能源短缺和淡水资源匮乏是困扰我国社会经济发展的两大难题。我国低品位热能丰富,特别是南海地区海洋温差能储量巨大,具有重要的利用价值。然而,能效低、投资成本高等问题,限制了海洋温差能发电的商业化应用。与此同时,海水淡化作为一种可从根源上解决沿海地区水资源短缺问题的有效手段,由于其属于能量密集型产业,以传统化石能源作为驱动能源不仅能耗成本高,而且会加剧温室气体的排放。因此,积极开展海洋温差能、太阳能、工业余热等低品位热能的综合高效利用与转换研究,对于实现国家节能减排战略目标以及能源与淡水资源的可持续发展具有重要意义。首先,针对海洋温差能科学高效利用以及低纬度偏远岛屿生产生活的实际需求,依据能量“梯级利用”原理,提出了耦合有机朗肯循环、喷射式制冷以及多效蒸发海水淡化的水电冷联产系统。从热力学第一定律、第二定律和（火用）经济性三个角度考察联产系统的性能。根据模拟结果:联产系统相对节能率和（火用）效率分别可达33.72%和29.33%。通过对设计参数的敏感度分析发现:提高蒸汽发生压力和产水负荷有利于提高系统的热力性能和（火用）经济性。最后,借助非支配排序遗传算法,以（火用）效率和设备总投资为目标函数,分析了五种有机工质的帕累托最优解,得出R601在热力学性能和经济性上表现最佳。随后,基于低沸点混合工质相变过程的变温特性,提出以氨水溶液为工质的改进系统。通过设置两级喷射器耦合Kalina循环和喷射式制冷,并利用喷雾闪蒸技术进一步利用提热后的表层温海水。建立改进系统的热力学和（火用）经济性模型,揭示系统中能量转换利用机理,并得到系统热力性能评价指标及单位产品成本随设计参数的变化规律。研究发现,相比于Kalina循环和基于ORC的联产系统,改进系统发电能力和（火用）效率均有显著提高。基本工况下,系统有效效率和（火用）效率分别为6.77%和37.08%。从运行参数的影响规律上看:降低冷凝压力、提高氨水溶液浓度均有利于提高系统的有效效率和（火用）效率。最后,针对基于喷雾闪蒸的低温海水淡化技术热质传递特性开展研究。基于液滴分析建立数学模型,揭示了盐水液滴在真空环境下的传热传质机理,探究了液滴闪蒸特性与空间距离间的依变关系,分析了液滴初始参数及喷射方向对闪蒸效率以及闪蒸速率等评价指标的影响。在此基础上,构建了基于向上喷射的多级系统,研究了系统的热力学和经济学特性,对级数和盐水顶温等进行了参数的敏感度分析。结果表明,增加级数有助于提高产水能力并降低比能耗,当总级数为4时,单位造水成本最低,为3.28元/吨。