Использование тепла процессора для выработки электроэнергии

Я читал « Структурированные компьютерные организации» Таненбаума, и он говорит, что одним из главных узких мест в повышении тактовой частоты процессора является нагрев. Поэтому я задумался: можно ли вообще снять радиатор и использовать это тепло для выработки большего количества электроэнергии? Я искал по этому и нашел эти термоэлектрические материалы и этот термоэлектрический генератор :

Я читал в той статье в Википедии, что «кремний-германиевые сплавы в настоящее время являются лучшими термоэлектрическими материалами при температуре около 1000 ° C (...)» , и я знаю, что CPU обычно работают при температуре около 30 ~ 40 ° C. Таким образом, для достижения 1000 ° C потребуется больше процессоров.

Поэтому я подумал: а как насчет параллельного размещения множества процессоров без их радиаторов, чтобы собрать больше тепла? Мы также можем разогнать эти процессоры и посмотреть, сколько тепла они могут генерировать.

Но я застрял. Я не знаю, что думать дальше. Я даже не знаю, хорошая ли это мысль.

Мой вопрос: почему бы не разработать какой-то радиатор, который генерирует электричество из тепла процессора? Я знаю, что кто-то, должно быть, уже думал об этом и думал о причине, почему бы не сделать это, но я не могу понять это.

Итак, почему это невозможно?

РЕДАКТИРОВАТЬ для пояснения: я не хочу, чтобы процессоры работали при 1000 ° C. Я перечислю мои шаги рассуждения (не обязательно правильные), которые были примерно:

1. Тактовая частота процессора ограничена рабочей температурой (T).
2. Процессоры генерируют тепло. Тепло заставляет Т подняться.
3. Радиаторы позаботятся об этом тепле, чтобы поддерживать температуру T = 40 ° C.
4. Замените радиатор на термоэлектрический генератор (изготовлен из SiGe или аналогичного материала)
5. Поместите много процессоров рядом, чтобы увеличить тепловыделение.
6. Тепло выводит процессоры в TEG, поэтому процессоры остаются при T = 40 ° C.
7. Это возможно?
8. Как построить такой ТЭГ? Какой материал использовать?
9. Почему такого устройства еще не существует?
10. Задал этот вопрос.

EDIT2: я вижу, что моя идея в корне неверна и плоха. Спасибо за все ответы и комментарии. Извините за любые недоразумения.

tl; dr Да, вы можете извлечь небольшое количество энергии из отработанного тепла процессора, но ваш радиатор должен быть тем больше, чем больше энергии вы хотите извлечь.

объяснение Нет машины, которая преобразует тепло в энергию, есть только машины, которые преобразуют разницу теплаво власть. В вашем случае это разница между температурой процессора и температуры окружающей среды. Максимальная теоретическая эффективность для этого процесса составляет (1 - T_cold / T_hot), поэтому для температуры окружающей среды 25 градусов C, температуры процессора 40 градусов C и теплового потока 50 Вт вы можете генерировать 2,4 Вт электроэнергии с идеальным преобразователем. (температура абсолютная температура в Кельвинах). Если вы позволите процессору достичь 60 градусов Цельсия, вы можете получить до 5 Вт, а если вы допустите 100 градусов Цельсия, вы можете получить до 10 Вт. Реальные преобразователи тепла в энергию более неэффективны, особенно термоэлектрические элементы. Я бы порекомендовал двигатель с перемешиванием, который ближе к идеальной эффективности.

Вот как тепло течет с пассивным радиатором:

[CPU] --> [Environment]

Соединение процессора с окружающей средой имеет тепловое сопротивление, измеренное в Кельвинах / Ватт, прямо эквивалентное тому, как электрическое сопротивление измеряется в Вольт / Ампер. Возможно, вы встречали значения Кельвина / Ватта в некоторых таблицах. Идеальный радиатор имеет нулевое сопротивление, поэтому разница температур равна 0, и процессор работает при температуре окружающей среды (25 градусов C). С реальным теплоотводом 0,5K / W и тепловым потоком 50W (процессор вырабатывает 50W тепла), разница температур составляет 25K, а CPU - 50 градусов C.

Вот как тепло течет с вашей предлагаемой машиной:

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

Во всех трех точках имеются тепловые сопротивления, то есть разности температур. Предположим, что связь между процессором и горячим концом машины идеальна, т.е. они имеют одинаковую температуру. Тепловое сопротивление внутри машины используется для выработки электроэнергии. Тепловое сопротивление между холодным концом и окружающей средой определяется радиатором холодного конца.

Скажем, радиатор на холодном конце такой же, какой мы использовали для ЦП, с 0,5 К / Вт, и мы хотим, чтобы ЦП был при 50 град. С. Затем холодный конец машины уже на 50 град. и не может быть разницы температур над машиной, то есть она не может генерировать энергию. Если мы используем радиатор, который был дважды большой (0,25K / W), то холодный конец будет при 37,5 градусах C, а разница температур по машине составляет 12,5 градус C, поэтому он может генерировать немного энергии.

Любая машина, которая извлекает энергию из разности температур, имеет тепловое сопротивление, равное (temperature difference)/(Heat flow). Тепловое сопротивление машины добавляется к тепловому сопротивлению радиатора, поэтому температура процессора всегда будет выше, если между ними находится машина.

Кстати, некоторые оверклокеры идут противоположным путем: они добавляют термоэлектрический элемент, который работает в обратном направлении, используя электрическую энергию для перекачки тепла от процессора к радиатору, создавая отрицательную разницу температур. Процессор находится на холодном конце, а радиатор на горячем конце.

Кстати, именно поэтому атомные электростанции имеют огромные градирни, которые работают как радиатор холодного конца.

Проблема с термоэлектрическими генераторами заключается в том, что они ужасно неэффективны.

Для процессора вы должны избавиться от тепла, которое они производят, или они тают.

Вы можете подключить модуль Пельтье и извлечь из них небольшое количество электричества, но вам все равно придется рассеивать оставшуюся часть тепла с помощью классического метода теплообмена. Количество вырабатываемой электроэнергии, вероятно, будет недостаточно значительным, чтобы оправдать затраты на установку.

Вы также можете использовать Пельтье в качестве кулеров. Тем не менее, вам нужно добавить мощность, чтобы откачать тепло. Затем эта мощность должна рассеиваться вместе с теплом, которое вы отводите через теплообменник. В конце концов, последний должен быть больше, чтобы ваш чистый эффект был хуже.

Тепло к силе - это идея «святого Грааля», и она представляет собой холодный синтез как теоретический сон.

ИЗДАНО ДЛЯ ЯСНОСТИ

Эффективное ПРЯМОЕ преобразование из тепла в электричество является идеей «святого Грааля» и находится там с холодным синтезом как теоретическая мечта.

Для выработки электроэнергии необходимо, чтобы горячая сторона (процессор) была максимально горячей для максимальной эффективности. Тепловой генератор замедляет движение тепла, поскольку он извлекает из него энергию.

Для выполнения вычислений вы хотите, чтобы процессор был холодным . Более высокие температуры увеличивают электрическое сопротивление кремния. Вот почему у вас есть высокопроводящие радиаторы, вентиляторы и т. Д., Чтобы отводить тепло как можно быстрее.

Эти требования прямо противоречат друг другу.

Удивлен, что никто другой не упомянул это:

Выработка электричества из отработанного тепла от какого-либо процесса, который сжигает топливо, может иметь смысл. Вырабатывать электроэнергию из отработанного тепла из системы, которая в первую очередь работает на электричестве? Это бессмысленно. Если вы можете сэкономить энергию, сделав это, вы сможете сэкономить еще больше энергии, создав систему, которая в первую очередь использует электричество более эффективно.

Законы термодинамики гласят, что объединение двух источников энергии одинаковой температуры не равняется более высокому уровню энергии. Например, если вы наливаете чашку с горячей водой в другую чашку с горячей водой, это не делает комбинацию более горячей, чем отдельные чашки.

Тепло также является одной из самых низких форм энергии в том смысле, что с ней очень мало что можно сделать. Электричество может управлять цепями, ветер может создавать механические движения, но тепло не может ничего сделать, кроме как направить больше энергии в жидкость или твердое тело.

Тем не менее, наиболее реальным способом получения энергии от тепла является кипячение жидкости (например, воды) для вращения турбины. Соединение нескольких радиаторов вместе и присоединение к ванне может привести к вскипанию воды, если все процессоры имеют температуру выше 100 С. Но, как вы, вероятно, можете сделать вывод, это ужасная идея.

Забавно думать, но нет. Ваш процессор - это не просто микросхема, в нем присутствуют соединительные провода и корпус, который вряд ли будет иметь шанс при 1000 ° C.

Тем не менее, есть еще некоторые законы термодинамики, которые необходимо учитывать. Вы все еще должны внести огромное количество энергии в систему, чтобы получить очень мало. Элемент Пельтье, о котором вы говорите, нуждается в большом dT (разница между холодной и горячей стороной), поэтому простое снятие радиаторов приведет к тому, что «холодная» сторона достигнет той же температуры, что и горячая сторона, так что больше энергии здесь не будет приобретаться, вам нужно охладить холодную сторону, что еще больше испортит эффективность. С другой стороны, эти элементы Пельтье могут быть использованы для генерации разницы температур, как при охлаждении процессора.

В теории это возможно . Все, что вам нужно, это какое-то «вещество», которое генерирует электричество, когда одна из его поверхностей находится на 40 ° С, а другая на 20 ° С.
В настоящее время существуют термопары, которые делают именно это (переключают тепло на электричество), но при гораздо более высокой температуре.