太阳能热化学两步循环制氢一直以来备受关注，然而严重的系统不可逆性限制了太阳能到燃料的高效转化。本文通过建立太阳能热化学循环热力学分析模型，对典型Zn基太阳能热化学循环进行了深入能量与不可逆性分析。不同于以往研究多关注系统各设备的总不可逆损失，本研究对耦合反应、传热以及辐射的复合能量转化过程进行解耦分析，获得了不同属性的不可逆损失分布与产生原因。研究结果表明，为降低还原反应温度而引入的大量惰性吹扫气造成了较大系统不可逆损失，严重降低了太阳能到燃料转化效率。降低这部分与惰性气体吹扫有关的不可逆损失是提升效率的关键。研究结果为发展高效聚光太阳能热化学制氢循环提供了理论依据。

波转子技术作为一种无需借助机械部件即可实现气体间能量高效传递的压力交换设备，在燃气轮机循环系统及气体膨胀制冷等领域均已获得了丰富的研究、应用成果。由于气体间能量交换均在波转子流道内完成，因此其结构形式对于此类设备的性能会产生重要影响。本文以气波引射技术为基础，完成了弯曲型流道在膨胀型波转子技术中的首次应用实验，并通过与常用的直流道进行对比实验及三维数值模拟分析，获得了弯曲流道对于压力交换过程整体性能的提升效果及机理。实验结果表明，本文研究所用的弯曲流道转子（CIR转子）的最高等熵效率可达61.6%，其在各工况下的性能参数值均较直流道转子（STR转子）有所提升；各实验膨胀比下，CIR转子的最大效率相对提升比例均可超14.2%，引射率的最大相对提升量均可达5%以上；另外，CIR转子也可有效提升中压产气中的静压占比，并降低设备的运转功耗。三维数值模拟结果表明，CIR转子的弯曲流道可有效降低包括高压气体入射、喷嘴内排气流动以及流道内气体高速流动过程的涡旋、粘性耗散等各类能量损失，从而实现了压力交换过程整体效率的相对提升。

本工作提出了一种新型管状结构的高温质子交换膜燃料电池，并与内置的填料床甲醇水蒸气重整器集成，为动力输出提供氢气。在COMSOL Multiphysics软件中建立了一个二维轴对称非等温模型，以模拟管状高温质子膜燃料电池和填料床甲醇转化器的性能。该模型考虑了多物理过程的耦合，包括甲醇重整反应、水汽变换反应、甲醇裂解反应以及热量、质量和动量传递过程。管式填料床甲醇转化炉的子模型在433 K和493 K之间与文献中报道的实验数据进行了验证。高温质子交换燃料电池的子模型在393 K和433 K之间与已发表的文献进行了验证。研究结果表明，集成单元的功率输出和温度分布取决于甲醇的供给量和工作电压。这表明，即使在没有外部热源的情况下，通过控制甲醇重整器时空比≥250 kg*s/mol，高温质子交换膜燃料电池的工作电压为0.6 V时，可在无外部电源加热的情况下实现0.14 W/cm²的稳定电力输出，同时保持≤10 K的甲醇蒸汽重整器温降。

利用太阳能生产氢气和一氧化碳的合成气燃料是利用太阳能并有效克服其波动的一种很有前景的方法。本研究提出一种利用太阳能辅助的可逆性固体氧化物燃料电池制造太阳能燃料，并在无太阳辐射期间为用户提供所需要的冷、热及电能的系统。该系统运行模式分为太阳能辅助固体氧化物电解电池模式和固体氧化物燃料电池模式。本文建立了热力学模型，并分析了其热力学性能。在设计工况下，SOEC模式的系统总能量效率为19.0%，火用效率为20.5%。SOFC模式下的电效率为51.4%，能量效率为71.3%，火用效率为45.2%。固体氧化物燃料电池占总火用破坏的60.0%，是由于电化学反应的热力学不可逆性引起的。当固体氧化物燃料电池工作温度从800℃提高到1050℃时，火用效率和能量效率分别提高了11.3%和12.3%。其压力从2 bar上升到7 bar时，电效率提高了13.8%，而能量效率和火用效率分别降低了5.2%和6.0%。

合适的运行策略能够改善分布式冷热电联供系统的变工况性能，提高能源利用效率和降低排放。本文通过品位差图像分析方法确定部分负荷下系统不可逆损失，阐释了烟气回注运行策略下系统能效提升机理。与降低透平入口温度运行策略相比，由于减小了燃气轮机中能量转换过程品位差值，在85%负荷下，烟气回注策略减少了燃气轮机2.62%的㶲损失。当系统输出功率进一步降低，由于压气机进口温度的限制，烟气回注运行策略被降低透平入口温度运行策略所取代。然而，在余热利用装置中，㶲损失与能量品位差的变化规律与燃气轮机相反。引入功冷联供系统作为解决方案。此外，功冷联供系统的引入可以有效扩大系统冷电比的调节范围，改善系统运行的灵活特性。

The main purpose of this study is to analyze the performance of a new system that combines organic Rankine Cycle (ORC) and vapor compression refrigeration cycle (VCRC) for refrigeration and cogeneration. This system uses low-temperature heat sources such as solar energy, geothermal, industrial waste heat and biomass. The novelty of the proposed system manifests itself essentially in: the development of new ORC-VCRC combination architecture, lowering the ORC condensing temperature, the possibility of refrigeration production by the ORC upstream of the pumping phase, preheating of ORC using VCRC fluid and new configurations based on the integration of heat recovery systems to improve the overall system performance. The first part of this study presents the energetic analysis for the basic system using different working fluids and investigation of the operating parameters effect on the system performance (The system performance is described by the ORC thermal efficiency, the VCRC coefficient of performance and the system overall efficiency). Ten working fluids have been selected in order to provide the most adequate candidates for the proposed system. The results showed that the heating temperature and the cooling temperature have a significant effect on the system performance. The choice of fluid was also mentioned; the obtained results confirmed that the best combination for the basic system is R236fa-acetone. Four system configurations are developed and analyzed in the second part of the study. Also in the same part of the study, we will compare these configurations in terms of the performance rate retained. In the last part, we will make a comparison of this new system with another system.

为了回收中温余热，提出并研究了一种将超临界CO₂再压缩循环(SCRC)、氨-水吸收式制冷循环(AARC)和Kalina循环(KC)相结合的新型动力与冷却联产系统。该系统基于能量梯级利用，通过三个子循环同时运行，可以实现余热的充分转化利用。为进一步研究该系统的性能，建立了稳态数学模型。当排气温度为505℃时，设计工况下的热效率和㶲效率分别达到30.74%和61.55%。㶲分析结果表明，㶲破坏主要集中在热回收蒸汽发生器(HRVG)。参数研究表明，压气机入口压力、SCRC压力比、主压气机和涡轮I入口温度以及AARC发电机压力对组合系统的热力学性能和经济性能有显著影响。本研究结果可为系统设计提供指导，以实现中温余热(如燃气轮机、高温燃料电池和内燃机的尾气余热)的高效利用。

富氧燃烧动力系统可以利用液化天然气(LNG）汽化过程释放的冷能来降低CO₂捕集过程的功耗，但是捕集单位CO₂消耗的LNG冷能量非常大。为了能够利用有限的LNG冷能以较低的能耗捕集更多的CO₂，本文建立了一个新型的梯级利用LNG冷能的富氧燃烧燃气动力系统，其中LNG冷能逐级用于空气分离装置和CO₂捕集装置。利用Aspen Plus软件对所建立的新系统进行分析评估，结果表明新系统的净发电效率和捕集单位CO₂的一次能源消耗(SPECCA)均与化学链式燃烧系统相当，远高于常规的富氧燃烧系统。而且，新系统捕集单位CO₂的LNG冷能消耗量(SLNCC)比现有的利用LNG冷能的富氧燃烧动力系统低67.2%以上。同时，通过灵敏度分析发现在O₂纯度为97.0%和CO₂捕集率为97.0%时新系统的CO₂捕集能耗最低，其SPECCA、SECCA和SLNCC均达到了最小值，分别为1.87 GJ_LHV/t_CO2、2.60 GJ/t_CO2和1.88 t_LNG/t_CO2。此时，新系统的发电效率和㶲效率分别达到51.51%和49.23%。