1、火力发电过程节能优化

研究领域：火电机组节能技术、电站空冷技术、燃煤电站灵活调峰技术、高效热泵供热技术、燃气轮机高温部件冷却、沸腾与凝结强化传热等。

①能源动力系统多尺度热输运特性研究 围绕大型电站冷端空冷热力系统，在空冷单元、空冷岛、机组热力系统不同层次上发展了跨尺度理论分析模型，引入了反应小尺度组元宏观流动传热特性参数作为多尺度输运过程在跨尺度界面上的信息传递和关联，解决了多过程耦合和演化等难题，实现空气动力学特性和系统对流换热特性的同步模拟；揭示了各种因素对空冷机组性能和能耗分布的影响机制，开发了基于流场优化组织的系列运行与设计技术，并付诸工程应用。

图1. (a)围绕能源动力系统热力系统, 发展了多尺度凝汽器输运性能的建模理论方法; (b)揭示出大型空冷系统热质输运特性分布规律; (c)开发了流场优化与设计技术.

②多能流综合能源系统跨尺度研究围绕电热等多能综合利用系统，鉴于能量转换、传输和储存过程中守恒与耗散的双重特性，从多场协同和多能输运视角提出了“过程-部件-系统”的跨尺度建模方法，通过重构耦合方程和定义类化参数，提出了异类换热单元的标准化热阻和多种热利用系统的矩阵化模型，解决了异质能流多时空耦合输运和演化等难题，实现了电、热等多能流系统兼顾部件特性和系统拓扑特征的规范化建模。开发了有限数据下的多场协同优化的数据叠层技术、配电热双网融合动态仿真技术及低碳化多能流分布式系统整体调控技术等，并付诸燃料电池、分布式供能系统等工程应用。

图2. (a)多场协同与多能流系统的跨尺度建模理论方法; (b)有限数据下多场协同的数据叠层优化技术（燃料电池）; (c)配电热双网融合的动态仿真技术与平台.

③燃气轮机高温部件的复合气膜冷却研究 针对蒸汽及蒸汽/空气冷却等现有气膜冷却研究，难以突破气膜稳定性和“绝热”能力等瓶颈，需发展新理论方法，提出燃气轮机叶片复合气膜冷却理论，即蒸汽/空气共同覆盖高温部件表面，形成稳定的复合气膜并具有超级绝热效果，可使叶片耐温极限显著提高。提出了使复合工质更贴附叶片表面的冷却结构设计，包括：双层壁结构、锯齿状槽道、槽道唇结构、扇形化姐妹孔、旋流冷却结构。获得了复合气膜冷却效率以及叶片腔室内壁努塞尔数等关键参数与液滴直径和浓度的经验公式。主流进口温度1700K条件下，传统气膜孔空气冷却叶片表面温度达1117.63K，双层壁结构气雾冷却叶片表面耐受温度提高50-100K。建立了基于实际叶型改进的静叶和动叶模型，并搭建了复合工质气膜冷却及高温辐射环境水雾喷射冷却实验台。

图3. (a)不同气膜孔形状及槽道结构等气膜冷却; (b)旋流、冲击及扰流等内部冷却; (c)复合冷却结构叶片.

2、太阳能利用中的能量传递与转换

研究领域：太阳能全光谱高效捕获与利用、新型太阳能吸热器技术、超临界二氧化碳太阳能热发电技术、高温储热技术、光伏太阳能电池热管理、太阳能光催化及光电催化等。

①太阳能热化学反应制氢特性研究 针对太阳能热化学制氢反应器，考虑到太阳辐射波动性以及表面热流密度不均匀性，提出了多级相变材料填充的套管式甲醇重整反应器结构，建立了光-热-化学反应多物理场耦合的模型。探索了反应过程中传热传质的协同机理与组分演变规律，揭示了相变材料物性以及填充结构对反应器制氢性能的影响机制。通过相变温度与反应温度场相匹配的调控方式，在太阳辐射消失期间，同时实现了延长反应时间和减缓甲醇转化率下降速率，增强了反应器动态制氢的稳定性。

图4. (a)基于太阳能槽式制氢系统, 提出了多级相变材料填充的套管式甲醇重整反应器结构, 进行了多物理场耦合研究; (b)揭示了相变材料对制氢性能的影响规律; (c)采用多段布置方式改善了太阳波动下的动态制氢特性.

②太阳能颗粒系辐射对流耦合传热研究 针对具有重要应用和发展前景的太阳能流化床粒子吸热器，探索了自适应密相气固逆流式粒子吸热器结构设计及热输运特性研究，发展动态特性实验表征方法，搭建了1000℃单管气固逆流式粒子吸热器实验平台，首次在气固交叉逆流态下实现稳定，平均固含率40 %以上的密相输运，平均换热系数1000-1200W/(m2.K)，温升300 ℃/m，国际领先。在实验研究的基础上，建立了离散相和连续相流动与局域非平衡传热模型，通过引入“团聚物粒径”代替颗粒平均粒径，计算精确度大幅度提升；揭示了气固逆流态下气固两相流型分布及其演变规律及其影响因素。

图5. (a) 提出了气固逆向密相太阳能粒子吸热器结构, 发明了一种模拟聚焦太阳能高热流密度的肋片电加热装置, 并搭建了热态实验平台; (b) 首次在交叉逆流态下实现密相高温热输运，揭示高温流态化颗粒聚并及抑制机制; (c) 建立了气固相互作用与辐射对流耦合传热的多尺度热输运模型; (d) 揭示出气固体系非线性流动特性及传热机理.

③基于分段式吸热器的塔式太阳能发电性能研究 针对塔式太阳能吸热器热效率存在较大提升空间这一特点，提出一种以水/蒸汽为传热工质的新型高性能分段式吸热器，利用腔式和外部受热式耦合结构，获得兼具高定日镜场聚光效率和高吸热器热效率的吸热器结构，进而基于传热特性以及辐射对流理论，建立分段式吸热器在复杂太阳辐照下的光-热耦合模型以得到其表面温度场分布。

图6. 分段式吸热器及其设计工况下的表面温度分布.

④太阳能光催化及光电催化特性研究 针对CO2捕集及资源化利用的理论研究与技术开发，将CO2还原合成可再生燃料是具有发展前景的研究方向。将微米级3D打印技术引入光催化反应体系基底结构成型，形成了“测试表征-特性揭示-性能调控”的研究方案，搭建了连续流光催化实验平台，开发了伴有化学反应的多尺度多组分多物理量输运过程的数学建模和求解方法，获得了光催化CO2还原性能，得出光电催化反应体系反应速率和容量也取决于反应器结构形式和操作参数的重要结论。

图7. (a)光催化连续流实验台; (b)结合床几何生成模块、FVM模块和MCRT模块建立固定填充床光催化反应器模型, 揭示催化剂宏观尺寸构型对多组分物质输运、光量子传输效率的影响; (c)建立连续流开孔泡沫填充床光催化反应器结构; (d)揭示光催化活性的影响因素, 以探寻结构优化指导原则.

3、微纳尺度传热传质

研究领域：微尺度流动传热的分子动力学模拟、微纳米导热复合材料、微纳尺度相变传热、新型能源材料设计与应用、微型反应器设计、多孔介质传热传质、多相流动与传热等。

①熔盐储热介质纳米颗粒团聚机理及热物性强化研究 针对最具应用价值的吸热介质和储热介质熔融盐传热性能不足的问题，开展了“一步法”制备纳米颗粒熔盐蓄热复合材料，建立了高低温循环特性实验平台，以界面输运性能的精细化观测为基础，揭示了界面效应和温度效应影响下的纳米颗粒团聚机理。基于界面声子输运分子动力学模拟，系统研究了温度主控下相关影响因素对纳米颗粒界面声子运动和表面能演化的作用机制，建立起复合材料宏观输运性质及蓄能特性与纳米跨尺度界面动力学行为的关联，为从微观层面实现纳米复合材料热物理性能的主动调控探索出有效途径。

图8. (a)提出纳米颗粒与熔盐复合介质结构, 调控储热介质热物理性能; (b)揭示出纳米颗粒颗粒在基体溶液的团聚机理; (c)建立纳米颗粒与熔盐分子界面声子输运分子动力学模型, 揭示出复合材料的界面微观导热机理.

②相变储热材料热物性强化及热管理研究 对高温相变储热材料的筛选原则进行了分析，总结归纳了高温熔盐及金属合金相变材料的热物性数据及各种强化传热技术；针对泡沫金属强化相变储热材料，开展了基于孔尺度的相变换热特性数值模拟研究，分析了复合材料的导热系数变化规律及泡沫金属结构参数、孔隙率等对相变材料融化过程的影响特性；分别采用示差扫描量热仪和激光脉冲法测量了铝基合金相变材料的热物性参数，并进一步分析比较了各种样品的储热能力；对采用低熔点合金的梯级相变储热材料热沉进行了理论与实验研究，通过梯级相变储热材料热沉的优化，显著提升了相变材料热沉的散热能力。

图9. (a)复合材料的导热系数变化规律及泡沫金属结构参数、孔隙率等对相变材料融化过程的影响规律；(b)铝基合金相变储热材料的储热能力提升；(c)通过优化，显著提升了梯级相变储热材料热沉的散热能力.

③基于声子波动效应的人工带隙材料热输运性能调控 人工带隙材料因其带隙特征，成为研究声子波动效应的理想平台，为热电材料的热学性能调控提供了全新思路。热输运过程不仅可通过传统的声子粒子性行为进行控制，还可借助声子的波动效应实现调节，但目前科学界对声子波动效应影响热输运的规律及物理机制仍缺乏深入认识。本研究以碳/硅基人工带隙材料（包括超晶格、声子晶体和热超构）为对象，结合晶格动力学精确获取声子信息的优势和分子动力学灵活模拟不同条件下热物性的优势，探究人工带隙材料中的声子布拉格散射、局域共振和安德森局域化，揭示了声子波动效应对热量输运影响的物理本质；并将声子波动效应进一步应用于导热性能设计，明晰了环境条件及材料结构参数变化引发的热物理现象和基本规律，从声子波动性角度构建人工带隙材料热输运性能的调控机制，为热电材料的设计和优化奠定科学基础。

图10 (a)声子波动效应与粒子效应; (b)硅烯热超构结构，插图标记了周期方向与非周期方向; (c)周期方向和(d)非周期方向下，不同侧带尺寸的硅烯热超构热导率; (e)35~40 THz和(f)40~45 THz频率范围内石墨烯纳米网的声子色散关系, 红色阴影区域表征声子带隙; (g)石墨烯及其纳米网的声子群速度；(h)石墨烯纳米网不同区域的声子模式参与率.

④离子型热电塞贝克效应的研究与应用 近年来，离子热电材料展现出巨塞贝克效应，其塞贝克系数是半导体材料的近百倍，为开发高性能热电系统开辟了全新途径。然而，依然存在一些难以克服的瓶颈：内部液体容易蒸发或泄漏，导致其稳定性欠佳；可选择的N型材料非常有限，调控离子的热输运过程异常，当前尚缺乏有效的P-N型转换机制，极大地限制了离子热电的实际应用。基于材料结构优化、设计和调控离子-离子、离子-电极界面等相互作用，首次提出了掺杂高电负性分子和改变离子-电极界面相互作用的方法，成功实现了选择性调控阴、阳离子输运特性，首次研制了具有可调和可逆塞贝克系数特性的新型固态离子热电材料；通过研究离子热输运性质和熵值变化，揭示了全固态离子热电材料P-N型转换的物理机制。并基于离子热电效应开发出自供电智能探测器，对可见光、热、辐射等外界刺激展现出优异的响应特性、可重复性和高灵敏度。相关研究成果已发表于Nature Communications、Science Advance等国内外学术期刊。

图11. (a)全固态离子热电材料P-N型调控机制与实验结果; (b)基于离子热电效应的智能光感知探测器; (c)离子热电发电机和在不同温差下产生的电压结果; (d)智能无接触式光、热感知探测传感器和实验测试结果.

4、传热与先进储能技术

研究领域：锂离子电池热管理、钠离子电池技术、储能材料与储能技术、卡诺电池热泵储能、氢能与燃料电池技术、人工智能与传热传质等。

①先进二次电池关键材料与器件 围绕商业化锂离子电池正负极材料精细制备、新体系开发和中试放大制备技术开展研究工作。重点开发低成本、长寿命、高库伦效率硅碳复合负极材料以及高性能富锂（高镍）正极材料及相关锂离子电池储能系统与关键技术；新型水系电池技术及应用示范，包括研究新型二次电池电极/电解液界面、离子存储机理、正负极低成本合成和应用技术；开发高性能新型电池电解液体系；高安全固态锂电池技术，重点研究固态电解质、高稳定性负极以及高容量正极；通过建模与仿真开发设计高效的热管理技术方法，解决电池工作过程中的热管理问题。

图12. 高性能锂离子电池硅基负极材料设计及热管理.

②布雷顿循环卡诺电池热泵储能特性研究 针对具有重要应用发展前景的布雷顿循环卡诺电池系统，分析了各系统参数对储能系统性能指标的影响，并引入NSGA-Ⅱ多目标优化遗传算法得到卡诺电池储能系统的最佳运行工况和最优运行参数，往返效率提升至65.6%，储能密度提升至51.2kWh/m3，功率密度基本为2.45MW/(m3/s)不变，从而降低了储存介质、绝热材料、储罐和占地面积的相应成本；为应对可再生能源的波动性和间歇性，建立了卡诺电池储能系统的动态仿真模型，揭示了源荷两端波动下储能系统的动态响应特性并以此确定了控制策略。

图13. (a)各系统参数对储能系统性能指标的影响; (b)遗传算法优化结果; (c)闭环控制策略.

③质子交换膜电解池多物理场热质输运规律研究 针对质子交换膜燃料电池，从新型电极材料调控、燃料电池内部气、热、水传输特性方面开了系列研究工作。利用高浓度前驱体溶液，采用静电纺丝方法制备新型Pt-IrO2纳米纤维催化剂。表征了催化剂的微观形貌、组成和结构，并从过电位、电荷转移电阻、交换电流密度等方面评价了催化剂的催化性能。建立了质子交换膜燃料电池动态特性实验平台，以及多物理场电池性能预测模型；研究了电极结构参数及运行参数对电池内两相流动、组分运输、质子/电子传递、膜内水的反扩散及能量转换的影响。在对其静态和动态建模方法深入研究的基础上，发展能源综合高效利用的优化理论和方法，研究分布式冷热电联产系统的综合协调控制策略。

图14. (a) 基于静电纺丝方法制备了Pt-IrO2双功能催化剂, 表现出良好OER性能, 同时可以有效消除氢渗透; (b)建立了多尺度热输运模型, 揭示了操作参数对电池性能的影响规律; (c)搭建了PEM电解水热态实验平台, 获得了电池水、热、气的动态构效关系.

图15. PIV流场测试实验台.

图16. 斜温层相变蓄热实验台.

图17. 多相流微通道传热测试实验台.  

图18. 高速摄影空化实验台.

图19. 太阳能能量传递与转化测试平台.

图20. 电池制备及测试系列实验台.

图21. 实验室的部分测量仪器及基础实验设备.

研究所高度关注学生的综合能力培养，聚焦学生核心素养培育，构建更高水平的人才培养体系。多年来，培养硕博生百余名，共有2人获华北电力大学校长奖学金、10人次获国家奖学金、12人次获北京市优秀毕业生、多人次获企业奖助学金；15人次在全国大学生节能减排大赛等全国或省部级科技竞赛中获奖。

已毕业研究生均在高校、研究所、大型央企/国企/民企从事研究或管理工作，包括华北电力大学、北京工业大学、北京化工大学、东莞理工学院、南京工程学院、天津商业大学、国家发改委能源研究所、中科院热物理所、中科院理化所、中科院电工所、国家电投集团氢能科技发展有限公司、华北电力设计院、电力规划设计总院、国网省级电力公司、中国电力科学研究院、北京科东电力控制系统有限责任公司、中国华能集团清洁能源技术研究院、华能长江环保科技有限公司、华能新能源股份有限公司、中国三峡集团、中国电建集团海外投资有限公司、中国水利水电科学研究院、中国核电工程有限公司、航天科工二院、航天科工五院、航天科工九院、中国电子科技集团公司、比亚迪、亿华通、福建巨电新能源股份有限公司等。