从全球能源的需求以及温室气体和污染的加剧的角度出发,对新能源技术的需求得到了重视。几十年来,可再生能源（比如太阳能和风能）起到了重要作用,但是它们的间断性将会导致严重的供求不匹配。电化学能量系统在能源可持续性;能量转换、节约和储存;污染控制/监控;以及减少温室气体方面起到了关键作用。碱金属热电转换器是一种利用太阳能、核能或化石燃料燃烧产生的热量来发电的电化学装置,是一种极好的热电转化装置。本文主要通过计算模拟研究由碱金属热电转换器产生的废热分别被温差发电器、布雷顿热机、和碱金属热电转换器利用,以及用直接碳燃料电池、固体氧化物燃料电池、和太阳能集热器作为热源的耦合系统。文中不仅对这些系统的性能特性进行了评估,而且还获得了参数选择准则。此外,本文还研究由三个电子库在不同连接方式下构成的制冷器/热放大器系统和由四个电子库构成的热放大器系统的优化性能。研究内容主要包括如下三部分。第一部分即第二章,为充分利用碱金属热电转换器低温端放出的废热,建立了碱金属热电转换器分别与三个热力学系统耦合的系统,即碱金属热电转换器-温差发电器系统、碱金属热电转换器-布雷顿热机系统、和两级碱金属热电转换器系统。导出了系统的效率和输出功率的解析表达式,讨论了电解质厚度等主要参数对系统的整体性能的影响以及两个子系统的匹配问题,确定了系统的最佳运行区域和主要参数的选择准则。对现存的碱金属热电转换器耦合系统和单独的碱金属热电转换器的优化性能进行了比较,发现耦合系统的性能比单独的碱金属热电转换器的要好,碱金属热电转换器-布雷顿热机系统的性能优于上述其它两种耦合系统。第二部分包括第三、四和五章,为了揭示不同热源对碱金属热电转换器性能的影响,建立了分别由直接碳燃料电池、固体氧化物燃料电池、和太阳能集热器驱动的碱金属热电转换器新模型。考虑各种主要的不可逆损失,推导了系统的效率和输出功率的表达式,以系统的效率和功率为目标函数,对系统的整体性能进行优化分析,确定效率和功率的界限和优化区间,提供主要参数的优化选择准则,建立几种不同热源驱动的碱金属热电转换器的优化理论,可促进碱金属热电转换器的开发。第三部分包括第六章和七章,建立了三端能量选择电子器件构成的热放大器/制冷器和四端能量选择电子器件构成的热放大器。三端能量选择电子器件可以由三种不同的导线连接方式和六种不同形式的电子传输而构成的,每一种连接方式可以看作是由一个能量选择电子热机和能量选择电子热泵/制冷器组成的等效系统。计算了系统最大的性能系数和最大热泵率/制冷率,确定了系统的最佳工作区域,比较了三种连接方式和两种能量选择通道结构下系统的优化性能。进而建立了由四个电子库和四个能量选择电子通道构成的热放大器,它等同于由两个三电子库热泵组成的耦合系统。计算了最大热泵率和性能系数,发现耦合系统的最大热泵率可以达到三电子库热泵的2倍,但其最大性能系数仍保持与三电子库热泵的相同。讨论了能量选择电子通道的半宽度对系统的热泵率和性能系数的影响,计算了能量选择电子通道的半宽度的截止值。本文得到的结果不仅丰富了这些热力学系统的研究内容,而且对相关热力学系统的实际运行和优化设计具有一定的参考价值。