太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发.docx

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太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发

太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发.txt16生活，就是面对现实微笑，就是越过障碍注视未来；生活，就是用心灵之剪，在人生之路上裁出叶绿的枝头；生活，就是面对困惑或黑暗时，灵魂深处燃起豆大却明亮且微笑的灯展。

17过去与未来，都离自己很遥远，关键是抓住现在，抓住当前。

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山东大学硕士学位论文太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发姓名：

王大伟申请学位级别：

硕士专业：

材料加工工程指导教师：

管延锦20080505

山东大学硕十学位论文

太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发摘要

我国太阳能热水器制造已成为中国可再生能源领域发展最快、规模最大、市场成熟最早的行业，家用太阳能热水器已经由逐步推广时期发展到普及阶段。

太阳能热水器企业之间的竞争，也由原先盲目的市场占有份额争夺，短期的销售利润竞争，转变为企业间太阳能热水器技术创新，产品的个性化种类以及产品售后服务之间的竞争。

太阳能热水器企业所面对的客户也由原先的盲目购买，不理性消费，转变为现阶段理性客户的合理消费。

并且客户对太阳能热水器产品的质量、性能、使用寿命较之原先都提出了更高的技术和性能要求。

这使得太阳能热水器企业间的竞争变得更加激烈，企业发展的重心逐渐开始从原先的注重扩大生产规模转移到自身的创新能力提高，加强新产品设计开发能力和引进先进的设计制造手段上来。

太阳能热水器正在朝着高质量、高性能的方向发展。

本文在对真空管太阳能热水器的分析研究的基础上，对三维ＣＡＤ参数化方法进行了深入研究，开发了真空管太阳能热水器的参数化设计软件。

其主要内容

包括：

（１）建立了基于模糊神经网络技术预测真空管太阳能热水器热效率的计算模型，并编写和完善了相应的性能分析程序，实现了其热效率的预测，预测值与实验值吻合较好。

为太阳能热水器热效率的预测提供了一种新的辅助手段，缩短了企业新产品的研发周期。

（２）剖析了ＵＧ三维设计软件的造型特点，较为系统地研究了其二次开发技术。

总结出了应用ＵＧ二次开发技术设计开发真空管太阳能热水器零部件的一般方法；根据真空管太阳能热水器零部件的特点，合理科学的对企业产品零部件进行了分类，研究了具体零件尺寸的驱动关系，提出了不同种类零件参数化设计解决方案，在此基础上向用户提供了各个零件设计时其主动尺寸的输入界面，设计开发了太阳能热水器四大类２１种零部件的三维设计程序。

（３）开发了太阳能热水器设计计算模块。

简化了太阳能热水器设计过程中的繁琐的计算过程。

所开发设计计算模块包涵的主要参数计算有：

真空管最小间距计算，冷热水温水量，平均热损系数，系统日热性能，水箱热损系数和水箱电

摘要

加热能量。

（４）分析了ＵＧ二次开发程序的运行机制，实现了太阳能热水器参数化设计系统与ＵＧ系统的集成，给用户提供了方便的调用菜单和友好的操作界面，本系统拓展了ＵＧ的功能，满足了太阳能热水器行业的专业化设计要求。

关键词：

太阳能热水器，热效率，神经网络，ＵＧ，参数化设计，二次开发

山东大学硕＋学ｆ『奇：

论文

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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（１）Ｒｅｓｅａｒｃｈ

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ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ

ｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｏｆｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｓ．

（２）Ｔｈｅ

ｕｓｅｒ

ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｄｅｓｉｇｎｆｅａｔｕｒｅｓ

ｏｆｔｈｅＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ

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ｄｅｓｉｇｎ

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ｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ

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ｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｉｎｇ

ｄｅｓｉｇｎ

ｏｆｅｖａｃｕａｔｅｄｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｓ．

（３）Ｔｈｅ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅｆｏｒｔｈｅ

ｄｅｓｉｇｎ

ｏｆｅｖａｃｕａｔｅｄｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｓ

ｉｓ

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ｍｏｄｕｌｅ

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ｏｆｄｅｇｉｎ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｏｆｅｖａｃｕａｔｅｄｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｖａｃｕｕｍ

ｔｕｂｅ，ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ

ｖｏｌｕｍｅ

ｏｆｔｈｅＨｏｔ＆Ｃｏｌｄｗａｔｅｒ，ｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｖｅｒａｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｈｅａｔｌｏｓｓａｎｄｄａｉｌｙ

ｔｈｅｒｍａｌ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｈｅｈｅａｔｌｏｓｓ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｈｅａｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｎｅｅｄｅｄｏｆｗａｔｅｒｔａｎｋｓ．

（４）Ｔｈｅ

ｏｐｅｒａｔｉｎｇ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ｏｆＵＧｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ

ａｒｅ

ａｎａｌｙｚｅｄｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｓｗｈｉｃｈａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｂｏｖｅｂａｓｅｄｏｆｔｈｅ

Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｓｉｓｓｙｓｔｅｍｅｘｔｅｎｄｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆＵＧａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌ

ｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．

ｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ

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ｄｅｓｉｇｎ

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ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｎｅｔｗｏｒｋ，ＵＧ

ｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎ

ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研

究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

斗日期：

２型姓

关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

敝储獬：

畔聊虢簿年期：

一１／６

山东大学硕十学位论文

第一章绪论

能源是人类用来维持生存活动的能量来源。

随着社会经济的发展，人们对于能源的需求越来越大。

人均年能耗水平是评价一个国家或是地区穷富的重要标

志，而能源消费结构状况是衡量一个国家和地区环境污染、生态恶化程度的基本依据。

鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发

利用太阳能和可再生能源的热潮。

我国的常规能源储量虽然比较丰富，但人均能

源资源却只有世界人均能源资源的二分之一，年人均能耗水平仅为发达国家的十分之一。

从能源的消费结构来看，我国煤炭消费约占总能耗的６７％，相当于全球煤炭消费占总能耗比例的３倍，这是造成我国环境污染严重、生态恶化的根本原因ｌｌＪ。

因此，开发和利用新能源和可再生能源，尤其是太阳能，对我过国民经济可持续发展，建设节约型社会具有重要作用，是我国能源发展战略的重要内容和

组成部分，并且国家制定了一系列方针政策来促进其发展。

自“六五”以来我国政

府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，２００５年我国政府制定了（ｎ－－Ｊ再生能源法》，其立法原则和主要内容不仅体现了能源可持续发展的理念，还对政府和市场为主体共同参与能源结构的调整给予了立法支持，大

大推动了我国太阳能等可再生能源技术和产业的发展。

二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速稳定

发展的新兴产业之一。

可以预料，太阳能热水器的推广应用市场前景广阔，发展潜力巨大。

１．１真空管太阳能热水器及其热效率

太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技

术之一，太阳热水器是太阳能热利用产业发展的主要内容之一。

太阳热水器经过

近二十年的研究和开发，其技术已趋于成熟，是目前我国新能源和可再生能源行业中最具发展潜力的产品之一。

２００４年，太阳能热水器约占可再生能源开发利用量的３０％，仅次于小水电的贡献。

Ｎ２００５年，中国太阳能热水器年产量已突破１５００

万平方米，保有量超过６２００万平方米，居世界第一，为全国千万家庭提供了充足

第一章绪论

的热水供应，形成与电热水器和燃气热水器三足鼎立的局面，并有胜出的趋势【２】。

按国家经贸委（２０００．２０１５年新能源和可再生能源产业发展规划》，Ｎ２０１５年全

国家庭住宅太阳能热水器普及率为２０％３０％，市场拥有量约２．３２亿ｍ２，平均年生

产量１５００万ｍ２。

形成一批年产２００－－３００万ｒｎ２规模，并具有较强新产品开发能力的太阳能热水器生产制造骨干企业。

太阳能热水器产品的发展主要经历了三个阶段：

平板式太阳能热水器、闷晒式太阳能热水器、真空管式太阳能热水器。

目前我们国家城乡使用比较普遍的是真空管式太阳能热水器，因此本课题的研究对象为真空管太阳能热水器。

真空管是真空管太阳能集热器的核心元件，单根真空玻璃管结构如图１．１所示，它的结构与热水瓶胆比较相似：

外层玻璃管套在内层玻璃管的上方，两层玻璃管之间抽成高真空，内层玻璃管外表面上涂有选择性吸收膜构成吸热体。

全玻璃真空集热管采用单端开口设计，通过一端将环形内和外管熔封起来，其内管的另一端是密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子将内侧玻璃管圆头支撑在罩玻璃管的排气内端部，当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形成热膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力，工作温度较平板式和闷晒式有很大的提高，从而提高热水器集热器的加热温度，继而提高热水器的出水温度，提高了热水器的热效率。

１．内玻璃管，２．太阳选择性吸收涂层，３．真空夹层，４．罩玻璃管，５．支承件一弹簧卡子，６．吸气剂，７．吸气膜

图１－１真空管结构示意图

真空管式太阳能热水器储水箱内的热水循环依靠热虹吸原理，无需外部动力，因此工作稳定，由于真空管的独特结构所以它的供水不受天气影响，工作温度高、抗冻，并且真空管底部还置有一层漫反射板，提高了太阳能的反射利用率。

热效率巩是目前评价太阳热水器热性能的重要指标。

ＧＢ／Ｔ１２９１５．１９９１中规定的太阳能热水器热效率实验方法，如图１．２所示。

热效率数值的大小用来表征太阳能热水器将太阳辐射能量转化为水中所储存热能的能力。

是衡量热水器性能

２

山东大学硕十学位论文

优劣的重要参数。

传寡■

图ｌ－２太阳能热水器热效翠测试系统不恿图

热效率巩定义为在规定的气象条件下，一天内总有效得热量与斜ｉｌｉｉ＿ｋ累计

的日曝总辐射量之比，即

驴丝兰垒』趔（１－１）巩２——ｉ矿一

式中，Ｍ为太阳能热水器容水量（ｋｇ），Ｃ。

为水的定压比热容（Ｊ／℃‘ｋｇ），瓦为终止储水温度（℃），Ｃ为初始储水温度（℃），彳。

为太阳集热器的采光面积（ｍ２），Ｈ为太阳集热器斜面上的日曝总辐射量陶／Ｉｎ２）。

１．２课题提出的背景

１．２．１太阳能热水器行业现状目前，在太阳能热水器行业产业结构刚刚形成的这段时期内，太阳能热水器企业之间的竞争，逐步由原先盲目的空白市场争夺，只求短期的销售利润的竞争，

转变为企业间太阳能热水器技术创新，产品的个性化种类以及产品售后服务之间

的竞争。

太阳能热水器企业所面对的客户也由原先的盲目购买，不理性消费，转变为现阶段理性客户的合理消费，他们对产品的质量、性能、使用寿命较之原先都提出了更高的技术要求，这一切都使得太阳能热水器企业间的竞争变得更加激烈，太阳能热水器正在朝着高质量、高性能的方向发展。

太阳能热水器的产品设

计过程也越来越得到企业的重视，这一环节的好坏，决定了企业未来的发展。

第一章绪论

太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大。

在欧洲，过去１０年来太阳能热水器的增长率一直保持在１８％左右，预计未来十年增长率会达到２３％。

欧盟提出至Ｕ２０１０年安装ｌ亿平方米太阳能热水器的规划，欧洲太阳能学会预算２０２０年欧洲太阳能热水器应用高达１４亿平方米。

我国的太阳能热水器产品随着市场需求的迅速增长和公众环保意识的不断发展，已成为中国可再生能源领域发展最快、规模最大、市场成熟最早的行业，家用太阳能热水器已经由逐步推广发展到普及阶段。

中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的２倍，北美的４倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年２０％．３０％的速度递增。

同时我国的太阳能热水器工业正逐步走向成熟，除了技术不断改进、产品质量不断提高外，几种太阳能热水器的国家标准己经颁布并开始实施：

如“家用太阳热水系统热性能实验

方法”（ＧＢ／Ｔ１８７０８．２００２）；“全玻璃真空太阳集热管”（ＧＢ／Ｔ１７０４９．２００５）等。

并

且国家先后公布了《中华人民共和国可再生能源法》、《建筑节能十五规划和２０１０年规划》等相关法规、政策，其中都对现阶段及未来我国太阳能热水器的发展做了详尽具体规划，保证了我国太阳能热水器行业继续良好的发展。

近年来，随着制造技术、新材料技术、生产设各、加工技术的改进与提高，太阳能热水器的产品外观设计以及内在质量，都有较大的改进，使得热水器的使用寿命和可靠性大大提高。

在太阳能设计以及生产过程中，目前国外普遍采用了先进的集热、储热技术，如飞聚光集热技术，聚光集热技术等，并且在产品的设计方面也普遍实现了计算机参数化设计，在零件的加工方面先进的板料成型设备及成型工艺普遍采用，并且在产品试生产之前一般都会对产品做严格的模拟检验及虚拟分析，以便使所设计的热水器达到使用要求，如在热分析方面已经引入了神经网络技术。

这些技术的采用使得国外太阳能热水器的性能指标达到了极高的水平。

并且在产品的设计阶段就可以对产品的各个性能参数做到有效的控制，形成产品的评估报告，缩短了产品的设计修改时间，提高了产品的研发速度和产品

质量。

目前国外热水器主要以平板式热水器为主。

我国太阳能热水器行业这些年有了长足的发展，根据（（２００７．２００８年中国太阳能热水器市场分析及投资咨询报告》数据显示，目前我供太阳能热水器的生产加工企业大约有３５００家，分散在全国各个省、市、自治区、直辖市。

在产品的技

４

山东大学硕士学传论文

术方面，由于国家的大力支持，以及企业、院校的技术攻关，目前我国已经具有

了自主知识产权的太阳能热水器的核心技术，特别是太阳能热水器中关键的太阳能真空管镀膜技术已经取得了很大的突破，达到了国际先进水平。

但是，目前我

国的太阳能企业中除了皇明、清华阳光、华扬、澳柯玛、北大四季沐歌等ｌＯ个全

国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业。

这种状况不仅不利于行业的长远发展，并且造成了资源的严重浪费，由于这些企业规模小，技术力量不足，使得太阳能热水器的设计、生产不能

规范进行，不具备良好的产品研发能力，产品的质量得不到保证，所生产的产品也大都停留在仿制的极端【３】。

我国的太阳能企业经过这几十年的发展，至１Ｊ２００６

年开始中国太阳能热水器行业逐步的完成了行业中企业间的资源重组，大企业品

牌塑建周期完成，从产业环境看，中等企业羽翼丰满，小企业数量众多，一个基

本的产业结构基本形成。

在这样的产业环境下，更是对企业太阳能热水器的研发

能力提出了新的更高的要求与挑战。

１．２．２太阳能热水器设计过程中存在的问题

我国太阳能热水器经过近三十年的发展，产品技术已经趋于成熟，热水器的

技术水平和产品种类数量、档次都有了很大程度的提高，但是在整体水平上与国

外产品还存在很大差距，主要表现在：

（１）产品设计方面。

目前我过的太阳能热水器生产企业，主要采用的是二

维平面设计，企业内部各技术部门之间的信息交流也主要是靠二维平面图纸来完

成，与现在主流的三维设计相比二维平面设计直观性差，设计人员对产品缺乏直

观的把握，给设计人员间的便捷交流带来了不便。

所设计的产品一般只有专业人

员认真分析后才能看懂，这使得产品在设计阶段很难实现与一般客户或是生产商

的交流，给企业新产品的开发和改进增加了难度。

（２）产品和零部件的标准化不足。

由于企业部件的标准化工作不规范，越来越多的零件流入生产流程，造成零件数量的无限制增长。

缺乏完善的数据管理系统和过程管理系统，企业的大量数据和设计过程得不到有效的控制和管理，使得设计任务间的等待时间长，各部门之间的信息传递速度缓慢，数据一致性差，

安全性差。

第一章绪论

（３）集成化程度不高。

ＣＡＤ／ＣＡＭ的集成度不高，模型信息、设计信息和加工信息之间的共享程度低。

通用的商品化ＣＡＤ软件，难以有效的满足太阳能行业的具体需要。

因此，欲利用ＣＡＤ技术取得积极效果，必须以通用ＣＡＤ软件为基础，结合自身实际情况，进行不同程度的用户化、本地化开发，以建立应用绘图系统和数据库，形成具有自身特色的ＣＡＤ系统，这也是ＣＡＤ软件均提供二次开发手段的原因。

现在我国的一些大型的太阳能企业已经意识到了这些问题，在企业内部正在逐步的使用和推广三维产品设计和有效的数据管理尝试。

但是由于刚刚开始尝试，对三维设计软件的应用还仅仅停留在把它作为一个“绘图软件”，许多企业的图形ＣＡＤ系统只能将设计过程的最后阶段一绘图阶段搬到计算机上，设计过程仍在设计师的头脑中完成，没真正发挥出ＣＡＤ的功能。

不能实现设计的参数化，严重影响了设计效率。

并且设计人员的专业性差，只能根据热水器的性能要求，在一些经验公式的基础上完成部件机构参数及其设计，不能够保证太阳能热水器设计的准确性，更不可能在产品的设计阶段就对热水器性能进行初步的评估和优化，产品评估则需要试制样机以后才能进行。

这样，产品设计盲目性大，开发成本高，不利于企业的综合竞争能力的提高和企业的长期发展。

如果能在引进的原始ＣＡＤ系统基础上，根据本企业或行业的常规性产品或工程设计的实际需要，将设计手册、制造手册中的各种数据、典型的结构、计算方法与公式及产品标准、技术要求、外构件、原材料的样本、手册，本企业或行业产品的典型结构、经验数据、工装情况等方面的资料、数据、图形等与现有ＣＡＤ系统有机地融合起来，使设计人员从繁重的重复劳动中解放出来，做到数据共享；甚至更一步，将本企业或行业多年来的设计经验总结出来，形成有特色的设计规范、设计方法、典型结构、标准、通用零部件、功能模块，并相应地在ＣＡＤ系统内建立起数据库、图形库、方法库、知识库及其应用程序，则能真正发挥ＣＡＤ系统的效用和优越性。

ＣＡＤ－－次开发的意义不仅在于提高设计效率，而且还是提高产品设计质量的重要途径，是提升ＣＡＤ应用水平的重要手段。

我国ＣＡＤ技术的研究始于７０年代初期。

８０年代中期以来，部分大中型企业和研究所开始采用ＣＡＤ技术。

到目前为止，ＣＡＤ技术已在很多企业得到实施，特别是９０年代以后，ＰＣ机的性能价格比