能源与生态环境的可持续发展是解决环境问题的必要条件,因此开发高效绿色清洁能源,建立可持续的能源系统具有重要意义。半导体温差发电器是一种将热能直接转换为电能的绿色清洁能源设备,具有体积小、无噪音、无转动部件等优点。此外,半导体温差发电器在废热回收发电领域发挥巨大能力,它能适应较宽的热源温度范围,有效回收各种类型的热量,如工业废热、内燃机废热和燃料电池废热等。研究表明,在高温热源、温差较大的环境下,二级半导体温差发电器性能要优于单级温差发电器,然而关于二级半导体温差发电器与高温热源耦合的系统研究甚少。因此,本文提出和分析了两个性能优异的基于二级半导体温差发电器耦合系统,其中二级半导体温差发电器的作用是回收再利用高品位废热,实现额外的发电。首先,本文介绍了半导体温差发电器的研究背景,简述了研究对象的基本工作原理和技术发展,也阐述了高温条件下基于二级半导体温差发电器的热力学耦合系统的意义和发展潜力。其次,本文建立了直接碳燃料电池-二级半导体温差发电器耦合系统模型,基于非平衡热力学和有限时间热力学理论,推导出耦合系统的输出功率和效率的数学表达式,并通过数值模拟得出该耦合系统模型的输出功率密度和效率相对比单一的直接碳燃料电池系统分别提高了52.21%和51.73%。通过对耦合系统进行详细的参数分析得出相关设计参数的优化区间。结果表明,利用半导体温差发电器回收废热发电可以有效提高整体系统的燃料利用率。再次,本文建立了碱金属热电转换器-二级半导体温差发电器的耦合系统模型,推导出耦合系统的输出功率和效率的数学表达式。确定了耦合系统在最大输出功率密度和最大效率时的优化条件,得到了碱金属热电转换器和二级半导体温差发电器的最佳设计参数,讨论了一些重要性能参数对系统性能的影响。数值模拟结果表明,相比单一的碱金属热电转换器系统,该耦合系统的输出功率密度和效率分别提高了54.09%和28.09%。研究表明,使用二级半导体温差发电器可有效利用碱金属热电转换器产生的高品位废热,提高耦合系统的能量利用效率。最后,对本文的工作进行了总结,并提出了一些建议和展望。所得出的结论可为二级半导体温差发电器如何有效地利用中高温热源提供一些理论指导。