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。