本发明涉及一种固体储热装置， 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、 陶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。 固体储热方案有混凝土、 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。

本发明实施例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 。

进一步地， 所述储热单元垂直、 水平或具有一定倾斜角度地相对水平布置。

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， 所述储热单元包括多个串联的储热区之间设置 的隔热层， 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耐火砖、 岩石、 陶瓷、 玻璃、 石墨、 煤炭、 土状石墨、 金属、 矿石、 矿渣和混凝土中的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。

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，所述固体储热块表面具有作为换热 界面的导流槽和 /或翅片， 以获得较大的热 交换面积。

进一步地，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，彼此之 间存在一定的角度， 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， 所述固体储热介质结构为固体储热块， 其材质致密， 具有小于 10%空隙率， 对传热介质吸收少。

进一步地， 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。

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， 以获得最大热量 的输入和最高品位的热量输出。

进一步地， 所述储热单元实施不同温度等级的多层分级控 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， 所述储热单元的外壳为相对薄壁金属管 （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）， 且通过外部加强法兰增强耐压能力， 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， 所述加强法兰与外壳外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。

本发明实施例的固体储热装置可应用于太阳能 光热利用系统。

本发明实施例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 2是储热单元的分层控制单元；

图 3是储热单元的不同温度等级的传热控制和换� �控制单元；

图 4是第一种储热单元结构示意图；

图 5是固体储热块结构示意图；

图 6是第二种储热单元结构示意图；

图 7是储热管结构示意图；

图 8是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是固体储热块的另一实施例结构示意图；

图 11是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� �。 如图 1所示， 该固体储热装置由多 个储热单元， 例如储热单元 101和储热单元 103的阵列组成； 阵列的每个储热单元垂直立于 地面布置； 每个储热单元包括外壳 12、 外壳 12内部布置的固体储热介质 13及外壳 12外部 布置的保温层 10。

该固体储热介质 13外表面为传热介质的换热界面， 固体储热介质 13为致密材料， 空隙 率小于 10%: 最优地， 固体储热介质 13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 12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 101和 103内部的固体储热介质 13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； 当热源 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 101， 从储热单元中吸收热量后沿流经方向 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； 每个储热单元都严格按照特定的方向流经换热 介质， 对固体 储热装置存热时高温换热介质沿 B方向进行存热， 罐体中储热介质在换热介质的上游的高端 位置为高温度， 下游的低端位置为低温度； 再者， 对结构取热时低温的换热介质沿 B方向的 反方向进行取热 （即沿 D的方向取热）， 如此在取热的过程中保持与存热过程中相一致 的温 度分布布置， 呈现高端位置高温， 低端位置低温， 且中间位置的温度呈现沿高低温度逐步变 化的温度梯度分布 （当固体储热装置不是严格垂直布置时， 也同样获得高温高温入口端为高 温，低温出口端为低温的温度梯度分布）； 如此可以实现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。 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。

储热单元可以采用分层控制。 图 2是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 201， 202和 203组成的分层传热控制单元： 换热输出循环系统包括储热区 207， 208和 209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阔， 例如储 热区 201对应的控制阔为 A， 储热区 209对应的控制阔为 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 209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 209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 209部分时， 基本没有放热降温， 保持原有高温流到储热区 208 部分， 对储热区 208部分换热后降温， 继续下行。 以此类推， 自储热区 209开始， 随着换热 进程继续， 自高温段 209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 W C对应的储热区 203到达饱和临界传入工作状态时 （即当储热区 203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， 闭合控制阔 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 202到达饱和临界传入工作状态时 （即当储热区 202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， 而控制陶 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 201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 201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 201部分时， 基本没有吸热 升温， 保持原有温度流到储热区 202部分， 吸收储热区 202部分换热后升温， 继续上行。 以 此类推， 自储热区 201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陶 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；当控制阔 G对应的储热区 207 到达临界换出工作状态时 （即储热区 207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 208到达临界换出工作状态时 （即储热区 208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， 开启控制睛 I， 控制阔 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是储热单元的不同温度等级的传热控制和换� �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阔， 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。

在储热输入运行模式下， 高温度等级 I 的传热介质 （例如温度 550°C )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， 例如从控制阔 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 35CTC )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 ， 例如从控制阔 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。

在换热输出运行模式下， 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°C， 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 Π的稍高温储热区位置的换热管路出口流出， 例如从 控制阔 e流出 （温度大约 200°C， 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 41或 43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 45， 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 46和一定数量 固体储热块 46间隔布置隔热层 45 ; 固体储热块 46规律布置， 如图所示环形阵列布置， 各固 体储热块 46之间的间隙为传热介质的流通通道， 而隔热层 45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 45 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 46之间间隙， 在隔热层 45的引导下， 有规律地完成热量的传输， 例如隔热层 45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 45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 46， 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 46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 46的浸入吸收及破坏。优选地，所述封闭层为� ��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是固体储热块结构示意图。 如图 5所示， 固体储热块 56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： 该固体储热块 56包括多种形状或尺寸的材质， 各材质之间最优布置金属层 520， 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 56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 56形成过程中设置 翅片或沟槽。 另外， 固体储热块 56表面设置有封闭层 57， 降低固体储热块 56受传热介质的 浸湿渗透， 引起的结构破坏。 该封闭层 57优选为陶瓷釉、 玻璃釉、 金属层、 石墨层等。 图 6是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 例如储热区 61和储热区 63， 且各储热区之间布置隔热层； 例如该储热区 61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 68， 该储热管 68 两端密封； 该储热管 68为直管， 高度与该储热区 61的轴向长度相一致， 多个储热管 68紧密 规律布置于储热区 61内， 各储热管紧密布置， 之间的空隙为传热介质的通道。

图 7是储热管结构示意图； 如图 7所示， 该储热管 78包括密封外壳 79和密封外壳 79 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 79内部； 为进一步提 高固体储热介质材料在密封外壳 79内部的径向上的导热能力， 优选在密封外壳 79间隔布置 金属翅片。储热管 78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

图 8是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储热区 81和储热区 83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 85， 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 86 (例如耐火材 料镁碳砖）堆砌布置而成， 固体储热块 86的外表面为传热介质的换热界面， 每块固体储热块 86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 96 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 96背部形成 横截面密闭的导流通道密实结构的固体储热块 96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 96表面可以布置多个导热通道，可以获得小的� ��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 96优选为镁炭砖， 堆积密度 3000kg/m3， 比热容大约 UKJ/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 96紧密堆砌的储热单元实施例：该储热单元轴� ��长 200m， 直径 1.5m，水平布置于地面上，整体成卧式固体储� �装置，外壳的外径 1560mm，壁厚 30mm， 固体储热块 96为炭砖或镁炭砖，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°C， 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， 29 °C ,输入输出温度差 200°C (由 395°C至 195°C )， 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/ m ² 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 106表面具有 斜平行槽， 两个相互重叠布置的固体储热块 106其表面的导流槽交错叠合布置， 导流槽与之 相接触的固体储热块 106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 106 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°C (内部流经的传热介质为 2.5MPa， 395°C )， 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 114为钢质材料， 具有良好的导热系数， 该外壳 114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 114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 114的壁厚， 减少通过储热外壳 114传递至低温区的储热介质， 如图 11所示， 金属外壳 114采用较薄的外 壳 114， 例如厚度为 8ηπη， 金属外壳的外壁一定间隔位置布置有外部加强 法兰 112， 该加强 法兰 112截面为倒 "Τ"型； 且每个加强法兰 112与金属外壳 114的连接处布置具有低导热率 材质的隔热层 113，例如环形耐压硅酸钙板；金属外壳 114壁厚的降低和隔热层 113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 114的加工 成本。

本发明实施例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。