一(yī)、科研平台（機構）名稱：山東省高效節能(néng)及儲能(néng)技術與裝備工程實驗室
二、科研平台（機構）負責人(rén)：
主任：高明教授；副主任：韓奎華教授，白書戰教授
三、科研平台（機構）概況：
山東省高效節能(néng)及儲能(néng)技術與裝備工程實驗室（以下(xià)簡稱“實驗室”），依托于山東大學能(néng)源與動力工程學院，成立于2020年6月(yuè)(yuè)。實驗室成員共30名，其中教授10人(rén)，副教授及高級實驗師12人(rén)，青年教師6人(rén)，實驗人(rén)員2人(rén)。實驗室團隊在科學研究、人(rén)才培養、産學研合作(zuò)、國際交流等方面開展了(le)一(yī)系列工作(zuò)，近三年培養/引進省級人(rén)才4人(rén)，山東大學齊魯學者3人(rén)。
實驗室團隊注重産學研合作(zuò)，在科學研究方面取得創新(xīn)性成果如(rú)下(xià)：
（1）冷卻塔節能(néng)降碳關鍵技術及智能(néng)運維測控平台
針對冷端系統的關鍵設備——冷卻塔開展了(le)節能(néng)增效關鍵技術研究，研發了(le)大型濕式冷卻塔填料區、配水區和雨區三區協同增效的示範技術，開發了(le)基于測點精準定位及數字孿生(shēng)技術的冷卻塔智能(néng)運維測控平台，可實現冷端系統的智能(néng)運維，該技術已成果應用于省内外10餘家電力企業，累計節煤可達1.0-2.5g/kWh。針對濕式冷卻塔的原創性技術先後獲得山東省科技進步二等獎1項，山東省高等學校(xiào)科學技術一(yī)等獎1項，山東省自然科學學術創新(xīn)獎1項，山東省研究生(shēng)優秀實踐成果一(yī)等/二等獎4項，授權發明專利22項，發表SCI/EI高水平期刊論文100餘篇。
圖1 冷卻塔熱态模型試驗台架
圖2 基于測點精準定位及數字孿生(shēng)的冷卻塔智能(néng)運維測控平台
（2）火(huǒ)電廠及其他工業餘熱餘能(néng)梯級利用技術
本團隊針對各類工業餘熱的梯級回收系統開展了(le)相關的節能(néng)技術及配套設備研發。主要成果如(rú)下(xià)：（1）提出了(le)煙氣餘熱利用極限的判據——工程酸露點，把設備傳熱流動性能(néng)與防積灰腐蝕有機結合起來，同時保證設備可靠性及傳熱經濟型；（2）研發了(le)煙氣餘熱能(néng)級轉移及提高系統，将排煙餘熱從100℃等級，提高到300℃等級，相比傳統餘熱利用系統，餘熱回收效率提高一(yī)倍以上(shàng)；（3）研發了(le)多元異質餘熱梯級能(néng)量回收技術及系統，該技術将工業過程中的固體、氣體以及液體等多元異質餘熱有機耦合現場生(shēng)産工藝，最大限度地提高能(néng)源利用效率。本團度成功地完成了(le)國家發改委電力行業低(dī)碳技術創新(xīn)及産業化(huà)示範工程。團隊共發表SCI/EI論文50餘篇，授權發明專利10餘項，獲國家級、省部級及企業資助項目近10項。截止目前，該技術及配套裝備已成功應用于30餘家相關企業，帶來了(le)巨大的經濟效益和社會價值。
(a) 高效低(dī)阻換熱元件 (b) 耐低(dī)溫腐蝕傳熱元件（運行一(yī)年後）
圖3 自主研發的餘熱回收元件
（3）綠色蒸發冷卻及空冷設備換熱強化(huà)關鍵技術
團隊開發了(le)基于蒸發冷卻原理(lǐ)的強化(huà)換熱技術及裝備，并開展了(le)利用太陽能(néng)強化(huà)空冷塔傳熱傳質性能(néng)的研究。該原創性技術先後獲得山東省自然科學基金(jīn)青年項目、中國博士後科學基金(jīn)、山東省博士後創新(xīn)項目、“山東大學青年學者未來計劃”項目和和企事(shì)業單位委托項目等資助，負責人(rén)入選2016年度濟南(nán)市(shì)傑出青年技術創新(xīn)能(néng)手榮譽稱号，已發表高水平學術論文20餘篇，授權發明專利8項。
圖4 蒸發冷卻強化(huà)空冷設備換熱技術
（4）生(shēng)物質成型燃料提質與清潔燃燒關鍵技術
本團隊針對提高燃料質量、實現清潔燃燒，降低(dī)爐内積灰腐蝕，實現節能(néng)減排，自主研發形成的生(shēng)物質燃料技術先後獲得國家自然科學基金(jīn)項目、山東省重點研發計劃項目、濟南(nán)市(shì)高校(xiào)自主創新(xīn)基金(jīn)項目和企事(shì)業單位委托項目等資助，在Energy、Fuel等國際權威期刊發表高水平學術論文20餘篇，授權發明專利5項。先後與濟南(nán)、濰坊、新(xīn)泰、菏澤等完成試驗和示範應用，實現稭稈成型燃料清潔高效利用，取得良好(hǎo)(hǎo)經濟效益。
圖5 添加劑對稭稈、樹皮混合燃料的灰熔融性及污染物排放(fàng)的影響
（5）超級電容電極用生(shēng)物質基高性能(néng)多孔炭技術
本團隊針對區域特色植物材料制備多孔炭的理(lǐ)論和工藝研究，自主研發技術提出了(le)特色植物組織制備高性能(néng)層次多孔炭的工藝技術路(lù)線，形成了(le)包括超聲輔助預處理(lǐ)、有效成分(fēn)提取、炭化(huà)、超聲輔助活化(huà)浸漬、酸洗、去除雜質、氮摻雜與孔結構協同調控工藝。該原創性成果先後獲得山東省自然科學基金(jīn)項目、禹城市(shì)大禹英才創新(xīn)創業項目、山東大學交叉學科培育項目和企事(shì)業單位委托項目等資助，在Nanoscale、Carbon等權威期刊發表高水平學術論文20餘篇，申請/授權發明專利15項，其中已獲得授權發明專利5項。
圖6 特色生(shēng)物材料衍生(shēng)多孔炭制備的扣式超級電容器(qì)電流密度與比電容的關系
（6）多樣性儲能(néng)系統與技術裝備
針對部分(fēn)地區“棄風”、“棄光”現象，解決新(xīn)能(néng)源消納問題，利用波谷電價及太陽能(néng)資源，開展儲能(néng)（儲熱）技術及裝備的研發，集合相變儲熱、熔鹽儲熱、電極鍋爐、空氣能(néng)、太陽能(néng)光伏發電等資源，開發新(xīn)型儲能(néng)（儲熱）系統及裝備，并重點研究了(le)碳捕集系統（圖7所示）、熔岩儲熱、壓縮空氣儲能(néng)等系統與燃煤機組熱力系統之間的耦合匹配，實現了(le)機組整體效率的提升。
圖7 碳捕集系統與熱力系統之間的耦合系統
針對相變儲熱裝置儲放(fàng)熱慢(màn)、效率低(dī)的問題，團隊創新(xīn)性提出了(le)内管可移動的相變儲熱裝置，儲放(fàng)熱時間累計可縮短60%以上(shàng)。此外考慮自然對流效應，提出了(le)不同結構形式的儲熱單元（如(rú)圖8和圖9所示）。
圖8 内管可移動式相變儲熱器(qì)放(fàng)熱過程
圖9 優化(huà)設計的儲熱單元
（7）基于固氣耦合儲氫和燃料電池技術的分(fēn)布式供能(néng)系統
單一(yī)的儲氫方式在體積儲氫密度、能(néng)耗、動态響應特性及占用空間方面存在不同的缺陷，因此研發高效、安全儲存技術成爲研究焦點。基于此，團隊建立了(le)相變儲熱與固态儲氫耦合模型（圖10所示），研究了(le)考慮自然對流效應下(xià)的相變儲熱材料與金(jīn)屬氫化(huà)物熱耦合傳熱傳質問題，獲得了(le)提升相變材料熱導率的方法及強化(huà)傳熱措施，提出了(le)固态儲氫過程中的儲/放(fàng)熱管理(lǐ)策略，可有效提高儲/放(fàng)氫速率。
充分(fēn)利用燃料電池的餘熱，構建了(le)固态儲氫系統與燃料電池耦合的分(fēn)布式供能(néng)系統，獲得了(le)固态儲氫系統在分(fēn)布式供能(néng)系統的優化(huà)匹配方式。探究了(le)固态儲氫系統的動态特性，構建了(le)相應的數學預測模型，提出了(le)儲/放(fàng)氫過程的實時預測方法，可改善放(fàng)氫過程的響應性。團隊建立的此分(fēn)布式系統的動态仿真算(suàn)法，可進行固态儲氫裝置放(fàng)氫速率與燃料電池供氣之間耦合匹配的仿真計算(suàn)，可實現該系統進行動态調控與性能(néng)優化(huà)研究，以期滿足區域性多能(néng)互補的變負荷供能(néng)需求，解決可再生(shēng)能(néng)源的波動性和間歇性問題，實現區域性零碳排放(fàng)目标。分(fēn)布式供能(néng)系統如(rú)圖11所示。
圖10 金(jīn)屬氫化(huà)物儲氫設備優化(huà)設計
圖11 基于固-氣耦合儲氫的分(fēn)布式供能(néng)系統
質子(zǐ)交換膜燃料電池作(zuò)爲氫能(néng)應用的主要途徑，針對其在使用過程中所面臨的輸出性能(néng)不佳、低(dī)溫環境中啓動困難等問題。通過提出新(xīn)型極闆結構、基于水熱管理(lǐ)優化(huà)操作(zuò)工況及控制策略等方法實現質子(zǐ)交換膜燃料電池的高效利用，并應用于分(fēn)布式供能(néng)系統和汽車等領域的大規模商(shāng)業化(huà)中。該領域目前已發表相關高水平論文20餘篇，申請/授權發明專利10餘項，獲山東省優秀成果獎1項。
（8）鈣基材料捕集CO2強化(huà)燃料氣化(huà)制氫
氫能(néng)和CO2捕集利用與封存（CCUS）技術将互爲補充地在我國2030年前實現“碳達峰”和2060 年前實現“碳中和”承諾的進程中發揮重要作(zuò)用。我國碳中和政策文件已将氫能(néng)和CCUS 技術作(zuò)爲關鍵優先領域。鈣基吸收劑捕集CO2強化(huà)生(shēng)物質氣化(huà)制氫技術能(néng)實現CO2源頭捕集和高效制氫（圖12），被認爲具有廣闊應用前景。提升鈣基CO2吸收劑在生(shēng)物質氣化(huà)制氫過程中的CO2捕集性能(néng)、抗燒結性能(néng)、循環穩定性、催化(huà)制氫性能(néng)是該技術亟需突破的關鍵瓶頸。
圖12 鈣循環吸收CO2強化(huà)生(shēng)物質制氫技術
發展了(le)微觀結構可控的高性能(néng)複合CO2吸收劑合成工藝（圖13），構築了(le)中空微結構複合鈣基CO2吸收劑，揭示了(le)複合吸收劑孔隙結構、表面化(huà)學、機械強度與CO2捕集性能(néng)的同步調控規律，揭示了(le)其中熱質傳遞與CO2捕集的耦合與協同機理(lǐ)，解決了(le)鈣基CO2吸收劑結構和性能(néng)難以精準調控的難題。該研究方向發表SCI論文100多篇，其中4篇論文入選ESI高被引論文和熱點論文；獲授權發明專利10多項，1項專利已轉化(huà)。受國家自然科學基金(jīn)聯合基金(jīn)重點項目、國家自然科學基金(jīn)面上(shàng)項目等20多項課題資助，獲得教育部自然科學二等獎、山東省自然科學學術創新(xīn)獎、山東省優秀科研成果自然科學一(yī)等獎/二等獎、山東省高等學校(xiào)科學技術二等獎等多項獎勵。
圖13 中空微結構複合吸收劑的捕集CO2特性
實驗室是爲加快(kuài)培養儲能(néng)領域“高精尖缺”人(rén)才，增強産業關鍵核心技術攻關和自主創新(xīn)能(néng)力，以産教融合發展推動儲能(néng)産業高質量發展，由山東省發展和改革委員會及山東大學成立的高端裝備和新(xīn)能(néng)源新(xīn)材料産業領域專項實驗室。
四、聯系電話：0531-88399008
五、通訊地址：山東省濟南(nán)市(shì)曆下(xià)區經十路(lù)17923号山東大學千佛山校(xiào)區能(néng)源與動力工程學院，250061
