传统热机在人类社会发展中发挥巨大的作用,但是尾气排放也对环境造成严重的污染。本文利用PZT陶瓷的热释电效应设计一种固态热机热电转换装置,实现对环境中低品位热能的收集,并将其转化为电能。该热机运行过程清洁零排放,收集废热也有利于生态环境的修复。实验利用改变热机表面吸收率的方法在其表面构造量化的热场,通过对照实验探究非均匀热场对热电转换有效性的影响,并设计不同结构的非均匀热场寻求最大优化。首先,构建热释电效应的理论模型,推导PZT固态热机在调频光源激发时表面的理论温度和理论输出电压。其次,基于热释电效应理论设计三种不同表面吸收率分布的样本:1号热机的电极表面未经过处理;2号热机的电极表面完全覆盖碳墨层;3号热机的电极表面局部覆盖碳墨层。3种热机分别接受恒定和调频光源的激发,实验测得热机表面的温度分布和输出电压。结果表明:当光源的聚焦光斑温度为125℃,恒定输入时,碳墨层的覆盖面积越大,热机的整体温度越高,温度变化率越大,电压呈非持续输出;在输入光源的温度不变,频率为0.1HZ的条件下,3号热机因表面非均匀分布的热场使得第三热释电效应得到强化,输出电压最大为-0.84~0.96V,比2号的输出电压提高80%,比1号电压输出提高271%,2号热机表面因覆盖高吸收率的碳墨层强化了光-热转换效率,比1号电压输出提高108.3%。为了探究非均匀热场的结构对热电特性的影响,在热机表面设计了其他类型的碳墨层结构,在调频光源激发下构造不同的非均匀热场,通过实验测量不同碳墨层结构覆盖的热机的温度分布和输出电压。实验结果表明:当覆盖的碳墨层的图案不变,碳墨层面积占整个电极表面的比例影响热机的电压输出,当碳墨层面积占比较大时,热机的整体温差较小,材料膨胀幅度减小,第三热释电效应减弱,电压输出减小,当碳墨层面积占比较小时,热机的整体温度减小,第一第二热释电效应减弱,电压减小,其中碳墨层面积占比为77.8%的热机的电压输出最大;当碳墨层面积不变,碳墨层区域的个数改变时,输出的电压随碳墨层区域个数的增多先增加后减小,其中由4个碳墨层区域覆盖的热机的输出电压最大。