基于TRIZ方法的太陽追蹤器創(chuàng)新設(shè)計

王玥玥

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京，100018）

0 引言

傳統(tǒng)太陽能板靜止放置，由于太陽在天空中位置不斷變化，太陽能板接收光照量會發(fā)生變化，在不同的季節(jié)，太陽仰角也不相同，太陽能板擺放的傾斜度也對接收效果有影響。太陽追蹤器可以改變太陽能板的傾角和方向，從而保證接收陽光的有效面積。太陽能追蹤器本身消耗電能，使系統(tǒng)儲能效率有所降低，需優(yōu)化設(shè)計。

1 系統(tǒng)功能分析

傳統(tǒng)太陽能板的太陽追蹤器，通過傳感器感知太陽方向，反饋給控制器，控制器控制XY轉(zhuǎn)軸對準(zhǔn)太陽方向，保證太陽能板的有效接收面積?？刂破鳌鞲衅骱蚗Y轉(zhuǎn)軸都由電池供電，太陽能板產(chǎn)生的電能給電池充電，并輸出給用戶或負(fù)載。該系統(tǒng)組件主要包括：XY轉(zhuǎn)軸、控制模塊、感光器、支架、電池、太陽能板。其超系統(tǒng)組件有陽光、風(fēng)。 其組件相互作用分析如圖1所示，其組件功能定義如圖2所示。

建立系統(tǒng)功能模型如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)組件相互作用

圖2 組件功能定義

圖3 系統(tǒng)功能模型

2 因果軸分析

根據(jù)系統(tǒng)功能模型，針對電機、感光器、控制模塊的工作耗電問題，運用因果軸分析法，確定了間隔調(diào)整電機、增加支架結(jié)構(gòu)、預(yù)設(shè)巡天程序問題等三個關(guān)鍵點。分析過程如圖4所示。

圖4 因果軸分析

3 技術(shù)矛盾分析

針對太陽能追蹤器本身消耗電能，進(jìn)行技術(shù)矛盾分析，具體流程如圖5所示。轉(zhuǎn)軸電機是主要的耗電設(shè)備，如果可以間歇運動，在停止時休眠不消耗電能，但電機休眠將導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸失去鎖定，穩(wěn)定性變差。其改善的工程參數(shù)為“時間損失”，惡化的工程參數(shù)為“穩(wěn)定性”。根據(jù)TRIZ工具矛盾矩陣表，得到適用發(fā)明原理如圖6所示。

圖5 技術(shù)矛盾分析流程

圖6 矛盾矩陣表查找發(fā)明原理

得到如下發(fā)明原理及方案：

（1）根據(jù)發(fā)明原理35：性能轉(zhuǎn)換原理（物理/化學(xué)參數(shù)變化）。通過改變物理狀態(tài)濃度和密度、柔性或靈活程度等，實現(xiàn)性能優(yōu)化和改變。得到方案一：改變轉(zhuǎn)軸靈活程度，增加轉(zhuǎn)軸阻尼，提升電機休眠時轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性。

（2）根據(jù)發(fā)明原理3：局部質(zhì)量原理（局部質(zhì)量改善法）。將均勻的物體結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境或作用改為不均勻的；讓物體的各部分處于各自動作的最佳狀態(tài)；讓物體的不同部位均有不同功能。得到方案二：將XY轉(zhuǎn)軸分別置于太陽能板的中央水平線上和重心垂線上，讓其處于轉(zhuǎn)動的最佳狀態(tài)。

（3）根據(jù)發(fā)明原理22：變害為利原理。將有害的要素相結(jié)合來消除有害的作用；利用有害的因素，得到有益的結(jié)果；增加有害因素的幅度，直至有害性消失。得到方案三：設(shè)置一個風(fēng)動鎖扣，只要一有風(fēng)吹來，鎖扣就卡死轉(zhuǎn)軸。這樣，使裝置不穩(wěn)定的有害因素“風(fēng)”，成為了增加穩(wěn)定性的動力源。

（4）根據(jù)發(fā)明原理5：組合、合并原理。在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合；在時間上將相關(guān)的物體或操作合并。得到方案四：同一套控制板、感光器、XY轉(zhuǎn)軸，同時控制多套太陽能板的方向，提升設(shè)備效率，使多臺平均耗電量下降。

4 物理矛盾分析

追蹤太陽提升有效接收面積，但需要耗電；不追蹤太陽省電，但有效接收面積變小。根據(jù)TRIZ物理矛盾分析方法，選取物理參數(shù)為運動和靜止，其時間分離和條件分離的發(fā)明原理及設(shè)計如下：

（1）空間分離：將沖突雙方在不同的空間上進(jìn)行分離，以獲得問題的解決方案。該分離方式關(guān)聯(lián)發(fā)明原理3，可得到前文所述方案二。

（2）時間分離：如果對物理矛盾的矛盾需求體現(xiàn)在不同的時間段，可利用時間分離原理分離它們。根據(jù)發(fā)明原理10：預(yù)先作用原理。為完成任務(wù)事先做準(zhǔn)備(部分或全部完成任務(wù))或預(yù)先將物體安置妥當(dāng),使它們能在現(xiàn)場和最方便的地點立即起作用。得到方案五：根據(jù)天文知識，提前計算各時刻太陽方向角和仰角，預(yù)置程序自動調(diào)整，不需要感光器實時檢測陽光的方向（只需要感知光線強弱）。

（3）條件分離：當(dāng)系統(tǒng)或關(guān)鍵子系統(tǒng)矛盾雙方在某一條件下只出現(xiàn)一方時，可利用條件分離原理分離它們。根據(jù)發(fā)明原理19：周期性動作原理（離散法）。由連續(xù)作用過渡到周期性動作或改變周期性。得到方案六：周期性探測太陽位置，對準(zhǔn)角度離散化。

（4）整體與局部分離：當(dāng)系統(tǒng)（整體）或關(guān)鍵子系統(tǒng)（局部）矛盾雙方在子系統(tǒng)、系統(tǒng)、超系統(tǒng)不同的級別只出現(xiàn)一方。該分離方式關(guān)聯(lián)發(fā)明原理5，同樣得到前文所述方案四。

5 最終方案

根據(jù)TRIZ原理，結(jié)合工程實際情況，合并方案一至六，對太陽追蹤器進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)：設(shè)計控制程序預(yù)測太陽方向角和仰角，設(shè)置為每8分鐘間隔控制，從而節(jié)約電能；并將XY轉(zhuǎn)軸分別置于太陽能板的中央水平線上和重心垂線上，讓其處于轉(zhuǎn)動的最佳狀態(tài)；另外設(shè)置一個風(fēng)動鎖扣，只要一有風(fēng)吹來，鎖扣就卡死轉(zhuǎn)軸；最后同一套控制板、感光器、XY轉(zhuǎn)軸，同時控制多套太陽能板的方向，提升設(shè)備效率，使多臺平均耗電量下降。

6 結(jié)論

本文針對太陽能追蹤器的控制器、傳感器和XY轉(zhuǎn)軸的耗電量較大，降低了太陽能板的工作效能問題，運用TRIZ創(chuàng)新方法，對系統(tǒng)進(jìn)行功能分析、因果軸分析，然后利用技術(shù)矛盾分析流程、物理矛盾四種分離方式等工具，結(jié)合39項工程參數(shù)、矛盾矩陣表和40個發(fā)明原理，完成改進(jìn)設(shè)計，有效提高太陽能板的效率，減少耗電約90%，成本增加不到10%，適合在風(fēng)光互補系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用推廣。本項目中基于TRIZ方法的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程也有一定的參考價值。