现代设计方式大作业.docx

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现代设计方式大作业

TRIZ理论在风力发电中的应用

现今社会面临着各类能源危机，石油、煤炭、天然气将会枯竭,人类将如何去应对？

风能是一种环保型能源,加大风能的利用,将会大大改善能源的危机感,利用风能发电是此刻利用程度最普遍的方式。

虽然风力发电给人们带来了环保能源,可是在风力发电进程中,也存在大量的问题,本文就风车发电叶片容易断裂及折断，结合TRIZ理论及创新软件CreaxInnovationSuite对其进行分析,得出改良解决方案。

一、TRIZ的主要理论与方式

TRIZ的含义是发明问题解决理论,TRIZ理论是由前苏联发明家G.S.Altshuller在1946年创建的。

现代TRIZ理论的核心思想主要体此刻3个方面:

第一，无论是一个简单产品,仍是复杂的技术系统,其核心技术的进展都是遵循着客观的规律进展演变的,即具有客观的进化规律和模式。

第二,各类技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化进程的动力。

再就是技术系统进展的理想状态是用尽可能少的资源实现尽可能多的功能。

TRIZ理论的解题模式与思路如下:

将待解决的问题转化为问题模型（利用39个工程参数）,然后利用技术矛盾,按照矛盾矩阵表从40条创新原理中抽取可利用的原理,得出解决方案模型,最终结合现实技术来解决实际问题。

CreaxInnovationSuite是一套简单、结构化、系统化及可预测性的创新流程分析软件,可用来处置问题及找出创新方案,让利用者更系统地处置工程方面的问题,其对扩大产品研发、产品的制程改良和预防缺点及其处置方式上有着重要的奉献。

1.1冲突解决理论

冲突是创新设计中常常要碰到的一类问题,又是最难解决的一类问题,能够说创新就是在解决冲突中产生的。

发明问题的核心就是解决冲突,而解决冲突所应遵循的规则是：

改良系统中的一个零部件或性能的同时,不能对系统或相邻系统中的其他零部件或性能造成负面影响。

冲突可分为三类：

即管理冲突、技术冲突和物理冲突。

TRIZ主要研究后两种冲突。

技术矛盾表现为一个系统中两个子系统的矛盾,一般涉及到两个参数A和B。

当A取得改善时，B则变得恶化。

例如，通过改良农机的一个部件的结构,能够提高操作的方便性（参数A）。

但同时降低了制造的工艺性（参数B）。

TRIZ给出了能够形成技术矛盾的39个技术参数。

并把它们别离放置于一张表的行和列，行代表需要改善的参数，列代表同时恶化的参数。

行和列的每一个交叉点就是一对技术矛盾，如此组成了39×39的矛盾矩阵。

TRIZ给出了40个发明创造所遵循的原理,在矛盾矩阵的每一个行列交叉点上都给出了解决该技术矛盾所应利用的发明创造原理的编号。

物理矛盾即系统同时具有矛盾的或相反要求的状态。

例如，要求农业机械功能多样化，以适应不同的环境和作业，但为了降低本钱，同时要求其功能少。

物理矛盾能够通过度离原理解决,TRIZ提供了4种主要分离原则，即空间分离、时刻分离、部份与整体分离和按条件分离。

例如,为实现农业机械的多功能化，能够采取将主机和配套机具分离的方式，一个主机，多种配套机具,从而实现产品创新。

2、对系统的初步分析

选择风力发电系统

风力发电体统的概念

概念1：

将风所包含的动能转换成电能的工程技术。

概念2：

以风力作为动力，带动发电机将风能转化为电能的装备。

风力发电系统黑箱图

图风力发电系统系统黑箱图

风力发电系统的工作原理

风力发电系统从形式上有离网型、并网型。

离网型的单机容量小（约为kW，一般不超过10kW）,主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行;并网型的单机容量大（可达MW级）,且由多台风电机组组成风力发电机群（风电场）集中向电网输送电能。

另外,中型风力发电机组（几十kW到几百kW）可并网运行,也可与其它能源发电方式相结合（如风电-水电互补、风电-柴油机组发电联合）形成微电网。

并网型风力发电的频率应维持恒等于电网频率,按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。

机构示用意如图，，所示：

图采用SCIG的恒速恒频风力发电系统机构示用意

图基于DFIG的变速恒频风力发电系统机构示用意

图永磁直驱型变速恒频风力发电系统机构示用意

功率信号反馈控制

当风带动风力机转动至发电机发电运行的转速范围内时，按照转速和风力机特征参数计算出给定功率，并与发电机输出功率的观测值相较较取得误差量，通过PI调节器（PI调节器，就是对误差乘以一个倍数P，再叠加那个误差的积分I作用，利用那个量实施控制，调节器输出反馈参数，使系统趋于稳固）给动身电机可控参数值，调节发电机输出电流的大小，最终实现发电机输出功率的调节，如图所示。

图功率信号反馈控制的框图

3、依照技术系统进化原则分析系统的进化

风力发电的进展和前景

丹麦的PoullaCour教授是风力发电研究的前驱者,1891年他在丹麦的Askov成立了风力发电研究所并安装了实验用的4叶片风力发电机。

到1910年,丹麦已建成100座5-25kW的风力发电站。

但从19世纪末到20世纪初期实现的风力发电均为小容量直流发电。

1931年，在前苏联的Balaclave建成世界上第一座中型风力发电机，其容量为100kW。

1957年,丹麦成功制造了风轮直径24m，额定功率200kW的盖瑟风力发电机组，其为三叶片、上风向、采用定桨距风轮失速调节限制机组的功率、带有电动机械偏航、采用异步发电机。

1983年,美国波音公司研制的MOD-5b型风力发电机组（额定功率3.2MW、风轮直径98m）投入运行。

到1990年末，世界上已有多个生产兆瓦级风力发电机组的制造商。

起源于丹麦的定桨距失速控制方式因结构简单、性能靠得住,曾在相当长的时刻内占据主导地位,但随着风力发电机组趋向大型化和兆瓦级机组的商业化,全桨叶变距控制成为进展趋势。

进入21世纪,陆地风力发电机组的主力机型单机容量为2MW，风轮直径为60~80m，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上；大型变速恒频风力发电技术已成为主要进展方向。

其中，双馈型变速恒频风力机组是目前国际风力发电市场的主流机型,直驱型风力发电机组以其固有的优势正日趋受到关注（ENERCON公司2006年生产的直驱型风力发电机组在德国市场销售量第一）。

事实上，从定桨距恒速恒频机组进展到变桨距变速恒频机组,可谓大体实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。

综观世界风力发电近几年迅猛进展的轨迹，呈现出如下进展趋势及进展动态：

（1）大型化

（2）定桨距、定速恒频向变桨距、变速恒频方向进展（3）海上专用风电机组研究及近海风电大规模开发（4）多级增速齿轮箱传动向直驱型（无齿轮箱,风轮直接驱动多级发电机）、半直驱型（风轮经单级增速齿轮箱驱动多级发电机）方向进展（5）应用全功率变流的并网技术（6）低电压穿越技术（7）实现风力发电系统功率优化、稳固靠得住运行的智能控制技术（8）桨叶的空气动力特性、新材料新工艺应用及控制策略研究（9）风电场远程监控系统及无线网络技术应用。

按照基于TRIZ理论的进化法则明白，任何事物都有它的婴儿期、成长期、成熟期、衰退期，如图所示。

新能源的利用一定会成为趋势，相对太阳能发电来讲风力发电仍是比较可行的，不过此刻风力发电并网中的许多问题还在研究中，国内风电装机容量虽然呈直线上升趋势但很多风机都是在空转尚未实现大规模并网，不过以后大规模风电并网肯定会实现的。

所以风力发电很是很有进展前景的。

图S曲线

风力发电系统中叶片问题的提出

风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转,再通过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

每一部份都很重要,各部份功能为：

叶片用来同意风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向,从而取得最大的风能；转体能使机头灵活地转动,以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体,定子绕组过切割磁力线产生电能。

叶片作为整个发电系统的第一级同意部份,它的作用不言而喻。

要提高风能发电的效率,改良的第一级就是对叶片的改良,能够从增加叶片长度和叶片宽度来实现。

若是从增加叶片长度来讲,它的实现受到必然的限制,因为叶片的长度越长,2个风车发电塔之间的距离就越大,占地面积也就越大,极大地浪费了土地资源。

因此,笔者考虑从增加叶片宽度来分析。

叶片宽度的增加一样能够使叶片取得更多的风的推力,同时提多发电效率,可是同时也对叶片造成专门大的压力。

由于风力强度的增加,对叶片的危害也是显而易见的,很容易造成风车叶片的断裂,这也是此刻风力发电中叶片最易出现的问题。

风力发电机叶片的机构能够分为3个部份:

根部、外壳和龙骨。

查阅资料后发觉,大部份的风车叶片损坏都是被折断的,而且断裂的部位很有规律,老是在靠近叶片根部,或是离叶尖收1/3叶长的地方发生断裂。

因此就可以够按照TRIZ理论中的知识,对这一问题成立问题模型，可将叶片宽度看做39个工程参数中的运动物体的面积,而将叶片断裂问题看做为39个工程参数中的强度问题。

因此,能够把运动物体的面积和强度作为技术矛盾的2个参数,成立风力发电进程中的问题模型。

问题的分析和解决

按照由运动物体的面积和强度这2个参数成立的问题模型，将该模型的2个参数导入CreaxInnovationSuite软件，在Contradictions板块，选择TechnicalContradictions选项，在该目录下，把运动物体的面积填入ImprovingFactor，把强度填入WorseningFactor,由矛盾矩阵表能够得出解决问题的4个创新原理：

局部质量原理、曲面化处置、动态特性原理、复合材料原理。

按照得出的4个创新原理别离进行分析说明：

局部质量原理——在此刻风车发电中的应用已比较成熟,即将叶片的宽边质量设置为不均匀的,外部较薄,内部较厚,现在的升力与阻力之间的比值最大,对风车转动产生的推力也是最大,这时风车发电效率也比较高。

动态特性原理——此刻应用的风车叶片均为单一整体式的,无论风速大小如何,风车叶片受风面积是固定的。

当出现风速过大、叶片较小的情形时,可能引发叶片断裂。

而当风速小、叶片较大时,风车发电不足或无法发电。

因此,按照动态特性原理在叶片双侧或单一某侧给叶片添加一伸缩翼,当风速较小时,侧翼拉伸;当风速较大时,侧翼收缩。

复合材料原理——目前风力发电叶片所利用的主如果玻璃纤维强化塑料材质,之所以没有效碳纤结构材质,是因为考虑了本钱。

在风力发电进程中,叶片最易出现断裂的位置是在叶片接近根部的1/3处,为了改变这种情形,能够在叶片制作进程中,在其容易发生断裂位置给以强化处置。

曲面化处置——此刻常常利用的叶片特征表现为叶片外部厚度较小,内部厚度比较大,而内外部的连接就是采用曲面化连接,如此有利于避免叶片端部及边缘出现裂纹。

通过上述分析,得出了解决风车叶片断裂问题的解决方式,若是将其应用于实际生产中,对于风力发电效率有着极大地提升,对我国风电进展有着重要作用。

4、物—场分析

物质—场分析是TRIZ理论中肯定技术冲突的重要工具,它用符号、图形技术描述待设计系统。

TRIZ以为，系统中的所有功能都能够由两种物质和一种场三个元件组成。

“物质”的概念很普遍,能够是复杂的技术系统或进程,如割草机、收割机;也能够是简单的物体或零件,如轴承、螺钉等。

“场”则表示两物体之间彼此作用、控制所需的能量,能够是核能、电能、机械能、磁能、热能等。

物质一场的分析模型如图所示,其中F是场,Sl（包括图中的、、S2是物质。

Sl是被作用体,S2是作用体（常称为工具）,场通过S2作用于S1并改变Sl。

例如:

机械能（F）驱动刀片（S2）割草（S1）。

图中作用体到被作用体之间的直线箭头表示希望取得的有效效应,而波浪形箭头表示在增强或完善有效效应的同时所产生的有害效应。

通过物质一场分析,成立起待设计系统的描述模型,从而肯定技术冲突,找出问题的症结。

图物—场分析模型

应用物质—场理论模型来描述问题，如图所示。

图风力发电系统和电的物质—场模型

其中：

FM——风能，——叶片的具体参数；——电能；S2——风力发电系统

对现有的风力发电系统进行改造创新，就需要寻觅一种既能尽可能多的发电，又不会造成风车叶片断裂的风力发电系统。

改良后的模型应该如图所示。

图改良设计后的风力发电系统

五、结论

TRIZ的冲突解决理论、发明原理和物质—场理论模型是产品创新的有效工具，为广大科技工作者提供了一把开启创新设计之门的钥匙。

本文将TRIZ理论应用到风力发电系统中,在对实际问题分析的基础上,肯定技术冲突，用39个参数中的2个描述该冲突；由冲突矩阵肯定可用的发明原理，由发明原理所提供的思路与线索,最终解决风车叶片断裂的问题。