CN102818468A - 一种固体储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固体储热装置，该固体储热装置由至少一个储热单元串和/或并联组合而成；该储热单元包括外壳、外壳内部布置的固体储热介质及外壳外部的保温层；以固体储热介质的外表面为换热界面；所述储热单元内部规律布置隔热层，沿轴向上具有斜温层，具有分层控制系统，保证热量的高品位储存和输出。该阵列的储热单元可以垂直布置，也可以具有一定的倾斜角地水平布置。本发明的固体储热介质利用固体显热性能储热，运行安全，加工简单，成本低廉；固体储热介质表面具有良好的换热效率、优良的储热性能，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。

Description

一种固体储热装置

技术领域

本发明涉及一种固态储热装置，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清洁能源，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相变储存材料，多次循环使用对于储热性

能，例如相变储热的温度、寿命等参数有负面作用，因为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外部管路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，而且无机盐具有一定毒性，且容易泄漏发生火灾，泄漏会对环境造成的污染。固态储热方案有混凝土、鹅卵石储热等，在混凝土内部浇灌换热管路，成本较高，并且换热系数很低等等；砂石储热，虽然价格便宜，但导热率低，换热困难，不能定型自支撑，影响使用；且已有固体储热方案是将换热管道布置于固体储热材料内部，通过管道或翅片表面和储热材料表面的固体与固体间热传导完成热量传递，由于固体之间的接触多为不完全接触，且固体储热材料本身导热性能不良，再者固体之间的传热面积有限，导致总体导热效率低下，从而很难满足储存热量的输入功率要求，更多情况为传热介质的热量未完全释放于固体储热系统之前，就已经从固体储热系统流出，无法按所需功率圆满地完成向固体储热系统储热的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种利用固体储热介质本身的界面作为换热界面，采用传热介质与储热介质表面直接接触完成界面换热的固体储热方法，具有传热界面面积大，换热效率高的显著优点；固体储热介质间隔布置，降低长度方向(或轴向)上的热量传递速度，形成斜温层布局结构，获得高品位温度输出；整体成本低廉、

换热快，热容大，储热性能好，可应用于多领域储热的固体储热装置。

 本发明提供了一种固体储热装置，所述固体储热装置由至少一个储热单元串联和/或并联组合而成；该储热单元包括外壳、外壳内部布置的固体储热介质及外部的保温层；以固体储热介质的外表面为换热界面，与流经本装置的传热介质直接接触发生换热；所述储热单元内部储热介质沿长度轴向方向上设置形成斜温层布局结构。

进一步地，所述储热单元垂直布置。

进一步地，所述储热单元水平布置。

优选地，所述储热单元具有一定倾斜角度地相对水平布置（以下统称水平布置）。

进一步地，所述储热单元包括多个串联的储热区，整体具有较大的长径比或长宽比（如10:1以上至500:1），固体储热介质之间在长度方向上（即轴向上）热量传递速度较小，构成稳定的天然斜温层结构。

进一步地，所述储热单元通过多个储热区间的隔热设计，进一步减少不同储热区之间的热交换，形成更加优良的斜温层结构。

进一步地，所述储热单元的隔热设计为相邻储热区储热介质之间的空隙。

进一步地，所述储热单元的隔热设计为相邻储热区间布置的隔热材料。

进一步地，所述隔热材料同时兼有对传热介质导流布置的作用。

进一步地，构成所述固体储热介质的材质为高密度、高比热容、导热良好、性质稳定的材质，例如为耐火砖、岩石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土状石墨、金属、矿石、矿渣、混凝土等其中一种或至少两种的混合物。

优选地，所述固体储热介质的材质为炭砖、复合炭砖类的耐火材料，由于导热好、比热容较大、孔隙率低、密度高、性质稳定、材料来源广泛、成本较低，特别适合优选作为储热介质，例如镁炭砖、铝炭砖等。

进一步地，所述固体储热介质的结构为具有不同尺寸和形状的固体储热块，例如长方形块体、圆柱管块体、扇形柱状体。

进一步地，所述固体储热块为采用熔融金属将固体储热介质材料或其混合物浇铸，冷凝固化成整体而成具有自支撑强度的固体储热介质。

优选地，所述固体储热块的外表面具有封闭层，减少传热介质向固体储热块内部的渗透。

优选地，构成所述固体储热块的填充材料内混合布置有导热增强材料，如金属丝、金属片、石墨、金属矿渣等，以提高材料内部的导热能力。

进一步地，所述固体储热块外表面设置导流槽和/或翅片等，以获得较大的热交换面积。

进一步地，所述两固体储热块相邻外表面的导流槽和/或翅片的布置方向不平行，存在一定的角度，从而使换热介质在流动路径上形成交叉混合点，以增强换热效果。

进一步地，所述固体储热块结构致密、孔隙率低，对传热介质吸收少。比如孔隙率小于20%，优选地小于10%。

进一步地，所述固体储热块包括密封的外壳及紧密填充于封闭的外壳内部的固体储热介质材料，整体具有固定形状及自支撑能力。

优选地，所述封闭外壳为玻璃、陶瓷材料，如玻璃管，陶瓷管，玻璃、陶瓷空心球等。

优选地，所述封闭外壳为金属材料，如金属管、金属空心球、金属壳等。

优选地，所述金属封闭外壳材料为不锈钢材质。

进一步地，所述封闭外壳内部全部或部分填充一定温度范围内有相变的储热相变材料。

进一步地，所述储热单元为直立布置或相对水平布置，高温区域位于储热单元高端位置、低温区域位于储热单元低端位置，以避免对流造成的均温趋势；储热单元在长度轴向上形成斜温层；且根据长度方向上的不同位置，分别实施储热输入分级控制和换热输出分级控制，以获得最大热量的输入和最高品位的热量输出。

进一步地，所述储热单元不同位置实施不同温度等级输入或输出的分层级控制，以最高效地利用输入或输出热量。

进一步地，所述传热介质为气、液、蒸汽或相变介质；如空气、氮气、惰性气体、导热油、熔融盐、蒸汽以及汽液相变介质等。

进一步地，所述保温层布置于外壳的外部，选择为低导热率的材质，例如保温岩棉等等。

进一步地，所述外壳采用真空绝热技术进行保温。

进一步地，所述储热单元外壳为相对薄壁设计（材料的选用厚度相对于对应使用压力所需的标准设计厚度来说，减薄30%以上），且通过增加外部加强法兰增强薄壁外壳抵抗内部压力的能力，以减少由于较厚外壳在轴向上存在的良好导热性，避免因外壳传热较多破坏构成斜温层布局结构的温度梯度效果。

进一步地，所述加强法兰与薄壁外壳壁间布置紧密接触的隔热层，进一步增大外壳结构中的热阻。

本发明的固体储热装置可应用于太阳能光热利用系统。

本发明的固体储热介质不具有流动性，储热利用固体状态储热，运行安全；固体储热介质按一定规律堆砌，部分或全部表面直接与传热介质接触换热，不需要增加管路过渡从而避免了固固接触界面的传热缺陷，具有巨大的换热界面面积并且固液或固汽接触换热良好，可方便高速的完成热量的输入或输出，大量增强了固体储热介质与传热介质之间的传热速度（即传热功率），使储热装置具有良好的整体换热性能;同时，由于流通截面积大，传热介质流动阻力小，压降损失小，可降低系统运行能耗。固体储热块具有的致密材质或表面封闭层设计或封闭层外壳设计使其对热传介质吸收较少，成本低，并且材料寿命更长。储热单元内部的储热介质导热率较高，在径向或宽度方向传热较快，可高功率吸热和放热，能尽量以最接近原温度品位的方式储存和提取热量；在轴向或长度方向上，由于尺寸大或存在隔热设计，传热速度较慢，可长期保持一定的温度梯度，有利于尽量避免高品位（温度）热源由于高低温区域的均温趋势造成品位（温度）下降，保证热量输出品质；同时导流设计引导传热介质在储热单元内部的规律流径，更有利于传热介质的良好换热效果；储热单元的一定储热区之间分别实施储热输入分级控制和换热输出分级控制，且还可以实施不同温度等级的储热输入和换热输出控制，可以大大提高储入和换出热量的更加高品位。

单元组合式结构可根据需要灵活配置，方便可靠成本低。该固体储热装置总体成本低、导热好、热容大，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。

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是本发明固体储热装置实施例整体结构示意图；

图2是本发明的储热单元的分层控制单元；

图3是本发明的储热单元的不同温度等级的传热控制和换热控制单元；

图4是本发明的第一种储热单元结构示意图；

图5是本发明的固体储热块结构示意图；

图6是本发明的第二种储热单元结构示意图；

图7是本发明的储热管结构示意图；

图8是本发明第三种储热单元实施例整体结构示意图；

图9是图8储热单元内部的固体储热块结构示意图；

图10是本发明固体储热块的另一实施例结构示意图；

图11是本发明的储热单元的外壳实施例结构示意图；。

 

具体实施方式  

下面结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。

图1是本发明固体储热装置实施例整体结构示意图；该固体储热装置由多个储热单元，例如储热单元1-1和储热单元1-3阵列组成；如图1所示，阵列的储热单元1-1垂直立于地面布置；每个储热单元1-1包括外壳2、外壳2内部布置的固体储热介质3及外壳2外部布置的保温层10；该固体储热介质3外表面为传热介质的换热界面，固体储热介质3为致密材料，空隙率小于10%；最优地，固体储热介质3表面具有密闭层，进一步减少传热介质的渗入。该固体储热装置的外壳2优选为一定厚度钢材，具有抗传热介质所需的例如2 Mpa压力的能力；外部的保温层10选择具有低导热率的岩棉等材料，进行包覆，也可以使用真空技术对其进行保温，最大限度地降低固体热装置的热量的损失。固体储热装置外部还布置循环管道接口，多个储热单元串并联阵列布置，循环管道相互串、并联，最后会聚于总循环管道，传热介质从热源18，例如太阳能镜场接收热量后，一部分沿流经方向A直接流经换热装置或做功装置19，例如换热器、汽轮机，多余传热介质部分沿流经方向B方向流入多个储热单元例如1-1和1-3内部的固体储热介质3的表面，将热量传导至固体储热介质3，完成热量的输送后，从另一接口输送至总循环管道，沿流经方向C完成总体热量的输送；当热场18不能持续直接提供热量时，开始启用储热管内部的已储存的热量，传热介质沿E方向进入储热单元例如1-1，完成储热后沿流经方向D，再经过A方向进入外部的做功装置19，持续地提供热量的输入；该传热介质可以为气、液、蒸汽或其它相变介质。该固体储热装置可以使用于任何热利用的领域，特别适于大规模高品位太阳能热利用的储热系统。

图2是本发明的储热单元的分层控制单元；如图2所示，储热单元由多个不同的储热区阵列组成，特定的储热区实施不同的分层控制，例如储热输入循环系统包括储热区4-1，4-2和4-3组成的分层传热控制单元；换热输出循环系统包括储热区4-7，4-8和4-9组成分层换热输出控制单元，每个控制单元中的储热区配备一个控制阀，例如储热区4-1对应的控制阀为A，储热区4-9对应的控制阀为I；传热循环系统中，传热介质从储热装置的顶部，即储热空间的4-9开始向下流动的过程中对储热介质输送热量，温度逐渐降低，最后流出储热装置，重新受热循环。由于储热介质导热较好，储热区4-9部分的储热介质很快达到与传热介质相近的温度；在此后的换热过程中，传热介质在流经储热区4-9部分时，基本没有放热降温，保持原有高温流到储热区4-8部分，对储热区4-8部分换热后降温，继续下行。以此类推，自储热区4-9开始，随着换热进程继续，自高温段4-9开始，逐渐有更多的储热介质部分被存入高温热能。传热介质经过换热后，流出储热装置的温度已经降低，为更好的利用热能品位，对储热输入进行分层控制：首先分层储热输入控制单元中控制阀C开启，控制阀B和A闭合；当控制阀C对应的储热区4-3到达饱和临界传入工作状态时（即当储热区4-3出口温度达到或略高于允许传热介质流出最高温度限度时，闭合控制阀C，开启控制阀B，控制阀A仍保持闭合；当控制阀B对应的储热区4-2到达饱和临界传入工作状态时（即当储热区4-2出口温度达到或略高于允许传热介质流出最高温度限度时），闭合控制阀B，开启控制阀A，而控制阀C保持闭合，直到整个储热区都完成储热（即最后的储热区出口温度达到或略高于允许传热介质流出最高温度限度时），分层储热输入控制结束，此时认为热能储满。

换热输出循环系统中，换热介质从固体储热单元的底部，即储热区4-1开始向上流动的过程中对储热装置换热输出热量，温度逐渐升高，最后流出储热装置，进入外部系统冷却，重新循环。由于储热介质导热较好，换热介质经过储热区4-1部分的储热介质很快达到储热介质稍低的温度；在此后的换热过程中，传热介质在流经储热区4-1部分时，基本没有吸热升温，保持原有温度流到储热区4-2部分，吸收储热区4-2部分换热后升温，继续上行。以此类推，自储热区4-1开始，随着换热进程继续，逐渐有更多的换热介质部分被加热至高温状态。换热介质经过换热后，流出储热装置的温度很高，为更好的利用热能品位，对储热输入进行分层控制：，换热介质经过分层换热输出控制单元时开始换热分层控制，此时的分层换热输出控制单元中控制阀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，例如热交换器或汽轮机，冷却循环后，冷却回到储热单元的底部；当控制阀G对应的储热区4-7到达临界换出工作状态时（即储热区4-7输出口储热体的温度与所需传热介质最低输出温度限度相近时），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对应的储热区4-8到达临界换出工作状态时（即储热区4-8输出口的储热体温度与所需传热介质最低输出温度限度相近时），闭合控制阀H，开启控制阀I，控制阀G保持闭合，直到整个储热单元内的热量完成热量输出（即最高温度储热区出口的储热体温度与所需传热介质最低输出温度限度相近时），分层储热输入控制结束，此时认为热能取空。如此使用分层储热输入控制系统和换热储出控制系统，以获得高品位的存储和释放热量，提高热量的高效利用。

 图3是本发明的储热单元的不同温度等级的储热输入控制和换热输出控制单元；本实施例的储热单元储热输入系统和换热输出系统分别实施不同温度等级的储热输入控制和换热输出控制。储热输入控制或换热输出控制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3所示储热单元由多个温度等级的储热区组成，具体由高温储热区I、中温储热区II和低温储热区III组成，多个不同温度梯度的储热区串联形成储热单元整体；为了描述储热装置内的储热输入、换热输出运行模式的控制，下文主要以高温储热区I和中温储热区II进行举例描述，其对应的传热介质或换热介质分别处于高温度等级I和中温度等级II，该储热输入控制和换热输出控制具有相同的控制阀，相同的控制阀在不同的时刻分别为输入控制阀或输出控制阀。

储热输入运行模式为：高温度等级I的传热介质（例如温度550℃）选择从最接近I温度等级的稍低温储热区位置的传热输入管路入口进入，例如从控制阀a输入，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层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，储热单元进行另一路中温度等级II的传热介质（例如温度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区位置的传热输入管路入口进入，例如从控制阀d输入，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区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区位置的换热管路出口流出，例如从控制阀b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，待此储热区温度无法满足输出温度条件时，再继续向上一层储热区提取高一些温度的热量，例如从控制阀a流出，依此类推，直到到达所需温度；与此同时，储热单元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的稍高温储热区位置的换热管路出口流出，例如从控制阀e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，待此储热区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，例如从控制阀d流出，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。 

       图4是本发明的第一种储热单元结构示意图；该储热单元1内部的固体储热区为圆柱状，多个储热区，例如4-1或4-3串联组成储热单元的储热体，且各储热区内部和储热区之间布置隔热层5，该隔热层为具有低导热率的绝热层。该储热区包括阵列布置的固体储热块6和一定数量固体储热块6间隔布置隔热层5；固体储热块6规律布置，如图所示环形阵列布置，各固体储热块6之间的间隙为传热介质的流通通道，而隔热层5将储热区分开，以形成固体储热单元1的不同区域上的显著温度梯度，良好地保证了储热单元内部的储存和输出的热量高品位，同时隔热层5具有传热介质导流层的功能，将传热介质经过阵列布置的固体储热块6之间间隙，在隔热层5的引导下，有规律地完成热量的传输，例如隔热层5将传热介质先从储热区的中间位置引流至下一层的储热区的边缘，再至更下一层储热区的中间位置，如此将传热介质以最大接触面与固体储热介质进行热量的传送。优选地，该隔热层5具有承压能力，进一步提高储热单元1的结构强度。固体储热介质的材质为高密度、高比热容材质，例如为耐火砖、岩石、陶瓷、玻璃、石墨、金属、混凝土或镁炭砖等其中一种或至少两种的混合物；固体储热介质结构为阵列的扇形固体储热块6，且该固体储热块整体致密，具有较小的孔隙率，例如孔隙率小于体积的10%；优选地，固体储热块6表面设置有封闭层，进一步降低传热介质长期运行对固体储热块6的浸入吸收及破坏。优选地，所述封闭层为陶瓷釉、玻璃釉、金属层、石墨层等；该固体储热单元的外部具有保温材料，或同真空技术对其进行保温处理。

图5是本发明的固体储热块结构示意图；固体储热块6具有自支撑强度，采用熔融金属将小尺寸的固体储热介质材料或其混合物浇铸，冷凝固化成整体而成；如图5所示，该固体储热块6包括多种形状或尺寸的材质，各材质之间最优布置金属层20，经过熔融金属将多种材质的储热块粘结一起，冷凝固化后形成固体储热块6整体，使用该方法可以获得所需尺寸较大和特定形状的固体储热块，优选地，构成固体储热介质的填充材料内混合布置有导热增强材料，如金属丝、金属片、石墨、金属矿渣等，以提高材料内部的导热能力。有些情况下，储热介质材料本身就同时具备致密、稳定、导热率高、比热容大、强度高等特点，可直接使用此种材料构成储热块，例如一些金属、石墨、耐火砖（如碳砖、镁碳砖、铝镁碳

砖等）、玻璃、陶瓷等。

为了提高固体储热介质与传热介质的热交换表面积，在固体储热块6形成过程中设置翅片或沟槽。另外，固体储热块6表面设置有封闭层7，降低固体储热块6受传热介质的浸湿渗透，引起的结构破坏。该封闭层7优选为陶瓷釉、玻璃釉、金属层、石墨层等。

图6是本发明的第二种储热单元结构示意图；如图6所示，该储热单元1包括多个串联的储热区例如4-1和4-3，且各储热区之间布置隔热层；该储热区例如4-1包括多个规律布置的固体储热块，该固体储热块为圆柱管块体，外部为密封外壳，内部布置有颗粒状固体储热介质材料，形成具有固定形状及自支撑能力的固体储热块；该密封外壳为金属材料，如金属盒、金属管、金属空心球或金属壳；图6示意的该固体储热块为储热管8，该储热管8两端密封；该储热管8为直管，高度为该储热区4-1的轴向长度，多个储热管8紧密规律布置于储热区4-1内，各储热管紧密布置，之间的空隙为传热介质的通道。

图7是本发明的储热管结构示意图；如图7所示，该储热管8包括密封外壳9和密封外壳9内填充的固体储热介质材料；该固体储热介质材料密实堆积于密封外壳9内部；为进一步提高固体储热介质材料在密封外壳9内部的径向上的导热能力，优选在密封外壳9间隔布置金属翅片。储热管8中支撑管可为金属管、玻璃管或波纹管；固体储热介质材料的材质为重烧镁砂、黄砂、煤炭或石墨等，优选为煤炭，煤炭的堆积密度2400kg/m3，比热容大约2.2KJ/kgK。

图8是本实用新型第三种储热单元实施例整体结构示意图；如图8所示储热单元1具有一定的倾斜角，整体成线性，与地面成一定小角度倾斜（该小角度亦可以为零，即设置成完全水平布置），储热单元包括外壳、外壳内部布置的固体储热介质，外壳外部的保温层；该储热单元内部由多个相互连接的储热区例如4-1和4-3组成，储热区之间布置隔热设计结构，该隔热设计结构为相邻储热区之间的空隙15，在另一种情况下，隔热设计也可以为相邻储热区间布置的层状隔热材料。该固体储热介质包括由多块密实结构的固体储热块6（例如耐火材料镁碳砖）堆砌布置而成，固体储热块6的外表面为传热介质的换热界面，每块固体储热块6表面具有一定形状的凹槽，各块相互彼此紧密堆砌，构成可以流通的导流槽；各固体储热介质具有良好的致密性，具有很小的空隙率，最优小于10%；进一步优化的各固体储热介质表面具有密封层，进一步减少自身因空隙率带来的传热介质的渗透现象。该储热单元整体细长，例如600m，在轴向方向上尺寸很大，同时由于轴向上的隔热设计，轴向传热速度低，具有良好的斜温层结构布局，可以轻松获得高品位热源的存储、输入和输出；位置高端为高温传热介质储热输入端和换热输出端，位置低端为低温传热介质完成储热的输出端和进行换热输入端口。多个该种储热单元阵列布置，整体水平布置，构成水平布置的固体储热装置整体。

图9是图8储热单元内部的固体储热块结构示意图；如图9所示，单个固体储热块6表面设置有传热介质导流用的导流槽，该导热槽与之相邻紧密布置的固体储热块6背部形成横截面密闭的导流通道密实结构的固体储热块6紧贴布置而成；该导热通道较传统的金属导热管道具有明显优势，固体储热块6表面可以布置多个导热通道，可以获得小的横截面积和大的换热表面积，且减少金属导热管道的制作成本，且换热介质能直接与固体储热介质直接接触，具有高效换热效率，整体具有很好的换热系数、较大的换热表面，具有巨大的换热功率；固体储热块6优选为镁炭砖，堆积密度3000kg/m3，比热容大约1.1KJ/kgK，且具有良好的导热率，并且空隙率很低，性质稳定，是优良的固体储热材料。

上述具有导流槽的固体储热块6紧密堆砌的储热单元实施例：该储热单元轴向长200m，直径1.5m，水平布置于地面上，整体成卧式固体储热装置，外壳的外径1560mm，壁厚30mm，固体储热块6为镁炭砖，整个储热装置内部布置500个贯通的孔；相邻紧压对齐布置的导流槽形成密闭的横截面，该横截面面积51.6mm2，周长为34.2mm；该储热装置储热利用其显热，使用温度差为150℃，大约可以储热40MWh的动态热量，假定每个孔内的传热介质为导热油，且导热油中间状态为1.5MPa，295℃，输入输出温度差200℃（由395℃至195℃），单孔内部的流速0.8m/s，则输入功率大于为8MWt;经计算，管内的换热系数大约可达到555W/㎡k；管内流体与管壁温差假定平均温差为5k，则总的换热功率约为为9.7MWt，可满足要求；具有良好的储热和换热性能。

图10是本发明固体储热块的另一实施例结构示意图，如图10所示，固体储热块6表面具有斜平行槽，两个相互重叠布置的固体储热块6其表面的导流槽非平行叠合布置，导流槽与之相接触的固体储热块6非导槽部分形成截面密闭的导流槽，与之相互接触的固体储热块6导流槽相互接触，完成传热介质的再次内部紊流接触，利于传热介质的换热系数的提高，整体换热功率优良。

图11是本发明的储热单元的外壳实施例结构示意图；上文描述的储热单元外壳需承压例如2.5MPa，耐温例如400℃（内部流经的传热介质为2.5MPa，395℃），外壳都设计成统一的传统管道，例如直径820mm，厚度为15mm；且该外壳2为钢质材料，具有良好的导热系数，该外壳2接收流体的热量，因本身厚度较厚，具有较低的热阻和良好的传热性能，能将入口接收的热量，沿壳壁快速地传至外壳2的出口端，加热出口端传热介质，从而使储热单元低温区的温度上升，破坏储热装置设计的斜温层结构；因此需要降低金属外壳2的壁厚，减少通过储热外壳2传递至低温区的储热介质，如图11所示，金属外壳2采用较薄的外壳2，例如厚度为8mm，金属外壳的外壁一定间隔位置布置有外部加强法兰12，该加强法兰12截面为倒“T”型；且每个加强法兰12与金属外壳2的连接处布置具有低导热率材质的隔热层13，例如环形耐压硅酸钙板；金属外壳2壁厚的降低和隔热层结构13的布置增大了向低温区扩散热量的热阻，进一步保证的斜温层的稳定性，且降低金属外壳2的加工成本。

本发明的固体储热介质不具有流动性，储热利用固体状态储热，运行安全；固体储热介质按一定规律堆砌，部分或全部表面直接与传热介质接触换热，不需要增加管路过渡，具有巨大的换热界面面积、并接触良好，可方便高速的完成热量的输入或输出，大量增强了固体储热介质与传热介质之间的传热速度（即传热功率），使储热装置具有良好的整体换热

性能;同时，由于流道截面积大，传热介质流动阻力小，压降损失小，可降低系统运行能耗。固体储热块具有的致密材质或表面封闭层设计或封闭层外壳设计使其对热传介质吸收较

少，成本低，并且材料寿命更长。储热单元内部的储热介质导热率较高，在径向或宽度方向传热较快，可高功率吸热和放热，能尽量以最接近原温度品位的方式储存和提取热量；在轴向或长度方向上，由于尺寸大或存在隔热设计，传热速度较慢，可长期保持一定的温度梯度，有利于尽量避免高品位（温度）热源由于高低温区域的均温趋势造成品位（温度）下降，保证热量输出品质；同时导流设计引导传热介质在储热单元内部的规律流径，更有利于传热介质的良好换热效果；储热单元的一定储热区之间分别实施储热输入分级控制和换热输出分级控制，且还可以实施不同温度等级的储热输入和换热输出控制，可以大大提高储入和换出热量的更加高品位。单元组合式结构可根据需要灵活配置，方便可靠成本低。该固体储热装置总体成本低、导热好、热容大，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。

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 (17)

1.一种固体储热装置，其特征在于，所述固体储热装置由至少一个储热单元串联和/或并联组合而成；该储热单元包括外壳、外壳内部布置的固体储热介质及外部的保温层；以固

体储热介质的外表面为换热界面，与传热介质直接接触发生换热；所述储热单元内部储热介质沿长度轴向方向上设置为斜温层布局结构。

2.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元包括多个串联的储热区之间设置隔热层形成斜温层结构。

3.根据权利要求2所述的固体储热装置，其特征在于，所述隔热层为储热区之间的间隙。

4.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热介质的材质为耐火砖、岩石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土状石墨、金属、矿石、矿渣、混凝土等其中一种或

至少两种的混合物。

5.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热块为炭砖或镁炭砖。

6.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热介质结构为固体储热块，其材质致密，具有小于10%空隙率。

7.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热块表面具有作为换热界面的导流槽和/或翅片。

8.根据权利要求7所述的固体储热装置，其特征在于，所述多个固体储热块表面之间具有相互交叉的换热导流槽和/或翅片。

9.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热块采用熔融金属将固体储热介质材料或其混合物浇铸，冷凝固化成整体而成。

10.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述固体储热块包括封闭外壳及填充于封闭外壳内部的固体储热介质材料，整体具有固定形状及自支撑能力。

11.根据权利要求10所述的固体储热装置，其特征在于，所述封闭外壳为金属材料，如金属盒、金属管、金属空心球、金属壳等。

12.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元在特定储热区进行储热输入或换热输出分级控制。

13.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元实施不同温度等级的多层分级控制。

14.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元的外壳为相对薄壁金属管，且通过外部加强法兰增强耐压能力。

15.根据权利要求14所述的固体储热装置，其特征在于，所述加强法兰与外壳外壁间布置紧密接触的隔热层。

16.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元垂直布置。

17.根据权利要求1所述的固体储热装置，其特征在于，所述储热单元水平或具有一定倾斜角度地相对水平布置。

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