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手工制作温差发电小风扇

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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。

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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。

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利用塞贝克效应的热电制冷器电路图。

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。

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