组合式太阳能和燃烧加热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种结合了太阳能聚光器和燃烧器的加热器。
【背景技术】
[0002]希望用例如太阳能的可再生能源代替例如天然气的不可再生能源。然而，太阳能是曰间的。要提供大容量存储系统或者补充太阳能。众所周知的是使用燃烧器补充太阳能，例如U.S.4328791中描述的。气体燃烧器仅在太阳能供热不足的情况下提供热量。在’791中，提供配有供给和返回连接器的水箱用于使水从水箱到太阳能集热器再回到水箱的循环。利用太阳能的气体加热器设在水箱上半部。两个加热装置相互移位。希望具有更简单的加热系统。
【发明内容】
[0003]为了提供至少一个期望的特征，公开了一种加热器组件，其包括:具有外表面和内表面的窗、具有比窗的面积大很多倍的收集面积的太阳能聚光器、靠近窗的内表面布置的热交换器、以及燃料-气体输送室，该输送室由窗的内表面、热交换器的第一表面、和输送室的侧壁限定，输送室带有限定在输送室侧壁中的用于燃料和空气的进口。射在太阳常聚光器上的大部分太阳光线反射到窗的外表面上。
[0004]热交换器包括螺旋布置的至少一个管，相邻管之间移位的距离小于等于燃料和空气的熄灭(quench)距离。热交换器可以替代地以任何合适的结构配置。
[0005]加热器组件还包括燃烧室和设置在燃烧室内的点火器，燃烧室由热交换器的第二表面、燃烧室的侧壁、和带有排气出口的底壁限定，排气出口限定在燃烧室的侧壁和底壁之一中。组件还包括:连接到燃料-空气输送室的进口的燃料供给管、连接到燃料-空气输送室的进口的空气供给管、设置在燃料供给管中的燃料阀、以及电子连接至燃料阀和点火器的电子控制单元。
[0006]热交换器具有能够传送工作流体的至少一个管，该管成螺旋状布置，并且该管具有进口和出口。测温设备置于管的出口内。电子控制单元(ECU)电子连接到测温设备和燃料阀。E⑶根据管出口的温度控制燃料阀。
[0007]窗和热交换器大体为平的并且相互平行。在一个实施例中，太阳能聚光器具有能够将入射太阳光线反射到窗上的凹形反射抛物面环、与窗的上表面相对设置的凸形反射抛物面盘、以及置于反射抛物面环内的凹形反射抛物面碗。抛物面碗能够将入射太阳光线反射到抛物面盘上，而抛物面盘能够将入射太阳光线从抛物面碗反射到窗上。
[0008]还公开了一种加热器组件，其包括太阳能聚光器、包括螺旋布置的至少一个管的热交换器、和布置在太阳能聚光器和热交换器之间的窗。所述至少一个管能够引导工作流体。太阳能聚光器设置为将太阳光线引导至热交换器上。热交换器能够在提供空气和燃料的可燃混合物时以及在已经开始燃烧之后稳定热交换器外表面处的燃烧。热交换器设在由大体平行于热布置的窗、侧壁和底壁限定的室内，并且所述室被热交换器分为燃料-空气输送室和燃烧室。
[0009]燃料-空气输送室限定出燃料-空气进口。燃烧室限定出排气出口。燃烧室具有置于其中的点火器。
[0010]至少一个管包括第一管和第二管，第一管以第一螺旋布置，具有位于第一螺旋中心的进口和位于第一螺旋外围的出口，第二管以第二螺旋布置，具有位于第二螺旋中心的进口和位于第二螺旋外围的出口。第一螺旋和第二螺旋是盘绕的并且第一管和第二管的出口大体在直径方向上彼此相对布置。整个螺旋中螺旋的相邻管之间的距离小于熄灭距离。
[0011]太阳能聚光器大体为抛物面。组件还包括:定位系统，用来运动日光反射装置的镜子、太阳能聚光器、和加热器组件之一使得将来自太阳的有效光线以大体平行于太阳能聚光器的中心轴线导引至太阳能聚光器中；燃料输送系统，其具有用来计量供给到燃料-空气输送室的燃料量的阀；空气输送系统，用于计量供给到燃料-空气输送室的空气；以及电子控制单元，其电连接到阀、点火器和定位系统。
[0012]还公开了一种操作加热器组件的方法，所述加热器组件具有太阳能聚光器和能够稳定燃烧的热交换器。将邻近太阳能聚光器的日光反射装置、太阳能聚光器、或者加热器组件之一定位使太阳光线射在热交换器上。该方法还包括确定当前热量需求并在太阳能不足以提供热量需求时将燃料和空气供给到热交换器。该方法还包括当热交换器的温度低于邻近热交换器的燃料和空气的点火温度时启动点火器。
[0013]该方法还可包括根据期望热量需求调整燃料和空气的流速。
[0014]当燃料流速非常低时，很难维持燃烧并且表明日射量，即，到达表面(在这种情况下为热交换器)的太阳辐射量，足以满足需求。该方法还包括，确定燃料阀是否将近关闭。如果是，则指令燃料阀关闭。在具有日光反射装置的实施例中，该方法包括在确定为夜间时使日光反射装置的镜子大体平行于热交换器定位。
[0015]先前的系统已经提供燃烧燃料的燃烧器作为太阳能的后备。本发明对先前系统的改进在于通过使燃烧器和太阳能聚光器对同一元件起作用从而避免额外的部件和能源损失。
【附图说明】
[0016]图1示出根据本发明实施例的加热器；
[0017]图2是图1中热交换器的俯视图；
[0018]图3是图1中太阳能聚光器的俯视图；
[0019]图4示出用来将光线反射到太阳能聚光器中的日光反射装置结构；
[0020]图5示出燃烧器和用来控制燃烧器的电子控制单元；
[0021]图6是入射太阳光线竖直时太阳能聚光器的实施例；
[0022]图7是入射太阳光线相对于竖直方向移动某一角度的图6中的太阳能聚光器；
[0023]图8示出Vuilleumier热泵，其为可与本文公开的加热器相结合的一种装置的示例；和
[0024]图9是示出加热器操作的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0025]正如本领域普通技术人员所了解的，参考任何一个附图图示和描述的实施例的各种特征可与其他一个或多个附图中图示的特征相结合以产生未明确图示或描述的替代实施例。图示特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，符合本发明教导的特征的各种组合和修改可能是特定应用或实施方式所需的。不论是否明确描述或图示，本领域普通技术人员可认识到类似的应用或实施方式。
[0026]图1示出加热器组件10。加热器组件10具有太阳能聚光器12。太阳能聚光器12具有将太阳的平行光线反射到凸形反射抛物面盘16部分的凹形反射抛物面碗14部分。盘16向下反射太阳光线。太阳能聚光器12还包括凹形反射抛物面环18。
[0027]加热器组件10还包括封闭在室20内的燃烧器。室20具有两部分:由热交换器30分开的燃料-空气输送室22和燃烧室24。燃料-空气输送室22由窗32、热交换器30和侧壁34限定。限定在侧壁34内的是燃料-空气进口 36。燃烧室24由热交换器30、侧壁38和底壁40限定。排气经由限定在侧壁38中的出口 42离开燃烧室24。可替换地，出口42穿过底壁40离开。
[0028]在一个实施例中，由于石英的理想光学特性，窗32是石英晶体。对可见光和紫外线具有高透性、对红外线基本不透、并且能够承受由于靠近燃烧器带来的高温的任何适合的材料都可作为替代。
[0029]射到抛物面碗14的太阳光线朝抛物面盘16反射并被引导至窗32上并传输至热交换器30。射到抛物面环18的太阳光线被引导至窗32上并传输至热交换器30。图1所示的实施例是一种非限制性示例结构。
[0030]通过进口 36供给的燃料和空气被吸入空气-燃料输送室22中，通过热交换器30中的间隙进入燃烧室24中。点火器44可用于启动燃烧。建立燃烧之后，燃烧发生在热交换器30处。仔细地限定热交换器30中间隙的尺寸使其小于熄灭距离。通过确保间隙足够小，防止燃料-空气输送室22中的回火。
[0031]熄灭距离通常被限定为不会传导火焰的宽度或直径。熄灭距离主要取决于几何结构(例如槽或管)和燃料-空气混合物的化学计量，以及诸如燃料类型、间隙周围的材料和温度的其他次级效应。对当前状况来说，根据产生最小熄灭距离的预期工作条件确定熄灭距离，并且熄灭距离大约为0.5mm。隔开相邻管之间的间隙使得它们在整个热交换器30上小于确定的熄灭距离。
[0032]如图2中俯视图所示的热交换器30具有螺旋盘绕的两个管50和52。进口 60、62和出口 70、72分别设在管50和52上。图1和2中热交换器30的实施例是一个非限制性示例，示出两个出口以提供均匀分布的两个加热工作流体供应。可替换地，可以只用一个管。或者，可使用更多的管来进一步扩大加热工作流体的范围。
[0033]图3中示出太阳能聚光器12的俯视图。抛物面环18围绕抛物面碗。窗32位于中心。抛物面盘16由臂17支撑。与假设抛物面环进一步延伸到装置中心相比，这种结构提供更紧凑的太阳能聚光器。图1和3所示的实施例是太阳能聚光器的一个非限制性示例。其他结构是可代替的。
[0034]图1中示出平行光线以竖直方向进入太阳能聚光器12。但是，在某些季节太阳只是在特定地理位置短暂地直接位于上方。为了收集整个白天的太阳光线，移动加热器10的位置以追踪太阳位置或者使用日光反射装置使太阳光线竖直反射。日光反射装置的实施例在图4中示出。平行太阳光线78以从竖直偏移的角度射入。提供将光线反射到太阳能聚光器90中的竖直圆柱中的镜子82。镜子82经由齿轮传动系统附接到框架84。小齿轮马达85旋转时，镜子82的角度相对于枢转点89运动。小齿轮马达85的齿与结合到镜子82的齿轮87啮合。马达88也附接到框架84上使日光反射装置相对于马达88中心线旋转。日光反射装置80是用来将太阳光线引导至固定加热器的适合布置的一个示例。框架84和马达88被示出为恰好在太阳能聚光器90下方。然而，根据实施例，框架84和马达88从太阳能聚光器90的底部移开以为与加热器10有关的部件提供空间。
[0035]在一个实施例中，镜子82可水平地倾斜以在不能获得太阳能的夜晚期间保护加热器10。此外，镜子82将来自窗32或者通过窗32的任何辐射能反射回窗32以至少部分地防止损耗到夜空。
[0036]图5中示出电子控制单元(EOT) 100和相关的控制器和传感器。E⑶100从恒温控制装置106或者其他合适的装置接收输入以向ECU 1