基于TRIZ 的一種適宜熱帶地區(qū)使用的新型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)研究

劉 容 杜 佳 張 燕

1.湖南省科學(xué)技術(shù)事務(wù)中心 湖南 長(zhǎng)沙 410000

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一、問(wèn)題描述

1.工作原理。太陽(yáng)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(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，萬(wàn)物存亡也是靠太陽(yáng)。它即具有永久性能源、清潔能源、可再生能源的突出優(yōu)點(diǎn)，又具有低密度能源、間隙能源、環(huán)境能源等不利弊端。為了滿足人類能夠連續(xù)、隨意、穩(wěn)定使用太陽(yáng)能的需要，它又是受環(huán)境條件制約，與常規(guī)能源常常結(jié)合使用的組合能源，據(jù)此，它也是一種經(jīng)營(yíng)成本低廉，投資成本大的能源。

太陽(yáng)能熱水器是一種光熱轉(zhuǎn)換裝置，它吸收太陽(yáng)的輻射熱能，加熱冷水提供給人們生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能組合設(shè)備，它由集熱器、儲(chǔ)熱水箱、輔助加熱裝置、輸送管道及其控制系統(tǒng)組成，由于太陽(yáng)能采集、儲(chǔ)存方式與常規(guī)輔助能源(如電、燃煤、燃油、燃?xì)獾?選擇的不同，有各種各樣的組合模式。

太陽(yáng)能熱水器工作原理比較復(fù)雜，按結(jié)構(gòu)可分為吸熱原理、循環(huán)原理、保溫原理。集熱器吸收轉(zhuǎn)換太陽(yáng)輻射能為熱能，將水加熱；利用熱水上升冷水下沉的原理實(shí)現(xiàn)循環(huán)，把加熱了的水存在水箱里。由于太陽(yáng)能是間隙能源，需要保溫，供無(wú)輻射或少輻射時(shí)使用，借助常規(guī)能源加熱裝置加熱到人們所需水溫。因此太陽(yáng)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(tǒng)。它的成功在于此，問(wèn)題也在于此。

2.對(duì)新技術(shù)系統(tǒng)的要求。將“一種適宜熱帶地區(qū)太陽(yáng)能熱水工程主體設(shè)備配置的設(shè)計(jì)方法”專利，推向工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)最充分利用太陽(yáng)能、最節(jié)約使用常規(guī)能源、最省初期投資的理想化效果。

二、解題過(guò)程

本項(xiàng)目是在“一種適宜熱帶地區(qū)太陽(yáng)能熱水工程主體設(shè)備配置的設(shè)計(jì)方法”專利的基礎(chǔ)上，為太陽(yáng)能熱水工程的具體實(shí)施而開發(fā)的。如果說(shuō)第一項(xiàng)專利是單純的技術(shù)矛盾問(wèn)題(只與工程參數(shù)有關(guān))的話，那么，本項(xiàng)目則是因水溫引發(fā)的設(shè)備配置的改變，是一個(gè)典型的物理矛盾。因此，繞過(guò)不必要的分析問(wèn)題步驟，直接從系統(tǒng)功能分析入手，建立物場(chǎng)模型，從76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法中找出標(biāo)準(zhǔn)解題答案，從而加快了申報(bào)專利和提高專利質(zhì)量的進(jìn)程。解題過(guò)程是：

1.建立技術(shù)系統(tǒng)的組件列表。太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，儲(chǔ)存于貯水箱中；而貯水箱、輔助能源加熱裝置供人生活生產(chǎn)所用的熱水。太陽(yáng)能和人是熱水器的兩個(gè)超級(jí)系統(tǒng)，太陽(yáng)能與集熱器、貯水箱發(fā)生相互作用，而人只和貯水箱、輔助加熱裝置發(fā)生相互作用。貯水箱肩負(fù)儲(chǔ)存熱水和供給熱水的雙重功能作用。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)處于兩個(gè)超級(jí)系統(tǒng)中，一是由太陽(yáng)供給加熱水的能源，二是人使用提供的熱水，太陽(yáng)與人通過(guò)熱水系統(tǒng)構(gòu)成為一整體，但兩者沒有必然的直接聯(lián)系，人用水只關(guān)注水溫，而水是用何種能源加熱的，則不是關(guān)注的重點(diǎn)；而太陽(yáng)能輻射提升水溫，

太陽(yáng)能熱水器是一個(gè)通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換，提供熱水的系統(tǒng)，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(yáng)能太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱水，通過(guò)與貯水箱冷、熱水的溫差循環(huán)，將熱水儲(chǔ)存在貯水箱中，提供人的需要，但太陽(yáng)能是一種隨機(jī)的間隙能源，當(dāng)無(wú)輻射或小輻射天氣出現(xiàn)時(shí)，貯水箱水溫達(dá)不到人所要求的溫度時(shí)，借助輔助加熱裝置提升貯水溫度。在三個(gè)組件中，集熱器與輔助加熱設(shè)備具有相對(duì)獨(dú)立性，而貯水箱具有共用性，肩負(fù)雙重功能，它即通過(guò)集熱器儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱水的作用，在必要時(shí)，又通過(guò)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(gè)組件(S1、S2、S3)與水溫(F)組成的物場(chǎng)模型以及太陽(yáng)和人參與的物場(chǎng)模型。

2.建立物—場(chǎng)模型及其功能缺陷分析。上述太陽(yáng)能熱水器技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各組件的關(guān)聯(lián)分析可用圖1的物—場(chǎng)模型表述：設(shè)集熱器為S1，貯水箱為S3，輔助加熱裝置為S2，三個(gè)功能體都作用于貯水箱內(nèi)水的溫度，設(shè)為F。由于S3的雙重功能，組成為由X1和X1兩個(gè)子模型構(gòu)建的復(fù)合物—場(chǎng)模型，如圖1所示：

圖1 本項(xiàng)目物場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1不難看出，S1、S2、S3、X1、X2、太陽(yáng)和人都是F的功能作用體，可以分解為多個(gè)簡(jiǎn)易的物場(chǎng)模型進(jìn)行分析，從而揭示矛盾產(chǎn)生的原因。X1系統(tǒng)是通過(guò)S1轉(zhuǎn)換光能為熱能，并儲(chǔ)存于S3中，而X2則是在輻射不足時(shí)，通過(guò)輔助加熱裝置S2將S3的水溫提升，達(dá)到用戶用水要求。從熱水器本身看，各組件都發(fā)揮各自的功能作用，專利技術(shù)也開發(fā)得比較成熟與完善，但放在與太陽(yáng)(自然現(xiàn)象)和人相處的超系統(tǒng)中，就發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

①在太陽(yáng)與X1構(gòu)建的物場(chǎng)模型中，由于太陽(yáng)能是一個(gè)逐日而變的隨機(jī)自變量，集熱器產(chǎn)水量也是一個(gè)逐日而變的隨機(jī)因變量，國(guó)家技術(shù)規(guī)范制定設(shè)計(jì)參數(shù)，太陽(yáng)輻射能均采取年日平均值，來(lái)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(jù)公式計(jì)算和太陽(yáng)能熱水器的運(yùn)行工況實(shí)測(cè)，在熱帶地區(qū)全年有一半以上天數(shù)逐日輻射值超過(guò)年平均值。在貯水箱容積固定的情況，過(guò)多的熱量只能提高水溫，甚至達(dá)到沸騰(90℃以上)狀態(tài)，一是高溫水用于洗浴，容易造成對(duì)老人、小孩的傷害，二是貯水箱長(zhǎng)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(yáng)轉(zhuǎn)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(yáng)能，而且也浪費(fèi)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(tǒng)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(huán)境因素而定，是一個(gè)隨小時(shí)而變的隨機(jī)變量，因此在給排水工程設(shè)計(jì)中，按小時(shí)變化系數(shù)來(lái)確定貯水箱容積，甚至采用即時(shí)加熱方式提供人所需要的熱水。因此對(duì)人供水而言，不需要儲(chǔ)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(guò)度，甚至有害。

③通過(guò)多重組合的物場(chǎng)分析，揭示了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，這就是貯水箱不能同時(shí)兼顧和滿足不同功能體的需要，沒有科學(xué)依據(jù)的強(qiáng)強(qiáng)湊合，必然顧此失彼，后患無(wú)窮，因?yàn)椴环咸?yáng)輻射制熱的客觀內(nèi)在規(guī)律。3.對(duì)應(yīng)發(fā)明等級(jí)，確定解題工具。根據(jù)上述物場(chǎng)分析，結(jié)合檢索現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)外知識(shí)，對(duì)應(yīng)五類發(fā)明等級(jí)，本項(xiàng)目與第1項(xiàng)專利結(jié)合產(chǎn)出的發(fā)明，介于2-3等級(jí)之間，有標(biāo)準(zhǔn)解答案，可以應(yīng)用經(jīng)典的TRIZ工具，有效解決物場(chǎng)分析中的問(wèn)題，經(jīng)分析比較，在調(diào)研大量文獻(xiàn)與現(xiàn)有專利資料基礎(chǔ)上，在76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法中尋求問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)答案。

四、概念方案

在第1個(gè)發(fā)明專利中，通過(guò)對(duì)計(jì)算集熱器面積的公式參數(shù)(技術(shù)矛盾)分析，應(yīng)用創(chuàng)新原理中的一維變多維原理，采用跨行業(yè)知識(shí)——統(tǒng)計(jì)學(xué)中的聚類分析法，創(chuàng)建了符合太陽(yáng)能資源內(nèi)在特征與規(guī)律，求解集熱器產(chǎn)水量的多維隨機(jī)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(jì)算問(wèn)題。以?？诘貐^(qū)為例，測(cè)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(shuō)，貯水箱配置容量為一天用量的1.5時(shí)，才能充分發(fā)揮貯水箱的功能作用。為本項(xiàng)目拆解物場(chǎng)模型提供了理論依據(jù)。

求解物場(chǎng)模型，可以應(yīng)用物理矛盾中的分離方法，也可應(yīng)用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法。本項(xiàng)目中相互作用的關(guān)聯(lián)物體較多，選用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法求解。

對(duì)照理想解(IFR)的4項(xiàng)要求：①消除了原系統(tǒng)的不足，②保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，③沒有使系統(tǒng)變得復(fù)雜，④沒有引入新的缺陷，以及理想化水平公式I=∑UF/(∑C+∑HF)來(lái)衡量篩選。

五、采用方案

根據(jù)用戶的實(shí)際需要(新建、改建、收不收熱水費(fèi)、有無(wú)現(xiàn)存的常規(guī)淋浴設(shè)備，對(duì)水溫有無(wú)嚴(yán)格的要求等)，可用上述的標(biāo)準(zhǔn)解改建多個(gè)物場(chǎng)模型：

根據(jù)上述物場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)，在調(diào)研現(xiàn)有專利文獻(xiàn)，進(jìn)行專利回避的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出以下適宜熱帶地區(qū)使用的新型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2 原系統(tǒng)簡(jiǎn)化為最簡(jiǎn)單的物場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)

六、方案實(shí)施

實(shí)施解決方案的后續(xù)成果是分別申報(bào)了國(guó)際專利(PCT)、國(guó)內(nèi)發(fā)明專利如表1所示：

表1 專利申請(qǐng)情況表