理论和实际能量选择性微电子机系统的热力学最优性能研究

The research on energy conversion mechanism and efficiency for electron-transportation based micro-energy conversion system is a new problem concerning the interdisciplinary intergration of thermodynamics, statistical mechanics, physics theory, etc. This research project focuses on the thermodynamic performance analysis and optimization for the theoretical model of microscopic energy selective electron (ESE) engine system and two types of practical ESE engine systems, i.e., nanometer gap vacuum thermionic energy conversion devices and nanowire heterostructure thermoelectric energy conversion devices, by using the principles and methods of finite time thermodynamics and the combination of mathematical analyses and numerical calculations. The content of this project mainly includes: the ecological performance analysis and optimization for single-resonance and double-resonance ESE engine systems; the relationship among transmission probability function, operation regime and design parameters and their influences on the optimal performance of ESE engine systems; the efficiency characteristic at maximum power output for single and double-resonance ESE engine systems; the performance analysis and optimization for nanometer gap vacuum thermionic power generation and refrigeration devices; and the electron transmission characteristic and optimal thermodynamic performance for nanowire heterostructure thermoelectric energy conversion devices. The major purposes of the project are to expend the research scope of finite time thermodynamics to microscopic energy conversion systems and to obtain the energy conversion mechanism as well as the optimal performance characteristics of theoretical and practical micro-electron engine systems. The results of the research are expected to provide some new theoretical guidelines for the utilization of energy resources at the microscopic scale and the optimal design and operation of real microscopic energy conversion devices.

基于电子传输的微型能量转换系统的能量转换机理和效率研究是涉及热力学、统计力学、物理学等多学科交叉融合的新问题。本课题拟以能量选择性电子机理论模型以及纳米间距真空热离子装置和纳米线异质结热电子装置这两类实际能量选择性电子机系统为对象，结合有限时间热力学理论和方法，综合运用数学分析和数值计算的手段分析和优化其热力学最优性能。主要内容包括：单谐振和双谐振通道能量选择性电子机系统的生态学最优性能；透射概率函数、运行模式和设计参数之间的相互关系及其对电子机系统最优性能的影响；单谐振和双谐振通道电子机功率最大时的效率特性；纳米间距真空热离子发电和制冷装置的最优性能；纳米线异质结热电子能量转换装置的电子传输特性和热力学最优性能。旨在将有限时间热力学的研究对象拓展到微型能量转换系统之中，获得理论和实际微电子机系统的工作机理和最优性能，为微观领域能源利用及实际微型能量转换装置的优化设计和运行提供理论指导。

探讨微型能量转换系统的能量转换机理和效率特性是涉及多学科的热点问题，微型能量转换系统的热力学性能一直是相关研究的一个重要方向。本项目应用有限时间热力学理论系统研究了理论和实际能量选择性微电子机系统的热力学最优性能，探讨了电子机系统的运行特性和工作机理，获得理论和实际电子机系统的最优运行及参数优化设计方案，取得了一些具有较高学术理论意义和工程应用价值的成果，主要体现在：.（1）对于理论能量选择性电子机系统，研究了单谐振通道电子机的运行模式问题，分析了不可逆单谐振通道电子机分别作为热机、制冷机和热泵运行时的基本输出率与性能系数最优性能，明确了透射概率函数与电子机运行模式之间的关系。.（2）系统研究了单谐振和双谐振通道电子热机、制冷机和热泵的输出率和性能系数最优性能，引入生态学函数、品质因子等目标，通过对比系统在不同优化目标函数下的性能特性，得到了新的性能优化区域和优化目标函数的选择方案，明确了声子热漏、过滤器边界能量、能量宽度、能量间距、电子源化学势等设计参数的影响。研究了单通道电子制冷机的制冷系数特性；建立了一维系统中按照电子总动量过滤的内可逆双谐振通道电子热泵模型，对比分析了双谐振通道与单谐振通道以及总动量过滤模式与常规过滤模式时装置的性能特性。.（3）对于实际能量选择性电子机系统，建立了不可逆半导体固态及真空热离子制冷器、真空热离子发电机模型，研究了不可逆系统的制冷率与制冷系数、功率与效率最优性能，明确了设计参数对热离子装置性能的影响，得到了新的性能优化区域和优化目标函数的选择方案。建立了考虑内部和外部有限速率传热的不可逆联合热离子-热电发电机和制冷器模型，研究了系统的功率与效率、制冷率与制冷系数最优性能，对比分析了联合装置与独立热离子装置的性能特性，得到了联合制冷装置新的性能优化区域和优化目标函数的选择方案。.上述研究，可为实际微型能量转换系统的结构设计和性能优化提供理论指导。