我給朋友捎了一個不耗電的ECOFan風(fēng)扇（譯注：一種利用熱能發(fā)電作為能源的風(fēng)扇），這個概念相當(dāng)酷，所以打算自己從頭仿制一個。一個反向安裝的半導(dǎo)體制冷片通過溫差發(fā)電給風(fēng)扇供應(yīng)能源。也就是說，只要把它放在溫暖的爐子上頭，它就會吸收熱能驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

我一直想做個斯特林發(fā)動機(jī)，可惜復(fù)雜度略高。不過這個溫差發(fā)電的小風(fēng)扇很簡單，適合在一個周末里搞定。

溫差發(fā)電機(jī)原理

溫差發(fā)電依靠帕耳帖效應(yīng)，這種效應(yīng)常用于cpu散熱器和袖珍冰箱里的半導(dǎo)體制冷片上。通常使用時我們給制冷片施加電流，一面就會變熱而另一面變冷。但是這個效應(yīng)也可以反過來：只要制冷片兩端有溫差就會產(chǎn)生電壓。

塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)

不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時，在接觸面上的電子就會由高濃度向低濃度擴(kuò)散。而電子的擴(kuò)散速率與接觸區(qū)的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續(xù)擴(kuò)散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩(wěn)定的電壓。由此產(chǎn)生的電壓通常每開爾文溫差只有幾微伏。這種塞貝克效應(yīng)通常應(yīng)用于熱電偶，用來直接測量溫差。

 
一個溫差發(fā)電電路由兩種賽貝克系數(shù)不同的材料接觸構(gòu)成(比如P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體)。如果沒有負(fù)載，電路中不會有電流但是兩端會有電動勢，這時候它以檢測溫度的熱電偶方式工作。（圖片來源：wikipedia.org）

帕爾貼效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，可以產(chǎn)生在兩種不同金屬的交界面，或者一種多相材料的不同相界間，也可以產(chǎn)生在非勻質(zhì)導(dǎo)體的不同濃度梯度范圍內(nèi)。當(dāng)對上述三種材料通入電流時，金屬1會對金屬2或相1對相2，或濃度點C1與C2間產(chǎn)生放熱或吸熱反應(yīng)。簡而言之，當(dāng)在兩種金屬（或半導(dǎo)體）回路上施加電壓通入電流后，不同金屬的接觸點會有一個溫差。

 
利用塞貝克效應(yīng)的熱電制冷器電路圖。（圖片來源：wikipedia.org）

由于半導(dǎo)體溫差電材料的品質(zhì)因數(shù)比金屬的高得多，所以有實用價值的溫差電材料都是用半導(dǎo)體材料制成的。帕爾貼器件是利用半導(dǎo)體的帕爾貼效應(yīng)制冷的器件，實用的半導(dǎo)體制冷器由很多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差。熱電堆也可根據(jù)塞貝克效應(yīng)工作把熱能（即內(nèi)能）轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行溫差發(fā)電。當(dāng)溫差電堆兩端處于不同溫度時，就會產(chǎn)生電動勢，可以輸出功率。

制作工具和材料

工具

• 電磨
• 鋼鋸
• C型架子
• 銼刀/砂紙
• 電烙鐵

材料

• 一個12cm的CPU散熱器
• 一個半導(dǎo)體制冷片
• 一個1.5V額定電壓的電動機(jī)
• 一個舊的奔騰II CPU散熱器
• 一個6英寸的遙控飛機(jī)螺旋槳
• 一些1/8英寸厚的廢鋁片
• 6套螺母和螺栓

制作過程

制作過程很簡單，大多數(shù)部件直接在網(wǎng)上買最便宜的就行。最大的花費是那個12cm大的熱管散熱器，價值20美元。但是它附帶了大部分能直接應(yīng)用的安裝配件和配套螺絲，沒有這些配件會帶來很多麻煩。

溫差發(fā)電機(jī)的構(gòu)成

半導(dǎo)體制冷片來自一家本地店鋪（因為我想盡早拿到周末開工）。可以買到適應(yīng)更高溫度的溫差發(fā)電專用片（黑貴！），不過大多數(shù)情況下不太需要，熱源不過是壁爐和開水的程度。

制冷片大約能產(chǎn)生1.5～3V的電壓，提供的能量也不大。Radio Shack的小電機(jī)很合適（3美元）。用作風(fēng)扇的是一個遙控飛機(jī)的螺旋槳，安裝時稍費了一些力。

底板的原材料是1/8英寸厚的鋁板，用鋼鋸鋸下需要的尺寸然后打磨邊緣就好。

制作的時候不怎么需要計劃和圖紙，因為你只需要把一疊材料對齊夾住，然后在差不多的地方鉆出螺絲孔就好，一只手也能勝任。有些手工誤差都不打緊。也許你愿意把孔的位置角度都規(guī)劃對齊，但是我覺得越簡單越好。

我給電機(jī)做了一個小支架，這樣風(fēng)扇離頂部的熱管散熱片更近，能更好地幫助散熱。

整個風(fēng)扇的底座是一個奔騰II的散熱器。它有兩個作用，一是支撐風(fēng)扇，二是收集熱量在半導(dǎo)體制冷片的兩面制造溫差。

第一次運行的時候，頂部的6熱管散熱片只是稍微溫暖。這個風(fēng)扇的散熱效率比買來的EcoFan更好，可以在爐子前面正常工作。

這就是幾個小時之后的成果，祝制作愉快！