熱離子和熱電器件及其耦合系統(tǒng)的優(yōu)化理論研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出使太陽能、氫能等新能源的研究得到廣泛關(guān)注。提高能源的利用率是解決這些問題的有效途徑之一。因此，對材料性能、器件功能、系統(tǒng)設(shè)計的深入研究己成為當前各相關(guān)領(lǐng)域的熱點課題。本論文主要研究熱離子器件、熱電器件和燃料電池等固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器件及其耦合系統(tǒng)的性能，探索降低內(nèi)外不可逆損失的可能途徑，建立相應(yīng)的優(yōu)化理論，提供性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計準則。研究內(nèi)容主要分為三個部分。
　　第一部分包括第二至第四章，主要研究真空熱

2、離子發(fā)電器及其耦合系統(tǒng)中的內(nèi)外不可逆損失對性能的影響?？紤]系統(tǒng)外部的熱漏損失和內(nèi)部的主要不可逆損失對真空熱離子發(fā)電器工作溫度的影響，更新了真空熱離子發(fā)電器模型。通過分析輸出電壓和極板功函數(shù)對輸出功率和效率的影響，提供了一些重要參數(shù)的最佳選擇準則。利用真空熱離子器件工作在高溫的特性，建立了真空熱離子發(fā)電器與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器耦合系統(tǒng)。通過能量平衡方程確定真空熱離子極板以及半導(dǎo)體發(fā)電器低溫端溫度，導(dǎo)出耦合系統(tǒng)的輸出功率和效率解析表達式，討論輸

3、出電壓、功函數(shù)以及電流對輸出功率和效率的影響，確定了主要參數(shù)的最佳工作區(qū)間。為了利用發(fā)固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的廢熱，建立了固體氧化物燃料電池與真空熱離子發(fā)電器耦合系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)中的不可逆損失，導(dǎo)出電流密度、輸出電壓以及面積比之間的關(guān)系。計算了耦合系統(tǒng)的最大功率和最大效率，確定了系統(tǒng)的最佳工作區(qū)域。結(jié)果表明真空熱離子發(fā)電器可更有效地利用固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的廢熱。
　　第二部分即第五章，基于光增熱離子太能電池現(xiàn)有理論，建立納米

4、尺度真空間隙光增熱離子太能電池模型，定量分析了不同間隙下量子隧穿和鏡像電荷效應(yīng)對發(fā)射電流的影響。討論了極板間距、電池材料的帶隙寬度以及聚光度對轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明降低極板間距至納米尺度，可有效地提高光增熱離子太陽能電池的效率。
　　第三部分包含第六和第七章，主要研究量子點器件中電子傳輸特性及器件性能。建立了外磁場作用下，工作在兩個電子庫之間的自旋簡并量子點熱機一般模型。所建模型具有一般性，包含近年來討論的一些量子點熱電模型。在

5、穩(wěn)態(tài)條件下，基于速率方程分析量子點熱機的電子傳輸特性。詳盡地討論了磁場和能級位置對系統(tǒng)性能的影響。計算出最大輸出功率和最大效率。確定了磁場、能級位置的優(yōu)化取值區(qū)間。所得結(jié)論對不同種類量子點熱電器的一般描述具有重要意義。進而建立了磁子驅(qū)動三端量子點制冷機模型。討論了不同工作區(qū)間自旋電流和熱流的流向。討論了磁場強度、偏壓、能級位置以及庫的極化對粒子流和能流的影響，確定了最大制冷率以及性能系數(shù)。比較兩種不同的制冷策略，得到鐵磁絕緣體更適合作為