基于TRIZ方法的太阳追踪器创新设计

王玥玥

（北京信息职业技术学院，北京，100018）

0 引言

传统太阳能板静止放置，由于太阳在天空中位置不断变化，太阳能板接收光照量会发生变化，在不同的季节，太阳仰角也不相同，太阳能板摆放的倾斜度也对接收效果有影响。太阳追踪器可以改变太阳能板的倾角和方向，从而保证接收阳光的有效面积。太阳能追踪器本身消耗电能，使系统储能效率有所降低，需优化设计。

1 系统功能分析

传统太阳能板的太阳追踪器，通过传感器感知太阳方向，反馈给控制器，控制器控制XY转轴对准太阳方向，保证太阳能板的有效接收面积。控制器、传感器和XY转轴都由电池供电，太阳能板产生的电能给电池充电，并输出给用户或负载。该系统组件主要包括：XY转轴、控制模块、感光器、支架、电池、太阳能板。其超系统组件有阳光、风。 其组件相互作用分析如图1所示，其组件功能定义如图2所示。

建立系统功能模型如图3所示。

图1 系统组件相互作用

图2 组件功能定义

图3 系统功能模型

2 因果轴分析

根据系统功能模型，针对电机、感光器、控制模块的工作耗电问题，运用因果轴分析法，确定了间隔调整电机、增加支架结构、预设巡天程序问题等三个关键点。分析过程如图4所示。

图4 因果轴分析

3 技术矛盾分析

针对太阳能追踪器本身消耗电能，进行技术矛盾分析，具体流程如图5所示。转轴电机是主要的耗电设备，如果可以间歇运动，在停止时休眠不消耗电能，但电机休眠将导致转轴失去锁定，稳定性变差。其改善的工程参数为“时间损失”，恶化的工程参数为“稳定性”。根据TRIZ工具矛盾矩阵表，得到适用发明原理如图6所示。

图5 技术矛盾分析流程

图6 矛盾矩阵表查找发明原理

得到如下发明原理及方案：

（1）根据发明原理35：性能转换原理（物理/化学参数变化）。通过改变物理状态浓度和密度、柔性或灵活程度等，实现性能优化和改变。得到方案一：改变转轴灵活程度，增加转轴阻尼，提升电机休眠时转轴的稳定性。

（2）根据发明原理3：局部质量原理（局部质量改善法）。将均匀的物体结构、外部环境或作用改为不均匀的；让物体的各部分处于各自动作的最佳状态；让物体的不同部位均有不同功能。得到方案二：将XY转轴分别置于太阳能板的中央水平线上和重心垂线上，让其处于转动的最佳状态。

（3）根据发明原理22：变害为利原理。将有害的要素相结合来消除有害的作用；利用有害的因素，得到有益的结果；增加有害因素的幅度，直至有害性消失。得到方案三：设置一个风动锁扣，只要一有风吹来，锁扣就卡死转轴。这样，使装置不稳定的有害因素“风”，成为了增加稳定性的动力源。

（4）根据发明原理5：组合、合并原理。在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合；在时间上将相关的物体或操作合并。得到方案四：同一套控制板、感光器、XY转轴，同时控制多套太阳能板的方向，提升设备效率，使多台平均耗电量下降。

4 物理矛盾分析

追踪太阳提升有效接收面积，但需要耗电；不追踪太阳省电，但有效接收面积变小。根据TRIZ物理矛盾分析方法，选取物理参数为运动和静止，其时间分离和条件分离的发明原理及设计如下：

（1）空间分离：将冲突双方在不同的空间上进行分离，以获得问题的解决方案。该分离方式关联发明原理3，可得到前文所述方案二。

（2）时间分离：如果对物理矛盾的矛盾需求体现在不同的时间段，可利用时间分离原理分离它们。根据发明原理10：预先作用原理。为完成任务事先做准备(部分或全部完成任务)或预先将物体安置妥当,使它们能在现场和最方便的地点立即起作用。得到方案五：根据天文知识，提前计算各时刻太阳方向角和仰角，预置程序自动调整，不需要感光器实时检测阳光的方向（只需要感知光线强弱）。

（3）条件分离：当系统或关键子系统矛盾双方在某一条件下只出现一方时，可利用条件分离原理分离它们。根据发明原理19：周期性动作原理（离散法）。由连续作用过渡到周期性动作或改变周期性。得到方案六：周期性探测太阳位置，对准角度离散化。

（4）整体与局部分离：当系统（整体）或关键子系统（局部）矛盾双方在子系统、系统、超系统不同的级别只出现一方。该分离方式关联发明原理5，同样得到前文所述方案四。

5 最终方案

根据TRIZ原理，结合工程实际情况，合并方案一至六，对太阳追踪器进行如下优化改进：设计控制程序预测太阳方向角和仰角，设置为每8分钟间隔控制，从而节约电能；并将XY转轴分别置于太阳能板的中央水平线上和重心垂线上，让其处于转动的最佳状态；另外设置一个风动锁扣，只要一有风吹来，锁扣就卡死转轴；最后同一套控制板、感光器、XY转轴，同时控制多套太阳能板的方向，提升设备效率，使多台平均耗电量下降。

6 结论

本文针对太阳能追踪器的控制器、传感器和XY转轴的耗电量较大，降低了太阳能板的工作效能问题，运用TRIZ创新方法，对系统进行功能分析、因果轴分析，然后利用技术矛盾分析流程、物理矛盾四种分离方式等工具，结合39项工程参数、矛盾矩阵表和40个发明原理，完成改进设计，有效提高太阳能板的效率，减少耗电约90%，成本增加不到10%，适合在风光互补系统中进行应用推广。本项目中基于TRIZ方法的产品创新设计过程也有一定的参考价值。