TRIZ理论太阳能电池设计

TRIZ 理论太阳能电池设计一、研究目的：太阳能飞机是以太阳能转化为电能作为能源的一种航空器， 由于太阳能的零污染和取之不尽的优点， 作为飞机的能源可大大提升飞机的续航能力， 并且符合低碳经济和未来能源的发展方向。 设计太阳能飞机，最主要的是能够将太阳能转化为电能。将太阳能转化为电能的设备选择太阳能电池， 因为其技术相对较成熟，并且易于实现。其中一种方法是用平面太阳能电池，其转化效率在 20%左右，能较容易地为飞机提供足够的电能，但因其是平面而飞机上大部分表面为曲线形， 所以比较难以实现将其与飞机的完美结合。如果额外搭建平台（类似于预警机）用于安装太阳能电池，那么势必增加飞机的重量、复杂性，降低了飞机的灵活性。另一种方法是选用薄膜太阳能电池，因其质量轻、弯曲度好，能与飞机的一部分表面有效结合， 故可将其作为飞机的最外蒙皮， 这样克服了平面太阳能电池的不足，但此种方法的效率低（ 10%左右） 。要想制作出薄膜太阳能电池供电的太阳能飞机，就要在飞机上装备大量的薄膜太阳能电池， 但飞机表面达不到这样的有效表面。 如果用增大翼展来增加有效表面， 增加的薄膜太阳能电池所产生的电能还不足以提升其所增加的材料，并且耗费较大。二、基本思路及创新点1、功能分析从 TRIZ 理论定义上来说，一个技术系统应包括三个部分：两种物质和一个场（或是能量） 。要解决问题，首先要明确引起问题的技术系统。在上面的问题中， 引起问题的技术系统是飞机、太阳能电池和太阳能电池产生的电能。可以列出该技术系统的主要成分及相应功能，如表 1。表 1技术系统的主要组件及相应功能系统的理想解： 太阳能电池有足够的太阳光转化为电能， 太阳能电池的转化效率较高， 提供的电能足够让飞机延长续航时间， 飞机的各项参数合理。2、技术矛盾分析通过上面的描述， 需要找到一种解决方法： 太阳能电池既能提供足够的电能使飞机起飞和续航， 又不增加飞机的重量和复杂性等。 该系统中存在着这样的技术矛盾： 太阳能电池的效率 （选用薄膜太阳能电池还是平面太阳能电池） 与飞机的复杂性、 飞机的重量及飞机的稳定性之间的矛盾。3、解决技术矛盾首先， 找出问题的不确定因素， 然后将这些不确定因素转化为 39个通用工程参数，使用矛盾矩阵有两个方向：一个是恶化参数，即这些参数的改变在系统中是有害的； 另一个是改善参数， 这是要提高或者增大的参数， 所以要将这些参数按恶化还是改善分成两类。 最后就是把这些参数按改善还是恶化一一匹配， 按矛盾矩阵找出对应的发明原理来解决问题。利用这些步骤解决飞机太阳能电池的问题。不确定因素及其通用工程参数，并且分类。如表 2表 2 不确定因素的的转化技术矛盾匹配：①和③，①和④，②和③，②和④；通过 TRIZ 理论中阿奇舒勒矛盾矩阵，在交叉处得到发明原理，如表 3为阿奇舒勒矛盾一角表 3阿奇舒勒矛盾矩阵一角了上面的技术矛盾匹配，在矩阵中找到了如下表 4的发明原理。表 3阿奇舒勒矛盾矩阵一角表 4技术矛盾在矩阵中的举例表 4技术矛盾在矩阵中的举例编号对应着 TRIZ 中的 40个不同的发明原理：原理 12—等势原则：在能场中，避免物体位置的改变。原理 17—维变多维： 1）将物体从一维变到二维或多维空间； 2）用多层结构代替单层结构； 3) 使物体倾斜或侧向放置； 4）使用给定表面的另一面。表 4技术矛盾在矩阵中的举例原理 35—物理 / 化学状态变化：改变物体的物理 / 化学状态，浓度 / 密度，柔性，温度。最后通过分析这些原理，找到对该问题有用的原理并加以运用。在本次实践中， 仍可选用具有较高效率的平面太阳能电池， 但由于机翼是曲面的， 所以利用发明原理 17中一维变多维的思路和发明原理 35中改变其物理性质的思路， 将整块平面电池沿单晶硅排列方向切割成许多细长的电池条，用增透膜连接，贴在机翼上。经过这样的工艺制作的曲面太阳能电池本身具有一定的强度， 可用电池直接作为机翼的复合材料层压蒙皮， 这样既没有增加飞机的重量， 也没有增加飞机的复杂性，而且稳定性得到了保证，电能供应也得到了保证。应用 TRIZ 理论中的矛盾矩阵和发明原理， 对实际问题的 TRIZ 转换， 设计出的曲面太阳能电池， 其光电转换效率和平面太阳能电池一样，用增透膜代替了增透玻璃，减小了太阳能电池的重量，同时具有良好的可弯曲度，适用于小型机翼。