發表於 2018-01-24 16:23:24
如何自製一個利用熱能發電作為能源的風扇？也就是通過溫差發電機原理製程，本文提供簡易的教程，不用花費很長時間，只需要有個周末就能完成。一個反向安裝的半導體製冷片通過溫差發電給風扇供應能源。也就是說，只要把它放在溫暖的爐子上頭，它就會吸收熱能驅動風扇轉動。
我一直想做個斯特林發動機，可惜複雜度略高。不過這個溫差發電的小風扇很簡單，適合在一個周末裡搞定。
溫差發電依靠帕耳帖效應，這種效應常用於cpu散熱器和袖珍冰箱裡的半導體製冷片上。通常使用時我們給製冷片施加電流，一面就會變熱而另一面變冷。但是這個效應也可以反過來：只要製冷片兩端有溫差就會產生電壓。
不同的金屬導體（或半導體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當兩種不同的金屬導體相互接觸時，在接觸面上的電子就會由高濃度向低濃度擴散。而電子的擴散速率與接觸區的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩定的電壓。由此產生的電壓通常每開爾文溫差只有幾微伏。這種塞貝克效應通常應用於熱電偶，用來直接測量溫差。
一個溫差發電電路由兩種賽貝克係數不同的材料接觸構成（比如P型半導體和N型半導體）。如果沒有負載，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）
帕爾貼效應是塞貝克效應的逆效應，可以產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，也可以產生在非勻質導體的不同濃度梯度範圍內。當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間產生放熱或吸熱反應。簡而言之，當在兩種金屬（或半導體）迴路上施加電壓通入電流後，不同金屬的接觸點會有一個溫差。
利用塞貝克效應的熱電製冷器電路圖。
由於半導體溫差電材料的品質因數比金屬的高得多，所以有實用價值的溫差電材料都是用半導體材料製成的。帕爾貼器件是利用半導體的帕爾貼效應製冷的器件，實用的半導體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（即內能）轉化為電能進行溫差發電。當溫差電堆兩端處於不同溫度時，就會產生電動勢，可以輸出功率。
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
製作過程很簡單，大多數部件直接在網上買最便宜的就行。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用的安裝配件和配套螺絲，沒有這些配件會帶來很多麻煩。
半導體製冷片來自一家本地店鋪（因為我想儘早拿到周末開工）。可以買到適應更高溫度的溫差發電專用片（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。
製作的時候不怎麼需要計劃和圖紙，因為你只需要把一疊材料對齊夾住，然後在差不多的地方鑽出螺絲孔就好，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。
整個風扇的底座是一個奔騰II的散熱器。它有兩個作用，一是支撐風扇，二是收集熱量在半導體製冷片的兩面製造溫差。
第一次運行的時候，頂部的熱管散熱片只是稍微溫暖。這個風扇的散熱效率比買來的EcoFan更好，可以在爐子前面正常工作。
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