基于TRIZ 理論的便攜式光伏手機(jī)充電裝置研制

供稿|齊鵬遠(yuǎn)，王靜波，姬龍雪，楊光達(dá)，王飛，楊中亮，栗明昊，王磊 / QI Pengyuan, WANG Jingbo,JI Longxue, YANG Guangda, WANG Fei, YANG Zhongliang, LI Minghao, WANG Lei

內(nèi)容導(dǎo)讀

采用了TRIZ 理論對光伏手機(jī)充電裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。應(yīng)用TRIZ 理論中的最終理想解題方法，結(jié)合技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場矛盾一系列模型，綜合分析創(chuàng)新開發(fā)過程中的影響因素，最終完成便攜式太陽能手機(jī)充電器的創(chuàng)新原理開發(fā)，確定最佳工藝方案，并成功完成了實(shí)物產(chǎn)品的加工制作。

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中的重要組成部分。智能手機(jī)在工作時需要消耗大量的電能，使得手機(jī)電池難以維持長時間的工作。在對手機(jī)進(jìn)行充電時，又常常受到固定電源與手機(jī)充電電線長度的限制，使得人的活動范圍被局限在固定電源附近，不利于進(jìn)行外出等活動[1-2]。為解決手機(jī)充電時操作不簡便、手機(jī)工作時長較短、嚴(yán)重依賴固定電源這3 大問題，采用TRIZ 理論對便攜式太陽能手機(jī)充電器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。TRIZ 由俄文演繹而來，意思是發(fā)明家式的解決任務(wù)的理論。是前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G. S. Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）和他的研究團(tuán)隊(duì)通過分析大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來的。TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解決方案[3]。根據(jù)TRIZ 理論可加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

裝置設(shè)計(jì)基于TRIZ 理論分析

依據(jù)TRIZ 理論的最終理想解對便攜式太陽能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析可知：（1）設(shè)計(jì)的最終目的是延長手機(jī)工作時間；（2）最理想的結(jié)果是便攜式太陽能手機(jī)充電器；（3）達(dá)到理想的阻礙是復(fù)雜的操作過程，單一的充電來源；（4）出現(xiàn)阻礙的結(jié)果導(dǎo)致不利于快速充電，活動范圍被限制在充電源附近；（5）避免出現(xiàn)這些障礙的條件——簡化充電步驟，采用可移動的充電電源，能利用多種能量進(jìn)行充電。為達(dá)到以上條件可以利用的資源有簡便的充電系統(tǒng)，增加電量儲存的組建，能量轉(zhuǎn)化裝置。最終確定的理想解：系統(tǒng)能進(jìn)行直接充電，可利用能量裝轉(zhuǎn)化發(fā)電且延長手機(jī)工作時間。在最終理想狀態(tài)下，該系統(tǒng)擁有更簡單的操作步驟，能延長工作時間，可以在多種條件下進(jìn)行充電。在確立了理想狀態(tài)的方向和位置后，保證了問題解決并得到最終理想解，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中目的不明確這一缺陷，從而提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率[4-7]。

實(shí)驗(yàn)過程

將實(shí)際問題到解決方案過程進(jìn)行演化，演化過程如圖1 所示。通過模型組件分析，確定組件功能，最后通過因果分析，得到分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 推理演化過程示意圖

（1）模型組件分析。通過模型組件分析描述系統(tǒng)組件的種類以及相互關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 模型組件分析

（2）功能組件確定。系統(tǒng)功能：對電池進(jìn)行充電；系統(tǒng)作用對象：電量耗盡的手機(jī)電池；系統(tǒng)組件：插頭、數(shù)據(jù)線、電源、電池。

（3）因果分析。認(rèn)識問題：現(xiàn)有裝置在充電操作過程中步驟繁瑣、體積較大占用空間大、手機(jī)充電時運(yùn)動空間受限；澄清問題：數(shù)據(jù)線較長讓人感到雜亂，較短則不便于使用；查找問題原因：組件中，插頭與數(shù)據(jù)線相互連接，限制了手機(jī)充電時的運(yùn)動空間；解決問題的措施：①減少充電的操作步驟；②減少充電系統(tǒng)體積；③擴(kuò)大手機(jī)充電時的可運(yùn)動空間[8-9]。

（4）分析的關(guān)鍵點(diǎn)。充電系統(tǒng)需要連接后使用，充電系統(tǒng)占用空間大，擴(kuò)大充電時的運(yùn)動空間。

結(jié)果與分析

技術(shù)矛盾分析及發(fā)明原理運(yùn)用

現(xiàn)有問題：手機(jī)充電過程中，需要連接充電系統(tǒng)，充電系統(tǒng)體積較大、占用空間大，充電時手機(jī)運(yùn)動空間受到限制?；谝陨蠁栴}，想到的解決方法為減少充電系統(tǒng)個數(shù)的同時完成充電任務(wù)，帶來的問題是增加了充電系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

改善的參數(shù)：物質(zhì)或事物的數(shù)量；惡化的參數(shù)：裝置的復(fù)雜性。根據(jù)阿齊舒勒矛盾矩陣表，查得03、23、27、10 四個發(fā)明原理，對發(fā)明原理能否解決問題進(jìn)行了探討（見表1）。在經(jīng)過比較分析后，發(fā)明原理10 符合要求。

表1 發(fā)明原理與解決問題的關(guān)聯(lián)性

由此得到方案1：預(yù)先將充電插頭、數(shù)據(jù)線、智能手機(jī)進(jìn)行組合，將這個組合系統(tǒng)組裝成為手機(jī)殼的形狀。通過這種預(yù)先組合的形式，減少了充電時的操作步驟，縮小了充電時所占用的空間，增大了充電手機(jī)的運(yùn)動空間。

物理矛盾及其解決方案

物理矛盾的定義是，當(dāng)一個技術(shù)系統(tǒng)的某一個工程參數(shù)具有相反的需求時，就構(gòu)成了物理矛盾。解決物理矛盾采用了分離原理[10-11]。

在傳統(tǒng)的充電方法中，是將充電系統(tǒng)組合好后，連接到固定電源處進(jìn)行充電?，F(xiàn)在為了滿足便于攜帶的要求，則需要一個可以進(jìn)行運(yùn)動的穩(wěn)定電源。固定的充電電源與自由運(yùn)動的充電電源構(gòu)成了一對矛盾。運(yùn)用分離原理解決該問題，與分離原理有關(guān)的發(fā)明原理有13 個，通過對分離原理與發(fā)明原理的綜合運(yùn)用，我們采用空間分離原理來解決這對矛盾。提出解決方案2。

方案2 是在充電系統(tǒng)中添加可充電電池作為自由運(yùn)動電源。當(dāng)手機(jī)電量較低時，打開手機(jī)殼中的充電開關(guān)，使用充電電池釋放的穩(wěn)定電流對手機(jī)進(jìn)行充電。既滿足了充電時可以自由運(yùn)動的要求，又能夠?yàn)槭謾C(jī)提供穩(wěn)定的充電電流，減小了對電池的損傷。

物-場分析和標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng)

對任何一種技術(shù)的任何一個功能都可以用兩個物一個場來描述，兩物一場構(gòu)成三要素。物-場分析的進(jìn)行是在判別物-場模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，或是對不完整的物-場體系進(jìn)行補(bǔ)全，或是對完全物-場體系中的要素進(jìn)行變換進(jìn)行發(fā)展物場。

TRIZ 物-場分析法步驟指出，首先要明確發(fā)生問題的部位并確定相關(guān)元素，傳統(tǒng)手機(jī)充電方式依賴固定式電源充電，需要將充電系統(tǒng)與固定電源進(jìn)行連接，需要使用者耐心等待，而且無法進(jìn)行自由運(yùn)動。在室外及戶外則無法進(jìn)行充電，充電條件受到限制。建立問題的物-場模型后，可以看出物質(zhì)S2 作用于S1，即充電系統(tǒng)作用于手機(jī)電池，在室外條件下可以提供的電能是有限的，僅依靠充電系統(tǒng)內(nèi)的充電電池難以長時間對手機(jī)電池進(jìn)行供電（圖3）。

圖3 物-場模型

建立好模型之后即可選擇物-場模型的合適解法，通過對示意圖的分析發(fā)現(xiàn)問題所在：充電系統(tǒng)中的充電電池對手機(jī)電量的供應(yīng)是有限度的，無法依靠充電電池對手機(jī)進(jìn)行長時間充電。該系統(tǒng)的物-場模型屬于“作用不完整系統(tǒng)模型”根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解的表述，引入新場向并聯(lián)式物模型進(jìn)化。最終得到解決方案的物-場模型。由第六標(biāo)準(zhǔn)解可知，加入S3、F2 來解決充電系統(tǒng)中，充電電池?zé)o法長時間進(jìn)行充電的問題。分析可得進(jìn)行設(shè)計(jì)概念最終解，如圖4 所示。

圖4 概念最終解模型

由此得出方案3，即使用標(biāo)準(zhǔn)解引入一個場F2，為裝置添加太陽能發(fā)電組件。當(dāng)太陽能電池板受到光照時產(chǎn)生電能，經(jīng)太陽能發(fā)電組件對電流進(jìn)行防倒流保護(hù)，對充電電池提供穩(wěn)定的電壓電流，在日常中對充電電池進(jìn)行充電，從而延長充電電池對手機(jī)的充電時間。

表2 列出了上述3 種技術(shù)方案，綜合以上方案，得到便攜式太陽能手機(jī)充電器的充電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

表2 技術(shù)方案分析

該便攜式太陽能手機(jī)充電器的充電系統(tǒng)，是由充電組件、太陽能發(fā)電組件共同組成。當(dāng)手機(jī)不需要進(jìn)行充電時，會使用太陽能對充電電池進(jìn)行充電；在手機(jī)需要充電且有一定光照時，使用太陽能對手機(jī)進(jìn)行充電；在光照條件不足時，使用充電電池對手機(jī)進(jìn)行充電。從而實(shí)現(xiàn)了縮減充電組件的連接過程，減少充電系統(tǒng)的體積，手機(jī)在充電時便于攜帶的功能。在有光條件下用太陽能進(jìn)行充電，無光條件下使用充電電池對手機(jī)進(jìn)行充電，在不需要充電且有一定光照時對充電電池進(jìn)行充電，使手機(jī)能夠獲得更多的電能進(jìn)行充電，裝置如圖5。

圖5 光伏充電裝置示意圖

結(jié)論

本文給出了基于TRIZ 的便攜式光伏手機(jī)充電裝置設(shè)計(jì)過程，利用發(fā)明問題解決理論(TRIZ)中的物-場分析、技術(shù)矛盾和物理矛盾。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。改進(jìn)了設(shè)計(jì)過程并縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的效率，提出了改進(jìn)便攜式光伏手機(jī)充電裝置方案，為便攜式光伏手機(jī)充電裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。