温差发电机：不用电的“智能”风扇

我给朋友捎了一个不耗电的ECOFan风扇（译注：一种利用热能发电作为能源的风扇），这个概念相当酷，所以打算自己从头仿制一个。一个反向安装的半导体制冷片通过温差发电给风扇供应能源。也就是说，只要把它放在温暖的炉子上头，它就会吸收热能驱动风扇转动。

我一直想做个斯特林发动机，可惜复杂度略高。不过这个温差发电的小风扇很简单，适合在一个周末里搞定。

温差发电机原理

温差发电依靠帕耳帖效应，这种效应常用于cpu散热器和袖珍冰箱里的半导体制冷片上。通常使用时我们给制冷片施加电流，一面就会变热而另一面变冷。但是这个效应也可以反过来：只要制冷片两端有温差就会产生电压。

 

塞贝克效应和帕尔帖效应

不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度（或载流子密度），当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会由高浓度向低浓度扩散。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。这种塞贝克效应通常应用于热电偶，用来直接测量温差。

 

 

 

一个温差发电电路由两种赛贝克系数不同的材料接触构成(比如P型半导体和N型半导体)。如果没有负载，电路中不会有电流但是两端会有电动势，这时候它以检测温度的热电偶方式工作。（图片来源：wikipedia.org）

 

帕尔贴效应是塞贝克效应的逆效应，可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。当对上述三种材料通入电流时，金属1会对金属2或相1对相2，或浓度点C1与C2间产生放热或吸热反应。简而言之，当在两种金属（或半导体）回路上施加电压通入电流后，不同金属的接触点会有一个温差。

 

 

 

利用塞贝克效应的热电制冷器电路图。（图片来源：wikipedia.org）

 

由于半导体温差电材料的品质因数比金属的高得多，所以有实用价值的温差电材料都是用半导体材料制成的。帕尔贴器件是利用半导体的帕尔贴效应制冷的器件，实用的半导体制冷器由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差。热电堆也可根据塞贝克效应工作把热能（即内能）转化为电能进行温差发电。当温差电堆两端处于不同温度时，就会产生电动势，可以输出功率。

 

制作工具和材料

 

工具

 

电磨

钢锯

C型架子

锉刀/砂纸

电烙铁

 

材料

 

一个12cm的CPU散热器

一个半导体制冷片

一个1.5V额定电压的电动机

一个旧的奔腾II CPU散热器

一个6英寸的遥控飞机螺旋桨

一些1/8英寸厚的废铝片

6套螺母和螺栓

 

制作过程

 

制作过程很简单，大多数部件直接在网上买最便宜的就行。最大的花费是那个12cm大的热管散热器，价值20美元。但是它附带了大部分能直接应用的安装配件和配套螺丝，没有这些配件会带来很多麻烦。
 

 

 

 

温差发电机的构成（查看大图）

 

半导体制冷片来自一家本地店铺（因为我想尽早拿到周末开工）。可以买到适应更高温度的温差发电专用片（黑贵！），不过大多数情况下不太需要，热源不过是壁炉和开水的程度。

 

制冷片大约能产生1.5～3V的电压，提供的能量也不大。Radio Shack的小电机很合适（3美元）。用作风扇的是一个遥控飞机的螺旋桨，安装时稍费了一些力。

 

底板的原材料是1/8英寸厚的铝板，用钢锯锯下需要的尺寸然后打磨边缘就好。

 

制作的时候不怎么需要计划和图纸，因为你只需要把一叠材料对齐夹住，然后在差不多的地方钻出螺丝孔就好，一只手也能胜任。有些手工误差都不打紧。也许你愿意把孔的位置角度都规划对齐，但是我觉得越简单越好。

我给电机做了一个小支架，这样风扇离顶部的热管散热片更近，能更好地帮助散热。

整个风扇的底座是一个奔腾II的散热器。它有两个作用，一是支撑风扇，二是收集热量在半导体制冷片的两面制造温差。

 

 

 

 

 

 

 

第一次运行的时候，顶部的热管散热片只是稍微温暖。这个风扇的散热效率比买来的EcoFan更好，可以在炉子前面正常工作。

 

这就是几个小时之后的成果，祝制作愉快！