《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
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本研究通过构建T&D专利声明分析框架，系统解析物理、化学、生物回收技术在可再生能源储能系统（REESS）各阶段的应用模式、贡献差异及协同网络，揭示技术介入阶段与功能定位的动态关联。摘要：
赵学锋|郝倩文|张伟|王瑞|李成江
华南农业大学经济与管理学院，广州，510642，中国
摘要
可再生能源和储能系统（REESS）的持续扩展带来了与材料消耗和环境可持续性相关的日益严峻的挑战。回收技术（RT）已成为提高资源效率和实现循环经济的关键推动因素。然而，不同类型的RT在REESS中的具体作用仍不甚明了。本研究利用大型语言模型（LLM）生成搜索词以构建语料库并对专利进行分类，细分专利子集，建立用于权利要求分析的类型与依赖关系机制，并采用三种分析方法来阐明RT在REESS发展中的演变作用。研究结果揭示了三个主要发现：（1）RT在不同阶段表现出特定的应用模式，化学RT在控制阶段占主导地位，而生物RT在发电阶段的应用仍较为有限；（2）每种RT类型在不同阶段发挥着不同的作用，化学RT的影响最大，物理RT提供稳定支持，生物RT则处于发展初期，潜力虽有限但正在增长；（3）RT在REESS各阶段之间的关联性日益增强，表明技术发展正朝着更加集成和循环的方向发展。这些发现有助于更深入地理解RT在REESS中的整合情况，并为推进可持续能源系统提供有价值的启示。
引言
REESS是包括发电、储能和控制阶段的集成系统，旨在确保能源使用的可靠性和可持续性（Aramendia等人，2024；Jiang等人，2025；Gómez等人，2026）。它们将可再生能源转化为电能，储存多余的能源，并调节能量流动，在支持清洁能源转型中发挥关键作用（Asim等人，2025；Khosravi，2025；Oyewo等人，2023）。然而，随着REESS的扩展，它们面临着与材料消耗和环境可持续性相关的日益增长的压力（Spillias等人，2020；Lu等人，2026）。回收技术（RT），包括物理、化学和生物方法，通过改进资源利用和支持循环经济来应对这些问题（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中的作用对于推动系统创新和整合至关重要。
然而，REESS的复杂结构使得难以评估每种RT类型的特定贡献（Wang等人，2025a；Ahuis等人，2024）。因此，现有研究往往缺乏对每种RT在不同阶段的功能及其如何共同支持REESS创新和可持续性的清晰认识（Uzar，2020；Duan等人，2024）。为了弥补这一空白，本文以专利权利要求作为分析基础。专利权利要求是定义发明范围和内容的技术性陈述（Marco等人，2019；Ananthraman等人，2025；Zhao等人，2024a；Yakubovich和Wu，2025；Alexiou，2023；Benfica和Marques，2024），包括权利要求类型（独立权利要求或从属权利要求）和依赖结构（权利要求之间的关联和支持方式）。通过研究这两个维度，我们可以更精确地追踪RT的实施过程及其随时间的变化，从而为研究其在REESS各阶段的多样化轨迹和细微变化奠定基础。
我们的研究特意关注专利权利要求，这一方法选择基于其作为发明的法律和技术核心的独特地位。与描述性全文不同，权利要求定义了发明的精确保护边界，突出了其核心技术特征，同时过滤掉了多余的背景信息和陈词滥调。虽然我们承认这种方法放弃了完整规范中的一些丰富背景细节，但我们认为这是实现特定研究目标（根据层次重要性识别和排序核心技术实体）的必要折中。这种以权利要求为中心的分析在专利分析中是成熟的做法，因为它提供了最直接和可靠的数据，用于映射技术贡献和评估新颖性。
尽管关于REESS回收的文献很多，但这些分析通常依赖于关键词或IPC代码频率，虽然能够识别存在哪些技术，但无法系统地区分基础性创新和次要的渐进式改进。这一局限源于一个关键的方法论忽视：它们很大程度上忽略了专利权利要求法律结构中蕴含的丰富层次信息。我们的研究通过引入T&D机制直接解决了这一研究空白，这是一种旨在解释专利内在结构的新方法。通过量化独立权利要求和从属权利要求之间的关系，T&D机制将专利的形式架构转化为多维的、层次化的创新地图。这种方法超越了单纯的技术清单，揭示了关键技术驱动因素的相对重要性和结构贡献，使得对REESS循环经济中的关键技术驱动因素进行更精确和战略性的分析成为可能。
因此，本文聚焦三个研究问题：（1）不同REESS阶段中RT的趋势是什么？（2）物理RT、化学RT和生物RT在REESS各阶段的贡献有何差异？（3）RT在REESS各阶段的发展过程中具有怎样的时间动态和互动模式？为回答这些问题，我们首先使用大型语言模型（LLM）和文本相似性匹配方法构建了与RT相关的REESS专利数据集（Mohit和Zitouni，2014；Devlin等人，2019；Vaswani等人，2017）。然后，根据将RT分类为物理、化学和生物回收技术，我们将相关REESS专利划分为多个子集。基于专利权利要求中的权利要求类型和依赖结构，本研究创造性地构建了T&D（专利权利要求类型和依赖结构）机制。此外，利用基于T&D机制的研究框架，我们提取了与RT相关的命名实体（RT-related NEs），并进行了多维度分析，以研究其在REESS各阶段的应用模式、权利要求权重和互动网络，从而为阐明RT在REESS发展中的演变作用提供了基于证据的基础。分析揭示了三个关键发现：（1）RT在不同阶段表现出特定的应用模式，化学RT在控制阶段占主导地位，而生物RT在发电阶段的应用仍较为有限；（2）每种RT类型根据其功能和技术成熟度对REESS的贡献不同；（3）RT在REESS各阶段之间的关联性日益增强，反映了技术发展向更加集成和循环方向的转变。
具体而言，本文有几项关键贡献：（1）我们开发了T&D机制，这是一种通过解码专利权要求的层次结构来量化技术重要性的新框架；（2）我们识别并测量了不同生命周期阶段中技术之间的协同关系；（3）我们通过分析创新的时间模式展示了技术预测的方法。
本文的结构如下：第2节讨论RT与REESS之间的结构和理论关系。第3节提出了基于T&D机制的研究框架以回答这三个研究问题。第4节证明了研究框架的有效性和数据的可靠性。第5节提供了关于专利申请、权利要求权重和动态互动网络的见解，旨在回答这三个研究问题。第6节提供了结论和政策建议。
章节摘录
RT与REESS的结构关系
REESS包括发电、储能和控制阶段（Diesendorf和Westcott，1978）。如图1所示，发电阶段包括光伏系统、风力发电系统和其他可再生能源（Bartolini等人，2020；Zheng等人，2025；McKenna等人，2025；Su等人，2022）；储能阶段包括电池储能系统、机械储能系统、热储能系统和氢储能系统（Davies等人，2018；Ma等人，2025；Sternberg和
研究问题
从RT与REESS的结构和理论关系的角度来看，已经证实RT在REESS的发展中起着重要作用。然而，由于REESS的内部复杂性以及RT与REESS多个内部阶段之间的强关联，现有研究缺乏对RT如何促进REESS进步的明确机制的说明。因此，本文旨在解决以下三个问题：
问题1：什么
专利权利要求类型
专利必须包含至少一个明确定义技术发明特征的权利要求，称为独立权利要求（I-claim）（Scott，1990；Wilkins，1992；Metzger等人，2023）。从属权利要求（D-claims）通过引入额外的技术规格或约束来扩展I-claim（Marco等人，2019；Ananthraman等人，2025；Ashtor，2022）。以太阳能光伏电池回收专利为例，可以说明这两种权利要求之间的层次关系
结果
图6是对图4中第4步的可视化扩展，提供了将三个研究问题与其相应分析方法联系起来的结构化概述。虽然图4概述了从数据收集到问题解决的全部方法流程，但图6通过明确展示每个问题是如何通过针对性分析来解决的——跟踪时间变化（第5.1节）、分析权利要求权重（第5.2节）以及检查与RT相关的命名实体（RT-related NEs）——来补充这一过程
结论
RT通过支持材料回收和循环设计提高了REESS的可持续性。然而，REESS的复杂性阻碍了人们对不同RT在REESS各阶段中功能和交互方式的清晰理解。为了填补这一研究空白，本文基于专利权利要求类型和依赖结构开发了T&D机制，使得能够对各种RT在REESS复杂架构中的运作方式进行结构化分析。重要的是，T&D机制是一种创新方法
CRediT作者贡献声明
赵学锋：撰写——原始草稿、方法论、概念化。郝倩文：可视化、方法论。张伟：撰写——审稿与编辑、可视化、调查。王瑞：撰写——审稿与编辑、监督、数据整理。李成江：撰写——审稿与编辑、可视化。
资助
本研究由国家自然科学基金 [72464005]资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
