翁永進 教授、陳榮洪 教授、許少騰 專題生、張祖榮 專題生

國立嘉義大學機械與能源工程學系

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 一、發明性問題解決理論簡介

TRIZ理論是來自前蘇聯發明家阿利赫舒列爾(G. S. Altshuller)在1946年創立的，而這位發明家也被尊稱為TRIZ理論之父。當時的Altshuller任職於前蘇聯的海軍專利審查員，在研讀過一篇又一篇的專利過後，他便思考著:當人們進行發明或解決難題時，若有一套可遵循的科學方法和法則，便能更迅速的創造新的發明或解決難題。於是，他便全心全意的研發TRIZ理論，與許多研究機構、大學、企業組成了TRIZ研究團體，分析了近250萬份高水平的發明專利，並綜合多學科領域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系。

TRIZ理論有許多的解決工具，如:39項工程參數及40項發明原則、76標準解、場--物質分析、元件分析等等的方法，而TRIZ一詞便是透過上述工具組成一種系統化的問題解決理論與哲學。

 

二、水域型太陽能板浮板摩擦問題說明

本文致力於當今相當熱門的太陽能板議題當中之水域型太陽能板進行浮板改良創意性設計與探討。針對現今水域型太陽能板浮板因長時間隨水流擺動，導致浮板彼此之間不斷摩擦，將可能導致浮板破損，進而導致太陽能板沉入水中影響水質或使太陽能板損壞。太陽能板在現今社會如此熱門，未來更會成為一股強大的趨勢，倘若現階段忽視這種會造成環境生態危害的問題，將來必定會對我們的生存環境造成相當大的威脅。因此，本文即嘗試利用TRIZ發明性問題解決理論中之元件分析、場—物質分析與76標準解以及39工程參數和40發明原則，來進行水域型太陽能板浮板的改良，希望能獲得良好的改善，也提供相關產業一些想法，阻止會造成環境破壞的可能，讓未來的生態以及能源發展能夠更美好。

 

三、水域型太陽能板浮板摩擦問題分析與解決理論

(一)元件分析(Function analysis)設計探討

本部分首先針對太陽能板本身以及水進行初步子系統(Sub-system)、系統(System)與超系統(Super system)分類，其危險問題產生的情況之相關性。並將其分類為，系統：水域型太陽能板；子系統元件：太陽能板、浮板；超系統元件：水，如圖1所示。

圖2為系統問題模擬圖，由圖可得知，因為浮板周圍水流影響，將導致相鄰浮板之間彼此不斷摩擦。本文先假設相鄰兩浮板為浮板A以及浮板B來進行以下探討。

本文將系統各部元件(子系統)有相關性的部分進行探討，如表1所示，其中，將其有相互作用(Internation relation)關係的以正號(+)表示；沒有相互作用關係(No-internation relation)的以負號(--)表示，但若會造成害處(Harmful relation)的則以(H)表示。 並以圖示分析方法進行構圖，如圖3所示。

表1 系統各部元件作用情況分析。

 

圖3 圖示分析。

 

由圖3可得知太陽能板、水、以及相鄰之浮板彼此之間相互作用之關係，並了解到浮板A與B彼此造成有害作用。本文進行簡約設計(Trimmimg)，預計先將浮板的材質做更換，轉換成為較可接受摩擦或較可吸收碰撞的材質，如一些強度較高的塑料板或是可浮在水面上的金屬，如此一來，受到水流影響而擺動的浮板碰撞鄰近的浮板便可降低損壞機率。

(二)場－物質分析與76標準解

此部分是利用質場分析模型來對問題進行分類，並找出質場(F)、物質1(S1)、物質2(S2)並對他們進行分析，來找出二者之間的關係，並利用76標準解來解決問題。而本文之F為空氣(氣場)、S1為浮板、S2為水，因為大氣的流動(風)導致水的流動，而水流過強導致浮板跟著水流擺動，造成浮板的摩損破裂。問題模型如以下圖4:

 

                                               圖4 問題模型。                                                                              圖5 解決模型。

 

此問題模型可以透過76標準解之1.2.1，其內容為可以透過引入一物質來吸收或消除有害效應。因此，希望能夠在浮板周圍或角落加上可防水的吸震材料如泡棉等等，其原理類似手機裝上防摔殼，或是在牆角處裝的防撞條，如此一來可以延長浮板之壽命。其解決模型如圖5所示。

(三) 39工程參數和40發明原則設計探討

本部分主要利用創意性問題解決理論之39工程參數和40發明原則，來探討並解決元件分析以及 76 標準解所獲得的解答所產生之新問題。而上述兩種方法所得到之結果，分別為:透過76標準解得到之在浮板四周增加泡棉等等吸震材質來延長浮板壽命以及透過元件分析得出的更換浮板材料。此兩種解答產生出了泡棉可能因碰撞或水流的沖刷而脫落或是更換後的浮板材料可能會對水中生物和水質產生影響的新問題。

首先先以目標、解決方法與新問題三者做歸納，來探討如何解決新的問題，如表2所示。

表2 問題解決方式及新問題產生表。

 

根據表2中的解決方式與新問題兩者的描述，可以找出四個相關的 39 項工程參數，來對應其改善與惡化的關係，分別為:7.移動件體積、14.強度以及惡化的23.物質損失、31.物體產生有害因素。 將上述4個參數套用到衝突矩陣表進行分析解決，如下表3所示:

惡化  改善	23.物質的損失	31.物體產生有害因素
7.移動件體積	36，39，34，10	17，2，40，1
	36. 相轉變  39.頓性環境  34.拋棄再生  10.預先作用	17.移至新空間  2.分離  40.複合材料  1.分段
14.強度	35，28，31，40	15，35，22，2
	35.參數改變/屬性轉換  28.置換機械系統  31多孔材料  40.複合材料	15.動態性  22.將有害變成有益  35.參數改變/屬性轉換  2.分離

表3 衝突矩陣表。

 

經過衝突矩陣的分析之後整理並歸納以下:

原則40:複合材料:在浮板表面處複合上一層可以降低摩擦力的膜，但因目前尚未找到合適材料以及無法確定複合上的新材料是否會融入水中造成水質汙染，故暫時不採用此方法

原則15:動態性:在浮板四周添加上可旋轉之圓柱體橡膠滾軸，如此一來浮板受水流影響而碰撞時，四周的圓柱體滾軸會因其旋轉而降低摩擦力與衝擊力，又因其材質為具有彈性的橡膠，可增強整體系統吸收衝擊的能力。上述之原理類似漁船四周的輪胎，有著相同的效果。

原則28:置換機械系統:在兩浮板中間的一端設置磁鐵，另一端設置線圈，藉由冷次定律使兩浮板靠近時會互相排斥。因此方法之成本考量以及實用性不高，故暫不討論。

四、水域型太陽能浮板之創新吸震抗摩擦裝置

經由歸納本文所提元件分析設計探討、場－物質分析與76標準解以及39 工程參數和 40 發明原則設計探討等三種創意設計的討論後，最終藉由40項發明原則中原則15之動態性，得到在浮板四周增加橡膠材質的圓柱型滾軸，達到吸收水流沖擊力以及降低摩擦力的效果，得以解決現今水域型太陽能板的浮板摩擦可能導致環境危害的問題。其設計圖如下圖6:

圖6 改良後之結果圖。

 

五、總結與未來展望

本文利用TRIZ發明性問題解決理論進行水域型太陽能板之創意性工程設計，主要致力於利用三種TRIZ常用創意性發明技巧工具，進行浮板的耐久性以及抗震性提升之設計，過程中分別使用以下發明原則來解決問題：a.經由元件分析之探討，想出了將浮板材質做更換的這個方法；b.由場－物質分析與76標準解得出可引入新物質來消除有害因素，想到了可以在浮板表面加上可防水的吸震材質如泡棉等等；c.最後藉由39工程參數和40發明原則，獲得了三個發明原則: 原則40:複合材料、原則15:動態性、原則28:置換機械系統解決了前面得到的解所產生的新問題，並分別提出其可能的解決方式。最後，整合以上原則，獲得了結合橡膠圓柱滾軸的創新吸震系統，延長了浮板的壽命，更重要的是減少了對生態環境的危害。經由操作並歸納後獲知，TRIZ發明性問題解決理論，對於在創意性工程設計提供相當程度的幫助與參考價值。

 

參考文獻

1.宋明弘，（2015）， TRIZ 萃智:系統性創新理論與應用，鼎茂圖書，台北

2.翁永進，（2016），「利用TRIZ 發明性問題解決理論進行攤販車之創意性工程設計」, 2016 第十屆積體光機電科技與智慧財產權實務研討會論文集,頁 121~125

3.MBA智庫百科https://wiki.mbalib.com/zh-tw/TRIZ%E7%90%86%E8%AE%BA