热电发电器(TEG),具有清洁绿色、体积小、重量轻、安装维修方便等优点,且能够利用低品位热源直接将热能转化为电能,具有极大的发展潜力。然而,现有传统的TEG输出性能相对较差,限制其大范围应用。为了提高传统TEG的输出性能,变截面型TEG应运而生,且成为研究热点。然而,现有变截面TEG研究还存在认识不足、性能提升需要以及未考虑实际应用等问题。基于此,本课题通过数值模拟和理论分析相结合的方式,对变截面型TEG展开了充分研究。首先,回答变截面TEG使输出功率提高或者降低的原因。建立理论模型,重点分析截面形状和热边界条件对TEG性能的影响。提出了一个无量纲形状因子m,适用于任何截面形状;在形状因子m的基础上,得到8种边界条件组合下的TEG输出性能的分析表达式。研究发现,变截面能否提高输出功率取决于边界条件类型,而m决定功率提高或者降低的程度。为进一步提高变截面TEG性能,提出变截面复合分段式梯度TEG结构。与单一材料相比,最佳分段式设计能够将输出功率提高16.9%和14.9%,引入变截面后,输出功率可进一步提高4.21%。在此基础上,提出了一个通用分析模型,可计算任意形状半导体腿的平均ZT,以预测最佳的腿长比。最后,考虑到实际工作场合特性,提出基于非均匀热源的变截面热电发电系统,研究发现新设计能够显著提高热电性能,与传统设计相比,最大可将输出功率提高9.8%。与此同时,在热源入口温度低、入口流速小、热电单元总数多的条件下,新设计的性能提高比例更大。