作为㶲的衍生概念，能质和能量品位的应用近四十年来在热科学领域的实践中取得了巨大的成功，然而其概念和计算并未得到全面的厘定，相关应用的总结和归纳在文献数据库中也十分鲜见。本文基于文献调研，首先对能质和能量品位的概念历史发展进行了梳理，后对其概念计算方法及相关基准问题进行了说明，最后对该概念衍生的分析方法及其应用进行了介绍。另外，本文还对热力学语境下的能势概念进行了初步的整理。本文清晰展现了能质、品位和能势领域研究的历史和进展，有助于对相关概念的厘定和思考。

应用有限时间热力学理论，建立了变温热源内可逆空间闭式简单布雷顿循环模型, 导出了功率和热效率的表达式。求解方程得到了最佳低温热源温度，分析了循环的基本性能特性。当总换热器面积一定时，通过优化面积分配比得到了循环的最优性能，由优化低温热源温度进一步得到了双重最大功率。最后，在面积比分配和低温热源温度优化的基础上，对工质和热源间的热容率匹配进行优化，得到了三重最大功率。

为提高固体氧化物燃料电池 (solid oxide fuel cell，SOFC) 的系统效率、降低碳捕集能耗，提出了一种基于SOFC、有机朗肯循环和功冷联供循环的系统，并利用制冷量液化回收CO₂。通过Aspen Plus 软件搭建联供系统模型，并在设计工况下，探究了SOFC 运行压力、电流密度、燃料利用率、汽碳比对系统热力性能影响。结果显示，SOFC 发电效率为46.19%、系统总发电效率为72.47%、功冷联供效率为85.48%，与使用三级压缩液化CO₂ 相比，总效率提升1.74%。当SOFC 运行压力为0.7 MPa，系统总发电效率最高，为72.48%；当电流密度增至极限电流密度6000 A/m²，电压极化损失增幅变大，对电池产生负面影响；燃料利用率为0.85 时，SOFC 发电效率达到最佳值46.19%；汽碳比对整个系统影响较小，但存在最佳汽碳比值3，使系统效率及功冷联供效率最大，分别为72.49% 和85.70%。

基于多层膜结构热辐射器，本文发展了考虑非辐射复合的近场热光伏系统性能优化模型。优化后得到的近场热光伏系统，可以实现600 K 温差下的转换效率为33.44%。并对不同温度下优化结构的近场热光伏系统性能进行了分析，包括转换效率，电池输出能量密度和电流密度。结果表明当温差为900 K 时，优化结构近场热光伏系统最高效率为41.94%，此时最大电流密度为13390 A·m−2。并且通过在热辐射器表面覆盖石墨烯，实现了近场热光伏系统的性能主动调控特性，当石墨烯化学势能为0.1 eV 时，近场热光伏系统的最大转换效率为43.51%。本文通过优化调控近场热光伏系统，有助于加快近场热光伏系统在工业余热高效回收利用方面的发展和应用。

LED 照明系统能够利用太阳能电池作为电力来源。本文对LED 芯片材料GaN 的光电性质进行了研究，这对提高LED 的发光性能具有指导意义，并为后续Al,In 共掺杂GaN 的相关研究提供了参考依据。构建了理想GaN 的计算模型并使用第一性原理计算方法研究了理想GaN 材料的电子结构和光学性质。计算结果表明: 理想GaN 符合直接带隙半导体特征，其带隙值为1.706 eV，且电子的分布还会影响GaN 的光吸收特性。随着光吸收系数的增大，光衰减的速率就会变大，对应着光吸收能量增大。