量子點(diǎn)熱機(jī)與制冷機(jī)的性能特征及優(yōu)化分析.pdf

1、由于在發(fā)展小型化、微觀尺度能量轉(zhuǎn)換器方面的重要應(yīng)用以及相比傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換所具有的優(yōu)點(diǎn),例如可靠性高、無移動(dòng)部件、可擴(kuò)展性、無污染等,微納米熱電裝置已經(jīng)引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。并對(duì)不同的微納米熱電裝置的熱力學(xué)性能做了廣泛的研究,例如超晶格、納米線、碳納米管、分子結(jié)和量子點(diǎn)等。另一方面,基于有限時(shí)間熱力學(xué),熱力學(xué)裝置在有限時(shí)間下的優(yōu)化性能同樣吸引了越來越多研究者的關(guān)注。自此,很多作者已經(jīng)將優(yōu)化性能的研究應(yīng)用到微納米熱電裝置中,例如隨機(jī)

2、熱機(jī)、費(fèi)曼棘齒、分子熱機(jī)以及量子點(diǎn)熱機(jī)等。因此在有限時(shí)間熱力學(xué)的原理及方法下研究微納米熱電裝置的熱力學(xué)性能特征及優(yōu)化具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文主要研究以量子點(diǎn)作為系統(tǒng)的熱機(jī)與制冷機(jī)的性能特征及優(yōu)化分析。量子點(diǎn)熱電裝置是由量子點(diǎn)系統(tǒng)嵌入到具有不同溫度與化學(xué)勢的電子庫構(gòu)成。在溫度梯度和化學(xué)勢梯度的驅(qū)動(dòng)下,電子在量子點(diǎn)系統(tǒng)和兩個(gè)電子庫之間隨機(jī)隧穿。在弱耦合及序貫隧穿近似下,忽略共隧穿及相干效應(yīng),系統(tǒng)狀態(tài)占有幾率的演化可以用隨機(jī)

3、主方程描述。穩(wěn)態(tài)情形下,通過主方程可以求得系統(tǒng)中的電流及熱流,進(jìn)而根據(jù)熱力學(xué)第二定理可以定義量子點(diǎn)熱電裝置的熱力學(xué)性能參數(shù)(效率及制冷系數(shù)等)。從而進(jìn)一步研究量子點(diǎn)熱電裝置的性能特征及優(yōu)化。具體內(nèi)容包括:
　　第一章緒論,主要介紹研究背景、熱力學(xué)與有限時(shí)間熱力學(xué)理論以及主方程理論。
　　第二章研究麥克斯韋妖反饋?zhàn)饔孟聠文芗?jí)量子點(diǎn)制冷機(jī)的優(yōu)化性能。本章的重點(diǎn)是研究麥克斯韋妖對(duì)量子點(diǎn)制冷機(jī)最大優(yōu)化下制冷系數(shù)的影響,同時(shí)與經(jīng)典卡諾

4、型制冷機(jī)的優(yōu)化制冷系數(shù)進(jìn)行比較。
　　第三章研究外磁場對(duì)單能級(jí)量子點(diǎn)熱機(jī)的性能影響,當(dāng)系統(tǒng)中存在外磁場時(shí),電子的自旋簡并態(tài)將被破壞,能級(jí)分裂成兩個(gè)非簡并能級(jí),兩個(gè)能級(jí)間距由磁場強(qiáng)度決定。根據(jù)主方程,可以得到整個(gè)系統(tǒng)電子傳輸過程中的熱流。數(shù)值計(jì)算了最大功率優(yōu)化下熱機(jī)的效率,并比較不同磁場強(qiáng)度下最大功率下的效率與經(jīng)典 CA(Curzon-Ahlborn)效率的關(guān)系。
　　第四章研究單能級(jí)相互作用量子點(diǎn)制冷機(jī)的性能特征及優(yōu)化,重點(diǎn)

5、在于研究同一能級(jí)上兩個(gè)自旋相反的電子之間庫侖相互作用對(duì)制冷機(jī)性能及優(yōu)化的影響。由于庫侖相互作用,電子隧穿能量閾值提高。通過計(jì)算得到制冷機(jī)在不同庫侖相互作用下的特征曲線,并畫出在最大制冷率和最大制冷系數(shù)下優(yōu)化的性能參數(shù)隨著庫侖相互作用和溫比的變化曲線。
　　第五章建立二能級(jí)量子點(diǎn)熱機(jī)和制冷機(jī),并進(jìn)一步討論不同能級(jí)間庫侖相互作用的變化對(duì)熱機(jī)和制冷機(jī)性能及優(yōu)化的影響。給出熱機(jī)在不同相互作用變化強(qiáng)度下的特征曲線,并畫出在最大功率與最大效率

6、下優(yōu)化的性能參數(shù)隨著相互作用變化強(qiáng)度的曲線。重點(diǎn)給出最大功率下效率在不同變化強(qiáng)度下隨溫比的變化曲線,并與 CA效率比較。對(duì)于制冷機(jī),研究了制冷機(jī)在不同相互作用變化強(qiáng)度下的特征曲線,以及最大制冷率與最大制冷系數(shù)下優(yōu)化的性能參數(shù)隨著相互作用變化強(qiáng)度的曲線。
　　第六章我們研究了以三個(gè)耦合量子點(diǎn)嵌入兩個(gè)溫度不同的熱源之間的量子點(diǎn)光電制冷機(jī)的性能特征?；谥鞣匠?本章詳細(xì)推導(dǎo)出制冷機(jī)的制冷系數(shù)、制冷率的表達(dá)式,分析了制冷機(jī)的性能特征,得到