当前我国的能源供应主要由化石燃料的燃烧提供。燃烧排放的有害气体含硫化物和PM2.5颗粒物等,造成了日益严重的环境问题,对人类和自然的可持续发展造成了严重的危害。此外,日常消耗的电能中有15%被制冷系统所消耗,故改善制冷系统的性能对节能减排具有重大意义。对热力循环(热机和制冷机)的优化、改善以及对清洁能源、余热资源的利用为上述问题提供了良好的解决方案。在热力循环的理论研究方面,本文首先研究了一般化具有内部耗散和非等温过程的热力循环模型,获得了热机和制冷机在不同的优化准则(Z准则、生态学准则和Ω准则)下的效率限(热机)和性能系数(COP)限(制冷机)。其次,本文基于最小非线性模型研究了热机和制冷机在生态学准则和Ω准则下的效率限和COP限,并进一步探索了最小非线性模型和低耗散模型的联系。为研究微观系统的性能,本文提出了一个统一的基于先验概率的微观热机模型,其可以描述基于先验概率的量子热机和布朗运动热机,研究了该模型在最大功率时的效率。在对微观制冷机的研究中,本文系统地分析了费曼棘轮-棘爪制冷机在最大制冷率、最大COP和χ准则下的性能。同时,本文研还究了冷源受到挤压作用时,量子Otto制冷循环在χ准则下的性能,结果表明挤压作用会使冷源远离平衡态,其COP仍为CA性能系数。在实际系统的研究方面,对于有机物朗肯循环系统(ORC),本文首先提出了内部(火用)效率和外部(火用)效率的概念,以此来研究工质对系统性能的影响,并提出了一个简化的内部(火用)效率模型。当工质临界温度较低时,ORC系统的蒸发温度较高,从而系统具有较高的(火用)效率。其次,新型热力循环也为余热资源的回收利用提供了一种良好的解决方案。本文基于有限时间热力学研究了电化学循环和热释电循环的性能。结果表明这两种循环都比较适合于低品位余热资源的回收,如汽车尾气等。一般而言,系统不同的评价指标不能同时达到最大值,例如功率和(火用)效率。对此,本文基于NSGA-Ⅱ算法,以最大功率和最大(火用)效率为优化目标,研究了连续电化学循环在多目标优化时的性能,并与相应的单目标优化结果相比较。结果表明多目标优化手段能更有效地协调系统不同的性能准则。在复合系统研究方面,提出了基于太阳能发电和制冷的系统。首先本文利用复合抛物面集热器收集太阳能,以此来驱动由固体氧化物电解(SOE)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)组成的热机发电,研究了SOE和PEMFC工作温度和太阳辐射强度对该太阳能发电系统性能的影响。另外,本文研究了太阳能光伏(PV)驱动电化学制冷机的太阳能制冷系统,研究了热源、冷源温度、PV工作温度和太阳辐射强度对该太阳能制冷系统的影响。结果表明,本文所提出的太阳能发电和制冷系统非常适合于偏远地区和外太空空间站等应用场合。在余热资源的有效利用方面,一般单一的循环系统不能充分利用余热资源的热能。针对此问题,本文对传统的连续性电化学循环系统进行了改进,提出了双级电化学循环系统。在热源温度为393.15K时,双级电化学循环系统的最大输出功率比单级电化学循环系统高50.11%,发电效率提高了13.31%。同时,本文研究了利用TREC系统回收燃料电池的热能,结果表明混合系统的最大输出功率比单一的PEMFC高6.85%-20.59%,发电效率比单一的PEMFC系统高4.56%-13.81%。最后,本文也研究了由ORC和TREC系统组成的梯级利用系统来回收余热资源的热能。当热源进口温度为423.15K时,工质为R141b时,梯级利用系统比单一的ORC利用系统的功率高62.3%,比单一的TREC系统的功率高5.2%；梯级利用系统的(火用)效率比单一ORC系统的高14.7%,比单一TREC系统的高7.3%。