基于TRIZ 的一種適宜熱帶地區使用的新型太陽能熱水系統研究

劉 容 杜 佳 張 燕

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一、問題描述

1.工作原理。太陽能資源是最典型的氣象能源，它是地球能源之母(除地心能與核能外)，萬物生長靠太陽，萬物存亡也是靠太陽。它即具有永久性能源、清潔能源、可再生能源的突出優點，又具有低密度能源、間隙能源、環境能源等不利弊端。為了滿足人類能夠連續、隨意、穩定使用太陽能的需要，它又是受環境條件制約，與常規能源常常結合使用的組合能源，據此，它也是一種經營成本低廉，投資成本大的能源。

太陽能熱水器是一種光熱轉換裝置，它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們生活、生產中使用的節能組合設備，它由集熱器、儲熱水箱、輔助加熱裝置、輸送管道及其控制系統組成，由于太陽能采集、儲存方式與常規輔助能源(如電、燃煤、燃油、燃氣等)選擇的不同，有各種各樣的組合模式。

太陽能熱水器工作原理比較復雜，按結構可分為吸熱原理、循環原理、保溫原理。集熱器吸收轉換太陽輻射能為熱能，將水加熱；利用熱水上升冷水下沉的原理實現循環，把加熱了的水存在水箱里。由于太陽能是間隙能源，需要保溫，供無輻射或少輻射時使用，借助常規能源加熱裝置加熱到人們所需水溫。因此太陽能熱水器是由多種功能作用、使用多種能源、不同壽命周期的組件組合而成的一種供能系統。它的成功在于此，問題也在于此。

2.對新技術系統的要求。將“一種適宜熱帶地區太陽能熱水工程主體設備配置的設計方法”專利，推向工程應用，實現最充分利用太陽能、最節約使用常規能源、最省初期投資的理想化效果。

二、解題過程

本項目是在“一種適宜熱帶地區太陽能熱水工程主體設備配置的設計方法”專利的基礎上，為太陽能熱水工程的具體實施而開發的。如果說第一項專利是單純的技術矛盾問題(只與工程參數有關)的話，那么，本項目則是因水溫引發的設備配置的改變，是一個典型的物理矛盾。因此，繞過不必要的分析問題步驟，直接從系統功能分析入手，建立物場模型，從76個標準解法中找出標準解題答案，從而加快了申報專利和提高專利質量的進程。解題過程是：

1.建立技術系統的組件列表。太陽能熱水器是由集熱器、貯水箱、輔助能源加熱裝置及其輸送與控制部件組成。集熱器吸收太陽能轉換為熱能，儲存于貯水箱中；而貯水箱、輔助能源加熱裝置供人生活生產所用的熱水。太陽能和人是熱水器的兩個超級系統，太陽能與集熱器、貯水箱發生相互作用，而人只和貯水箱、輔助加熱裝置發生相互作用。貯水箱肩負儲存熱水和供給熱水的雙重功能作用。

太陽能熱水系統處于兩個超級系統中，一是由太陽供給加熱水的能源，二是人使用提供的熱水，太陽與人通過熱水系統構成為一整體，但兩者沒有必然的直接聯系，人用水只關注水溫，而水是用何種能源加熱的，則不是關注的重點；而太陽能輻射提升水溫，

太陽能熱水器是一個通過光熱轉換，提供熱水的系統，它由集熱器、貯熱水箱與輔助加熱裝置三大組件組成，集熱器將太陽能太陽能轉換為熱水，通過與貯水箱冷、熱水的溫差循環，將熱水儲存在貯水箱中，提供人的需要，但太陽能是一種隨機的間隙能源，當無輻射或小輻射天氣出現時，貯水箱水溫達不到人所要求的溫度時，借助輔助加熱裝置提升貯水溫度。在三個組件中，集熱器與輔助加熱設備具有相對獨立性，而貯水箱具有共用性，肩負雙重功能，它即通過集熱器儲存太陽能熱水的作用，在必要時，又通過輔助加熱裝置提升貯水箱水溫的作用。綜上所述，從TRIZ角度看，需要研究三個組件(S1、S2、S3)與水溫(F)組成的物場模型以及太陽和人參與的物場模型。

2.建立物—場模型及其功能缺陷分析。上述太陽能熱水器技術系統內各組件的關聯分析可用圖1的物—場模型表述：設集熱器為S1，貯水箱為S3，輔助加熱裝置為S2，三個功能體都作用于貯水箱內水的溫度，設為F。由于S3的雙重功能，組成為由X1和X1兩個子模型構建的復合物—場模型，如圖1所示：

圖1 本項目物場模型結構示意圖

從圖1不難看出，S1、S2、S3、X1、X2、太陽和人都是F的功能作用體，可以分解為多個簡易的物場模型進行分析，從而揭示矛盾產生的原因。X1系統是通過S1轉換光能為熱能，并儲存于S3中，而X2則是在輻射不足時，通過輔助加熱裝置S2將S3的水溫提升，達到用戶用水要求。從熱水器本身看，各組件都發揮各自的功能作用，專利技術也開發得比較成熟與完善，但放在與太陽(自然現象)和人相處的超系統中，就發現以下問題：

①在太陽與X1構建的物場模型中，由于太陽能是一個逐日而變的隨機自變量，集熱器產水量也是一個逐日而變的隨機因變量，國家技術規范制定設計參數，太陽輻射能均采取年日平均值，來確定集熱器面積，并按同容量配置貯水箱和輔助加熱裝置容量。根據公式計算和太陽能熱水器的運行工況實測，在熱帶地區全年有一半以上天數逐日輻射值超過年平均值。在貯水箱容積固定的情況，過多的熱量只能提高水溫，甚至達到沸騰(90℃以上)狀態，一是高溫水用于洗浴，容易造成對老人、小孩的傷害，二是貯水箱長期處于高溫水下，加速保溫層的老化，降低保溫能力，三是太陽轉換的熱能以蒸氣大量排出貯水箱外，不能最充分的利用太陽能，而且也浪費水資源。因此，在集熱器與貯水箱的相互制約中，作用有效，但不足，而且有害。

②在人與X2組成的系統中，由于人使用熱水具有隨意性和間隙性，供水要求因人因環境因素而定，是一個隨小時而變的隨機變量，因此在給排水工程設計中，按小時變化系數來確定貯水箱容積，甚至采用即時加熱方式提供人所需要的熱水。因此對人供水而言，不需要儲存1天的水供使用，輔助加熱裝置也沒有必要配備1天的容量。在人參與的貯水箱和輔助加熱裝置的相互制約中，作用有效，但過度，甚至有害。

③通過多重組合的物場分析，揭示了問題的實質，這就是貯水箱不能同時兼顧和滿足不同功能體的需要，沒有科學依據的強強湊合，必然顧此失彼，后患無窮，因為不符合太陽輻射制熱的客觀內在規律。3.對應發明等級，確定解題工具。根據上述物場分析，結合檢索現有行業內外知識，對應五類發明等級，本項目與第1項專利結合產出的發明，介于2-3等級之間，有標準解答案，可以應用經典的TRIZ工具，有效解決物場分析中的問題，經分析比較，在調研大量文獻與現有專利資料基礎上，在76個標準解法中尋求問題的標準答案。

四、概念方案

在第1個發明專利中，通過對計算集熱器面積的公式參數(技術矛盾)分析，應用創新原理中的一維變多維原理，采用跨行業知識——統計學中的聚類分析法，創建了符合太陽能資源內在特征與規律，求解集熱器產水量的多維隨機變量公式，一舉解決了集熱器面積、貯水箱容積與輔助加熱裝置容量的定量計算問題。以海口地區為例，測算集熱器、貯水箱、輔助加熱裝置容量比為1：1.5：0.5，這就是說，貯水箱配置容量為一天用量的1.5時，才能充分發揮貯水箱的功能作用。為本項目拆解物場模型提供了理論依據。

求解物場模型，可以應用物理矛盾中的分離方法，也可應用76個標準解法。本項目中相互作用的關聯物體較多，選用76個標準解法求解。

對照理想解(IFR)的4項要求：①消除了原系統的不足，②保持了原系統的優點，③沒有使系統變得復雜，④沒有引入新的缺陷，以及理想化水平公式I=∑UF/(∑C+∑HF)來衡量篩選。

五、采用方案

根據用戶的實際需要(新建、改建、收不收熱水費、有無現存的常規淋浴設備，對水溫有無嚴格的要求等)，可用上述的標準解改建多個物場模型：

根據上述物場模型結構，在調研現有專利文獻，進行專利回避的基礎上，設計出以下適宜熱帶地區使用的新型太陽能熱水系統結構示意圖：

圖2 原系統簡化為最簡單的物場模型結構

六、方案實施

實施解決方案的后續成果是分別申報了國際專利(PCT)、國內發明專利如表1所示：

表1 專利申請情況表