Wykorzystywanie ciepła procesora do generowania elektryczności

Czytam Structured Computer Organisation Tanenbauma i mówi, że jednym z głównych wąskich gardeł w zwiększaniu szybkości taktowania procesora jest ciepło. Zacząłem więc myśleć: czy można całkowicie usunąć radiator i wykorzystać to ciepło do wytworzenia większej ilości prądu? Szukałem tego i znalazłem te materiały termoelektryczne i ten generator termoelektryczny :

Przeczytałem w tym artykule w Wikipedii, że „stopy krzemowo-germanowe są obecnie najlepszymi materiałami termoelektrycznymi o temperaturze około 1000 ° C (...)” i wiem, że procesor zwykle pracuje w temperaturze około 30 ~ 40 ° C. Tak więc osiągnięcie 1000 ° C wymagałoby więcej procesorów.

Pomyślałem więc: co powiesz na umieszczenie wielu procesorów równolegle bez ich radiatorów, aby zebrać więcej ciepła? Możemy również znacznie podkręcić te procesory i zobaczyć, ile ciepła mogą wytworzyć.

Ale utknąłem. Nie wiem, co dalej myśleć. Nie wiem nawet, czy to dobra myśl.

Moje pytanie brzmi: dlaczego nie opracować jakiegoś radiatora, który wytwarza energię elektryczną z ciepła procesora? Wiem, że ktoś musiał już o tym pomyśleć i zastanowić się, dlaczego tego nie zrobić, ale nie mogę tego rozgryźć.

Dlaczego to nie jest możliwe?

EDYCJA dla wyjaśnienia: Nie chcę, aby procesory działały w 1000 ° C. Wymienię moje kroki rozumowania (niekoniecznie prawidłowe), które były z grubsza:

1. Szybkość zegara procesora jest ograniczona temperaturą roboczą (T).
2. Procesory generują ciepło. Ciepło powoduje wzrost T.
3. Radiatory dbają o to ciepło, aby utrzymać T = 40 ° C.
4. Wymień radiator na generator termoelektryczny (zbudowany z SiGe lub podobnego materiału)
5. Umieść wiele procesorów obok siebie, aby zwiększyć wytwarzanie ciepła.
6. Ciepło dochodzi z procesorów do TEG, więc procesory pozostają w temperaturze T = 40 ° C.
7. czy to możliwe?
8. Jak zbudować taki TEG? Jakiego materiału użyć?
9. Dlaczego takie urządzenie jeszcze nie istnieje?
10. Zadałem to pytanie.

EDYCJA 2: Widzę, że mój pomysł jest zasadniczo zły i zły. Dziękuję za wszystkie odpowiedzi i komentarze. Przepraszamy za wszelkie nieporozumienia.

tl; dr Tak, możesz wydobyć niewielką ilość energii z ciepła odpadowego procesora, ale twój radiator musi być tym większy, im więcej mocy chcesz odzyskać.

wyjaśnienie Nie ma maszyny, która zamienia ciepło w energię, tylko maszyny, które przekształcają różnicę ciepłado władzy. W twoim przypadku ta różnica to różnica między temperaturą procesora a temperaturą otoczenia. Maksymalna teoretyczna wydajność tego procesu wynosi (1 - T_cold / T_hot), więc dla temperatury otoczenia wynoszącej 25 ° C, temperatury procesora wynoszącej 40 ° C i przepływu ciepła 50 W można wytworzyć 2,4 wata energii elektrycznej za pomocą idealnego konwertera (temperatury są temperaturami bezwzględnymi w kelwinach). Jeśli pozwolisz procesorowi osiągnąć 60 stopni C, możesz uzyskać do 5 watów, a jeśli pozwolisz na 100 stopni C, możesz uzyskać do 10 watów. Rzeczywiste przetworniki ciepła na energię są bardziej nieefektywne, zwłaszcza elementy termoelektryczne. Poleciłbym silnik Stirlinga, który jest bliższy idealnej wydajności.

W ten sposób ciepło przepływa z pasywnym radiatorem:

[CPU] --> [Environment]

Złącze procesor-środowisko ma opór cieplny, mierzony w kelwinach / watach, bezpośrednio równoważny z oporem elektrycznym mierzonym w woltach / amperach. W niektórych arkuszach danych mogły wystąpić wartości Kelvina / Wata. Idealny radiator ma zerową rezystancję, więc różnica temperatur wynosi 0, a procesor pracuje w temperaturze otoczenia (25 st. C). Przy rzeczywistym radiatorze 0,5 K / W i przepływie ciepła 50 W (CPU wytwarza 50 W ciepła), różnica temperatur wynosi 25 K, a procesor 50 ° C.

Oto jak ciepło przepływa z proponowaną maszyną:

[CPU] --> [Hot end of machine] --> [Cold end of machine] --> [Environment]

We wszystkich trzech punktach występują opory cieplne, tj. Różnice temperatur. Załóżmy, że połączenie procesora z gorącym końcem maszyny jest idealne, tzn. Mają tę samą temperaturę. Odporność termiczna wewnątrz urządzenia służy do wytwarzania energii elektrycznej. Opór cieplny między zimnym końcem a środowiskiem jest zapewniany przez zimny koniec radiatora.

Powiedzmy, że radiator na zimnym końcu jest taki sam, jak w przypadku procesora, z 0,5 K / W, i chcemy, aby procesor miał 50 stopni C. Wtedy zimny koniec maszyny ma już 50 stopni, i nie może występować różnica temperatur na maszynie, tzn. nie może wytwarzać żadnej mocy. Jeśli użyjemy radiatora dwa razy był duży (0,25 K / W), wówczas zimny koniec wyniesie 37,5 st. C, a różnica temperatur nad maszyną wynosi 12,5 st. C, więc może wygenerować trochę mocy.

Każda maszyna, która pobiera energię z różnicy temperatur, ma opór cieplny równy (temperature difference)/(Heat flow). Odporność termiczna urządzenia jest dodawana do oporu cieplnego radiatora, więc temperatura procesora będzie zawsze wyższa, jeśli pomiędzy nimi znajdzie się maszyna.

BTW Niektóre overclockery idą w drugą stronę: dodają element termoelektryczny, który działa odwrotnie, wykorzystując energię elektryczną do pompowania ciepła z procesora do radiatora, tworząc ujemną różnicę temperatur. Procesor znajduje się na zimnym końcu, a radiator na gorącym końcu.

BTW Właśnie dlatego elektrownie jądrowe mają ogromne wieże chłodnicze, które działają jak zimny koniec radiatora.

Problem z generatorami termoelektrycznymi polega na tym, że są one niesamowicie nieefektywne.

W przypadku procesora MUSISZ pozbyć się wytwarzanego przez nie ciepła lub stopić.

Możesz podłączyć moduł Peltiera i wydobyć z niego niewielką ilość prądu, ale nadal będziesz musiał rozproszyć pozostałą część ciepła klasyczną metodą wymiany ciepła. Ilość wytworzonej energii elektrycznej prawdopodobnie nie byłaby wystarczająca, aby uzasadnić koszt instalacji.

MOŻESZ także używać peltiera jako chłodnicy. Jednak musisz DODAĆ moc, aby wypompować ciepło. Tę moc należy następnie rozproszyć wraz z ciepłem usuwanym przez wymiennik ciepła. W końcu ta ostatnia musi być większa, aby efekt netto był gorszy.

Ciepło do władzy jest pomysłem „świętego Graala” i jest tam z zimną fuzją jako teoretycznym snem.

Zredagowane dla przejrzystości

Skuteczna konwersja BEZPOŚREDNIA z ciepła na elektryczność jest ideą „świętego Graala” i jest tam z zimnym stopniem jako teoretycznym snem.

Do generowania energii elektrycznej chcesz, aby gorąca strona (procesor) była tak gorąca, jak to możliwe, aby uzyskać maksymalną wydajność. Generator termiczny spowalnia ruch ciepła, gdy pobiera z niego energię.

Do prowadzenia obliczeń, chcesz procesor być tak zimno , jak to możliwe. Wyższe temperatury zwiększają rezystancję elektryczną krzemu. Właśnie dlatego masz wysoce przewodzące radiatory, wentylatory itp .: aby jak najszybciej odprowadzić ciepło.

Wymagania te są bezpośrednio sprzeczne.

Zaskoczony, że nikt inny nie wspomniał o tym:

Sensowne może być wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego z procesu spalania paliwa. Generowanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego z systemu, który jest zasilany przede wszystkim energią elektryczną? To nie ma sensu. Jeśli możesz w ten sposób oszczędzać energię, możesz zaoszczędzić jeszcze więcej energii, budując system, który przede wszystkim bardziej efektywnie wykorzystuje energię elektryczną.

Prawa termodynamiki mówią, że połączenie dwóch źródeł energii o tej samej temperaturze nie oznacza wyższego poziomu energii. Na przykład włożenie nalewania kubka gorącej wody do innego kubka gorącej wody nie powoduje, że kombinacja jest gorętsza niż osobne kubki.

Ciepło jest również jedną z najniższych form energii, ponieważ niewiele można z nim zrobić. Energia elektryczna może przepływać obwody, wiatr może wytwarzać ruch mechaniczny, ale ciepło nie może zrobić nic poza włożeniem większej ilości energii w płyn lub ciało stałe.

To powiedziawszy, najbardziej wykonalną metodą pozyskiwania energii z ciepła jest gotowanie płynu (na przykład wody) w celu obrócenia turbiny. Złożenie wielu radiatorów razem i przymocowanie do wanny może spowodować zagotowanie wody, jeśli procesory mają temperaturę powyżej 100 C. Ale, jak zapewne można wywnioskować, jest to okropny pomysł.

Zabawne myślenie, ale nie. Twój procesor to nie tylko układ scalony, są w nim połączone przewody łączące i obudowa, która nie miałaby szansy na 1000 ° C.

Poza tym należy wziąć pod uwagę pewne prawa termodynamiki. Nadal musisz włożyć ogromną ilość energii do systemu, aby uzyskać bardzo niewiele. Element Peltiera, o którym mówisz, wymaga dużego dT (różnica między stroną zimną i gorącą), więc po prostu zdjęcie radiatora spowoduje, że strona „zimna” osiągnie tę samą temperaturę co strona gorąca, więc nie będzie tu więcej energii, musisz schłodzić zimną stronę, co jeszcze bardziej zniszczy wydajność. Z drugiej strony te elementy Peltiera można wykorzystać do wygenerowania różnicy temperatur, jak w przypadku chłodzenia procesora.

Teoretycznie jest to możliwe . Wystarczy tylko „substancja”, która wytwarza elektryczność, gdy jedna z jej powierzchni ma 40 ° C, a druga 20 ° C.
Obecnie istnieją termopary, które właśnie to robią (zamieniają ciepło na elektryczność), ale w znacznie wyższej temperaturze.