基于TRIZ 理論的便攜式光伏手機充電裝置研制

供稿|齊鵬遠，王靜波，姬龍雪，楊光達，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

內容導讀

采用了TRIZ 理論對光伏手機充電裝置進行了創新設計。應用TRIZ 理論中的最終理想解題方法，結合技術矛盾、物理矛盾、物-場矛盾一系列模型，綜合分析創新開發過程中的影響因素，最終完成便攜式太陽能手機充電器的創新原理開發，確定最佳工藝方案，并成功完成了實物產品的加工制作。

隨著現代社會的發展，智能手機已經成為了人們日常生產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計。TRIZ 由俄文演繹而來，意思是發明家式的解決任務的理論。是前蘇聯發明家、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新案例總結出來的。TRIZ 理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解決方案[3]。根據TRIZ 理論可加快人們創造發明的進程而且能得到高質量的創新產品。

裝置設計基于TRIZ 理論分析

依據TRIZ 理論的最終理想解對便攜式太陽能手機充電器的設計進行分析可知：（1）設計的最終目的是延長手機工作時間；（2）最理想的結果是便攜式太陽能手機充電器；（3）達到理想的阻礙是復雜的操作過程，單一的充電來源；（4）出現阻礙的結果導致不利于快速充電，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，增加電量儲存的組建，能量轉化裝置。最終確定的理想解：系統能進行直接充電，可利用能量裝轉化發電且延長手機工作時間。在最終理想狀態下，該系統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，避免了傳統設計方法中目的不明確這一缺陷，從而提高了創新設計的效率[4-7]。

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，得到分析的關鍵點。

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組件的種類以及相互關系，如圖2 所示。

圖2 模型組件分析

（2）功能組件確定。系統功能：對電池進行充電；系統作用對象：電量耗盡的手機電池；系統組件：插頭、數據線、電源、電池。

（3）因果分析。認識問題：現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：數據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，插頭與數據線相互連接，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減少充電系統體積；③擴大手機充電時的可運動空間[8-9]。

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

結果與分析

技術矛盾分析及發明原理運用

現有問題：手機充電過程中，需要連接充電系統，充電系統體積較大、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個數的同時完成充電任務，帶來的問題是增加了充電系統的復雜程度。

改善的參數：物質或事物的數量；惡化的參數：裝置的復雜性。根據阿齊舒勒矛盾矩陣表，查得03、23、27、10 四個發明原理，對發明原理能否解決問題進行了探討（見表1）。在經過比較分析后，發明原理10 符合要求。

表1 發明原理與解決問題的關聯性

由此得到方案1：預先將充電插頭、數據線、智能手機進行組合，將這個組合系統組裝成為手機殼的形狀。通過這種預先組合的形式，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。

物理矛盾及其解決方案

物理矛盾的定義是，當一個技術系統的某一個工程參數具有相反的需求時，就構成了物理矛盾。解決物理矛盾采用了分離原理[10-11]。

在傳統的充電方法中，是將充電系統組合好后，連接到固定電源處進行充電?，F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定電源。固定的充電電源與自由運動的充電電源構成了一對矛盾。運用分離原理解決該問題，與分離原理有關的發明原理有13 個，通過對分離原理與發明原理的綜合運用，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，使用充電電池釋放的穩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定的充電電流，減小了對電池的損傷。

物-場分析和標準解法系統

對任何一種技術的任何一個功能都可以用兩個物一個場來描述，兩物一場構成三要素。物-場分析的進行是在判別物-場模型的基礎之上進行的，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展物場。

TRIZ 物-場分析法步驟指出，首先要明確發生問題的部位并確定相關元素，傳統手機充電方式依賴固定式電源充電，需要將充電系統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S2 作用于S1，即充電系統作用于手機電池，在室外條件下可以提供的電能是有限的，僅依靠充電系統內的充電電池難以長時間對手機電池進行供電（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現問題所在：充電系統中的充電電池對手機電量的供應是有限度的，無法依靠充電電池對手機進行長時間充電。該系統的物-場模型屬于“作用不完整系統模型”根據標準解的表述，引入新場向并聯式物模型進化。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 來解決充電系統中，充電電池無法長時間進行充電的問題。分析可得進行設計概念最終解，如圖4 所示。

圖4 概念最終解模型

由此得出方案3，即使用標準解引入一個場F2，為裝置添加太陽能發電組件。當太陽能電池板受到光照時產生電能，經太陽能發電組件對電流進行防倒流保護，對充電電池提供穩定的電壓電流，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的創新設計方案。

表2 技術方案分析

該便攜式太陽能手機充電器的充電系統，是由充電組件、太陽能發電組件共同組成。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。從而實現了縮減充電組件的連接過程，減少充電系統的體積，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。

圖5 光伏充電裝置示意圖

結論

本文給出了基于TRIZ 的便攜式光伏手機充電裝置設計過程，利用發明問題解決理論(TRIZ)中的物-場分析、技術矛盾和物理矛盾。彌補了傳統設計方法的不足。改進了設計過程并縮短了設計周期，提高了設計的效率，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新設計提供了理論依據。