Utilizzo del calore della CPU per generare elettricità

Ho letto l' organizzazione strutturata di computer di Tanenbaum e dice che uno dei maggiori colli di bottiglia per aumentare la velocità di clock della CPU è il calore. Così ho iniziato a pensare: è possibile rimuovere del tutto il dissipatore di calore e utilizzare quel calore per generare più elettricità? Ho cercato questo e ho trovato questi materiali termoelettrici e questo generatore termoelettrico :

Ho letto su quell'articolo di Wikipedia che "Le leghe di silicio-germanio sono attualmente i migliori materiali termoelettrici intorno a 1000 ° C (...)" , e so che la CPU funziona normalmente intorno a 30 ~ 40 ° C. Quindi, arrivare a 1000 ° C richiederebbe più CPU.

Quindi ho pensato: che ne dici di mettere in parallelo molte CPU senza i loro dissipatori di calore per raccogliere più calore? Possiamo anche overcloccare molto queste CPU e vedere quanto calore possono generare.

Ma sono bloccato. Non so cosa pensare dopo. Non so nemmeno se è una buona linea di pensiero.

La mia domanda è: perché non sviluppare una sorta di dissipatore di calore che generi elettricità dal calore della CPU? So che qualcuno deve averci già pensato e pensato a una ragione per non farlo, ma non riesco a capirlo.

Quindi, perché non è possibile?

EDIT per chiarimenti: non voglio che le CPU funzionino a 1000 ° C. Elencherò i miei passaggi di ragionamento (non necessariamente corretti), che sono stati approssimativamente:

1. La velocità di clock della CPU è limitata dalla temperatura di lavoro (T).
2. Le CPU generano calore. Il calore fa salire T.
3. I dissipatori di calore si prendono cura di quel calore per mantenere T = 40 ° C.
4. Sostituire il dissipatore di calore con un generatore termoelettrico (costruito con SiGe o materiale simile)
5. Metti molte CPU fianco a fianco per aumentare la generazione di calore.
6. Il calore esce dalle CPU in TEG, quindi le CPU rimangono a T = 40 ° C.
7. È possibile?
8. Come costruire un tale TEG? Quale materiale usare?
9. Perché tale dispositivo non esiste già?
10. Ho posto questa domanda.

EDIT2: vedo che la mia idea è fondamentalmente sbagliata e cattiva. Grazie per tutte le risposte e i commenti. Ci scusiamo per eventuali equivoci.

tl; dr Sì, è possibile estrarre una piccola quantità di energia dal calore residuo di una CPU, ma il dissipatore di calore deve essere maggiore quanto più energia si desidera estrarre.

spiegazione Non esiste una macchina che converte il calore in energia, solo macchine che convertono la differenza di caloreal potere. Nel tuo caso, quella differenza è quella tra la temperatura della CPU e la temperatura dell'ambiente. La massima efficienza teorica per questo processo è (1 - T_cold / T_hot), quindi per una temperatura ambiente di 25 ° C, una temperatura della CPU di 40 ° C e un flusso di calore di 50 W è possibile generare 2,4 watt di elettricità con un convertitore ideale (le temperature sono temperature assolute in gradi Kelvin). Se si consente alla CPU di raggiungere i 60 ° C, è possibile ottenere fino a 5 watt e se si consente 100 ° C, è possibile ottenere fino a 10 watt. I convertitori di calore in energia reale sono più inefficienti, in particolare gli elementi termoelettrici. Consiglierei un motore Stirling, che è più vicino all'efficienza ideale.

Ecco come scorre il calore con un dissipatore di calore passivo:

[CPU] --> [Environment]

La giunzione CPU-ambiente ha una resistenza termica, misurata in Kelvin / Watt, direttamente equivalente a come viene misurata la resistenza elettrica in Volt / Ampere. Potresti aver riscontrato valori Kelvin / Watt in alcuni fogli di dati. Un dissipatore di calore ideale ha resistenza zero, quindi la differenza di temperatura è 0 e la CPU funziona a temperatura ambiente (25 gradi C). Con un dissipatore di calore reale di 0,5 K / W e un flusso di calore di 50 W (la CPU genera 50 W di calore), la differenza di temperatura è di 25 K e la CPU è a 50 gradi C.

Ecco come scorre il calore con la macchina proposta:

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

Esistono resistenze termiche, cioè differenze di temperatura, in tutti e tre i punti. Supponiamo che la connessione tra CPU e hot end della macchina sia l'ideale, ovvero che siano alla stessa temperatura. La resistenza termica all'interno della macchina è utilizzata per generare elettricità. La resistenza termica tra l'estremità fredda e l'ambiente è data dal dissipatore di calore dell'estremità fredda.

Supponiamo che il dissipatore di calore all'estremità fredda sia lo stesso che abbiamo usato per la CPU, con 0,5 K / W, e vogliamo che la CPU sia a 50 ° C. Quindi l'estremità fredda della macchina è già a 50 ° C, e non ci può essere alcuna differenza di temperatura sulla macchina, cioè non può generare energia. Se utilizziamo un dissipatore di calore due volte grande (0,25 K / W), l'estremità fredda sarà a 37,5 gradi C e la differenza di temperatura sulla macchina è di 12,5 gradi C, quindi può generare un po 'di potenza.

Qualsiasi macchina che estrae energia da una differenza di temperatura pone una resistenza termica pari a (temperature difference)/(Heat flow). La resistenza termica della macchina viene aggiunta alla resistenza termica del dissipatore di calore, quindi la temperatura della CPU sarà sempre più calda se c'è una macchina in mezzo.

A proposito Alcuni overclocker vanno nella direzione opposta: aggiungono un elemento termoelettrico che funziona al contrario, usando l'energia elettrica per pompare il calore dalla CPU al dissipatore di calore, creando una differenza di temperatura negativa. La CPU è all'estremità fredda e il dissipatore di calore è all'estremità calda.

A proposito, questo è il motivo per cui le centrali nucleari hanno enormi torri di raffreddamento, che fungono da dissipatore di calore a freddo.

Il problema con i generatori termoelettrici è che sono terribilmente inefficienti.

Per una CPU DEVI sbarazzarti del calore che producono o si sciolgono.

È possibile collegare un modulo Peltier ed estrarre una piccola quantità di elettricità da essi, ma sarebbe comunque necessario dissipare il resto del calore tramite un metodo di scambio di calore classico. La quantità di elettricità generata non sarebbe probabilmente abbastanza significativa da giustificare il costo dell'installazione.

È inoltre possibile utilizzare peltiers come dispositivi di raffreddamento. Tuttavia, è necessario aggiungere potenza per pompare il calore. Quella potenza deve quindi essere dissipata insieme al calore che si sta rimuovendo tramite lo scambiatore di calore. Alla fine, quest'ultimo deve essere più grande, quindi l'effetto netto è peggiore.

Heat to power è un'idea di "santo graal" ed è lassù con fredda fusione come un sogno teorico.

MODIFICATO PER CHIAREZZA

L'efficiente conversione DIRETTA dal calore all'elettricità è un'idea di "santo graal" ed è lassù con fusione fredda come un sogno teorico.

Per generare elettricità, si desidera che il lato caldo (processore) sia il più caldo possibile per la massima efficienza. Il generatore termico rallenta il movimento del calore mentre estrae energia da esso.

Per eseguire il calcolo, si desidera che il processore sia il più freddo possibile. Temperature più elevate aumentano la resistenza elettrica del silicio. Ecco perché hai dissipatori di calore altamente conduttivi, ventole ecc.: Per allontanare il calore il più velocemente possibile.

Questi requisiti si contraddicono direttamente l'un l'altro.

Sorpreso che nessun altro abbia menzionato questo:

Generare elettricità dal calore disperso da un processo che brucia carburante può avere un senso. Generare elettricità dal calore disperso da un sistema che è alimentato dall'elettricità in primo luogo? Non ha senso. Se è possibile risparmiare energia in questo modo, è possibile risparmiare ancora più energia costruendo un sistema che utilizza l'elettricità in modo più efficiente in primo luogo.

Le leggi della termodinamica affermano che mettere insieme due fonti di energia della stessa temperatura non equivale a un livello di energia più elevato. Ad esempio, versando una tazza di acqua calda in un'altra tazza di acqua calda, la combinazione non diventa più calda delle tazze separate.

Il calore è anche una delle forme più basse di energia in quanto c'è molto poco che puoi farne. L'elettricità può far funzionare i circuiti, il vento può creare un movimento meccanico, ma il calore non può fare molto oltre a mettere più energia in un fluido o solido.

Detto questo, il metodo più fattibile per ottenere energia dal calore è far bollire un fluido (acqua per esempio) per far girare una turbina. Mettere insieme più dissipatori di calore e attaccarli a una vasca potrebbe far bollire l'acqua se le CPU sono tutte sopra i 100 C. Ma, come probabilmente si può dedurre, questa è un'idea terribile.

Pensiero divertente, ma no. La tua CPU non è solo un chip, ci sono fili di collegamento e un involucro coinvolti che non avrebbero esattamente una possibilità a 1000 ° C.

A parte questo, ci sono ancora alcune leggi della termodinamica da considerare. Devi ancora immettere un'enorme quantità di energia nel sistema per ottenere pochissimo. L'elemento Peltier a cui stai riferendo ha bisogno di un grande dT (differenza tra lato freddo e lato caldo), quindi semplicemente rimuovere i dissipatori di calore porterà il lato "freddo" alla stessa temperatura del lato caldo, quindi non si guadagna più energia qui, dovrai raffreddare il lato freddo che rovinerà ancora di più l'efficienza. D'altra parte quegli elementi Peltier possono essere usati per generare una differenza di temperatura come nel raffreddamento della CPU.

In teoria, è possibile . Tutto ciò che serve è una "sostanza" che generi elettricità quando una delle sue superfici è a 40 ° C e l'altra a 20 ° C.
Attualmente, ci sono termocoppie che fanno esattamente questo (cambiano il calore in elettricità), ma a una temperatura molto più alta.