能源是人类社会生存发展的物质基础，随着人类对化石能源的大量开采和消耗，能源生产和消费与环境污染之间的矛盾不断增加。如何提高能源的利用率，同时减小对环境的污染，已成为当前能源领域研究的重点和热点。而能量转换是能源利用的核心，热力循环是能量转换的主要方式，也是能源系统发电的主要实现途径。本课题组主要从热力学理论和实际热机分析两个层面开展研究：
1. 热力学理论研究
（1）不可逆热力学理论分析
1824年，Carnot提出了一个理想热机模型，即卡诺循环，其热效率为工作在相同温限下所有热机的效率最高限。而研究实际热机的任何过程都必须考虑时间和系统的不可逆性。通过考虑热源与工质之间的传热时间，热源与工质之间的传热规律，本课题组对不可逆热力系统进行了理论分析，已经研究了基于传热规律的内可逆卡诺循环模型和低耗散模型、基于唯象规律的线性不可逆模型和最小非线性模型。基于实际热机工质的吸热和放热过程是非等温的（不可逆过程），建立了一般化非等温热机模型，研究热力循环在不同优化标准下的性能。
（2）基于不同优化标准的循环分析
对于实际热机，由于工作条件和用途各异，优化准则会相差很大。火电厂以热效率为主要考虑因素，军事舰艇视推动力（发动机输出功率）为主要考虑因素，而民用船只的燃料和动力都很重要，故其热效率和输出功率都要兼顾。此外，在其他不同的场合下，有时需要考虑到热机的空间尺寸、经济性以及对环境的影响等因素。目前对于热机的优化准则主要有：效率，功率，生态学指标和准则。本课题组研究一般化热力循环在不同优化标准下的性能和效率限，可以为实际热机的分析和优化奠定基础。
（3）基于有限时间热力学的循环分析
内可逆卡诺循环的不可逆性源于工质和热源的传热温差，传热规律对循环性能有很大影响。但内可逆卡诺循环没有考虑绝热膨胀和压缩过程的不可逆性，对于实际热机，其过程的不可逆性不能忽略。基于有限时间热力学，考虑循环的吸热放热时间，工质在吸、放热过程中温度不再保持恒定，本项目组在前人基础上研究了基于牛顿传热规律，具有非等温和非等熵过程热机在最大功率下的效率限。
（4）基于非平衡态热力学的循环分析
在非平衡态热力学中，热力学力和流之间存在一定的关系，但其唯象系数很难确定。热力循环中的吸热量、放热量和功率可以用流和力来描述，基于此，可以构建基于唯象规律的热力循环模型。基于唯象规律的热机模型有：线性不可逆模型和最小非线性模型。与线性不可逆模型相比，最小非线性模型考虑了热机工作过程时，热量向热源和冷源的耗散，更贴近实际工况。
2. 实际热机研究
（1）基于遗传算法的单目标优化
实际热力系统涉及到具体的结构部件和循环工质，尤其是工质的物性受温度和压力的影响较大，具有非线性，因此基于求解析解的方法不再适用。借鉴遗传算法（基于生物优胜劣汰遗传进化规律演化而来的随机搜索方法），可为非线性系统寻找最优值提供良好的解决方案。本项目组基于遗传算法，分别以最大输出功率、最大热效率、最大㶲效率、最小比投资成本、最年度化投资成本等优化目标，研究实际的有机朗肯循环（ORC）、电话学循环（TREC），卡琳娜（kalina）循环等系统的在不同优化准则下的循环性能。
（2）基于NSGA-II的多目标优化
在系统优化过程中，不同的优化目标往往会相互制约，相互矛盾，如较高的输出功率会导致较低的效率和较高的投资成本，反之亦然。为解决这一问题，可以根据实际情况对不同的优化目标赋予不同的权重，组合成新的优化标准来优化系统的综合性能。基于非劣解排序的多目标遗传算法（NSGA-II），可以得到多个优化目标在不同权重下的最优解集，即帕雷托前沿（Pareto Frontier），由TOPSIS算法来计算最优工况点。基于上述方法，可对实际系统（如ORC系统，TREC系统，kalina系统等）进行多目标协同分析和优化，研究系统在多个优化准则下的循环性能，为实际系统的优化运行提供指导方向。
图1. 太阳能光伏(PV)驱动的电化学制冷机(TRER)
图2. 太阳能驱动固态热机系统示意图
图3. 由固体氧化物电解（SOE）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）组成的固态热机
