直接孔隙尺度和体积平均数值模拟是研究多孔介质太阳能吸热器性能的两种有效方式。为了阐明不同数值方法在预测传热过程中的差异，本文在稳态和瞬态条件下开展了两种方法的对比研究。数值模型分别基于X射线计算机断层扫描和局部热非平衡模型建立，体积平均数值模拟中不可或缺的经验参数通过蒙特卡罗光线追踪法和直接孔隙尺度数值模拟确定。体积平均数值模拟方法预测的吸热器出口空气温度与直接孔隙尺度模拟结果吻合良好，随着吸热器工作温度升高，预测差异逐渐增大，稳态和瞬态数值模拟的最大相对误差分别为5.5%和3.68%。然而，体积平均方法无法捕捉空气和多孔骨架的局部温度信息，低估了吸热器的入口温度，导致对吸热器热效率的高估，最大相对误差为6.51%。比较结果表明，在准确地选取经验参数的基础上，体积平均方法能够实现吸热器瞬态和稳态性能的快速、准确预测。

本文提出了一种新型带热回收的喷射-复叠制冷系统，回收高温级压缩机的排气余热驱动喷射器，实现高温级过冷的同时，对高温压缩机进行补气。建立了系统分析的数学模型，进行能量和㶲分析并与常规复叠制冷系统进行对比。研究结果表明：新型带热回收的喷射复叠制冷系统具有功耗低、总㶲损少且性能系数高的优点，适用于制取较低温度的工况。在典型工况下，相较于常规复叠制冷系统，新系统的COP提高了9.58%，㶲效率降低了9.50%。

超临界CO₂布雷顿循环具有效率高、系统结构紧凑等优点，在发电领域具有巨大应用潜力。以自冷凝CO₂跨临界动力循环为研究对象，建立了循环性能理论分析模型，分别分析了无回热循环、后回热循环、先回热循环和再回热循环四种不同系统布局。结果表明：随着冷却压强的增大和冷却终温的降低，内部正循环占整个循环的比重增大；超临界加热器的热负荷随冷却压强的增大而减小。从性能上看，再回热循环和先回热循环的热效率相似，且远高于其他两种系统布局。除冷却终温为31°C时的工况，热效率和净输出功率随冷却压强的变化均存在极大值。同时考虑到复杂性和经济性，先回热循环比其他系统布局更优。在冷却终温为35°C时，先回热循环的热效率在冷却压强为8.4 MPa时达到峰值0.34，净输出功率在冷却压强为8.2 MPa时达到峰值2355.24 kW。

多能互补的分布式能源系统是解决当前日益严峻能源与环境问题的主要技术之一。本文在原有研究工作基础上提出了太阳能与生物质热化学互补的分布式能源系统，系统利用H₂O/CO₂混合气化方式进一步强化了太阳能与生物质的互补性在系统性能上提升作用。系统中，集中太阳能提供生物质气化需要的热量，同时两种气化剂用于提高合成气的产量，所产的太阳能燃料进一步在联合循环中燃烧发电。结果显示，随着气化剂CO₂/H₂O比例增加，由于Boudouard反应的作用合成气中CO份额明显加大，相反H₂份额有所降低，计算得到的最优太阳能燃料转化效率为27.88%，此时CO₂/H₂O为0.45。在设计工况条件下，相较于单H₂O气化剂，系统的CO₂排放减少率为2.31%，系统的全年发电量增加了1.39%，系统的热力学和环境效益都得到了明显的改善。另外，本文还对系统的经济行进行了评估，为提高太阳能和固体燃料的热化学利用效率提供了一种新的途径。