Sử dụng nhiệt CPU để tạo ra điện

Tôi đã đọc Tổ chức máy tính có cấu trúc của Tanenbaum và anh ấy nói rằng một trong những điểm nghẽn chính để tăng tốc độ xung nhịp CPU là nhiệt. Vì vậy, tôi bắt đầu suy nghĩ: Có thể loại bỏ hoàn toàn tản nhiệt và sử dụng nhiệt đó để tạo ra nhiều điện hơn không? Tôi đã tìm kiếm về điều này và tìm thấy những vật liệu nhiệt điện và máy phát nhiệt điện này :

Tôi đã đọc trên bài báo Wikipedia rằng "Hợp kim silicon-gecmani hiện là vật liệu nhiệt điện tốt nhất khoảng 1000 ° C (...)" và tôi biết CPU thường hoạt động khoảng 30 ~ 40 ° C. Vì vậy, để đến 1000 ° C sẽ cần nhiều CPU hơn.

Vì vậy, tôi nghĩ: Điều gì về việc đặt nhiều CPU song song mà không có tản nhiệt của chúng để thu thập nhiều nhiệt hơn? Chúng ta cũng có thể ép xung các CPU này rất nhiều và xem chúng có thể tạo ra bao nhiêu nhiệt.

Nhưng tôi bị kẹt. Tôi không biết phải nghĩ gì tiếp theo. Tôi thậm chí không biết nếu đó là một dòng suy nghĩ tốt.

Câu hỏi của tôi là: tại sao không phát triển một số loại tản nhiệt tạo ra điện từ nhiệt của CPU? Tôi biết ai đó phải đã nghĩ về điều đó và nghĩ về một lý do tại sao không làm điều đó, nhưng tôi không thể tìm ra nó.

Vì vậy, tại sao nó không thể?

EDIT để làm rõ: Tôi không muốn CPU hoạt động ở 1000 ° C. Tôi sẽ liệt kê các bước lý luận của tôi (không nhất thiết phải đúng), đại khái là:

1. Tốc độ xung nhịp CPU bị giới hạn bởi nhiệt độ làm việc (T).
2. CPU tạo nhiệt. Nhiệt làm T tăng lên.
3. Tản nhiệt chăm sóc nhiệt đó để duy trì T = 40 ° C.
4. Thay thế tản nhiệt bằng máy phát nhiệt điện (được chế tạo từ SiGe hoặc vật liệu tương tự)
5. Đặt nhiều CPU cạnh nhau để tăng sinh nhiệt.
6. Nhiệt phát ra từ CPU đến TEG, vì vậy CPU giữ ở T = 40 ° C.
7. Điều này có thể không?
8. Làm thế nào để xây dựng một TEG như vậy? Sử dụng vật liệu nào?
9. Tại sao thiết bị như vậy không tồn tại?
10. Đã hỏi câu hỏi này.

EDIT2: Tôi thấy rằng ý tưởng của tôi về cơ bản là sai và xấu. Cảm ơn tất cả các câu trả lời và ý kiến. Xin lỗi về bất kỳ sự hiểu lầm.

tl; dr Có, bạn có thể trích xuất một lượng điện năng nhỏ từ nhiệt thải của CPU, nhưng tản nhiệt của bạn phải càng lớn thì bạn càng muốn trích xuất nhiều năng lượng hơn.

giải thích Không có máy chuyển đổi nhiệt thành năng lượng, chỉ có máy chuyển đổi chênh lệch nhiệtthành quyền lực. Trong trường hợp của bạn, sự khác biệt đó là sự khác biệt giữa nhiệt độ CPU và nhiệt độ môi trường. Hiệu suất lý thuyết tối đa cho quá trình này là (1 - T_cold / T_hot), vì vậy với nhiệt độ môi trường là 25 độ C, nhiệt độ CPU là 40 độ C và dòng nhiệt 50W bạn có thể tạo ra 2,4 watt điện với bộ chuyển đổi lý tưởng (nhiệt độ là nhiệt độ tuyệt đối ở Kelvins). Nếu bạn cho phép CPU đạt 60 độ C, bạn có thể đạt tới 5 watt và nếu bạn cho phép 100 độ C, bạn có thể nhận được tới 10 watt. Bộ chuyển đổi nhiệt năng thành thực tế là không hiệu quả hơn, đặc biệt là các yếu tố nhiệt điện. Tôi muốn giới thiệu một động cơ khuấy, gần với hiệu quả lý tưởng.

Đây là cách nhiệt truyền với tản nhiệt thụ động:

[CPU] --> [Environment]

Ngã ba CPU-Môi trường có điện trở nhiệt, được đo bằng Kelvins / watt, tương đương trực tiếp với cách đo điện trở trong Volts / Ampere. Bạn có thể đã gặp các giá trị Kelvin / Watt trong một số bảng dữ liệu. Một tản nhiệt lý tưởng có điện trở bằng 0, do đó chênh lệch nhiệt độ là 0 và CPU hoạt động ở nhiệt độ môi trường (25 độ C). Với tản nhiệt thực tế là 0,5K / W và lưu lượng nhiệt 50W (CPU tạo ra 50W nhiệt), chênh lệch nhiệt độ là 25K và CPU ở mức 50 độ C.

Đây là cách nhiệt truyền với máy được đề xuất của bạn:

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

Có điện trở nhiệt, tức là chênh lệch nhiệt độ, ở cả ba điểm. Chúng ta hãy giả sử rằng kết nối giữa CPU và đầu nóng của máy là lý tưởng, tức là chúng ở cùng nhiệt độ. Điện trở nhiệt bên trong máy được sử dụng để tạo ra điện. Khả năng chịu nhiệt giữa đầu lạnh và môi trường được cung cấp bởi tản nhiệt ở đầu lạnh.

Giả sử tản nhiệt ở đầu lạnh giống như chúng tôi đã sử dụng cho CPU, với 0,5K / W và chúng tôi muốn CPU ở mức 50 độ C. Khi đó, đầu lạnh của máy đã ở mức 50 độ C, và không thể có sự chênh lệch nhiệt độ so với máy, tức là nó không thể tạo ra năng lượng. Nếu chúng ta sử dụng tản nhiệt hai lần là lớn (0,25K / W), thì đầu lạnh sẽ ở mức 37,5 độ C và chênh lệch nhiệt độ so với máy là 12,5 độ C, do đó nó có thể tạo ra một chút năng lượng.

Bất kỳ máy nào chiết xuất năng lượng từ chênh lệch nhiệt độ đều có điện trở nhiệt bằng (temperature difference)/(Heat flow). Điện trở nhiệt của máy được thêm vào điện trở nhiệt của tản nhiệt, do đó nhiệt độ CPU sẽ luôn nóng hơn nếu có một máy ở giữa.

BTW Một số máy ép xung đi ngược chiều: Họ thêm một yếu tố nhiệt điện chạy ngược lại, sử dụng năng lượng điện để bơm nhiệt từ CPU đến tản nhiệt, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ âm. CPU ở đầu lạnh và tản nhiệt ở đầu nóng.

BTW Đây là lý do tại sao các nhà máy điện hạt nhân có các tháp giải nhiệt khổng lồ, hoạt động như các bộ tản nhiệt lạnh.

Vấn đề với máy phát nhiệt điện là chúng không hiệu quả khủng khiếp.

Đối với CPU, bạn phải loại bỏ nhiệt mà chúng tạo ra hoặc chúng tan chảy.

Bạn có thể nối một mô-đun peltier và trích xuất một lượng điện nhỏ từ chúng nhưng bạn vẫn cần phải tiêu tan phần nhiệt còn lại thông qua phương pháp trao đổi nhiệt cổ điển. Lượng điện được tạo ra có thể sẽ không đủ đáng kể để đảm bảo chi phí thiết lập.

Bạn cũng có thể sử dụng peltiers như làm mát. Tuy nhiên, bạn cần THÊM nguồn điện để bơm nhiệt. Sức mạnh đó sau đó cần phải được tiêu tan cùng với nhiệt lượng mà bạn đang loại bỏ thông qua bộ trao đổi nhiệt. Cuối cùng, cái sau cần phải lớn hơn để hiệu ứng ròng của bạn tệ hơn.

Nhiệt thành sức mạnh là một ý tưởng "chén thánh" và ở đó với sự hợp nhất lạnh như một giấc mơ lý thuyết.

EDITED CHO CLARITY

Chuyển đổi TRỰC TIẾP hiệu quả từ nhiệt sang điện là một ý tưởng "chén thánh" và ở đó với sự hợp nhất lạnh như một giấc mơ lý thuyết.

Để tạo ra điện, bạn muốn phía nóng (bộ xử lý) càng nóng càng tốt để đạt hiệu quả tối đa. Máy phát nhiệt làm chậm sự chuyển động của nhiệt khi nó trích năng lượng từ nó.

Để thực hiện tính toán, bạn muốn bộ xử lý càng lạnh càng tốt. Nhiệt độ cao hơn làm tăng điện trở của silicon. Đây là lý do tại sao bạn có tản nhiệt dẫn điện cao, quạt, v.v .: để di chuyển nhiệt càng nhanh càng tốt.

Những yêu cầu này mâu thuẫn trực tiếp với nhau.

Ngạc nhiên vì không ai khác đã đề cập đến điều này:

Tạo ra điện từ nhiệt thải từ một số quy trình đốt cháy nhiên liệu có thể có ý nghĩa. Tạo ra điện từ nhiệt thải từ một hệ thống được cung cấp điện ngay từ đầu? Điều đó không có ý nghĩa. Nếu bạn có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách đó, thì bạn có thể tiết kiệm nhiều năng lượng hơn bằng cách xây dựng một hệ thống sử dụng điện hiệu quả hơn ngay từ đầu.

Các định luật về nhiệt động lực học nói rằng việc kết hợp hai nguồn năng lượng có cùng nhiệt độ không tương đương với mức năng lượng cao hơn. Ví dụ, việc rót một cốc nước nóng vào một cốc nước nóng khác sẽ không làm cho sự kết hợp nào nóng hơn các tách riêng biệt.

Nhiệt cũng là một trong những dạng năng lượng thấp nhất trong đó có rất ít bạn có thể làm với nó. Điện có thể chạy mạch, gió có thể tạo ra chuyển động cơ học, nhưng nhiệt không thể làm được gì nhiều ngoài việc đưa thêm năng lượng vào chất lỏng hoặc chất rắn.

Điều đó nói rằng, phương pháp khả thi nhất để lấy năng lượng từ nhiệt là đun sôi một chất lỏng (ví dụ như nước) để quay tuabin. Đặt nhiều tản nhiệt lại với nhau và gắn vào bồn có thể khiến nước sôi lên nếu CPU đều trên 100 C. Nhưng, như bạn có thể suy ra, đây là một ý tưởng tồi tệ.

Suy nghĩ buồn cười, nhưng không. CPU của bạn không chỉ là một con chip, có các dây liên kết và vỏ liên quan mà chính xác sẽ không có cơ hội ở 1000 ° C.

Điều đó sang một bên, vẫn còn một số định luật nhiệt động lực học được xem xét. Bạn vẫn phải đưa một lượng năng lượng khổng lồ vào hệ thống để thoát ra rất ít. Yếu tố Peltier mà bạn đang đề cập cần một dT lớn (sự khác biệt giữa mặt lạnh và mặt nóng) vì vậy chỉ cần tháo các bộ tản nhiệt sẽ đưa mặt "lạnh" về cùng nhiệt độ với mặt nóng, do đó không cần lấy thêm năng lượng ở đây, bạn sẽ cần làm mát Mặt lạnh sẽ làm hỏng hiệu quả hơn nữa. Mặt khác, các phần tử Peltier này có thể được sử dụng để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ như trong việc làm mát CPU.

Về lý thuyết, điều đó là có thể . Tất cả những gì bạn cần là một số "chất" tạo ra điện khi một trong các bề mặt của nó ở 40c và mặt kia ở 20c.
Hiện nay, có những cặp nhiệt điện thực hiện chính xác điều này (thay đổi nhiệt thành điện), nhưng ở nhiệt độ cao hơn nhiều.