Використання центрального тепла для отримання електроенергії

Я читав структуровану комп'ютерну організацію Tanenbaum, і він говорить, що одне з головних вузьких місць для збільшення тактової частоти процесора - це тепло. Тому я задумався: чи можна взагалі зняти радіатор і використовувати це тепло для отримання більшої кількості електроенергії? Я шукав це і знайшов ці термоелектричні матеріали та цей термоелектричний генератор :

Я читав у тій статті Вікіпедії, що "Кремнієво-германієві сплави в даний час є найкращими термоелектричними матеріалами близько 1000 ° C (...)" , і я знаю, що процесор зазвичай працює близько 30 ~ 40 ° C. Таким чином, для досягнення 1000 ° C потрібно більше процесорів.

Тож я подумав: а як бути, якщо паралельно поставити багато процесорів без їх радіаторів, щоб зібрати більше тепла? Ми також можемо розігнати ці багато процесорів і побачити, скільки тепла вони можуть генерувати.

Але я застряг. Я не знаю, що думати далі. Я навіть не знаю, чи це гарна думка.

Моє запитання: чому б не розробити якийсь радіатор, який виробляє електроенергію з тепла процесора? Я знаю, що хтось, напевно, вже задумався над цим і подумав про причину, чому цього не зробити, але я не можу це зрозуміти.

Отже, чому це неможливо?

EDIT для уточнення: я не хочу, щоб процесори працювали при температурі 1000 ° C. Я перелічу свої кроки міркування (не обов'язково правильні), які були приблизно:

1. Тактова частота процесора обмежена робочою температурою (Т).
2. Процесори виробляють тепло. Тепло змушує Т піднятися.
3. Теплові радіатори дбають про це тепло, щоб підтримувати T = 40 ° C.
4. Замініть радіатор на термоелектричний генератор (побудований з SiGe або подібного матеріалу)
5. Поставте багато процесорів поруч, щоб збільшити виробництво тепла.
6. Нагрівання виводить процесори на TEG, тому процесори залишаються при T = 40 ° C.
7. Чи можливо це?
8. Як побудувати такий ТЕГ? Який матеріал використовувати?
9. Чому такого пристрою вже немає?
10. Задав це питання.

EDIT2: Я бачу, що моя ідея принципово неправильна і погана. Дякую за всі відповіді та коментарі. Вибачте за будь-які непорозуміння.

tl; dr Так, ви можете витягти невелику кількість енергії з відпрацьованого тепла процесора, але ваш радіатор повинен бути тим більшим, чим більше потужності ви хочете отримати.

пояснення Немає машини, яка перетворює тепло в енергію, лише машини, які перетворюють різницю теплав силу. У вашому випадку ця різниця між температурою процесора та температурою навколишнього середовища. Максимальна теоретична ефективність цього процесу становить (1 - T_cold / T_hot), тому для температури навколишнього середовища 25 градусів C, температури процесора 40 градусів і теплового потоку 50 Вт ви могли б генерувати 2,4 Вт електроенергії з ідеальним перетворювачем (температури - абсолютні температури в Кельвінах). Якщо ви дозволяєте процесору досягати 60 град. С, ви можете отримати до 5 Вт, а якщо дозволити 100 градусів, ви можете отримати до 10 Вт. Перетворювачі теплоенергії в реальному житті є більш неефективними, особливо термоелектричні елементи. Я б рекомендував перемішувати двигун, який ближче до ідеального ККД.

Ось як тече тепло з пасивним радіатором:

[CPU] --> [Environment]

З'єднання процесор-навколишнє середовище має тепловий опір, виміряний в Кельвінах / Ваттах, прямо еквівалентний тому, як вимірюється електричний опір у вольтах / амперах. Можливо, у деяких таблицях ви стикалися зі значеннями Кельвіна / Ватта. Ідеальний радіатор має нульовий опір, тому різниця температур дорівнює 0, і ЦП працює при температурі навколишнього середовища (25 град. C). З реальним радіатором 0,5 К / Вт і тепловим потоком 50 Вт (ЦП генерує 50 Вт тепла) різниця температур становить 25 К, а ЦП - 50 градусів.

Ось як тече тепло з вашою запропонованою машиною:

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

У всіх трьох точках існують термічні опори, тобто перепади температур. Припустимо, що з'єднання між процесором та гарячим кінцем машини є ідеальним, тобто вони мають однакову температуру. Тепловий опір всередині машини використовується для отримання електроенергії. Тепловий опір між холодним кінцем і навколишнім середовищем надається тепловідводом.

Скажімо, радіатор на холодному кінці - це те саме, що ми використовували для процесора, з 0,5 кВт / Вт, і ми хочемо, щоб центральний процесор знаходився на рівні 50 градусів C. Тоді холодний кінець машини вже знаходиться при 50 градусах, і не може бути різниці температур над машиною, тобто вона не може генерувати енергію. Якщо ми використовуємо радіатор вдвічі більший (0,25 К / Вт), то холодний кінець становитиме 37,5 градусів, а різниця температур у порівнянні з машиною - 12,5 градусів, тому вона може генерувати трохи енергії.

Будь-яка машина, яка витягує енергію з різниці температур, має термічний опір, рівний (temperature difference)/(Heat flow). Тепловий опір машини додається до теплового опору радіатора, тому температура CPU завжди буде гарячішою, якщо між ними є машина.

BTW Деякі оверклокери йдуть навпаки: вони додають термоелектричний елемент, який працює в зворотному напрямку, використовуючи електричну енергію для перекачування тепла від центрального процесора до радіатора, створюючи негативну різницю температур. Процесор знаходиться на холодному кінці, а радіатор - у гарячому кінці.

BTW Тому атомні електростанції мають величезні охолоджувальні вежі, які працюють як холодильник.

Проблема з термоелектричними генераторами полягає в тому, що вони жахливо неефективні.

Для ЦП ви повинні позбутися тепла, яке вони виробляють або вони тануть.

Ви можете підключити модуль пельте і витягти з нього невелику кількість електроенергії, але все одно потрібно буде розсіювати залишок тепла класичним методом теплообміну. Кількість виробленої електроенергії, ймовірно, не буде достатньою, щоб гарантувати витрати на встановлення.

Ви також можете використовувати пельтери як кулери. Однак вам потрібно додати потужність, щоб відкачати тепло. Потім цю потужність потрібно розсіювати разом з теплом, яке ви відводите через теплообмінник. Зрештою, останній повинен бути більшим, щоб ваш чистий ефект був гіршим.

Тепло для енергії - це ідея "святого грааля", яка є теоретичною мрією, з холодним синтезом.

ВИДАЛЕНО ДЛЯ ЯСНІСТЬ

Ефективне Пряме перетворення з тепла в електрику - це ідея «святого грааля», яка є теоретичною мрією там, де відбувається холодний синтез.

Для отримання електроенергії ви хочете, щоб гаряча сторона (процесор) була максимально гарячою для досягнення максимальної ефективності. Теплогенератор уповільнює рух тепла, оскільки він видобуває з нього енергію.

Виконуючи обчислення, ви хочете, щоб процесор був максимально холодним . Більш високі температури підвищують електричний опір кремнію. Ось чому у вас є високопровідні радіатори, вентилятори тощо: якнайшвидше відводити тепло.

Ці вимоги прямо суперечать одна одній.

Здивовано, що ніхто інший про це не згадав:

Виробляти електроенергію з відпрацьованого тепла від певного процесу, який спалює паливо, може мати сенс. Виробництво електроенергії з відпрацьованого тепла з системи, яка спочатку працює на електроенергії? В цьому немає сенсу. Якщо ви можете заощадити енергію, зробивши це, ви зможете заощадити ще більше енергії, побудувавши систему, яка спочатку ефективніше використовує електроенергію.

Закони термодинаміки стверджують, що об'єднання двох джерел енергії однакової температури не прирівнюється до більш високого рівня енергії. Наприклад, наливання чашки гарячої води в іншу чашку гарячої води не робить комбінацію гарячішою, ніж окремі чашки.

Тепло - це також одна з найнижчих форм енергії, оскільки ви можете з цим зробити дуже мало. Електроенергія може працювати в ланцюгах, вітер може створювати механічний рух, але тепло не може значно покращити подачу більше енергії в рідину або твердий матеріал.

Однак, найбільш доцільним методом отримання енергії від тепла є кип'ятіння рідини (наприклад, води) для перетворення турбіни. Якщо об'єднати декілька тепловідводів і приєднати до ванни, вода може закипіти, якщо центральний процесор буде вище 100 С. Але, як ви, напевно, можете зробити висновок, це жахлива ідея.

Смішне мислення, але ні. Ваш процесор - це не просто мікросхема, в ньому задіяні з'єднувальні дроти та кожух, який не мав би точно шансу при 1000 ° C.

Якщо осторонь, ще є деякі закони термодинаміки, які слід враховувати. Вам залишається вкласти величезну кількість енергії в систему, щоб вийти дуже мало. Елемент Peltier, на який ви посилаєтеся, потребує великого dT (різниця між холодною та гарячою стороною), тому просто видалення тепловідводячих виробів призведе до «холодної» сторони до тієї ж температури, що і гаряча, тому більше енергії тут не буде набрано, вам потрібно буде охолодити холодну сторону, що ще більше погіршить ефективність. З іншого боку, ці елементи Peltier можна використовувати для створення різниці температур, як при охолодженні процесора.

Теоретично це можливо . Все, що вам потрібно, - це деяка «речовина», яка виробляє електроенергію, коли одна з її поверхонь знаходиться на рівні 40 ° С, а інша - при 20 ° С.
В даний час є термопари, які роблять саме це (змінюють тепло на електрику), але при набагато більшій температурі.