王玥玥

（北京信息職業(yè)技術學院，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轉軸對準太陽方向，保證太陽能板的有效接收面積?？刂破?、傳感器和XY轉軸都由電池供電，太陽能板產生的電能給電池充電，并輸出給用戶或負載。該系統(tǒng)組件主要包括：XY轉軸、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。 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，確定了間隔調整電機、增加支架結構、預設巡天程序問題等三個關鍵點。分析過程如圖4所示。

圖4 因果軸分析

3 技術矛盾分析

針對太陽能追蹤器本身消耗電能，進行技術矛盾分析，具體流程如圖5所示。轉軸電機是主要的耗電設備，如果可以間歇運動，在停止時休眠不消耗電能，但電機休眠將導致轉軸失去鎖定，穩(wěn)定性變差。其改善的工程參數為“時間損失”，惡化的工程參數為“穩(wěn)定性”。根據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）根據發(fā)明原理35：性能轉換原理（物理/化學參數變化）。通過改變物理狀態(tài)濃度和密度、柔性或靈活程度等，實現性能優(yōu)化和改變。得到方案一：改變轉軸靈活程度，增加轉軸阻尼，提升電機休眠時轉軸的穩(wěn)定性。

（2）根據發(fā)明原理3：局部質量原理（局部質量改善法）。將均勻的物體結構、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，讓其處于轉動的最佳狀態(tài)。

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

（4）根據發(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；在時間上將相關的物體或操作合并。得到方案四：同一套控制板、感光器、XY轉軸，同時控制多套太陽能板的方向，提升設備效率，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TRIZ物理矛盾分析方法，選取物理參數為運動和靜止，其時間分離和條件分離的發(fā)明原理及設計如下：

（1）空間分離：將沖突雙方在不同的空間上進行分離，以獲得問題的解決方案。該分離方式關聯發(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在不同的時間段，可利用時間分離原理分離它們。根據發(fā)明原理10：預先作用原理。為完成任務事先做準備(部分或全部完成任務)或預先將物體安置妥當,使它們能在現場和最方便的地點立即起作用。得到方案五：根據天文知識，提前計算各時刻太陽方向角和仰角，預置程序自動調整，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：當系統(tǒng)或關鍵子系統(tǒng)矛盾雙方在某一條件下只出現一方時，可利用條件分離原理分離它們。根據發(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，對準角度離散化。

（4）整體與局部分離：當系統(tǒng)（整體）或關鍵子系統(tǒng)（局部）矛盾雙方在子系統(tǒng)、系統(tǒng)、超系統(tǒng)不同的級別只出現一方。該分離方式關聯發(fā)明原理5，同樣得到前文所述方案四。

5 最終方案

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

6 結論

本文針對太陽能追蹤器的控制器、傳感器和XY轉軸的耗電量較大，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)進行功能分析、因果軸分析，然后利用技術矛盾分析流程、物理矛盾四種分離方式等工具，結合39項工程參數、矛盾矩陣表和40個發(fā)明原理，完成改進設計，有效提高太陽能板的效率，減少耗電約90%，成本增加不到10%，適合在風光互補系統(tǒng)中進行應用推廣。本項目中基于TRIZ方法的產品創(chuàng)新設計過程也有一定的參考價值。