新和可持續性的清晰認識（Uzar，2020；Duan等人，2024）。為了彌補這一空白，本文以專利權利要求作為分析基礎。專利權利要求是定義發明范圍和內容的技術性陳述（Marco等人，2019；Ananthraman等人，2025；Zhao等人，2024a；Yakubovich和Wu，2025；Alexiou，2023；Benfica和Marques，2024），包括權利要求類型（獨立權利要求或從屬權利要求）和依賴結構（權利要求之間的關聯和支持方式）。通過研究這兩個維度，我們可以更精確地追蹤RT的實施過程及其隨時間的變化，從而為研究其在REESS各階段的多樣化軌跡和細微變化奠定基礎。
我們的研究特意關注專利權利要求，這一方法選擇基于其作為發明的法律和技術核心的獨特地位。與描述性全文不同，權利要求定義了發明的精確保護邊界，突出了其核心技術特征，同時過濾掉了多余的背景信息和陳詞濫調。雖然我們承認這種方法放棄了完整規范中的一些豐富背景細節，但我們認為這是實現特定研究目標（根據層次重要性識別和排序核心技術實體）的必要折中。這種以權利要求為中心的分析在專利分析中是成熟的做法，因為它提供了最直接和可靠的數據，用于映射技術貢獻和評估新穎性。
盡管關于REESS回收的文獻很多，但這些分析通常依賴于關鍵詞或IPC代碼頻率，雖然能夠識別存在哪些技術，但無法系統地區分基礎性創新和次要的漸進式改進。這一局限源于一個關鍵的方法論忽視：它們很大程度上忽略了專利權利要求法律結構中蘊含的豐富層次信息。我們的研究通過引入T&D機制直接解決了這一研究空白，這是一種旨在解釋專利內在結構的新方法。通過量化獨立權利要求和從屬權利要求之間的關系，T&D機制將專利的形式架構轉化為多維的、層次化的創新地圖。這種方法超越了單純的技術清單，揭示了關鍵技術驅動因素的相對重要性和結構貢獻，使得對REESS循環經濟中的關鍵技術驅動因素進行更精確和戰略性的分析成為可能。
因此，本文聚焦三個研究問題：（1）不同REESS階段中RT的趨勢是什么？（2）物理RT、化學RT和生物RT在REESS各階段的貢獻有何差異？（3）RT在REESS各階段的發展過程中具有怎樣的時間動態和互動模式？為回答這些問題，我們首先使用大型語言模型（LLM）和文本相似性匹配方法構建了與RT相關的REESS專利數據集（Mohit和Zitouni，2014；Devlin等人，2019；Vaswani等人，2017）。然后，根據將RT分類為物理、化學和生物回收技術，我們將相關REESS專利劃分為多個子集。基于專利權利要求中的權利要求類型和依賴結構，本研究創造性地構建了T&D（專利權利要求類型和依賴結構）機制。此外，利用基于T&D機制的研究框架，我們提取了與RT相關的命名實體（RT-related NEs），并進行了多維度分析，以研究其在REESS各階段的應用模式、權利要求權重和互動網絡，從而為闡明RT在REESS發展中的演變作用提供了基于證據的基礎。分析揭示了三個關鍵發現：（1）RT在不同階段表現出特定的應用模式，化學RT在控制階段占主導地位，而生物RT在發電階段的應用仍較為有限；（2）每種RT類型根據其功能和技術成熟度對REESS的貢獻不同；（3）RT在REESS各階段之間的關聯性日益增強，反映了技術發展向更加集成和循環方向的轉變。
具體而言，本文有幾項關鍵貢獻：（1）我們開發了T&D機制，這是一種通過解碼專利權要求的層次結構來量化技術重要性的新框架；（2）我們識別并測量了不同生命周期階段中技術之間的協同關系；（3）我們通過分析創新的時間模式展示了技術預測的方法。
本文的結構如下：第2節討論RT與REESS之間的結構和理論關系。第3節提出了基于T&D機制的研究框架以回答這三個研究問題。第4節證明了研究框架的有效性和數據的可靠性。第5節提供了關于專利申請、權利要求權重和動態互動網絡的見解，旨在回答這三個研究問題。第6節提供了結論和政策建議。
章節摘錄
RT與REESS的結構關系
REESS包括發電、儲能和控制階段（Diesendorf和Westcott，1978）。如圖1所示，發電階段包括光伏系統、風力發電系統和其他可再生能源（Bartolini等人，2020；Zheng等人，2025；McKenna等人，2025；Su等人，2022）；儲能階段包括電池儲能系統、機械儲能系統、熱儲能系統和氫儲能系統（Davies等人，2018；Ma等人，2025；Sternberg和
研究問題
從RT與REESS的結構和理論關系的角度來看，已經證實RT在REESS的發展中起著重要作用。然而，由于REESS的內部復雜性以及RT與REESS多個內部階段之間的強關聯，現有研究缺乏對RT如何促進REESS進步的明確機制的說明。因此，本文旨在解決以下三個問題：
問題1：什么
專利權利要求類型
專利必須包含至少一個明確定義技術發明特征的權利要求，稱為獨立權利要求（I-claim）（Scott，1990；Wilkins，1992；Metzger等人，2023）。從屬權利要求（D-claims）通過引入額外的技術規格或約束來擴展I-claim（Marco等人，2019；Ananthraman等人，2025；Ashtor，2022）。以太陽能光伏電池回收專利為例，可以說明這兩種權利要求之間的層次關系
結果
圖6是對圖4中第4步的可視化擴展，提供了將三個研究問題與其相應分析方法聯系起來的結構化概述。雖然圖4概述了從數據收集到問題解決的全部方法流程，但圖6通過明確展示每個問題是如何通過針對性分析來解決的——跟蹤時間變化（第5.1節）、分析權利要求權重（第5.2節）以及檢查與RT相關的命名實體（RT-related NEs）——來補充這一過程
結論
RT通過支持材料回收和循環設計提高了REESS的可持續性。然而，REESS的復雜性阻礙了人們對不同RT在REESS各階段中功能和交互方式的清晰理解。為了填補這一研究空白，本文基于專利權利要求類型和依賴結構開發了T&D機制，使得能夠對各種RT在REESS復雜架構中的運作方式進行結構化分析。重要的是，T&D機制是一種創新方法
CRediT作者貢獻聲明
趙學鋒：撰寫——原始草稿、方法論、概念化。郝倩文：可視化、方法論。張偉：撰寫——審稿與編輯、可視化、調查。王瑞：撰寫——審稿與編輯、監督、數據整理。李成江：撰寫——審稿與編輯、可視化。
資助
本研究由國家自然科學基金 [72464005]資助。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
