我給朋友捎了一個(ge) 不耗電的ECOFan風扇（譯注：一種利用熱能發電作為(wei) 能源的風扇），這個(ge) 概念相當酷，所以打算自己從(cong) 頭仿製一個(ge) 。一個(ge) 反向安裝的半導體(ti) 製冷片通過溫差發電給風扇供應能源。也就是說，隻要把它放在溫暖的爐子上頭，它就會(hui) 吸收熱能驅動風扇轉動。

我一直想做個(ge) 斯特林發動機，可惜複雜度略高。不過這個(ge) 溫差發電的小風扇很簡單，適合在一個(ge) 周末裏搞定。

溫差發電機原理

溫差發電依靠帕耳帖效應，這種效應常用於(yu) cpu散熱器和袖珍冰箱裏的半導體(ti) 製冷片上。通常使用時我們(men) 給製冷片施加電流，一麵就會(hui) 變熱而另一麵變冷。但是這個(ge) 效應也可以反過來：隻要製冷片兩(liang) 端有溫差就會(hui) 產(chan) 生電壓。

塞貝克效應和帕爾帖效應

不同的金屬導體(ti) （或半導體(ti) ）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當兩(liang) 種不同的金屬導體(ti) 相互接觸時，在接觸麵上的電子就會(hui) 由高濃度向低濃度擴散。而電子的擴散速率與(yu) 接觸區的溫度成正比，所以隻要維持兩(liang) 金屬間的溫差，就能使電子持續擴散，在兩(liang) 塊金屬的另兩(liang) 個(ge) 端點形成穩定的電壓。由此產(chan) 生的電壓通常每開爾文溫差隻有幾微伏。這種塞貝克效應通常應用於(yu) 熱電偶，用來直接測量溫差。

 
一個(ge) 溫差發電電路由兩(liang) 種賽貝克係數不同的材料接觸構成(比如P型半導體(ti) 和N型半導體(ti) )。如果沒有負載，電路中不會(hui) 有電流但是兩(liang) 端會(hui) 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）

帕爾貼效應是塞貝克效應的逆效應，可以產(chan) 生在兩(liang) 種不同金屬的交界麵，或者一種多相材料的不同相界間，也可以產(chan) 生在非勻質導體(ti) 的不同濃度梯度範圍內(nei) 。當對上述三種材料通入電流時，金屬1會(hui) 對金屬2或相1對相2，或濃度點C1與(yu) C2間產(chan) 生放熱或吸熱反應。簡而言之，當在兩(liang) 種金屬（或半導體(ti) ）回路上施加電壓通入電流後，不同金屬的接觸點會(hui) 有一個(ge) 溫差。

 
利用塞貝克效應的熱電製冷器電路圖。（圖片來源：wikipedia.org）

由於(yu) 半導體(ti) 溫差電材料的品質因數比金屬的高得多，所以有實用價(jia) 值的溫差電材料都是用半導體(ti) 材料製成的。帕爾貼器件是利用半導體(ti) 的帕爾貼效應製冷的器件，實用的半導體(ti) 製冷器由很多對熱電元件經並聯、串聯組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差。熱電堆也可根據塞貝克效應工作把熱能（即內(nei) 能）轉化為(wei) 電能進行溫差發電。當溫差電堆兩(liang) 端處於(yu) 不同溫度時，就會(hui) 產(chan) 生電動勢，可以輸出功率。

製作工具和材料

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
• 一個半導體製冷片
• 一個1.5V額定電壓的電動機
• 一個舊的奔騰II CPU散熱器
• 一個6英寸的遙控飛機螺旋槳
• 一些1/8英寸厚的廢鋁片
• 6套螺母和螺栓

製作過程

製作過程很簡單，大多數部件直接在網上買(mai) 最便宜的就行。最大的花費是那個(ge) 12cm大的熱管散熱器，價(jia) 值20美元。但是它附帶了大部分能直接應用的安裝配件和配套螺絲(si) ，沒有這些配件會(hui) 帶來很多麻煩。

溫差發電機的構成

半導體(ti) 製冷片來自一家本地店鋪（因為(wei) 我想盡早拿到周末開工）。可以買(mai) 到適應更高溫度的溫差發電專(zhuan) 用片（黑貴！），不過大多數情況下不太需要，熱源不過是壁爐和開水的程度。

製冷片大約能產(chan) 生1.5～3V的電壓，提供的能量也不大。Radio Shack的小電機很合適（3美元）。用作風扇的是一個(ge) 遙控飛機的螺旋槳，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後打磨邊緣就好。

製作的時候不怎麽(me) 需要計劃和圖紙，因為(wei) 你隻需要把一疊材料對齊夾住，然後在差不多的地方鑽出螺絲(si) 孔就好，一隻手也能勝任。有些手工誤差都不打緊。也許你願意把孔的位置角度都規劃對齊，但是我覺得越簡單越好。

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

整個(ge) 風扇的底座是一個(ge) 奔騰II的散熱器。它有兩(liang) 個(ge) 作用，一是支撐風扇，二是收集熱量在半導體(ti) 製冷片的兩(liang) 麵製造溫差。

第一次運行的時候，頂部的6熱管散熱片隻是稍微溫暖。這個(ge) 風扇的散熱效率比買(mai) 來的EcoFan更好，可以在爐子前麵正常工作。

這就是幾個(ge) 小時之後的成果，祝製作愉快！