CN102607307A - 一种储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储热装置，包括储热空间、置于所述的储热空间内的储热介质、传热输入装置、换热输出装置和位于所述储热空间外部的保温结构，所述储热空间由多层串联的储热空间单元和每层储热空间单元之间布置的隔热层组成；所述传热输入装置和换热输出装置在所述的储热空间内完成热传和热换，在储热装置的顶部和底部实施分层输入输出控制。本发明的储热装置由于取材于混凝土、镁砂、陶瓷、金属板等低成本材料，故本装置造价低，且性能稳定，具有较好的行价比，尤其适合于大规模推广太阳能利用所需要的储热装置。

Description

一种储热装置

技术领域

本发明涉及一种储热装置，特别涉及一种太阳能光热利用系统中的储热装置。

背景技术

太阳能是比较理想的新能源，但利用上却存在时效性问题，日照期间所接受的能量超过所需，日落之后却无法发挥作用。因而如何把日照时多余的能量储存起来，以用于日落后系统的持续运行，即取有余以补不足，成为实现太阳能热利用装置连续运行的关键问题。

现有的太阳能储存技术中，有报道或使用过多种储热介质。近年有报道在实验室中获得以特定材料作基体支撑的复合相变材料(定形相变材料)，用以储存热量，但其存在导热系数低的缺点，而且相变材料在储热过程中发生相变，由于体积的变化，容易发生漏露的隐患。另外，工业上也有使用三元铝合金用以作为储存材料，其对于储热性能(如相变储热等参数)有负面作用，储热材料本身在工作过程中进行反复的固液相变，杂质元素将会影响其使用性能和使用寿命。目前现有的已经工业化的太阳能热发电机组多利用无机盐做储热材料，但无机盐在相变过程中存在过冷和相分离的缺点，影响了储热能力，并且其凝固温度过高，造成夜间为保证其不凝固而进行的保温循环热损失较大，一旦系统出现凝固点后处置困难，存在安全隐患；熔盐系统管路中使用的泵、阀价格昂贵且使用寿命也比较短，而且无机盐具有毒性，容易泄漏发生火灾，且泄漏会对环境造成的污染。

目前国际太阳能光热利用储存系统主要有双罐直接蓄热、双罐间接蓄热及单罐斜温层蓄热等类型装置：

双罐直接能源存储系统(Two-tank Direct Energy Storage System)如图1所示，传热介质在太阳能聚光场受热，同时也直接作为存储介质储存在热罐内。受热后的热传介质受泵驱动，经过蒸汽发生器，而获得热蒸汽发电。当太阳能聚光场没有热量输入时，例如夜晚，储热罐因白天接受太阳能聚光场热量的输入，已储存一定的热量，一定时间内仍然可以作用蒸汽发生器，产生蒸汽而发电；经过蒸汽发生器后的传热介质冷却后，流回冷罐；当太阳能聚光场向热罐提供热量时，例如天晴的白天，冷罐内的传热介质流经光场受热后流入热罐内，完成能量吸收和储存。该系统结构复杂，所需求的双热罐成本较高，且因传热介质的温度上限较低，其储热能力也受到限制。

双罐间接能源储存系统(Two-tank Indirect Energy Storage System)如图2所示，相对冷的熔融盐在熔融盐泵的驱动下从冷盐罐到达换热器中，与来自太阳能光场的传热介质换热获得热量，变成热的熔融盐；冷的熔融盐在热交换器内流动的方向与太阳能聚光场受热后的传热介质流过的方向相反；受热后的热熔融盐在熔盐泵的驱动下储存于热罐内。当储热介质进行发电时，热熔融盐从热罐流出，经过蒸汽发生器，热熔融盐变成冷熔融盐，流入冷罐。相比较双罐直接储热系统，该系统可以储存更多的热量；其缺点是仍然需要两个昂贵的储热罐，且需要驱动腐蚀性的高温熔融盐，且当凝固后需要对储热盐进行预加热，使其变成熔融盐状态，以便驱动；整体结构复杂，运行成本高。

以上两种方式理论上均可以使大部分储存热能获得高品位利用，最后流出热罐的储热介质也能保持高温状态，因此能够自始至终获得高温度的蒸汽，从而具有持续高效的发电效率。

单罐斜温层能量储存系统(Single-tank Thermocline Energy StorageSystem)如图3所示，单罐的上部为高温介质，底部为相对低温介质；当储热时，底部的低温介质流入换热器，与接受了太阳能热的高温传热介质发生热交换，获得与其相近的温度，之后流入单罐的顶部区域，完成储热过程；当放热时，高温介质从单罐顶部流出，经过热交换器，将热量换给传热介质如蒸汽，推动汽轮机发电，高温介质温度降低，从热交换器流入单罐底部，完成放热。该储热罐具有垂直温度梯度，可以尽量高品质的进行热利用，但即使商业化或工业化后，整体成本仍然昂贵，且系统仍然无法避免高温熔融盐的腐蚀性和固化后的加热融化过程。

以上描述的是目前国际上使用比较普遍的储热系统，为了获得热能储存及高品位利用的目标，均使用了具有流动性，可进行空间位置转移的储热介质，所以现有系统的整体结构均比较复杂，制造及运行成本高昂；另外，上述储热介质大多有毒且具有强烈的腐蚀性，存在泄露后容易产生火灾、污染环境等问题。

发明内容

本发明是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种低成本、环保、具有良好的自然斜温层(Thermocline)性质的储热装置，储热介质不必具有流动性，所处空间位置基本不动，高低温区域间不易发生热传递而造成均温情况，因此装置结构简单、运行可靠，而且能高效实现热能高品位利用，可应用于各种储热应用，特别是太阳能热利用系统。

根据本发明，提供了一种储热装置，包括储热空间、置于所述的储热空间内的储热介质、传热输入装置、换热输出装置和位于所述储热空间外部的保温结构，其特征在于，所述储热空间由多层串联的储热空间单元和每层储热空间单元之间布置的隔热层组成，所述传热输入装置和换热输出装置在所述的储热空间内对储热介质完成热传和热换；且所述储热空间的顶部和底部储热空间单元内实施分层控制。

所述隔热层布置于各储热空间单元之间，以达到减缓各储热空间单元之间由于温差而发生的热量传递，以保证温度较高的高品位热量不会由于储热装置的内部的均温趋势而造成温度品位下降，从而实现有效热能储存和利用。

在进一步的实施方式中，当储热装置立式布置时，所述隔热层具有良好的机械支撑作用，具有支撑该层所述隔热层以上储热装置的重量的能力；所述隔热层为一定厚度的隔热材料，例如硅酸钙板，厚度10mm～300mm；所述硅酸钙板在高温下导热效率大约为0.07～0.08W/(m.k)，具有良好的隔热性能和隔热效果，耐压0.8MPa，使得多个储热空间单元之间具有明显的温度梯度和机械支撑稳定性能。

优选的，所述储热介质为储热混凝土、镁砂、储热砖、金属、岩石、砂；进一步，在所述的各层储热介质中放置金属片、金属丝等高导热材料填充，以提高每个单元内的热传性能，提高传热换热速度。

优选的，所述传热输入装置包括传热输入管路及传热输入管路内的传热介质，所述传热输入管路分布贯穿于所述储热空间；进一步，所述传热输入管路上设置翅片。

优选的，所述换热输出装置包括换热输出管路及换热输出管路内的换热介质，所述换热输出管路分布贯穿于所述储热空间；进一步，在换热输出管路上设置翅片。

优选的，所述储热空间单元内，所述传热输入管路与换热输出管路在储热空间内不相互接触，使输入和输出回路通过储热介质耦合，例如在太阳能热利用系统中，当光照条件发生波动时，输入功率变化带来的输入回路热参数的波动不会直接影响输出回路热参数的稳定性，从而保证热利用装置工作稳定可靠，同时使得对太阳能采光场的控制变得简单。

优选的，所述传热输入管路与换热输出管路贯穿每个储热单元及隔热层；进一步，传热输入管路的总入口与换热输出管路的总出口位于储热空间内的高温储热空间单元端，传热输入管路的总出口与换热输出管路的总入口位于储热空间内的低温储热空间单元端。

在进一步的实施方式中，所述储热空间单元由多个串联储热空间单元组成，所述每个储热空间单元内布置多个扇形混凝土储热块，每个混凝土储热块内部布置有传热和换热管路，多个的扇形混凝土储热块拼接为环形组成一个储热空间单元，这样每个储热块体积重量不至于太大，方便制造、安装及检修。

在进一步的实施方式中，所述每个储热空间单元中的每个扇形混凝土储热块内的传热管路和换热管路首尾相互连接形成单向贯通的管路。

在进一步的实施方式中，所述相邻的每串储热空间单元中的单向贯通的管路相互顺序连接形成整体密闭储热空间内的贯通管路。

在进一步的实施方式中，所述整体密封储热空间中的传热管路和换热管路所各自形成的贯通管路可以各自设计为两条或多条。

在进一步的实施方式中，所述多条传热管路可以整体并列布置，在相同或接近的位置设计各自独立的出入口或共用一个出入口。

在进一步的实施方式中，所述多条传热管路可以局部并列布置，各自在不同的位置设计各自独立的一个或多个出入口。

在进一步的实施方式中，所述多条换热管路可以整体并列布置，在相同或接近的位置设计各自独立的出入口或共用一个出入口。

在进一步的实施方式中，所述多条换热管路可以局部并列布置，各自在不同的位置设计各自独立的一个或多个出入口。

在进一步的实施方式中，所述储热空间的底部多层储热空间单元组成的分层传热控制单元，多层储热空间单元分别对应布置控制阀，在传热过程中采取分层输入传热控制，即相对上层高温储热空间单元的温度上升至临界工作状态时(传热后传热介质的输出温度仍过高至临界点)，将此层对应的输出控制阀关闭，并开启相邻下层储热空间单元的输出控制阀，开始该相邻下层储热空间单元的传热循环系统，直至该层储热空间单元的温度上升至临界工作状态时，再开启该层之下的传热循环系统，以此类推，直至最后开通最底层储热空间单元完成整体高温品位传热。从而使传热储存过程中尽量将所获得的热能以高温状态储存起来，提高储存品位。

在进一步的实施方式中，所述储热空间的顶部多层储热空间单元组成的分层换热控制单元，多层储热空间单元分别对应布置控制阀，在换热过程中采取分层输出的换热控制，即相对下层高温储热空间单元的温度下降至临界工作状态(换热后换热介质的输出温度低至临界点)时，将此层输出控制阀关闭，并开启相邻上层储热空间单元的输出控制阀，开始对该相邻上层储热空间单元的换热循环系统，直至该层储热空间单元的温度下降至临界工作状态时，再开启该层之上的换热循环系统，以此类推，直至最后开通最顶层储热空间单元完成整体高温品位换热。从而使换热利用过程中优先将还可以利用的低品位能量换热输出为换热介质预热，而只将高温热源作为最终换热使用，实现高品位热源的最大化利用。

在进一步的实施方式中，本储热装置的传热系统可分别或同时储存不同温度等级的热量：高温度等级I的传热介质(例如来自于塔式太阳能的传热介质，温度550℃)选择从最接近I温度等级的稍低温储热单元位置的传热输入管路入口进入，优先将其携带的热量储存为尽可能高温度状态，然后继续向下一层储热空间单元存入低一些温度的热量，依此类推，直到到达允许的最低温度点后从最近处出口流出；与此同时，储热装置进行另一路中温度等级II的传热介质(例如来自槽式太阳能的传热介质，温度350℃)传入，其传热介质选择从最接近II温度等级的稍低温储热单元位置的传热输入管路入口进入，优先将其携带的热量储存为尽可能高温度状态，然后继续向下一层储热空间单元存入低一些温度的热量，依此类推，直到到达允许的最低温度点后从最近处出口流出；I、II两种温度等级的热传介质经过的传热输入管路可以部分重合或各自独立。此方式可以使本储存装置能够以最优方式同时接收储存各种来源各种品位的热量，具有更加广泛的适用范围，更加经济实用。

在进一步的实施方式中，本储热装置的换热系统可分别或同时输出不同温度等级的热量：高温度等级I的换热介质选择从最接近I温度等级的稍高温储热空间单元位置的换热输出管路出口流出(例如温度高于435℃，应用于汽轮机发电)，优先使用尽可能低温度状态的热能进行预热，待此储热空间单元温度无法满足输出温度条件时，再继续向上一层储热空间单元提取高一些温度的热量，依此类推，直到到达所需温度；与此同时，储热装置进行另一路的中温度等级II的热量换出，其换热热量传输介质也选择从最接近中温度等级II的稍高温储热空间单元位置的换热输出管路出口流出(例如温度大约200℃，应用于工业蒸汽)，优先使用尽可能低温度状态的热能，待此储热空间单元温度无法满足输出温度条件时，再继续向上一储热空间单元提取高一些温度的热量，依此类推，直到到达所需温度；I、II两种温度等级的换热介质经过的换热输出管路可以部分重合或各自独立。此方式可以使本储热装置能够以最优方式同时提供各种品位的热量输出，具有更加广泛的适用范围，更加经济实用。

优选的，所述保温结构由具有低的导热率的材料组成，位于储热空间的外部。

优选的，所述储热装置的热能来自太阳能。

优选的，所述储热装置作为槽式聚焦太阳能系统的储热装置。

优选的，所述储热装置垂直设立于地面以上，在作为塔式聚焦太阳能系统的储热装置的同时，也作为塔式聚焦太阳能系统中接收装置的支撑物或支撑物的一部分。

优选的，所述储热装置中的传热装置内的传热介质采用熔融盐或金属钠、钾等低熔点金属或合金。

优选的，所述储热装置中的换热装置内的换热介质采用水-蒸汽。

本发明的密闭储热装置由于储热介质取材于河砂、镁砂、混凝土，岩石、矿渣、陶瓷、金属板等低成本材料并且空间位置基本不发生移动，故本装置造价低，且性能稳定，具有较好的性价比，完全无污染，尤其适合于大规模推广太阳能利用所需要的储热装置。

附图说明

下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明，附图中：

图1是现有技术的双罐直接能源存储系统整体示意图；

图2是现有技术的双罐间接能源储存系统整体示意图；

图3是现有技术的单罐斜温层能量储存系统整体示意图；

图4是本发明的实施例的储热装置整体结构示意图；

图5是本发明的实施例的储热装置受热过程图；

图6是本发明的实施例的储热装置换热过程图；

图7是本发明混凝土储热介质的第二实施例示意图；

图8是第二实施例的储热空间单元结构示意图；

图9是第二实施例的储热空间整体布置的示意图；

图10是第三实施例的储热空间内传热、换热运行模式示意图。

图1-3中标记说明：

101-太阳能聚光场；  102-冷油罐；      103-热油罐；

104-蒸汽发生器；    105-天然气；      106-过热蒸汽；

107-涡轮机；        108-发电机；      109-冷凝器；

110-冷却塔；        201-太阳能聚光场；202-换热器；

203-热熔盐罐；      204-熔盐冷罐；    205-太阳能过热器；

206-锅炉；          207-蒸汽发生器；  208-太阳能预热器；

209-太阳能再热器；  210-排气器；      211-蒸汽涡轮机；

212-冷凝器；        213-低压再热器；  301-太阳能聚光场；

302-换热器；        303-单罐斜温层储存罐；

305-太阳能过热器；  306-锅炉；        307-蒸汽发生器；

308-太阳能预热器；  309-太阳能再热器；310-排气器；

311-蒸汽涡轮机；    312-冷凝器；      313-低压再热器。

具体实施方式

图4是本发明的实施例的储热装置整体结构示意图。如图所示，本实施例的储热装置，包括储热空间2、置于该储热空间2内的储热介质3、传热输入装置4和换热输出装置5及外部保温结构13；所述储热空间由多层具有隔热层6的串联储热空间单元15组成，例如10层，整体呈圆柱形，高度与直径之比，例如1～5∶1，所述传热输入装置4和换热输出装置5在所述的储热空间2内完成热传和热换；每层储热空间单元15之间布置有隔热层6，所述储热空间2的顶部和底部多层储热空间单元15内分别实施分层的输出和输入控制。

所述储热空间单元15与储热空间单元15之间被一定厚度的隔热层6所隔开，隔热板，例如硅酸钙板，厚度10mm～300mm；所述硅酸钙板在高温下导热效率大约为0.07～0.08W/(m.k)，具有良好的隔热性能和隔热效果，耐压0.8MPa，使得多个储热空间单元之间具有明显的温度梯度和机械支撑稳定性能。多个储热空间单元之间具有明显的温度梯度，每相邻的两个储热空间单元的温度差大于25℃，多层具有隔热层6的串联储热空间单元15良好地保证了高端位置的高端温度与低端位置的低端温度所形成的温度梯度的稳定性，减少轴向温度扩散趋势。

传热输入装置4包括传热输入管路9及传热输入管路9内的传热介质，传热输入管路9螺旋贯穿于所述储热空间2；且螺旋行进直径规律变化，传热输入管路9上设置翅片，以增加其向储热介质3的传热面积，提高传热速度；传热介质优选金属或无机盐或导热油，金属优选为单质钠、钾、锌、铝或其合金，无机盐优选为硝酸盐、碳酸盐或氯化盐等及其混合物。换热输出装置5包括换热输出管路10及换热输出管路10内的换热介质，换热输出管路10螺旋贯穿于所述储热空间2，其螺旋行进直径规律变化，在换热输出管路10上设置翅片。传热输入管路9螺旋行进直径与换热输出管路10螺旋行进直径互补，即当热传输入管9螺旋行进直径逐渐变小时，换热输出管路10螺旋行进直径在所述热传输入管同高度上逐渐变大，反之亦然；如图所示传热输入管路9与换热输出管路10的相互不接触，使输入和输出回路通过储热介质耦合，例如在太阳能热利用系统中，当光照条件发生波动时，输入功率变化带来的输入回路热参数的波动不会直接影响输出回路热参数的稳定性，从而保证热利用装置工作稳定可靠，同时使得对太阳能采光场的控制变得简单；传热输入管路9与换热输出管路10螺旋贯穿每个储热空间单元和每层的隔热层6；传热输入管路9的总入口与换热输出管路10的总出口位于储热空间2内的高温储热空间单元端，传热输入管路9的总出口与换热输出管路10的总入口位于储热空间2内的低温储热空间单元端。

太阳能聚光场的接受的热量连接于本系统的传热输入装置4，传热输入装置4的总入口与换热输出装置5的总出口位于储热空间2内的高温的储热空间单元15端，即位于储热空间2的顶部，以方便传热输入装置4和换热输出装置5内的高效热传导，将太阳能聚光场的热量换至储热装置内部和从储热装置内部换出热量。换热输出装置5将高品位的热量输送至连接于外部的做功装置，例如热机，换热输出管路10内布置换热介质，该换热介质为水-蒸汽或空气；持续地能获得高品位的水蒸汽或热空气，高温水蒸汽或热空气进入热机做功，获得机械动力或发电。传热输入管路9和换热输出管路10优选外部布置翅片或设计成螺旋状，并且翅片间隙或螺旋间距在不同位置可以不同；储热空间2的其它空间充满储热介质3，常规储热介质3可以使用液态储热介质和固态储热介质，液态储热介质可以为储热油或导热油、熔融盐，这些在上文中进行了描述，有其不足之处，例如有毒、易泄漏、污染、成本高，或受本身的温度上限限制，存在单位体积储存的热量少等问题，本发明优选储热介质3为固体储热介质，更优化为储热混凝土，镁砂、储热砖、金属、岩石、矿渣和砂等，特质混凝土和镁砂(MgO，如重烧镁砂)，热容高、密度大，故具有很高的体积比热容，具有很高的储热能力，最高储热温度可以达到800℃，且成本较低，易于存储、操作安全，对环境无任何负面影响，无泄漏问题存在，杜绝了现有的储热介质的环保问题，另外，为了弥补混凝土或镁砂传导率不太高的缺点，在本发明的优选实施例中，还可以沿径向在各单元内的储热混凝土、镁砂介质中添加金属片、丝等高导热材料，以增进储热介质的径向热传导能力，同时尽量使各单元间的热传导能力低；并且可以在轴向长度上变截面布局，以获得所需不同温度段不同的储热能力及保温效果，混凝土或储热镁砂等介质在整个过程中没有相变，属于显热储热，没有明显的体积改变，克服了现有大部分储热介质相变中可能发生的化学反应，泄漏，污染，有毒等等不足。

如图4所示，为了更清晰说明储热空间2的结构，图中示意出储热空间2内的不同位置的储热空间单元15，分别为储热空间单元15-1、15-2、15-3、15-4、15-5进行描述。图中所示传热输入管路9内传热介质的运行方向与换热输出管路10内的换热介质运行方向相反，传热介质从储热空间2的储热空间单元15-5进入，向储热空间2内输送热量，完成储热过程；换热介质从储热空间2的储热空间单元15-1进入，从储热空间2内带走热量，完成换热过程。

图5为本发明的实施例的储热装置的受热过程图，传热介质流经螺旋行进直径规律变化的传热输入管路9，对储热装置加热，使其升温。储热空间的底部多层储热空间单元组成的分层传热控制单元，多层储热空间单元分别对应布置控制阀，在传热过程中采取分层输入传热控制，即相对上层高温储热空间单元的温度上升至临界工作状态时(传热后传热介质的输出温度高至临界点)，将此层对应的输出控制阀关闭，并开启相邻下层储热空间单元的输出控制阀，开始该层储热空间单元的传热循环系统，直至该层储热空间单元的温度上升至临界工作状态时，再开启该层之下的传热循环系统，以此类推，直至最后开通最底层储热空间单元完成整体高温品位传热。

该储热装置中，储热空间单元15-2和15-1组成分层传热控制单元，储热空间单元15-2的控制阀默认开启，而15-1的控制阀默认关闭。具体的整体受热过程为：假设储热装置经过夜间持续放热后，储热空间2内储热介质3的温度全都降至150～250℃左右，即步骤5-a时，传热介质流经储热空间2内，从储热空间15-5单元开始加热储热介质3，中途经过储热空间单元15-4、15-3和15-2，而起始传热过程中，储热介质不经过储热空间单元15-1；储热介质3经过储热空间单元15-2时传热介质已经释放大部分热量；经过一定时间的传热后，即步骤5-b，储热空间单元15-5的温度已经获得与输入时刻的传热介质温度相近，此时传热介质经过储热空间单元15-4释放一定热量，传热介质温度有所下降，经过储热空间单元15-3时，传热介质继续释放热量，其整体温度持续下降，在储热空间单元15-2仍有一定的热量释放，传热介质在整个过程中温度都在下降，而储热介质3温度都在上升；再经过一段时间后，即步骤5-c，储热空间单元15-4至储热空间单元15-3的空间内的储热介质3温度都基本获得与传热介质输入时刻的温度，此时传热介质经过储热空间单元15-5至储热空间单元15-3释放热量较小，其主要对储热空间单元15-2的储热介质3加热，再经过一定时间后，即步骤5-d，储热空间2内的受热储热介质3温度基本恒定，同时具有很高的温度例如550～650℃；此时，若太阳能光场仍有大量的热量传输至储热装置时，开始采取分层输入传热控制，即步骤5-e，将储热空间2底层的储热空间单元，例如储热空间单元15-1，开启传热，即增加一层储热空间单元，此时传热介质经过储热空间单元15-5、15-4、15-3、15-2时，只有很少的热量的释放，达到储热空间单元15-1时，热量大量释放，储热空间单元15-1的储热介质3温度急剧上升，一定时间后，该储热空间单元15-1热量储热完成。

如果太阳能镜场仍然有热量传输，使用上述描述的方式采取分层输入传热控制，再次开启与储热空间单元15-1相邻的下层储热空间单元，完成更多能量的存储。在受热的初期，即储热量较小时，储热空间2内因多层具有层的串联储热空间单元结构，其沿轴向方向会存在明显的温度梯度，入口高，出口低，但入口处也可获得吸收温度接近的高温度区域。随着储热量增加，此温度区域会逐渐扩大，向出口处发展，直至最终储热空间2都达到高温状态。

本发明由于采用多层具有隔热层6的串联储热空间单元15的储热空间2设计，热能在空间轴线方向的传输速度很低，无论在储热量低或高的状态下，均能在一定时间保持很明显的温度梯度，形成良好的斜温层效果；而储热空间内的储热空间单元的传热输入管路9向储热介质传递热量相对容易的多，并且为了进一步加速径向上传递热量，本发明在传热输出管路9的径向上设计翅片或在储热介质3内填充金属片、丝，且可以在储热空间2的轴向上设计成变截面，以方便更多的热量输入。

图6为本发明的实施例的储热装置换热过程图，储热介质3换热至储热装置内的螺旋行进直径规律变化的换热输出管路10，将流经于螺旋换热输出管路10内的换热介质加热升温。如图所示，完成全部的储热过程后，整个储热空间2内的储热介质3温度基本一致，具有很高的温度品位，例如650℃，储热空间2需要将热量换至换热介质，高温的换热介质将热量传送至外部做功装置，例如热机，进行做功。所述换热输出装置5置于储热空间2上部，结构可设计成螺旋状或添加翅片结构，且螺旋的间距或翅片的间隙在不同的区域可以设置不同，主要是为了获得更多的换热面积，使其最短的时间内完成所需热量的换出，换热输出装置5内的换热介质与传热输入装置4内的传热介质行进的方向相反。

储热空间的顶部多层储热空间单元组成的分层换热控制单元，多层储热空间单元分别对应布置控制阀，在换热过程中采取分层输出的换热控制。该储热装置中，储热空间单元15-3，15-4和15-5组成分层换热控制单元，储热空间单元15-3的控制阀默认开启，而15-4和15-4的控制阀默认关闭。传热介质从密闭储热空间2的储热空间单元15-5入，从储热空间单元15-2和15-1出，而换热介质从密闭储热空间2的储热空间15-1单元入，从储热空间单元15-3的端口出，当储热空间单元15-3达到换热临界状态后，采取分层输出的换热控制，即储热空间单元15-3的温度下降至临界工作状态(换热后换热介质的输出温度低至临界点)时，将此层输出控制阀关闭，并开启相邻上层储热空间单元15-4的输出控制阀，开始对该层储热空间单元的换热循环系统，直至该层储热空间单元15-4的温度下降至临界工作状态时，再开启该层之上的换热循环系统，以此类推，直至最后开通最顶层储热空间单元完成整体高温品位换热。

具体整体的换热过程为：步骤6-a，换热介质例如水，从储热空间单元15-1入，液态传热介质例如水吸热后迅速变成水蒸汽，经过储热空间15-2单元，进行过热加热，从储热空间单元15-3出口处基本获得与储热介质3最高温度相近的出口温度，因储热介质3为密闭结构例如高度为100m，换热介质经过换热输出装置5，在储热装置的储热空间单元15-2之前就获得过热为535℃的水蒸气，而经过后段的储热介质3的过程中，因温度相近，基本不需来自储热空间2的储热空间单元15-2和储热空间单元15-3的热量的释放，储热空间单元15-2和储热空间单元15-3的储热介质3的温度保持不变；当储热空间单元15-1的温度下降时，换热介质例如水/水蒸汽未达到所需的高温度，因此在继续前行中继续吸热，直到温度上升至所需最高温度数值，此时从换热输出管路10周边储热介质3中再吸收的热量很少，在此位置之后的储热空间单元15-2和储热空间单元15-3的储热介质3的温度基本不下降，整个过程即为储热介质3从储热空间单元15-1向储热空间单元15-2逐渐降温的过程，但本发明设计的储热装置，具有多层隔热层6和多层串联储热空间单元15的储热介质3，例如储热混凝土或镁砂，在轴向方向上温度传导能力很低，可在一定的时间内形成轴向上的温度梯度，即该储热空间2在换热的过程中能形成良好的斜温层，储热空间单元15-3直到换热最后都能保持温度高品位，使得换热介质至始至终都保持高品位的输出，保持高效率。经过步骤6-b的一段时间的换热后，储热空间单元15-1的储热介质3的温度降低，而储热空间单元15-2的温度也开始降低，但降幅较小，而储热空间单元15-3的温度一直保持不变，换热介质从储热空间单元15-3离开时，也保持着与储热空间单元15-3相近的高温。再经过步骤6-c的一段时间的换热后，储热空间单元15-1温度发生了巨大降幅，储热空间单元15-2温度开始有了明显的降低，而此时储热空间单元15-3的温度仍然保持高温不变；在换热的最后阶段，储热空间单元15-1和储热空间单元15-2的温度都下降的剧烈，而此时储热空间单元15-3的温度仍保持高温，换热介质从储热空间单元15-1和储热空间单元15-2预热后，进入储热空间单元15-3，在储热空间单元15-3接受部分的热量和经过过热后，从储热空间单元15-3端口输出，此时的温度仍与储热空间单元15-3输出端口的温度相近，直到换热临界工作状态；开始步骤6-d，即采取分层输出的换热控制，开启储热空间单元15-4进行换热，此时换热介质经过储热空间单元15-1、15-2、15-3进行预热，获得部分热量，经过储热空间单元15-4时，完成高品位的热量换出；当储热空间单元15-4处于临界工作状态时，开启新的换热，即步骤6-e，与上述方式相同开启储热空间单元15-5完成新一轮的高品位的热量输出；传热介质在整个换热过程中都保持高品位的热量输出，具有高效性。

值得重点说明的是，由于采用多层具有隔热层6的串联储热空间单元组成的储热空间2的设计中，热能在空间轴线方向的传输能力较低，无论在储热量低或高的状态下，均能在一定时间保持很明显的温度梯度，形成良好的斜温层效果；而储热空间2内储热介质3向换热输出管路10传递热量相对容易的多，并且为了进一步加速径向上换出热量，本发明在换热输出管路10的径向上设计翅片或在储热介质3内填充金属片、金属丝。

图7是本发明混凝土储热介质的第二实施例示意图；本实施例的储热装置，包括储热空间2、置于该储热空间2内的储热介质3、传热输入装置4、换热输出装置5及外部保温结构13；所述储热空间由多层隔热层6和串联储热空间单元组成，储热空间单元15内布置储热介质混凝土储热块16，如图所示16-1，16-3为不同的扇形储热块，每个储热空间单元包含多个内部布置有传热管路9和换热管路10的扇形混凝土储热块16，该混凝土有多种材料复合凝固而成(原料包含，玄武岩骨料，钢渣骨料，铝酸盐水泥，矿渣粉，硅微粉，凹凸棒等等)，密度可达到2.8～3.5g/cm³，抗压强度40～60MPa，抗折强度8～12MPa，体积比容100～150kWh/m³，导热率1.5～3W/(m·k)，耐火温度900℃。储热空间单元15由多个混凝土储热块按规律摆布成环形的整体，各扇形的混凝土块的各管路在环形的内环相互连接，分别形成相互独立且完整贯通的传热管路9和换热管路10；环形的储热空间单元的两端布置一定厚度的良好绝热性能的隔热层6，例如硅酸钙板，其导热率为0.07W/(m·k)，抗压强度0.8MPa，具有优良的隔绝温度性能，以获得各个储热空间单元之间获得温度梯度，整个储热空间形成良好的斜温层。

图8是第二实施例的储热空间单元结构示意图；如图8所示储热空间单元包括端面的隔热层6和中间的混凝土储热环块。混凝土储热环块由多个扇形的混凝土储热块规则布置而成，每个扇形混凝土储热块内部布置螺旋布置的传热和换热管路，扇形小曲率内端头伸出传热管路9与换热管路10，管路首尾相连，如图7所示每个混凝土储热块扇形端头伸出4个端头，两个输入端头(传热输入端头和换热输入端头)和两个输出端头(传热输出端头和换热输入端头)，每个相邻扇形混凝土储热块，例如混凝土储热块16-1与混凝土储热块16-2管路相互首尾相连，分别形成贯穿的传热管路和输出管路，如图所示，混凝土储热块16-1、16-2、16-3，储热块16-2的传热输出端头和换热输出端头分别连接至储热块16-1的传热输入端头和换热输入端头，储热块16-2的传热输入端头和换热输入端头分别连接至储热块16-3的传热输出端头和换热输出端头。

储热空间单元15-1、15-2和15-3之间的管路相互首尾相连连接，分别形成贯穿的传热管路和输出管路(图8未示出)；每个储热空间单元的混凝土储热环中有一个扇形储热块的输入端头与输出端头，连接方法与图7方式不同，传热空间单元15-2的传热输入端头和换热输入端头连接至传热空间单元15-2的传热输出和换热输出端头，传热空间单元15-2的传热输出端头和换热输出端头连接至传热空间单元15-1的传热输入端头和换热输入端头。

所述传热输入装置4和换热输出装置5在所述的储热空间2内完成热传和热换。所述相临串联的储热空间单元例如15-1和15-2之间使用一定厚度的隔热层6隔开，多个储热空间单元之间具有明显的温度梯度，每相邻的两个储热空间单元的温度差大于25℃，多层具有隔热层6的串联储热空间单元良好地保证了高端位置的高端温度与低端位置的低端温度所形成的温度梯度的稳定性，减少轴向温度扩散趋势。

图9是第二实施例的储热空间整体布置的示意图；本发明提供的一种储热介质3在储热空间2内的无位置的转移，具有良好的斜温层的结构，整体具有一定比例的长宽比的储热体，例如1～5，为了保证持续输出的高品位温度，需要在密闭式储热装置的高端(即传热输入口或换热输出口端)具有良好的换热能力，而其所需要的热量总容量不一定需要很大，而且密闭储热装置位于下部的储热空间单元和隔热层6的受到的压力随着高度的增加，所受压力也在增加，如图所示本发明提出一种变直径的的密闭式储热装置，密闭式储热装置的底部具有较大的直径例如储热空间单元15-1，储热空间单元15-1内的储热介质，例如储热混凝土，耐压80MPa，隔热层6，例如硅酸钙，耐压0.8MPa，相同的耐压强度下，具有更大的受面积时，则结构更加牢固；随着高度的上升，对应层的储热空间单元例如储热空间单元15-5和隔热层6受到的压力变小，对应密闭式储热装置的直径变小，整体形成一种高温端直径小，低温度端直径大，结构稳定，换热效率高的密闭式储热装置。

需要特殊说明的是，上述本发明的第二实施例子，可以直接被应用到塔式太阳能光热发电中，立于地面之上的储热装置，大直径低温的储热空间单元例如15-1，位于储热装置的底部；高温的小直径储热空间单元例如15-9，位于储热装置的顶部；而塔式接受器17位于高温的储热空间单元例如15-9之上，用来接收来自定日镜的会聚太阳光，如此储热装置在提供储热功能的同时，可以提供一定的高度支撑能力，会聚太阳光变成热量后直接从储热空间单元15-9进入，进行存储热量，将接受的所有热量存储于储热装置内；实现储热装置的综合利用，节约成本，另一方面接收器于储热装置之间紧密联结，可缩短管路长度，减少热损失、降低介质循环驱动功率；储热装置中的传热和/或换热装置内的介质可采用导热油或熔融盐或金属或合金或水-蒸汽或空气等介质，且采取分层输入的传热控制和分层输出的换热控制，如图9所示，传热循环系统(图中虚线所示)包括储热空间单元15-1，15-2和15-3组成的分层传热控制单元；换热循环系统(图中实线所示)包括储热空间单元15-7，15-8和15-9组成分层换热控制单元，每个控制单元中的储热空间单元配备一个控制阀，例如储热空间单元15-1对应的控制阀为A，储热空间单元15-9对应的控制阀为I；传热循环系统中，塔式接受器17接受来自定日镜18反射的会聚的太阳光能量，通过传热介质从储热装置的顶部，即储热空间单元15-9开始对储热装置输送热量，传热介质经过分层传热控制单元时开始传热分层控制，此时的分层传热控制单元中控制阀C开启，控制阀B和A闭合；当控制阀C对应的储热空间单元15-3到达饱和临界传入工作状态时，闭合控制阀C，开启控制阀B，而控制阀A保持闭合；当控制阀B对应的储热空间单元15-2到达饱和临界传入工作状态时，闭合控制阀B，开启控制阀A，而控制阀C保持闭合，直到整个储热空间单元都完成储热，分层传热控制结束。换热循环系统中，换热介质从储热装置的底部，即储热空间单元15-1开始对储热装置换热输出热量，换热介质经过分层换热控制单元时开始换热分层控制，此时的分层换热控制单元中控制阀G开启，控制阀H和I闭合，换热输出的热量经过对外做功装置19，例如热机，冷却循环后，冷却回到储热装置的底部；当控制阀G对应的储热空间单元15-7到达临界换出工作状态时，闭合控制阀G，开启控制阀H，控制阀I保持闭合；当控制阀H对应的储热空间单元15-8到达临界换出工作状态时，闭合控制阀H，开启控制阀I，控制阀G保持闭合，直到整个储热装置内的热量。如此使用分层传热和换热控制系统，以获得高品位的存储和释放热量，提高热量的高效利用。

图10是第三实施例的储热空间内传热、换热运行模式示意图；本实施例的储热装置的传热系统和换热系统分别实施不同温度等级的传热控制和换热控制，不同温度等级的储热空间中的传热输入和换热输出可同时进行。多个不同温度等级的储热空间中的传热输入管路或换热输出管路可以整体平行布置或局部平行布置，在相同或接近的位置设计各自独立的出入口或共用一个出入口。如图所示储热空间2由多个温度等级的储热空间组成，具体由高温储热空间I、中温储热空间II和低温储热空间III组成，每个温度等级的储热空间分别由多个串联储热空间单元15组成；为了描述储热装置内的传热、换热运行模式的控制，下文主要以高温储热空间I和中温储热空间II进行举例描述，其对应的传热介质和换热介质分别处于高温度等级I和中温度等级II。

传热输入运行模式为：高温度等级I的传热介质(例如来自于塔式太阳能的传热介质，温度550℃)选择从最接近I温度等级的稍低温储热单元位置的传热输入管路入口进入，优先将其携带的热量储存为尽可能高温度状态，然后继续向下一层储热空间单元存入低一些温度的热量，依此类推，直到到达允许的最低温度点后从最近处出口流出；与此同时，储热装置进行另一路中温度等级II的传热介质(例如来自槽式太阳能的传热介质，温度350℃)传入，其传热介质选择从最接近II温度等级的稍低温储热单元位置的传热输入管路入口进入，优先将其携带的热量储存为尽可能高温度状态，然后继续向下一层储热空间单元存入低一些温度的热量，依此类推，直到到达允许的最低温度点后从最近处出口流出；I、II两种温度等级的热传介质经过的传热输入管路可以部分重合或各自独立。此方式可以使本储存装置能够以最优方式同时接收储存各种来源各种品位的热量，具有更加广泛的适用范围，更加经济实用。

换热输出运行模式为：高温度等级I的热量传输换热介质选择从最接近I温度等级的稍高温储热空间单元位置的换热管路出口流出(温度高于435℃，应用于汽轮机发电)，优先使用尽可能低温度状态的热能进行预热，待此储热空间单元温度无法满足输出温度条件时，再继续向上一层储热空间单元提取高一些温度的热量，依此类推，直到到达所需温度；与此同时，储热装置进行另一路的中温度等级II的热量换出，其换热热量传输介质也选择从最接近中温度等级II的稍高温储热空间单元位置的换热管路出口流出(温度大约200℃，应用于工业蒸汽)，优先使用尽可能低温度状态的热能，待此储热空间单元温度无法满足输出温度条件时，再继续向上一储热空间单元提取高一些温度的热量，依此类推，直到到达所需温度；I、II两种温度等级的换热介质经过的换热管路可以部分重合或各自独立。此方式可以使本储热装置能够以最优方式同时提供各种品位的热量输出，具有更加广泛的适用范围，更加经济实用。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (20)

1.一种储热装置，由储热空间(2)和设置在所述储热空间(2)外的保温层(13)组成，其特征在于：所述储热空间(2)由储热空间单元(15)和所述储热空间单元(15)与储热空间单元(15)之间设置的隔热层(6)组成，所述储热空间单元(15)内部设置有储热介质、传热输入装置(4)和换热输出装置(5)。

2.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热介质的材料是混凝土、镁砂、储热砖、金属、岩石、矿渣和砂的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的储热装置，其特征在于：所述储热介质中放置金属片、金属丝等高导热材料填充。

4.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热空间单元(15)是由扇形储热块(16)按环形结构摆布而成。

5.根据权利要求4所述的储热装置，其特征在于：所述扇形储热块(16)内端设置有传热输入端头、传热输出端头、换热输入端头和换热输出端头。

6.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热空间(2)由多层储热空间单元(15)纵向串联而成。

7.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述隔热层(6)的厚度为10mm～300mm。

8.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述传热输入装置(4)包括贯穿于所述储热空间(2)的传热输入管路(9)及其传热介质。

9.根据权利要求8所述的储热装置，其特征在于：所述传热介质是金属、无机盐或导热油或空气。

10.根据权利要求9所述的储热装置，其特征在于：所述金属为单质钠、钾、锌、铝或其合金。

11.根据权利要求9所述的储热装置，其特征在于：所述无机盐为硝酸盐、碳酸盐、氯化盐或其混合物。

12.根据权利要求8所述的储热装置，其特征在于：所述传热输入管路(9)上设置有翅片。

13.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述换热输出装置(5)包括贯穿于所述储热空间(2)的换热输出管路(10)及其换热介质。

14.根据权利要求13所述的储热装置，其特征在于：所述换热介质可以是空气、水-蒸汽或导热油。

15.根据权利要求13所述的储热装置，其特征在于：所述换热输出管路(10)上设置有翅片。

16.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热空间(2)以储热空间单元(15)为实施分层控制。

17.根据权利要求8或13所述的储热装置，其特征在于：所述传热输入管路(9)和换热输出管路(10)为两条或多条，各条管路可全程并列并联或部分并列并具有不同位置的出入口。

18.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热装置具有不同温度等级的储热空间，传热输入和换热输出实施分别的传热控制和换热控制，且不同温度的传热输入和换热输出可同时进行。

19.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述传热输入装置(4)通过连接太阳能聚光场获得热量。

20.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述储热空间(2)轴向上设置成变截面。

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