四、可再生能源學(xué)院

四、可再生能源學(xué)院流型協(xié)同理論及實(shí)現(xiàn)方法中低溫位能及新能源(太陽(yáng)能，地?zé)崮艿?利用系統(tǒng)中包括關(guān)鍵的能量捕獲、傳遞及熱功轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能量利用成本高，可靠性低，需要對(duì)傳統(tǒng)利用模式及實(shí)現(xiàn)方法重新審視。針對(duì)大量使用的傳熱管中單相流動(dòng)“近壁區(qū)流速小，中心區(qū)流速大”及多相傳遞中“液在管壁，氣在中心”的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，提出流型協(xié)同理論，主要思想是創(chuàng)造出與傳統(tǒng)管內(nèi)流動(dòng)完全相反的相分布，即“氣在管壁，液在中心”，實(shí)現(xiàn)管壁微米級(jí)薄液膜，使能量捕獲或傳遞的效率成倍提升，與新能源苛刻的性能需求相適應(yīng)。流型協(xié)同可通過(guò)在管內(nèi)懸空插入柱狀絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了跨越絲網(wǎng)微米級(jí)微孔，毫米，到米級(jí)的跨尺度能量傳輸模型，進(jìn)行了系統(tǒng)的冷熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，揭示了流型協(xié)同機(jī)理，為流型協(xié)同理論及關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。國(guó)際學(xué)術(shù)權(quán)威認(rèn)定為原創(chuàng)成果，多次受邀在國(guó)際會(huì)議上做特邀報(bào)告。前期關(guān)于微納流動(dòng)與傳熱論文SCI他引1000余次，獲得2012年度教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理理論研究以長(zhǎng)江流域防洪系統(tǒng)為背景，基于可持續(xù)發(fā)展理論，結(jié)合我國(guó)防洪實(shí)踐，把防洪系統(tǒng)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)中的重要組成部分，提出防洪減災(zāi)新的科學(xué)方法，創(chuàng)建洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理理論體系，奠定防洪減災(zāi)保障體系新的理論基礎(chǔ)，具體而言，即在剖析和描述各類(lèi)主要洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子和作用機(jī)理基礎(chǔ)上，以洪澇災(zāi)害損失的量化為重點(diǎn)，建立災(zāi)害損失模型和普適的洪澇災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；研制基于遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS和災(zāi)害損失模型的快速評(píng)估集成系統(tǒng)；補(bǔ)充和完善快速評(píng)估理論；借鑒國(guó)內(nèi)外防洪減災(zāi)成功的理論與實(shí)踐，建立洪泛區(qū)和分蓄洪區(qū)洪澇災(zāi)害場(chǎng)景模擬模型和風(fēng)險(xiǎn)分析方法，建立用于指導(dǎo)洪泛區(qū)和分蓄洪區(qū)和分蓄洪區(qū)風(fēng)險(xiǎn)管理體系；針對(duì)區(qū)域（流域）防洪減災(zāi)體系，探討綜合風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)、演變及轉(zhuǎn)化機(jī)理，建立綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和方法，發(fā)展防洪減災(zāi)體系風(fēng)險(xiǎn)決策模型與技術(shù)。以期形成具有多學(xué)科交叉特色的新的風(fēng)險(xiǎn)管理理論體系。生物質(zhì)熱解氣化多相流動(dòng)反應(yīng)機(jī)制和應(yīng)用基礎(chǔ)針對(duì)生物質(zhì)熱解氣化關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和工程驗(yàn)證，構(gòu)筑了與多元化原料的傳遞過(guò)程、反應(yīng)環(huán)境和裝置型式，為生物質(zhì)能源清潔利用提供了理論支撐。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：揭示了錐形床含寬粒徑分布生物質(zhì)雙組分體系的流態(tài)化特性；建立了揮發(fā)分析出和氣化反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)模型；提出了流化床內(nèi)多相流動(dòng)和傳熱放大方法。在BiomassTechnology、Fuel和ChemicalEngineeringScience等生物質(zhì)、能源和化工領(lǐng)域國(guó)際知名刊物發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，參與撰寫(xiě)專(zhuān)著《ComputationalFluidDynamicsModelinginDevelopmentofRenewableEnergyApplications》，理論研究得到國(guó)內(nèi)外同行高度評(píng)價(jià)，獲得專(zhuān)利10余項(xiàng)，獲2012年教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。生物質(zhì)電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)生物質(zhì)直燃發(fā)電行業(yè)近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速，以引進(jìn)、吸收國(guó)外技術(shù)為主。由于生物質(zhì)在水分、堿金屬和氯含量等方面存在巨大差異，引進(jìn)設(shè)備的適應(yīng)性受到挑戰(zhàn)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，本項(xiàng)目從燃料特性與干燥預(yù)處理、爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、受熱面防磨防腐防結(jié)焦和灰渣殘余能量回收四個(gè)方面進(jìn)行了研究。獲得授權(quán)專(zhuān)利和軟件著作權(quán)22項(xiàng)，承擔(dān)國(guó)家能源領(lǐng)域生物質(zhì)相關(guān)三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。項(xiàng)目成果通過(guò)了教育部成果鑒定，鑒定意見(jiàn)認(rèn)為本項(xiàng)目對(duì)我國(guó)生物質(zhì)直燃發(fā)電進(jìn)行了全面系統(tǒng)深入的研究，克服和彌補(bǔ)了在燃燒效率、關(guān)鍵部件壽命、結(jié)渣和腐蝕等方面的不足，總體處于國(guó)際先進(jìn)水平。項(xiàng)目成果已在全國(guó)30余家生物質(zhì)電站成功應(yīng)用。我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量2015年預(yù)計(jì)達(dá)到13000MW，該成果的推廣可形節(jié)約標(biāo)煤90萬(wàn)噸/年的能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。新型微納結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)大力發(fā)展可再生能源與清潔能源是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有利措施。太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，開(kāi)發(fā)低成本、高效率的太陽(yáng)能電池可促進(jìn)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。迄今為止，降低成本與提高效率一直是光伏領(lǐng)域急需突破的技術(shù)難題。本研究從納米材料與結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)與研制新型高效的微納結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，開(kāi)發(fā)電池的柔性功能。利用納米材料與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并研制了染料敏化太陽(yáng)能電池與硅微納結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，為太陽(yáng)能電池的增效手段與新型太陽(yáng)能電池的低成本制作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)的超薄硅片與柔性硅微納結(jié)構(gòu)薄膜的制作技術(shù)，可應(yīng)用于設(shè)計(jì)柔性太陽(yáng)能電池，將進(jìn)一步拓寬太陽(yáng)能電池的應(yīng)用領(lǐng)域。本項(xiàng)目發(fā)表SCI論文20余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利30余項(xiàng)，獲得授權(quán)11項(xiàng)。所報(bào)道的研究成果受到國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注。高效、寬光譜染料敏化太陽(yáng)電池染料敏化太陽(yáng)電池作為一種新型的太陽(yáng)電池已成為光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。其最大光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到了15%，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10，壽命卻能達(dá)到20年以上。本課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、南方電網(wǎng)重點(diǎn)項(xiàng)目等課題的支持下面向染料敏化太陽(yáng)電池的發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，分別從陽(yáng)極薄膜結(jié)構(gòu)、電池光吸收技術(shù)、電池封裝技術(shù)等方面出發(fā)，研發(fā)出了具有高光電轉(zhuǎn)換效率和廣譜吸收系性能的染料敏化太陽(yáng)電池。獲得了具有三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)、旋節(jié)分相、一維納米等納微結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極薄膜，有效地提高了光生電子的傳導(dǎo)、電解質(zhì)的滲透和光散射；開(kāi)發(fā)了基于全光譜吸收的上轉(zhuǎn)換、雙金屬耦合等離激元技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池從可見(jiàn)光－近紅外的寬光譜吸收，電池最大光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)7％；開(kāi)發(fā)出可多次填充電解液的可充式太陽(yáng)電池封裝技術(shù)提高了大面積太陽(yáng)電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。高效聚合物太陽(yáng)電池材料與器件的研究聚合物太陽(yáng)電池具有成本低、重量輕、可采用溶液加工技術(shù)大面積柔性制備等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。另外有機(jī)材料種類(lèi)繁多、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，有希望通過(guò)材料的設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)提高太陽(yáng)電池的性能。一旦在能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性方面取得進(jìn)一步突破,將極大地改變目前的能源結(jié)構(gòu),引發(fā)一場(chǎng)新的能源革命,其市場(chǎng)前景將十分巨大。目前聚合物太陽(yáng)能電池中最成功的器件結(jié)構(gòu)是如圖1所示的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。它由共軛聚合物電子給體和PCBM（C60的可溶性衍生物）電子受體的共混膜（光電活性層）夾在高功涵透明陽(yáng)極（ITO）和低功涵陰極（Ca、Mg、Al等）之間所組成。近年來(lái)，我們?cè)诠曹椌酆衔锝o體材料、富勒烯衍生物受體材料和太陽(yáng)電池電極界面材料方面開(kāi)展了大量的研究工作并取得了一系列有意義的研究結(jié)果，發(fā)表SCI論文60余篇，被引用2000余次。風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換機(jī)理與發(fā)電過(guò)程特性研究本課題得到國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助。主要研究?jī)?nèi)容包括：風(fēng)電機(jī)組多尺度建模、特性分析與系統(tǒng)優(yōu)化，風(fēng)電機(jī)組流固耦合機(jī)理與特性分析，風(fēng)力發(fā)電過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化及安全控制算法。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1）開(kāi)展了風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪、傳動(dòng)系、塔架、發(fā)電機(jī)、變流器等部件和整機(jī)的多尺度建模研究，揭示了風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和特性。（2）針對(duì)風(fēng)電機(jī)組非線性控制系統(tǒng)，提出了風(fēng)電機(jī)組凸優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)了減緩風(fēng)電機(jī)組波動(dòng)性載荷和全局功率優(yōu)化。（3）研究了風(fēng)電機(jī)組葉片的流固耦合效應(yīng)和風(fēng)力發(fā)電過(guò)程的波動(dòng)性特征，獲取了柔性超長(zhǎng)大阻尼葉片的功率輸出特性。風(fēng)電機(jī)組流固耦合機(jī)理與特性研究風(fēng)電機(jī)組是由風(fēng)輪、塔架和機(jī)艙等部件組成的多自由度柔性系統(tǒng)，該柔性系統(tǒng)各部件與隨機(jī)波動(dòng)的自然風(fēng)相互作用，形成了風(fēng)電機(jī)組與湍流風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜的流固耦合系統(tǒng)。深入研究風(fēng)電機(jī)組與湍流風(fēng)場(chǎng)流固耦合機(jī)理和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是安全高效利用風(fēng)能發(fā)電的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在湍流風(fēng)、風(fēng)切變、陣風(fēng)和偏航等非定常氣動(dòng)條件下，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)