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【摘要】本文以塞贝克效应为理论基础，设计了一款电脑余热发电装置，利用温差发电组件产生的电能作为基础电源，在电源回路中进行升压，再通过整流稳压模块进行稳压，给电脑散热风扇供电，也可对手机、MP3等小型数码产品充电，节约能源。该实验装置是学生对塞贝克效应实验的创新设计与应用成果，有助于培养学生创新思维和创新实践能力。
【关键词】塞贝克效应；余热回收；余热发电；创新实践
近年来，国家越来越重视创新型人才和应用型人才的培养，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确提出了创新人才培养的新模式，提倡高校对传统的教学内容、教学方法和教学手段等方面进行教学改革，提高教学质量，积极鼓励学生进行创新创业训练，培养学生的创新思维和实践创新能力。本文以学生为本、以能力培养为核心，鼓励学生对塞贝克效应实验进行创新设计与应用，充分发挥学生在实验过程中的主动性和创造性，培养学生运用所学知识发现问题、思考分析问题和解决问题的能力，提高学生的创新思维、实践动手能力和创新创业能力。
一、实验研究的目的与意义
温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式。温差发电技术可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能，具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声，使用寿命长等优点。本文对塞贝克效应实验进行创新性设计，提出了电脑余热发电实验，研发出一款具有实用性的电脑余热发电装置。该装置运用新型半导体材料制成的，能将日常家用电脑CPU所产生废热转化为电能的一种新型的能量转化实验，不但实现了基于半导体热电效应的降温功能，省去笔记本电脑散热风扇的电源供电，节约电能，同时还可对手机、MP3等小型数码产品充电，有效实现了二次能源的利用。
二、塞贝克效应实验原理
塞贝克效应（Seebeck effect）又称温差发电效应，指在由两种不同导电材料组成的闭合回路中，当两个接点存在温度差时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种热电现象。热电效应包括三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应，这三个效应通过开尔文关系式联系在一起，基于这三种效应，可以制造出使热能转换成电能的温差发电原件。热电效应还伴随产生了其他效应如：焦耳热效應和傅里叶效应。
如图1所示，两种不同的半导体材料a、b构成的回路中，一端放置于高温状T2（热端），而另外一端放置于低温状态端T1（冷端），当两端接触节点存在温差△T，冷端处便会产生塞贝克电势△V，即开路电压，定义塞贝克系数α=V/T，当T=△T时写成：
半导体温差发电单元如图2所示，它由N型和P型半导体电偶臂以及负荷电阻组成，通过金属材料（通常是铜）连接起来。当它工作在热端和冷端（可用高锰钢，导热性差）之间，形成回路后就有电流流过负载电阻。电流方向在N极中由冷端流向热端，P极中由热端流向冷端。将很多个这样的P N节串联，再用合适的金属导流板和陶瓷片封装起来，就可以制作成不同性能和规格的温差发电元件。
三、电脑余热发电装置
1.电脑余热发电装置的总体设计
电脑余热发电装置的总体设计（如图3所示），主要包括两大部分：温差发电模块和放大稳压充电模块，构成了该装置的实验电路图（如图4所示）。温差发电模块主要利用半导体温差发电组件产生直流电能，从而提供供电的电能；且在该装置中，散热系统是不需要电脑电源连接的。因为电脑刚运作显卡、CPU的温度不高，没必要开启散热系统，直至温差发电片接受到热源产生温差进行发电，就可以给散热系统发生供电，所以也减少了一部分电能的损耗。
由塞贝克效应可知，温差发电模块的输出电压受温度的影响。电脑显卡和CPU的热能受工作负荷和外界环境的影响，温差发电模块将产生的直流电压难以稳定，而散热器风扇工作时需要提供稳定的12V直流电。因此，在发电装置电路中加入升压（放大电路）模块及宽幅稳压电路模块，将发电装置产生的电压稳定12V，这样就可以直接给散热器风扇供电。当给其他数码设备充电时，数码设备内置有相应的锂电池充电系统，需要电脑提供稳定的5V直流电源。因此，在供电装置中只需采用宽幅稳压电路模块提供5V稳定的直流电源，就可以通过USB充电接口对小型数码产品进行充电。
2.放大电路设计
电脑显卡、CPU分别为温差发电片提供30～95℃、20～70℃的温差，温差发电模块将产生1.8～6V的直流电能电脑显，需要对该电源的电压放大至12V才能给电脑散热风扇供电。所以放大电路的设计主要考虑一下因素：
（1）普遍电脑的散热器供电要求是12V直流电，电流小于等于1A；
（2）显卡和CPU的热能会变化，温差发电模块的实际输出电压在1.8～6V之间波动；
（3）需要升压，放大电路需要将温差发电模块实际输出电压放大至12V左右。
本实验是用型号为SP1848-27145的温差发电片（如图5所示），是由126对P N节串联起来，并封装成40mm×40mm×3.4mm大小的方块。
3.稳压电路设计
电脑显卡、CPU的温度是随着电脑负荷从开机运转开始逐渐上升的，所以温差发电组件冷、热两端的温差也是逐渐上升的，或是有些许波动，导致温差发电模块所产生的电压是变化的、甚至是不稳定的。因此，可以利用稳压充电模块，对温差发电模块产生的直流电进行稳压整流，再把稳定的直流电传输给散热器。由于稳压充电模块的作用，其供电电压始终稳定在12V（ 3%），但是可以提供更大的充电电流，甚至可以储蓄一部分电能。所以稳压电路设计主要考虑一下因素：
（1）普遍的散热器供电要求是12V直流电，电流小于等于1A；
（2）经过放大电路后，取放大电压10～12V；
（3）稳压充电模块实际使用功率是模块额定功率的30～80%为宜。 这就要求所选用的低压DC-DC微型稳压模块的输入范围是10～13V；输出电压为12V（电压精度 2.5%）；最大输出电流2A；空载工作电流0.013mA。把该模块应用到稳压充电模块的稳压整流电路中符合实验要求。
三、实验分析
1.实验步骤及过程
本实验的关键技术分别是应用赛贝克效应实现能源转化率较高的半导体温差发电模型；装置中温差的稳定；克服电流回路中的佩尔捷、汤姆孙放热效应。
半导体温差发电主要利用其冷面和热面的温差来产生电能，如何维持温差的稳定是至关重要的问题。热源是笔记本电脑中的CPU、显卡等硬件，冷源是高锰钢集合板。该发电模块嵌入2块温差发电片，两片经串联（串联后内阻约为6.6Ω）给散热风扇提供动能，对于高配置的游戏本，因为其发热现象更为严重，温差更大，形成的赛贝尔电流则更为明显，本实验外接一个散热器辅助散热且为其供电。该设计的理想温差在30～80℃之间。具体实验步骤如下：
（1）按照设计的电脑余热回收装置电路，焊接好所需的电子元件，制作成微型稳压模块与微型升压模块。把微型稳压模块、微型升压模块和发电片、散热片以及散热风扇组按要求装成一套完整的发电系统。
（2）两发电片热端分别与电脑的CPU、显卡通过硅脂膏粘合在一起（在实验过程中如果条件有限可以采用加热的水代替显卡和CPU作为热源进行测试。由于加热的水温度是逐渐上升的，且上升到一定温度后就停止加热，因此使用加热的水代替显卡、CPU散热的方式在实验室中进行测试是可行的）。
（3）开启电脑，利用红外温度计实时观察并且记录显卡热源与冷源与CPU热源与冷源的总温差（例如：显卡热源与冷源的温差为60℃，CPU热源与冷源的温差为40℃，那么该系统的总温差则为100℃）。本实验均使用用型号为SP1848-27145的温差发电组件。
（4）分别测出记录总温差为20k℃（K=n；0 （5）分别测出记录总温差为20k℃（K=n；0 （6）稳压模块与微型升压模块经静态损耗、导通损耗、开关损耗、与时序相关的损耗的一系列效率损耗之后[7]，我们可以通过对比输入功率和输出功率来求出转换效率，其中可用到的参考公式有：
Vin*Iin*轉换效率=Vout*out
（7）重复步骤（4）和（5）两次，整理数据，取平均值作为实验结果，对实验结果进行分析并且绘制曲线图。
（8）制作实验报告，评估塞贝克效应是否明显。
2.实验结果分析
通过对该装置的实验测试，分析与改进，最终得出了如下表所示的实验数据：
（1）从图6可看出温差为80℃时，该装置输出功率约3.25W。散热风扇的电压为12V，电阻约50Ω。则散热器的功率P=2.88W<3.25W，表明当电脑温度达到80℃时，该装置足以满足散热风扇供电。
（2）除电流不满足笔记本电脑风扇的参数要求外，其他各方面性能参数能较好的满足散热风扇的工作要求。实验中，为保证温度的均匀，在温差发电模块的吸热底座加装铝制均热板，且在温差发电组件的冷、热两面均匀抹上导热膏，在提高冷热面的温差，增大电能输出这方面起到了关键作用，塞贝克效应极其明显。
（3）从测试的结果可以看到，装置输出功率、供电电流都满足要求，只是功率的高低会影响风扇的转速；风扇转动过程中也没有出现停滞的情况。可见该内置余热回收装置，能够利用显卡和CPU的热能，为散热器系统供电，而且供电效果和电脑电源供电的效果相接近，符合实验要求。
四、创新点
1.实验教学的创新点
（1）本实验内容涵盖了能源、电气、机械、电子、传感器等多个综合学科的知识，使得学生在现有知识的基础上，自主探索学习其他知识，培养学生发现、分析解决问题的能力，全面提高学生的创新思维和创新实践能力。
（2）本实验通过电路的焊接，组装发电系统等实验步骤，培养了学生的实践动手能力，能更好地激发学生的学习主动性和学习兴趣。
（3）本实验是课内外相结合的开放式实验，在实验过程中，以学生实践创新为主，教师指导为辅，充分发挥学生在实验过程中的主动性和创造性。
2.实验的创新点
（1）该实验装置是根据半导体的三大效应制造出的集成复合产品，不仅能实现降温控温功能，同时能够实现对散发出的余热热能源的二次利用。
（2）将温差发电这一新型绿色发电方式应用于实际生活。
（3）节约能源（电能），绿色无污染。利用废弃的热能转换成有价值的能源，实现能源的再利用循环；
（4）转换过程中不需要任何附加的机械运动部件，工作过程中没有震动和噪声、结构紧凑。
五、总结
本文对塞贝克效应实验的创新应用提出的余热发电实验，研发出一套具有实用性的电脑余热发电装置，并对该装置进行了试验分析，实验表明：该装置能够的将低品位废热转化为电能再次利用，结构简单，具有较好的应用价值。该实验装置对于巩固学生的科技知识、激发学生的学习兴趣、培养学生创新思维和创新创业能力具有重要的促进作用。
参考文献：
[1]李治淼，丛蕊，齐林宇.大学生创新实验计划认知调查分析[J].中国电力教育，2013（4）：192-193.
[2]汪琴，王凤琳，杨郁鑫.基于温差发电的发电装置的设计与制作[J].汽车实用技术，2018（05）：74-75 87.
[3]李蒙，李洪涛，郅惠博，吴益文，王彪，吴晓红，陈杰，季诚昌，宿太超.热电材料塞贝克系数测试影响因素研究[J].中国测试，2014，40（04）：132-136.
[4]马海燕，杨犀.三极管放大电路的设计思路[J].科学技术创新，2017（36）：185-186.
[5]张腾，张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术，2009，30（01）：35-39.
[6]唐金元，王翠珍.0～24V可调直流稳压电源电路的设计方法[J].现代电子技术，2008（04）：12-14.
[7]顾志冰.高效率PWM控制电流型DC-DC升压转换电路的研究[D].电子科技大学，2016.
【关键词】塞贝克效应；余热回收；余热发电；创新实践
近年来，国家越来越重视创新型人才和应用型人才的培养，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确提出了创新人才培养的新模式，提倡高校对传统的教学内容、教学方法和教学手段等方面进行教学改革，提高教学质量，积极鼓励学生进行创新创业训练，培养学生的创新思维和实践创新能力。本文以学生为本、以能力培养为核心，鼓励学生对塞贝克效应实验进行创新设计与应用，充分发挥学生在实验过程中的主动性和创造性，培养学生运用所学知识发现问题、思考分析问题和解决问题的能力，提高学生的创新思维、实践动手能力和创新创业能力。
一、实验研究的目的与意义
温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式。温差发电技术可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能，具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪声，使用寿命长等优点。本文对塞贝克效应实验进行创新性设计，提出了电脑余热发电实验，研发出一款具有实用性的电脑余热发电装置。该装置运用新型半导体材料制成的，能将日常家用电脑CPU所产生废热转化为电能的一种新型的能量转化实验，不但实现了基于半导体热电效应的降温功能，省去笔记本电脑散热风扇的电源供电，节约电能，同时还可对手机、MP3等小型数码产品充电，有效实现了二次能源的利用。
二、塞贝克效应实验原理
塞贝克效应（Seebeck effect）又称温差发电效应，指在由两种不同导电材料组成的闭合回路中，当两个接点存在温度差时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种热电现象。热电效应包括三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应，这三个效应通过开尔文关系式联系在一起，基于这三种效应，可以制造出使热能转换成电能的温差发电原件。热电效应还伴随产生了其他效应如：焦耳热效應和傅里叶效应。
如图1所示，两种不同的半导体材料a、b构成的回路中，一端放置于高温状T2（热端），而另外一端放置于低温状态端T1（冷端），当两端接触节点存在温差△T，冷端处便会产生塞贝克电势△V，即开路电压，定义塞贝克系数α=V/T，当T=△T时写成：
半导体温差发电单元如图2所示，它由N型和P型半导体电偶臂以及负荷电阻组成，通过金属材料（通常是铜）连接起来。当它工作在热端和冷端（可用高锰钢，导热性差）之间，形成回路后就有电流流过负载电阻。电流方向在N极中由冷端流向热端，P极中由热端流向冷端。将很多个这样的P N节串联，再用合适的金属导流板和陶瓷片封装起来，就可以制作成不同性能和规格的温差发电元件。
三、电脑余热发电装置
1.电脑余热发电装置的总体设计
电脑余热发电装置的总体设计（如图3所示），主要包括两大部分：温差发电模块和放大稳压充电模块，构成了该装置的实验电路图（如图4所示）。温差发电模块主要利用半导体温差发电组件产生直流电能，从而提供供电的电能；且在该装置中，散热系统是不需要电脑电源连接的。因为电脑刚运作显卡、CPU的温度不高，没必要开启散热系统，直至温差发电片接受到热源产生温差进行发电，就可以给散热系统发生供电，所以也减少了一部分电能的损耗。
由塞贝克效应可知，温差发电模块的输出电压受温度的影响。电脑显卡和CPU的热能受工作负荷和外界环境的影响，温差发电模块将产生的直流电压难以稳定，而散热器风扇工作时需要提供稳定的12V直流电。因此，在发电装置电路中加入升压（放大电路）模块及宽幅稳压电路模块，将发电装置产生的电压稳定12V，这样就可以直接给散热器风扇供电。当给其他数码设备充电时，数码设备内置有相应的锂电池充电系统，需要电脑提供稳定的5V直流电源。因此，在供电装置中只需采用宽幅稳压电路模块提供5V稳定的直流电源，就可以通过USB充电接口对小型数码产品进行充电。
2.放大电路设计
电脑显卡、CPU分别为温差发电片提供30～95℃、20～70℃的温差，温差发电模块将产生1.8～6V的直流电能电脑显，需要对该电源的电压放大至12V才能给电脑散热风扇供电。所以放大电路的设计主要考虑一下因素：
（1）普遍电脑的散热器供电要求是12V直流电，电流小于等于1A；
（2）显卡和CPU的热能会变化，温差发电模块的实际输出电压在1.8～6V之间波动；
（3）需要升压，放大电路需要将温差发电模块实际输出电压放大至12V左右。
本实验是用型号为SP1848-27145的温差发电片（如图5所示），是由126对P N节串联起来，并封装成40mm×40mm×3.4mm大小的方块。
3.稳压电路设计
电脑显卡、CPU的温度是随着电脑负荷从开机运转开始逐渐上升的，所以温差发电组件冷、热两端的温差也是逐渐上升的，或是有些许波动，导致温差发电模块所产生的电压是变化的、甚至是不稳定的。因此，可以利用稳压充电模块，对温差发电模块产生的直流电进行稳压整流，再把稳定的直流电传输给散热器。由于稳压充电模块的作用，其供电电压始终稳定在12V（ 3%），但是可以提供更大的充电电流，甚至可以储蓄一部分电能。所以稳压电路设计主要考虑一下因素：
（1）普遍的散热器供电要求是12V直流电，电流小于等于1A；
（2）经过放大电路后，取放大电压10～12V；
（3）稳压充电模块实际使用功率是模块额定功率的30～80%为宜。 这就要求所选用的低压DC-DC微型稳压模块的输入范围是10～13V；输出电压为12V（电压精度 2.5%）；最大输出电流2A；空载工作电流0.013mA。把该模块应用到稳压充电模块的稳压整流电路中符合实验要求。
三、实验分析
1.实验步骤及过程
本实验的关键技术分别是应用赛贝克效应实现能源转化率较高的半导体温差发电模型；装置中温差的稳定；克服电流回路中的佩尔捷、汤姆孙放热效应。
半导体温差发电主要利用其冷面和热面的温差来产生电能，如何维持温差的稳定是至关重要的问题。热源是笔记本电脑中的CPU、显卡等硬件，冷源是高锰钢集合板。该发电模块嵌入2块温差发电片，两片经串联（串联后内阻约为6.6Ω）给散热风扇提供动能，对于高配置的游戏本，因为其发热现象更为严重，温差更大，形成的赛贝尔电流则更为明显，本实验外接一个散热器辅助散热且为其供电。该设计的理想温差在30～80℃之间。具体实验步骤如下：
（1）按照设计的电脑余热回收装置电路，焊接好所需的电子元件，制作成微型稳压模块与微型升压模块。把微型稳压模块、微型升压模块和发电片、散热片以及散热风扇组按要求装成一套完整的发电系统。
（2）两发电片热端分别与电脑的CPU、显卡通过硅脂膏粘合在一起（在实验过程中如果条件有限可以采用加热的水代替显卡和CPU作为热源进行测试。由于加热的水温度是逐渐上升的，且上升到一定温度后就停止加热，因此使用加热的水代替显卡、CPU散热的方式在实验室中进行测试是可行的）。
（3）开启电脑，利用红外温度计实时观察并且记录显卡热源与冷源与CPU热源与冷源的总温差（例如：显卡热源与冷源的温差为60℃，CPU热源与冷源的温差为40℃，那么该系统的总温差则为100℃）。本实验均使用用型号为SP1848-27145的温差发电组件。
（4）分别测出记录总温差为20k℃（K=n；0
Vin*Iin*轉换效率=Vout*out
（7）重复步骤（4）和（5）两次，整理数据，取平均值作为实验结果，对实验结果进行分析并且绘制曲线图。
（8）制作实验报告，评估塞贝克效应是否明显。
2.实验结果分析
通过对该装置的实验测试，分析与改进，最终得出了如下表所示的实验数据：
（1）从图6可看出温差为80℃时，该装置输出功率约3.25W。散热风扇的电压为12V，电阻约50Ω。则散热器的功率P=2.88W<3.25W，表明当电脑温度达到80℃时，该装置足以满足散热风扇供电。
（2）除电流不满足笔记本电脑风扇的参数要求外，其他各方面性能参数能较好的满足散热风扇的工作要求。实验中，为保证温度的均匀，在温差发电模块的吸热底座加装铝制均热板，且在温差发电组件的冷、热两面均匀抹上导热膏，在提高冷热面的温差，增大电能输出这方面起到了关键作用，塞贝克效应极其明显。
（3）从测试的结果可以看到，装置输出功率、供电电流都满足要求，只是功率的高低会影响风扇的转速；风扇转动过程中也没有出现停滞的情况。可见该内置余热回收装置，能够利用显卡和CPU的热能，为散热器系统供电，而且供电效果和电脑电源供电的效果相接近，符合实验要求。
四、创新点
1.实验教学的创新点
（1）本实验内容涵盖了能源、电气、机械、电子、传感器等多个综合学科的知识，使得学生在现有知识的基础上，自主探索学习其他知识，培养学生发现、分析解决问题的能力，全面提高学生的创新思维和创新实践能力。
（2）本实验通过电路的焊接，组装发电系统等实验步骤，培养了学生的实践动手能力，能更好地激发学生的学习主动性和学习兴趣。
（3）本实验是课内外相结合的开放式实验，在实验过程中，以学生实践创新为主，教师指导为辅，充分发挥学生在实验过程中的主动性和创造性。
2.实验的创新点
（1）该实验装置是根据半导体的三大效应制造出的集成复合产品，不仅能实现降温控温功能，同时能够实现对散发出的余热热能源的二次利用。
（2）将温差发电这一新型绿色发电方式应用于实际生活。
（3）节约能源（电能），绿色无污染。利用废弃的热能转换成有价值的能源，实现能源的再利用循环；
（4）转换过程中不需要任何附加的机械运动部件，工作过程中没有震动和噪声、结构紧凑。
五、总结
本文对塞贝克效应实验的创新应用提出的余热发电实验，研发出一套具有实用性的电脑余热发电装置，并对该装置进行了试验分析，实验表明：该装置能够的将低品位废热转化为电能再次利用，结构简单，具有较好的应用价值。该实验装置对于巩固学生的科技知识、激发学生的学习兴趣、培养学生创新思维和创新创业能力具有重要的促进作用。
参考文献：
[1]李治淼，丛蕊，齐林宇.大学生创新实验计划认知调查分析[J].中国电力教育，2013（4）：192-193.
[2]汪琴，王凤琳，杨郁鑫.基于温差发电的发电装置的设计与制作[J].汽车实用技术，2018（05）：74-75 87.
[3]李蒙，李洪涛，郅惠博，吴益文，王彪，吴晓红，陈杰，季诚昌，宿太超.热电材料塞贝克系数测试影响因素研究[J].中国测试，2014，40（04）：132-136.
[4]马海燕，杨犀.三极管放大电路的设计思路[J].科学技术创新，2017（36）：185-186.
[5]张腾，张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术，2009，30（01）：35-39.
[6]唐金元，王翠珍.0～24V可调直流稳压电源电路的设计方法[J].现代电子技术，2008（04）：12-14.
[7]顾志冰.高效率PWM控制电流型DC-DC升压转换电路的研究[D].电子科技大学，2016.