分享：基于TRIZ理論的便攜式光伏手機充電裝置研制

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，智能手機已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中的重要組成部分。智能手機在工作時需要消耗大量的電能，使得手機電池難以維持長時間的工作。在對手機進行充電時，又常常受到固定電源與手機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，不利于進行外出等活動[1–2]。為解決手機充電時操作不簡便、手機工作時長較短、嚴重依賴固定電源這3大問題，采用TRIZ理論對便攜式太陽能手機充電器進行了設(shè)計。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）和他的研究團隊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，著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，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)明的進程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

1.   裝置設(shè)計基于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充電器的設(shè)計進行分析可知：（1）設(shè)計的最終目的是延長手機工作時間；（2）最理想的結(jié)果是便攜式太陽能手機充電器；（3）達到理想的阻礙是復(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，能利用多種能量進行充電。為達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)能進行直接充電，可利用能量裝轉(zhuǎn)化發(fā)電且延長手機工作時間。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)計方法中目的不明確這一缺陷，從而提高了創(chuàng)新設(shè)計的效率[4–7]。

2.   實驗過程

將實際問題到解決方案過程進行演化，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。

（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。

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

（3）因果分析。認識問題：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、手機充電時運動空間受限；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，限制了手機充電時的運動空間；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擴大手機充電時的可運動空間[8–9]。

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

3.   結(jié)果與分析

3.1   技術(shù)矛盾分析及發(fā)明原理運用

現(xiàn)有問題：手機充電過程中，需要連接充電系統(tǒng)，充電系統(tǒng)體積較大、占用空間大，充電時手機運動空間受到限制?；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。

由此得到方案1：預(yù)先將充電插頭、數(shù)據(jù)線、智能手機進行組合，將這個組合系統(tǒng)組裝成為手機殼的形狀。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，增大了充電手機的運動空間。

3.2   物理矛盾及其解決方案

物理矛盾的定義是，當一個技術(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，則需要一個可以進行運動的穩(wěn)定電源。固定的充電電源與自由運動的充電電源構(gòu)成了一對矛盾。運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動電源。當手機電量較低時，打開手機殼中的充電開關(guān)，使用充電電池釋放的穩(wěn)定電流對手機進行充電。既滿足了充電時可以自由運動的要求，又能夠為手機提供穩(wěn)定的充電電流，減小了對電池的損傷。

3.3   物–場分析和標準解法系統(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–場分析的進行是在判別物–場模型的基礎(chǔ)之上進行的，或是對不完整的物–場體系進行補全，或是對完全物–場體系中的要素進行變換進行發(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)與固定電源進行連接，需要使用者耐心等待，而且無法進行自由運動。在室外及戶外則無法進行充電，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電池進行供電（圖3）。

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電量的供應(yīng)是有限度的，無法依靠充電電池對手機進行長時間充電。該系統(tǒng)的物–場模型屬于“作用不完整系統(tǒng)模型”根據(jù)標準解的表述，引入新場向并聯(lián)式物模型進化。最終得到解決方案的物–場模型。由第六標準解可知，加入S3、F2來解決充電系統(tǒng)中，充電電池?zé)o法長時間進行充電的問題。分析可得進行設(shè)計概念最終解，如圖4所示。

由此得出方案3，即使用標準解引入一個場F2，為裝置添加太陽能發(fā)電組件。當太陽能電池板受到光照時產(chǎn)生電能，經(jīng)太陽能發(fā)電組件對電流進行防倒流保護，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行充電，從而延長充電電池對手機的充電時間。

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充電器的充電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計方案。

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

4.   結(jié)論

本文給出了基于TRIZ的便攜式光伏手機充電裝置設(shè)計過程，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。彌補了傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足。改進了設(shè)計過程并縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計的效率，提出了改進便攜式光伏手機充電裝置方案，為便攜式光伏手機充電裝置的創(chuàng)新設(shè)計提供了理論依據(jù)。

文章來源——金屬世界