清洁煤电与节能工程
清洁煤电与节能工程研究方向依托热能工程二级学科，围绕国家能源发展战略和发电行业发展需求，主要致力于火电厂煤炭高效、清洁和安全利用，以及发电系统与主要辅助设备系统节能等方面的技术研究,解决行业技术难题,研发洁净煤电与节能新技术，引领行业技术的发展。
本研究方向特色: 基于大型燃煤火电机组发电过程所涉及的能量转换与传递、燃烧产物生成与控制，着重进行新型高效低污染燃烧、高效除尘、烟气脱硫脱硝与脱重金属汞、CO2减排与资源化利用和烟气余热利用，以及热力系统和辅助设备节能技术的学术研究与技术开发。通过多年的研发，在燃煤电站锅炉烟气脱硫系统性能优化、高效宽温度窗口SCR脱硝催化剂、光催化脱重金属汞、高效湿式静电除尘与多种污染物联合减排，以及热力系统性能优化和低温烟气余热高效利用技术等方面形成了鲜明特色，形成了一批面向电力生产，具有良好节能减排效果的技术专利成果，在行业中产生了良好的影响和显著的经济与社会效益，这些成果成功应用于华能、国电投、华电、国电和大唐等集团公司的有关下属企业,以及上海申能、宝山钢铁股份有限公司等大型企业，为行业的技术进步做出了贡献。
热科学与工程
热科学与工程研究方向依托工程热物理二级学科，主要致力化石能源、太阳能、核能、工业余能等各种能源利用中的能量转换原理、能量梯级利用理论、传热传质理论及其工程应用的研究。这些研究对于能量传输机理的掌握、能量转换装置和系统的综合评估及优化设计、新材料在能源领域应用等具有重要意义。
本方向着重研究多能互补分布式供能、太阳能综合利用、工业余热利用、纳米材料等新材料应用、核反应堆热工水力特性等领域的工程热物理问题。研究智能电网及能源互联网中的分布式能源系统，以可控的分布发电设备应对可再生能源发电间歇性的影响，建立多能互补分布式能源系统的评价体系，对系统进行优化设计。研究太阳能光伏光热综合利用，采用流动介质冷却光伏组件，并以纳米结构增强光伏电池吸收特性，掌握传热与发电的耦合关系，通过合理设计提高能量利用率。研究太阳能光热发电系统，设计高效聚光集热器和蓄热装置，掌握关键设备及系统的动态特性。研究有机工质郎肯循环的工质优选、参数影响规律，匹配余热资源进行循环优化设计。研究纳米材料热物性的影响因素，掌握热物性的调控机理和手段，将新型材料应用在能源领域中提高能量转换效率。在核反应堆热工水力特性研究方面，进行了先进反应堆CHF、焓增特性及PSA概率安全等方面的研究，是国内最早开展全真三维大型数值反应堆研究的单位之一；并建立了国内比较先进的反应堆热工水力实验平台及核电热工仪控综合实验平台。
动力机械及安全
动力机械及安全方向依托动力机械及工程、流体机械及工程两个二级学科，目前主要围绕能源动力设备及其系统开展安全性能评价与分析、振动及故障诊断、先进制造技术及应用、流场分析与设计优化等方面的研究。这些研究对提升设备的安全性和可用率、提高机组的可靠性、降低维护费用、延长机组寿命、叶轮机械流场的分析与控制、优化系统的设计及运行等具有十分重要的意义。
本研究方向对接国家能源结构调整和节能减排战略，在能源动力设备设计与优化运行、能源动力设备运行安全可靠性、延长设备使用寿命等领域形成了鲜明的行业特色。针对能源设备及系统，本方向主要开展以下工作：研究安全运行范畴、状态风险管理及控制、振动机理及其抑制方法、在线监测及故障诊断系统，保障设备的稳定运行同时提高生产效率；对超超临界汽轮机进行寿命评估与可靠性综合分析，确保机组的安全运行；开展加速寿命试验机理分析，提出新型寿命预测模型，完成寿命评估与分析，形成了基于灯丝发射性能工艺和亮度设计的寿命延长的关键技术使用体系，为企业提供技术支撑；对静电除尘设备开展电磁除尘机理，为新型除尘设备的开发提供理论与技术指导；研究热障涂层、耐磨涂层等涂层制备技术对于电厂材料性能的影响，开发综合性能优良的材料涂层和制备技术，研究能源设备与系统中关键零部件的优化设计方法及制造工艺，确保电站的安全经济运行；研究在管束间汽液两相流动、气液、气固两相流测试技术、传热强化、燃烧器湍流流动、叶轮机械三维内部流动和飞行器三维外部绕流数值研究、风力涡轮机尾迹流动，为新型节能、安全的能源设备设计提供理论及方法基础。
新能源科学与工程
新能源科学与工程研究方向结合国家能源的发展战略，适应学校新能源学科发展的需要，重点围绕太阳能光伏系统、光伏材料与器件、风力发电技术等开展研究，构建了从理论计算、材料合成，到器件制备和应用集成等相互衔接和交叉融合的学科体系，解决太阳能光伏发电、制热、风力发电过程中的瓶颈问题。注重智能电网和能源互联网背景中的新能源科学与工程研究，注重纳米材料等新型材料在能源领域的应用，促进新能源技术的创新发展和安全应用。主要涉及光伏材料的量子效率、选择性辐射体与热光伏太阳电池光谱响应匹配、新型异质结半导体高效光伏器件、太阳能光伏（热）建筑一体化、光伏发电系统最优化设计理论、风力机性能及其流场分布、风机叶片翼型理论与优化设计、风电机组控制与并网技术、风电场接网技术的研究等。