热电材料是利用热电效应(Thermoelectric effect)实现热能与电能相互转换的材料,是热电发电器(Thermoelectric generator:TEG)和热电制冷器(Thermoelectric cooler:TEC)的主要组成部件。因其没有转动部件、无污染、易模块化等优点,受到广泛关注。目前应用于余能回收、航空航天、生物医药、电子器件散热等领域。但由于受到材料的性能的制约,其最佳热电转换效率都对应一个最佳的工作温度区间,因此以热电材料的最佳效率与工作温度区间相适应的角度出发,从热电转换系统的结构设计方面进行优化,提升其系统的整体转换效率是目前系统研究的一个热点问题之一。本文就是基于此分别针对TEG系统和TEC系统开展了优化设计研究。本文的主要工作是采用非支配排序遗传算法对二级热电发电器和二级热电制冷器的几何参数进行优化,并通过决策方法在帕累托前沿上选取了最折衷解。对优化后的性能进行了分析。在TEG中以功率密度和熵产率作为目标函数,对负载电阻,下级热电臂长度,上下级热电臂N/P截面比,N级和P级热电臂之间的角度作为变量进行了多目标优化。并且研究了负载电阻对电压,功率,效率和熵产率的影响。对于TEC,分别建立了二级并联TEC和二级串联TEC,以?效率和不可逆性作为目标函数,对电流,下极热电臂长度和流道宽度与肋片厚度之比作为变量进行了多目标优化。并且对比了并联和串联TEC之间的性能。研究结果表明,对于TEG来说,选择合适的热电材料会使TEG的性能显著提高;随着TEG功率密度的增大,熵产率也会随之增大;当热电材料总体积固定时,优化后的TEG模型存在一个最优的N/P截面比和负载电阻,并且,当负载电阻远大于或小于内部电阻时,TEG系统的性能欠佳。对于TEC模型来说,在一定范围内增大电流会使?效率和COP(Coefficient of Performance)增大,但也会使模型的不可逆损失增大;当热电材料总体积固定时,优化的TEC模型在上级和下级之间存在着最佳热电臂长度比;当所需的冷热端温差相同时,二级并联TEC比二级串联TEC节省约50%的功率消耗,但是并联型的电路设计比串联型的电路设计复杂。本文所采用的方法和研究结果,对于研发高性能的热电发电系统以及热电制冷系统具有一定的理论和实际指导意义。