分享：基于TRIZ理论的便携式光伏手机充电装置研制

随着现代社会的发展，智能手机已经成为了人们日常生产生活中的重要组成部分。智能手机在工作时需要消耗大量的电能，使得手机电池难以维持长时间的工作。在对手机进行充电时，又常常受到固定电源与手机充电电线长度的限制，使得人的活动范围被局限在固定电源附近，不利于进行外出等活动[1–2]。为解决手机充电时操作不简便、手机工作时长较短、严重依赖固定电源这3大问题，采用TRIZ理论对便携式太阳能手机充电器进行了设计。TRIZ由俄文演绎而来，意思是发明家式的解决任务的理论。是前苏联发明家、教育家G. S. Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）和他的研究团队通过分析大量专利和创新案例总结出来的。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解决方案[3]。根据TRIZ理论可加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

1.   装置设计基于TRIZ理论分析

依据TRIZ理论的最终理想解对便携式太阳能手机充电器的设计进行分析可知：（1）设计的最终目的是延长手机工作时间；（2）最理想的结果是便携式太阳能手机充电器；（3）达到理想的阻碍是复杂的操作过程，单一的充电来源；（4）出现阻碍的结果导致不利于快速充电，活动范围被限制在充电源附近；（5）避免出现这些障碍的条件——简化充电步骤，采用可移动的充电电源，能利用多种能量进行充电。为达到以上条件可以利用的资源有简便的充电系统，增加电量储存的组建，能量转化装置。最终确定的理想解：系统能进行直接充电，可利用能量装转化发电且延长手机工作时间。在最终理想状态下，该系统拥有更简单的操作步骤，能延长工作时间，可以在多种条件下进行充电。在确立了理想状态的方向和位置后，保证了问题解决并得到最终理想解，避免了传统设计方法中目的不明确这一缺陷，从而提高了创新设计的效率[4–7]。

2.   实验过程

将实际问题到解决方案过程进行演化，演化过程如图1所示。通过模型组件分析，确定组件功能，最后通过因果分析，得到分析的关键点。

（1）模型组件分析。通过模型组件分析描述系统组件的种类以及相互关系，如图2所示。

（2）功能组件确定。系统功能：对电池进行充电；系统作用对象：电量耗尽的手机电池；系统组件：插头、数据线、电源、电池。

（3）因果分析。认识问题：现有装置在充电操作过程中步骤繁琐、体积较大占用空间大、手机充电时运动空间受限；澄清问题：数据线较长让人感到杂乱，较短则不便于使用；查找问题原因：组件中，插头与数据线相互连接，限制了手机充电时的运动空间；解决问题的措施：①减少充电的操作步骤；②减少充电系统体积；③扩大手机充电时的可运动空间[8–9]。

（4）分析的关键点。充电系统需要连接后使用，充电系统占用空间大，扩大充电时的运动空间。

3.   结果与分析

3.1   技术矛盾分析及发明原理运用

现有问题：手机充电过程中，需要连接充电系统，充电系统体积较大、占用空间大，充电时手机运动空间受到限制。基于以上问题，想到的解决方法为减少充电系统个数的同时完成充电任务，带来的问题是增加了充电系统的复杂程度。

改善的参数：物质或事物的数量；恶化的参数：装置的复杂性。根据阿齐舒勒矛盾矩阵表，查得03、23、27、10四个发明原理，对发明原理能否解决问题进行了探讨（见表1）。在经过比较分析后，发明原理10符合要求。

由此得到方案1：预先将充电插头、数据线、智能手机进行组合，将这个组合系统组装成为手机壳的形状。通过这种预先组合的形式，减少了充电时的操作步骤，缩小了充电时所占用的空间，增大了充电手机的运动空间。

3.2   物理矛盾及其解决方案

物理矛盾的定义是，当一个技术系统的某一个工程参数具有相反的需求时，就构成了物理矛盾。解决物理矛盾采用了分离原理[10–11]。

在传统的充电方法中，是将充电系统组合好后，连接到固定电源处进行充电。现在为了满足便于携带的要求，则需要一个可以进行运动的稳定电源。固定的充电电源与自由运动的充电电源构成了一对矛盾。运用分离原理解决该问题，与分离原理有关的发明原理有13个，通过对分离原理与发明原理的综合运用，我们采用空间分离原理来解决这对矛盾。提出解决方案2。

方案2是在充电系统中添加可充电电池作为自由运动电源。当手机电量较低时，打开手机壳中的充电开关，使用充电电池释放的稳定电流对手机进行充电。既满足了充电时可以自由运动的要求，又能够为手机提供稳定的充电电流，减小了对电池的损伤。

3.3   物–场分析和标准解法系统

对任何一种技术的任何一个功能都可以用两个物一个场来描述，两物一场构成三要素。物–场分析的进行是在判别物–场模型的基础之上进行的，或是对不完整的物–场体系进行补全，或是对完全物–场体系中的要素进行变换进行发展物场。

TRIZ物–场分析法步骤指出，首先要明确发生问题的部位并确定相关元素，传统手机充电方式依赖固定式电源充电，需要将充电系统与固定电源进行连接，需要使用者耐心等待，而且无法进行自由运动。在室外及户外则无法进行充电，充电条件受到限制。建立问题的物–场模型后，可以看出物质S2作用于S1，即充电系统作用于手机电池，在室外条件下可以提供的电能是有限的，仅依靠充电系统内的充电电池难以长时间对手机电池进行供电（图3）。

建立好模型之后即可选择物–场模型的合适解法，通过对示意图的分析发现问题所在：充电系统中的充电电池对手机电量的供应是有限度的，无法依靠充电电池对手机进行长时间充电。该系统的物–场模型属于“作用不完整系统模型”根据标准解的表述，引入新场向并联式物模型进化。最终得到解决方案的物–场模型。由第六标准解可知，加入S3、F2来解决充电系统中，充电电池无法长时间进行充电的问题。分析可得进行设计概念最终解，如图4所示。

由此得出方案3，即使用标准解引入一个场F2，为装置添加太阳能发电组件。当太阳能电池板受到光照时产生电能，经太阳能发电组件对电流进行防倒流保护，对充电电池提供稳定的电压电流，在日常中对充电电池进行充电，从而延长充电电池对手机的充电时间。

表2列出了上述3种技术方案，综合以上方案，得到便携式太阳能手机充电器的充电系统的创新设计方案。

该便携式太阳能手机充电器的充电系统，是由充电组件、太阳能发电组件共同组成。当手机不需要进行充电时，会使用太阳能对充电电池进行充电；在手机需要充电且有一定光照时，使用太阳能对手机进行充电；在光照条件不足时，使用充电电池对手机进行充电。从而实现了缩减充电组件的连接过程，减少充电系统的体积，手机在充电时便于携带的功能。在有光条件下用太阳能进行充电，无光条件下使用充电电池对手机进行充电，在不需要充电且有一定光照时对充电电池进行充电，使手机能够获得更多的电能进行充电，装置如图5。

4.   结论

本文给出了基于TRIZ的便携式光伏手机充电装置设计过程，利用发明问题解决理论(TRIZ)中的物–场分析、技术矛盾和物理矛盾。弥补了传统设计方法的不足。改进了设计过程并缩短了设计周期，提高了设计的效率，提出了改进便携式光伏手机充电装置方案，为便携式光伏手机充电装置的创新设计提供了理论依据。

文章来源——金属世界