量子點熱機與制冷機的性能特征及優(yōu)化分析.pdf

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

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

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,進而根據(jù)熱力學第二定理可以定義量子點熱電裝置的熱力學性能參數(shù)(效率及制冷系數(shù)等)。從而進一步研究量子點熱電裝置的性能特征及優(yōu)化。具體內容包括:
　　第一章緒論,主要介紹研究背景、熱力學與有限時間熱力學理論以及主方程理論。
　　第二章研究麥克斯韋妖反饋作用下單能級量子點制冷機的優(yōu)化性能。本章的重點是研究麥克斯韋妖對量子點制冷機最大優(yōu)化下制冷系數(shù)的影響,同時與經(jīng)典卡諾

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

5、在于研究同一能級上兩個自旋相反的電子之間庫侖相互作用對制冷機性能及優(yōu)化的影響。由于庫侖相互作用,電子隧穿能量閾值提高。通過計算得到制冷機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。
　　第五章建立二能級量子點熱機和制冷機,并進一步討論不同能級間庫侖相互作用的變化對熱機和制冷機性能及優(yōu)化的影響。給出熱機在不同相互作用變化強度下的特征曲線,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度的曲線。重點給出最大功率下效率在不同變化強度下隨溫比的變化曲線,并與 CA效率比較。對于制冷機,研究了制冷機在不同相互作用變化強度下的特征曲線,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度的曲線。
　　第六章我們研究了以三個耦合量子點嵌入兩個溫度不同的熱源之間的量子點光電制冷機的性能特征。基于主方程,本章詳細推導出制冷機的制冷系數(shù)、制冷率的表達式,分析了制冷機的性能特征,得到