基于triz理论的风筝发电装置的创新设计

1、基于TRIZ理论的风筝发电装置的创新设计团队：萃智之家团队：萃智之家汇报人：赵小林汇报人：赵小林学院和班级学院和班级:船舶工程学院船舶工程学院20080118班班指导老师：史冬岩指导老师：史冬岩 马勇马勇小组成员：王宇、韩颖骏小组成员：王宇、韩颖骏金善勤金善勤作品来源：准备发表的专利作品来源：准备发表的专利风能是清洁的可再生能源，取风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。大力发展之不尽，用之不竭。大力发展风电，这已经成为世界上的共风电，这已经成为世界上的共识。识。（现成能量资源）（现成能量资源）Harbin Engineering University目前风力发电装置主要是安装在低空的水目

2、前风力发电装置主要是安装在低空的水平轴风力发电机在发电过程中会产生较大的平轴风力发电机在发电过程中会产生较大的噪音，并且低空风能密度小。噪音，并且低空风能密度小。Harbin Engineering University距地面大约距地面大约500米至米至1.2万米的万米的中中高空高空中中,有足够全世界使用有足够全世界使用的风能。高空风速度很快，可以在全球范围内迅速蔓延，同的风能。高空风速度很快，可以在全球范围内迅速蔓延，同时比地面风更易于预测。如果将这些风能全部转变为电能时比地面风更易于预测。如果将这些风能全部转变为电能,则则可以满足全世界百倍的电力需求。可以满足全世界百倍的电力需求。21世纪

3、什么最贵？世纪什么最贵？可再生资源！可再生资源！又是一种待开发的新能源又是一种待开发的新能源 为实现中高空风能发电，提高风能发电的为实现中高空风能发电，提高风能发电的安全性，降低故障率，并解决风能发电带来的安全性，降低故障率，并解决风能发电带来的噪音问题。噪音问题。本文基于创新设计理论本文基于创新设计理论TRIZ设计了设计了一种新型的一种新型的风筝发电装置风筝发电装置。 中高空风速大、风能密度大，但将相对笨重的中高空风速大、风能密度大，但将相对笨重的风能发电装置升到空中技术难度较大、不安全，风能发电装置升到空中技术难度较大、不安全，中高空环境相对恶劣，容易使风能发电装置产生中高空环境相对恶劣，

4、容易使风能发电装置产生故障并且维修不方便。故障并且维修不方便。 矛盾矛盾1 11.1.在现有技术条件下，如果想提高风力发电的功率，在现有技术条件下，如果想提高风力发电的功率，如果在低空，则需要增加发电叶片的尺寸；如果在低空，则需要增加发电叶片的尺寸； 2. 2.如果要将风力发电装用塔架方式将其架到高空，需如果要将风力发电装用塔架方式将其架到高空，需要的塔架高度会增大，技术难度高，中高空环境相对恶要的塔架高度会增大，技术难度高，中高空环境相对恶劣，装置容易损坏，一旦坏掉维修困难，并且后期的管劣，装置容易损坏，一旦坏掉维修困难，并且后期的管理与维修难度较大。理与维修难度较大。以上矛盾为技术矛盾以上

5、矛盾为技术矛盾Harbin Engineering University还是有困难啊！还是有困难啊！Harbin Engineering University技术矛盾中的特性描述为相应的技术矛盾中的特性描述为相应的39个通用工程参数个通用工程参数“提高风力发电的功率提高风力发电的功率” 第第3939条条“功率功率”“增加发电叶片的尺寸增加发电叶片的尺寸” 第第3 3条条“动物长度动物长度”“需要的塔架高度会增大需要的塔架高度会增大” 第第2323条条“物质损耗物质损耗”“高空环境相对恶劣，装置容易损坏高空环境相对恶劣，装置容易损坏” 第第3535条条“适应性适应性”“维修困难维修困难” 第第3

6、434条条“可修复性可修复性”“后期的管理与维修难度较大后期的管理与维修难度较大” 第第3838条条“自动化程度自动化程度”Harbin Engineering University恶化恶化改进改进3动物动物长度长度23物质物质损耗损耗34可可修修复性复性35适适应应性性38自动自动化化程度程度39功率功率1,10,35,3728,27,18,3835,2,10,3419,17,3428,2,17然后选定所适合的原理：然后选定所适合的原理：1 1、分离法，、分离法，2 2、提取法，、提取法，1717、多维法，、多维法，2828、系统替代法、系统替代法分析原理：分析原理：原理原理1 1提示可以将

7、风能获取装置与发电装置分开；提示可以将风能获取装置与发电装置分开；原理原理2 2提示可以将风能获取装置（发电叶片）单独提取出来；提示可以将风能获取装置（发电叶片）单独提取出来；原理原理1717提示风能获取装置（发电叶片）可以不仅限于在一个固定提示风能获取装置（发电叶片）可以不仅限于在一个固定地方旋转；地方旋转；原理原理2828提示可以将系统中风吹动叶片旋转这种形式改变用另一种提示可以将系统中风吹动叶片旋转这种形式改变用另一种形式替代；形式替代；Harbin Engineering University总结：这些原理建议的解决方法是用风筝代替发电叶片，总结：这些原理建议的解决方法是用风筝代替发电

8、叶片，将其升到空中，而发电装置（如发电机）则留在地面，风将其升到空中，而发电装置（如发电机）则留在地面，风筝在风的吹动下拉动地面发电转盘转动进行发电，筝在风的吹动下拉动地面发电转盘转动进行发电，Harbin Engineering University矛盾矛盾2 2 风筝发电装置的模型在具体实施过程中还有许多问题：风筝发电装置的模型在具体实施过程中还有许多问题：由于风向在一段时间内基本保持不变，所以转盘所受到的风由于风向在一段时间内基本保持不变，所以转盘所受到的风筝的拉力都是朝一个方向，要想让转盘转起来，转盘所受的筝的拉力都是朝一个方向，要想让转盘转起来，转盘所受的主动力矩必须大于阻力矩，而要

9、想改变力矩的大小，要么改主动力矩必须大于阻力矩，而要想改变力矩的大小，要么改变力的大小（改变风筝的拉力），要么改变力臂的大小（改变力的大小（改变风筝的拉力），要么改变力臂的大小（改变转杆的长度），在现有技术条件下，改变力臂更容易实现。变转杆的长度），在现有技术条件下，改变力臂更容易实现。 但由于转盘的转动，某一位置时的主动力矩在下一个位但由于转盘的转动，某一位置时的主动力矩在下一个位置可能变成阻力矩，所以转盘不会转动起来，如何解决？置可能变成阻力矩，所以转盘不会转动起来，如何解决？转换成物理矛盾转换成物理矛盾 既希望转杆长，又希望转杆段既希望转杆长，又希望转杆段。当转杆。当转杆在主动力矩的位置

10、时，希望转杆长些，以便在主动力矩的位置时，希望转杆长些，以便增大主动力矩；当转杆在阻力矩的位置时，增大主动力矩；当转杆在阻力矩的位置时，希望转杆段些，以便减小阻力矩。希望转杆段些，以便减小阻力矩。Harbin Engineering University分离原理分离原理发明发明原理原理空间空间分离分离1,2,3,4,7,13,17,24,26,30时间时间分离分离9,10,11,15,16,18,19,20,21,29,34,37条件条件分离分离1,5,5,6,7,8,13,14,22,23,25,27,33,35整体整体与部分与部分分分离离12,28,31,32,35,36,38,39解决矛

11、盾解决矛盾：我们可以利用分离原理中的空间分离我们可以利用分离原理中的空间分离原理来解决矛盾，如图原理来解决矛盾，如图4为分离原理与为分离原理与40个发明原个发明原理的关系。理的关系。Harbin Engineering University原理原理4 4 非对称法提示将整个转盘转动的轨迹从对称的圆形非对称法提示将整个转盘转动的轨迹从对称的圆形变为非对称的。变为非对称的。原理原理7 7 套叠法提示将转杆做成可以收缩的套叠的形式。套叠法提示将转杆做成可以收缩的套叠的形式。总结：这些原理建议的解决方法是可以在转盘边加一椭圆总结：这些原理建议的解决方法是可以在转盘边加一椭圆形限位板，当转杆转到椭圆形限

12、位板范围之内时，转杆由形限位板，当转杆转到椭圆形限位板范围之内时，转杆由于受到压缩会收缩，这样在椭圆形限位板范围之内的转杆于受到压缩会收缩，这样在椭圆形限位板范围之内的转杆的长度会小于在椭圆形限位板范围之外的转杆的长度，从的长度会小于在椭圆形限位板范围之外的转杆的长度，从而导致两边力矩不同，转盘会转动起来。而导致两边力矩不同，转盘会转动起来。 伞状风筝绳索Harbin Engineering University齿轮发电机中心轴固定装置可伸缩转杆转盘椭圆形限位板可伸缩支撑腿Harbin Engineering University限位突起限位轮长杆圆柱形弹簧第一级转杆风筝平衡器风筝平衡器第二级

13、转杆限位孔滚轮可动插销条形弹簧可动插销在未遇到椭圆形限位板在未遇到椭圆形限位板3之前处于自然伸长状态，由于可之前处于自然伸长状态，由于可动插销动插销19阻止了第一级转杆阻止了第一级转杆16与第二级转杆与第二级转杆11 之间的相对之间的相对运动，所以即使受到绳索运动，所以即使受到绳索22的拉力作用也不会收缩，限位的拉力作用也不会收缩，限位突起突起12会阻止长杆会阻止长杆18被拉出。被拉出。（预先反作用法、动态法）（预先反作用法、动态法）条形弹簧可动插销当遇到椭圆形限位板当遇到椭圆形限位板3时，圆柱形滚轮时，圆柱形滚轮9会在椭圆形限位板会在椭圆形限位板3上滚动，减上滚动，减少摩擦力，由于受到椭圆形

14、限位板少摩擦力，由于受到椭圆形限位板3的挤压，长杆的挤压，长杆18会向里推进，推动会向里推进，推动可动插销可动插销19转动，取消了阻止，第二级转杆转动，取消了阻止，第二级转杆11会向第一级转杆会向第一级转杆16内收内收缩，从而可伸缩转杆缩，从而可伸缩转杆1的总长度会减少。的总长度会减少。（预先作用法）（预先作用法）Harbin Engineering University可伸缩支撑腿可伸缩支撑腿5下部分埋入地下下部分埋入地下进行固定，可以调节高度，从进行固定，可以调节高度，从而改变转盘而改变转盘2所在平面与绳索所在平面与绳索22的夹角的夹角，在保证绳索，在保证绳索22不会相不会相互缠绕的基础上，可以尽量减互缠绕的基础上，可以尽量减少转盘少转盘2所在平面与绳索所在平面与绳索22的夹的夹角角，从而增大绳索，从而增大绳索22拉力拉力F在在转盘转盘2所在平面上的分力所在平面上的分力。(非非对称法对称法)椭圆形限位板椭圆形限位板3垂直于转盘垂直于转盘2所在的平面所在的平面并且可以以中心轴并且可以以中心轴7为中心公转，当风为中心公转，当风向改变时，可以人工或