韩宏伟

(1.青海天创新能源科技有限公司，西宁　810003；2.武汉大学 信息管理学院，武汉　430072)



应用ARIZ方法解决减少光伏组件清洗后残留水的问题

韩宏伟1，2

(1.青海天创新能源科技有限公司，西宁810003；2.武汉大学 信息管理学院，武汉430072)

应用技术创新方法——TRIZ理论中ARIZ方法的功能模型、因果分析、冲突区域确定、“扩大问题”描述等方法，分析了减少光伏组件清洗后残留水问题，并用分析问题模型、扩展物质-场资源、应用知识库等方法得出2个可行性较强的方案。

ARIZ方法；功能模型；小人法；效应；光伏组件；清洗

随着并网光伏电站的大量安装，上万块太阳能组件排列于光伏电厂中。光伏组件的清洁度是影响发电量的一大主要因素，组件的清洗成了光伏电站维护的一项重要工作[1-5]。然而，光伏电站大多安装在高海拔、高严寒、风沙大的戈壁滩，如组件清洗完后的残留水未能完全处理，会造成沙土粘附在组件表面，在冬天清洗残留水还会结冰，这些都会影响发电量和组件寿命。逐一清洗组件的残留水，势必消耗大量的人力、物力、时间，导致成本增加。如要降低成本，就得减少清洗时的用水量，而用水量的减少又会使组件清洗不干净。

问题所在技术系统为光伏组件清洗；该技术系统的功能为清洗组件；实现该功能的约束有水、人力、物力、时间。图1为现有组件清洗模型，用水清洗组件玻璃表面，使组件玻璃表面干净。

图1　现有组件清洗模型

当前技术系统存在的问题：用水清洗组件，水量太多，清洗完后组件玻璃表面残留水太多，不容易处理，造成沙土粘附在组件表面，在冬天清洗残留水还会结冰，这些都会影响发电量和组件寿命；如用水量减少，则组件清洗不干净。问题出现条件：用大量的水清洗组件。问题发生时间：组件清洗完后。现有解决方案：对清洗完后的组件玻璃表面吹风，使残留水快速干掉。缺点：组件数量太多，影响清洗速度，增加清洗成本。新系统的要求：用水量少，残留水少，处理方便，清洗干净。

1　基于ARIZ的问题分析与求解

1.1问题的分析与表述

1.1.1建立系统功能模型

图2为系统功能模型[6]，描述了系统元件及其之间的相互关系，并得出导致组件(玻璃)附着水问题的功能因素。

在建立的功能模型中选择目标问题(如A和B之间的附着有害)：水冲洗组件，是标准作用；组件附着水，是有害作用。图3为物质-场模型[7]。

图2　系统功能模型

图3　物质-场模型

1.1.2因果分析

应用因果链分析法确定产生问题的原因，见图4。

图4　因果链分析

1.1.3冲突区域确定(问题关键点确定)

问题关键点1：清洗组件，用水少，清洗不干净；用水多，残留水难处理。

缩小问题为：不增加资源，在系统中的元素保持不变或稍变复杂情况下，得到的解为组件的玻璃表面制造得更光滑些，不易残留灰尘，也不留水。

1.1.4“扩大问题”描述

通过扩大分析问题的角度来扩大描述本文问题，得出替代问题描述，如表1所示。

表1　扩大问题描述

1.2分析问题模型

以“清洗组件用水量既多又少”为入手点解决问题。

1.2.1定义2个技术冲突 TC1和TC2

技术冲突定义如图5[8]所示。

1.2.2技术冲突解决过程

冲突描述：为了“改善组件清洗”系统的“清洗效果好”，需要“用多量水进行清洗”，但这样会导致系统的“清洗完后残留水不好处理”。

转换成TRIZ标准冲突。改善的参数：NO.31 物体产生的有害因素；恶化的参数：No.39 生产率、No.27 可靠性。

查找冲突矩阵，得到如下发明原理：No.24中介物、No.2分离、No.40复合材料、No.39惰性环境、No.22变有害为有益、No.35参数变化、No.18震动。

方案1依据No.24发明原理中介物，得到解:给组件玻璃表面涂一层纳米材料，纳米涂层对水附着力很小，残留水容易流走。

方案2依据No.40发明原理复合材料，得到解：用酒精代替水来清洗组件，残留酒精易挥发。

方案3依据No.40发明原理复合材料，得到解：用泡沫清洗组件，清洗完后，泡沫挥发。

方案4依据No.35发明原理参数变化，得到解如下：用高压的气态水气来清洗组件，不残留水。

方案5依据No.18发明原理震动，得到解:用超声波震动来清洗组件，不残留水。

方案6依据No.24发明原理中介物，得到解:组件中封装电热膜(发热膜)，从内部发热烘干残留水。

技术冲突(TC1)IF 用水量少(C+)THEN 清洗完后残留水好处理(A1)BUT 清洗不干净(B2)技术冲突(TC2)IF 用水量多(C-)THEN 清洗效果好(A2)BUT 清洗完后残留水不好处理(B2)TC选择ARIZ要求使冲突尖锐化,而不是缓和冲突,建议选择如何去加强有用功能的冲突,而不去选择如何减少数有害的冲突。选择TC2

图5技术冲突定义

1.3利用扩展物质-场资源

1.3.1使用“小人法”进行建模[9]

1) 明确改进目标。改进目标：清洗完组件后的没有残留水。

2) 确定操作区域(OZ)。操作区域：组件表面。

3) 构造情景并以“小人”表达当前问题双方之间的作用状态。在清洗组件时，水人把组件小人上的灰尘小人清洗掉了；当清洗完成后，有水小人残留在组件小人上了。小人法模型如图6所示。

图6　小人法模型

4) 以“小人”构想达到目标的情景形式。在清洗完后，组件小人不抓水小人，并推走水小人。

5) 构想达到目标情景时应提供“小人”需要的条件。组件小人需要推力或者弹力推走水小人。

6) 构想达到目标情景时“小人”需要的改变。情景1：组件小人能动，抖掉水小人。

7) 走出情景在现实中寻找替代“小人”的工程方案。组件可以旋转，转动到面朝下，水受重力而脱落。

方案7更改组件支架，组件可以翻转，倒掉残留水。

1.3.2采用标准解解决问题

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决问题的流程，得到标准解为：No.12 加入新场去除有害作用；No.9标准解加入新物质去除有害作用。依据选定的标准解，得到问题的解决方案：

方案8依据第1.2类标准解No.12加入新场去除有害作用，得到问题的解:用热风吹清洗完的组件，使残留水容易干掉。

方案9依据第1.2类标准解No.12加入新场去除有害作用，得到问题的解:给电炉丝通电，从组件表面烘干残留水。

方案10依据第1.2类标准解No.9加入新物质去除有害作用，得到问题的解:预先在组件出厂时给组件贴保护膜，组件脏了可撕掉保护膜。

方案11依据第1.2类标准解No.9加入新物质去除有害作用，得到问题的解:预先在组件出厂时给组件贴保护膜，保护膜很光滑，或为类似于纳米衣服的材质，使组件不粘附残留水。

方案12依据第1.2类标准解No.12加入新场去除有害作用，得到问题的解:用粘贴膜粘走组件表面的灰尘或者残留水。

1.4应用知识库

1.4.1效应

确定问题要实现的功能：“疏水”(动词+名词)。

查找效应知识库，得到可用的效应为“莲叶(荷叶)效应”(可以有多个效应)[10]，依据该效应得到问题的解决方案：

方案13依据“莲叶(荷叶)效应”，得到解：应用荷叶玻璃封装电池组件。

1.4.2解决物理冲突

冲突描述[11]：为了“组件清洗干净”，需要“水量多”为“正”，但又为了“残留水好处理”，需要“水量少”为“负”，即 “水”既要“多”又要“少”。

考虑到“水”在不同的“时间”(空间上、时间段、不同条件下、系统层次上)具有不同的特性，因此该冲突可以从“时间”(空间、时间、条件、整体与部分)上进行分离。

查找与该分离原理对应的发明原理有“No.34抛弃与修复、No.18震动”。根据选定的发明原理，得到解决方案“

方案14依据No.34发明原理抛弃与修复，得到解:用超吸水材料(海绵)吸走残留水。

2　创新解的评估

依据上面得到的若干创新解，通过技术、成本等因素的评价，确定最优解。

最终解1为方案1：用纳米涂层涂在组件玻璃表面，纳米涂层对水附着力很小，残留水容易流走。

最终解2为 方案7：更改组件支架设计，支架驱动组件可以翻转，倒掉残留水。

根据目前技术发展情况，这两种方案实现成本不高，技术难度也不大，切实可行。

3　结束语

本文应用技术创新方法——TRIZ理论中ARIZ方法的功能模型、因果分析、冲突区域确定、“扩大问题”描述等方法分析了减少光伏组件清洗后残留水问题，并用分析问题模型、扩展物质-场资源、应用知识库等方法得出14种方案，从中得到2个可行性较强的方案。

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[2]丁丽萍,李文静,帅传敏.公众太阳能光伏发电采纳意愿的差异分析[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2015,37(5).

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[5]龚恒翔,巫江,谢瑛珂,等.光伏组件最优化除尘方案设计原则分析[J]. 重庆理工大学学报(自然科学),2013,27(6):58-60.

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[7]王秋月,杨伯军,段秀玲.基于物质-场模型及相似性的标准解重新分类研究[J].工程设计学报,2015(6)：520-527.

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[10]曹国忠,檀润华，张瑞红.基于效应的概念设计过程模型研究[J].中国机械工程,2005(9)：823-827.

[11]董鹏举,刘洋,张春林.物理冲突的解决原理在注塑机设计中的应用[J].广东科技,2015(12)：32-33.

(责任编辑刘舸)

To Solve the Problem of Reducing Photovoltaic Modules Residual Water After Cleaning with ARIZ Method

HAN Hong-wei1,2

(1.Qinghai Tech-Creation Renewable Energy Co., Ltd.，Xining 810003, China;2.School of Information Management, Wuhan University，Wuhan 430072, China)

Technology innovation methods, including ARIZ in TRIZ theory method of function model, causal analysis, the determination of conflict zones, “to expand problem” methods of description, were used to analyze problems of reducing photovoltaic components after cleaning residual water, and two relative feasibility solution were obtained by using the analytic model, extension-material resources, application field knowledge base methods and so on.

ARIZ method; function model; SIMS method; effect; photovoltaic modules; cleaning

2016-05-12

韩宏伟(1983—)，男，陕西宝鸡人，工程硕士研究生，助理研究员，二级创新工程师，主要从事创新方法和新能源应用研究,E-mail：315626168@qq.com。

format：HAN Hong-wei. To Solve the Problem of Reducing Photovoltaic Modules Residual Water After Cleaning with ARIZ Method[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):73-77.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.012

TK514

A

1674-8425(2016)09-0073-05

引用格式：韩宏伟.应用ARIZ方法解决减少光伏组件清洗后残留水的问题[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):73-77.