การใช้ความร้อนของ CPU เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ฉันได้อ่านโครงสร้างองค์กรคอมพิวเตอร์ของ Tanenbaum และเขากล่าวว่าหนึ่งในคอขวดที่สำคัญสำหรับการเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU คือความร้อน ดังนั้นฉันจึงเริ่มคิดว่าเป็นไปได้ไหมที่จะเอาฮีทซิงค์ออกทั้งหมดและใช้ความร้อนนั้นเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้ามากขึ้น? ฉันค้นหามาแล้วและพบวัสดุเทอร์โมอิเล็กตริกเหล่านี้และเครื่องกำเนิดความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกนี้:

ฉันอ่านบทความวิกิพีเดียว่า"โลหะผสมซิลิคอน - เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ดีที่สุดประมาณ 1,000 ° C (... )"และฉันรู้ว่า CPU ทำงานโดยปกติประมาณ 30 ~ 40 ° C ดังนั้นการไปที่ 1000 ° C จะต้องใช้ CPU เพิ่มขึ้น

ดังนั้นฉันจึงคิดว่า: อะไรที่เกี่ยวกับการวางCPU จำนวนมากในแบบคู่ขนานโดยไม่ใช้ฮีทซิงค์เพื่อรวบรวมความร้อนมากขึ้น เราสามารถโอเวอร์คล็อกซีพียูเหล่านี้ได้มากและดูว่าพวกเขาสามารถสร้างความร้อนได้มากแค่ไหน

แต่ฉันติดอยู่ ฉันไม่รู้จะคิดอะไรต่อไป ฉันไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามันเป็นแนวความคิดที่ดีหรือไม่

คำถามของฉันคือทำไมไม่พัฒนาฮีทซิงค์บางประเภทที่สร้างกระแสไฟฟ้าจากความร้อนของ CPU ฉันรู้ว่ามีใครบางคนต้องคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้และคิดเกี่ยวกับเหตุผลที่ไม่ควรทำ แต่ฉันไม่สามารถเข้าใจได้

ดังนั้นทำไมจึงเป็นไปไม่ได้

แก้ไขเพื่อความกระจ่าง:ฉันไม่ต้องการให้ CPU ทำงานที่อุณหภูมิ 1000 ° C ฉันจะแสดงขั้นตอนการให้เหตุผลของฉัน (ไม่ถูกต้อง) ซึ่งคร่าว ๆ :

1. ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU ถูก จำกัด โดยอุณหภูมิในการทำงาน (T)
2. ซีพียูสร้างความร้อน ความร้อนทำให้ T เพิ่มขึ้น
3. ฮีทซิงค์ดูแลความร้อนนั้นเพื่อรักษา T = 40 ° C
4. แทนที่ฮีทซิงค์ด้วยเครื่องกำเนิดความร้อน (สร้างจาก SiGe หรือวัสดุที่คล้ายกัน)
5. ใส่ซีพียูจำนวนมากเคียงข้างกันเพื่อเพิ่มการสร้างความร้อน
6. ความร้อนจะส่งซีพียูไปยัง TEG ดังนั้น CPU จึงอยู่ที่ T = 40 ° C
7. เป็นไปได้ไหม
8. จะสร้าง TEG ได้อย่างไร ควรใช้วัสดุชนิดใด
9. ทำไมอุปกรณ์ดังกล่าวจึงไม่มีอยู่?
10. ถามคำถามนี้

EDIT2: ฉันเห็นว่าความคิดของฉันเป็นพื้นฐานที่ผิดและไม่ดี ขอบคุณสำหรับคำตอบและความคิดเห็นทั้งหมด ขออภัยเกี่ยวกับความเข้าใจผิด ๆ

tl; dr ใช่คุณสามารถดึงพลังงานจำนวนเล็กน้อยจากความร้อนทิ้งของ CPU ได้ แต่ชุดระบายความร้อนของคุณจะต้องใหญ่กว่าพลังงานที่คุณต้องการสกัดมากขึ้น

คำอธิบายที่ มีเครื่องไม่มีที่แปลงเป็นพลังงานความร้อนเป็นเครื่องเดียวที่แปลงความร้อนแตกต่างเป็นพลังงาน ในกรณีของคุณความแตกต่างนั้นคือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิ CPU และอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดสำหรับกระบวนการนี้คือ (1 - T_cold / T_hot) ดังนั้นสำหรับอุณหภูมิสภาพแวดล้อม 25 องศาเซลเซียสอุณหภูมิ CPU 40 องศาเซลเซียสและการไหลของความร้อน 50W คุณสามารถสร้างกระแสไฟฟ้า 2.4 วัตต์พร้อมตัวแปลงที่เหมาะ (อุณหภูมิเป็นอุณหภูมิสัมบูรณ์ในเคลวิน) หากคุณอนุญาตให้ซีพียูถึง 60 องศาเซลเซียสคุณสามารถรับได้ถึง 5 วัตต์และถ้าคุณอนุญาตให้ 100 องศาเซลเซียสคุณสามารถรับได้ถึง 10 วัตต์ ตัวแปลงความร้อนต่อพลังงานในชีวิตจริงไม่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยเฉพาะองค์ประกอบเทอร์โมอิเล็กตริก ฉันขอแนะนำเครื่องยนต์สเตอร์ลิงซึ่งใกล้เคียงกับประสิทธิภาพในอุดมคติ

นี่คือวิธีที่ความร้อนไหลไปกับฮีทซิงค์แบบพาสซีฟ

[CPU] --> [Environment]

จังก์ชันซีพียูต่อสภาพแวดล้อมมีความต้านทานความร้อนวัดเป็นเคลวิน / วัตต์โดยตรงเทียบเท่ากับวิธีการวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าในโวลต์ / แอมแปร์ คุณอาจพบค่า Kelvin / Watt ในเอกสารข้อมูลบางอย่าง ฮีทซิงค์ในอุดมคติมีความต้านทานเป็นศูนย์ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิคือ 0 และ CPU ทำงานที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม (25 องศาเซลเซียส) ด้วยฮีทซิงค์ในชีวิตจริง 0.5K / W และการไหลของความร้อน 50W (CPU สร้างความร้อน 50W) ความแตกต่างของอุณหภูมิคือ 25K และ CPU อยู่ที่ 50 องศาเซลเซียส

นี่คือความร้อนที่ไหลผ่านเครื่องที่คุณนำเสนอ:

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

มีความต้านทานความร้อนคือความแตกต่างของอุณหภูมิทั้งสามจุด ให้เราสมมติว่าการเชื่อมต่อระหว่าง CPU และ hot end ของเครื่องนั้นดีเยี่ยมนั่นคืออยู่ในอุณหภูมิเดียวกัน ความต้านทานความร้อนภายในเครื่องใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ความต้านทานความร้อนระหว่างปลายเย็นและสภาพแวดล้อมได้รับจากแผ่นระบายความร้อนเย็น

สมมติว่าแผ่นระบายความร้อนที่ปลายเย็นนั้นเหมือนกับที่เราใช้กับ CPU ด้วย 0.5K / W และเราต้องการให้ CPU อยู่ที่ 50 องศาเซลเซียสจากนั้นปลายเย็นของเครื่องอยู่ที่ 50 องศาเซลเซียส และจะไม่มีความแตกต่างของอุณหภูมิเหนือเครื่องเช่นมันไม่สามารถสร้างพลังงาน หากเราใช้แผ่นระบายความร้อนสองครั้งใหญ่ (0.25K / W) ดังนั้นความเย็นจะอยู่ที่ 37.5 องศาเซลเซียสและความแตกต่างของอุณหภูมิเหนือเครื่องคือ 12.5 องศาเซลเซียสเพื่อให้สามารถสร้างพลังงานได้เล็กน้อย

เครื่องใดว่าพลังสารสกัดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ poses (temperature difference)/(Heat flow)ความต้านทานความร้อนเท่ากับ ความต้านทานความร้อนของเครื่องจะถูกเพิ่มเข้ากับความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ดังนั้นอุณหภูมิของ CPU จะร้อนขึ้นหากมีเครื่องอยู่ระหว่างนั้น

BTWโอเวอร์คล็อกเกอร์บางตัวไปในทางตรงกันข้าม: พวกมันเพิ่มองค์ประกอบเทอร์โมอิเล็กตริกซึ่งทำงานแบบย้อนกลับโดยใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อสูบความร้อนจาก CPU ไปยังฮีทซิงค์เพื่อสร้างอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ซีพียูอยู่ที่ปลายเย็นและฮีทซิงค์อยู่ที่ปลายสุด

BTWนี่คือเหตุผลที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีหอหล่อเย็นขนาดใหญ่ซึ่งทำหน้าที่เป็นแผงระบายความร้อนในตอนเย็น

ปัญหากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกคือพวกเขาไม่มีประสิทธิภาพอย่างน่ากลัว

สำหรับซีพียูคุณต้องกำจัดความร้อนที่เกิดขึ้นหรือละลายลงไป

คุณสามารถเชื่อมต่อโมดูล peltier และแยกไฟฟ้าเล็กน้อยจากพวกเขา แต่คุณยังคงต้องกระจายความร้อนส่วนที่เหลือด้วยวิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบดั้งเดิม ปริมาณไฟฟ้าที่สร้างขึ้นมีแนวโน้มไม่มากพอที่จะรับประกันค่าใช้จ่ายในการตั้งค่า

คุณสามารถใช้ peltiers เป็นคูลเลอร์ได้ อย่างไรก็ตามคุณต้องเพิ่มพลังงานเพื่อปั๊มความร้อนออก พลังงานนั้นจะต้องถูกกระจายไปพร้อมกับความร้อนที่คุณกำลังถอดผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ในท้ายที่สุดสิ่งหลังจำเป็นต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นดังนั้นผลกระทบสุทธิของคุณแย่ลง

ความร้อนสู่พลังงานเป็นความคิด "จอกศักดิ์สิทธิ์" และขึ้นอยู่กับความหลากหลายของความหนาวเย็นราวกับความฝันทางทฤษฎี

แก้ไขเพื่อคลาริตี้

การแปลง DIRECT อย่างมีประสิทธิภาพจากความร้อนเป็นไฟฟ้าเป็นแนวคิด "Holy Grail" และอยู่ที่นั่นพร้อมกับการหลอมรวมเย็นเป็นความฝันทางทฤษฎี

สำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าคุณต้องการให้ส่วนที่ร้อน (โปรเซสเซอร์) ร้อนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด เครื่องกำเนิดความร้อนจะชะลอการเคลื่อนไหวของความร้อนในขณะที่มันดึงพลังงานออกมา

สำหรับการคำนวณคุณต้องการให้โปรเซสเซอร์เย็นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเพิ่มความต้านทานทางไฟฟ้าของซิลิคอน นี่คือเหตุผลที่คุณมีฮีทซิงค์นำไฟฟ้าสูงพัดลมและอื่น ๆ : เพื่อระบายความร้อนออกไปให้เร็วที่สุด

ข้อกำหนดเหล่านี้ขัดแย้งกันโดยตรง

แปลกใจที่ไม่มีใครพูดถึงเรื่องนี้:

การสร้างกระแสไฟฟ้าจากความร้อนทิ้งจากกระบวนการที่เผาไหม้เชื้อเพลิงสามารถทำให้รู้สึกได้ ผลิตกระแสไฟฟ้าจากความร้อนทิ้งจากระบบที่ใช้พลังงานไฟฟ้าตั้งแต่แรก? มันไม่สมเหตุสมผลเลย หากเป็นไปได้สำหรับคุณที่จะประหยัดพลังงานโดยการทำเช่นนั้นเป็นไปได้ที่คุณจะประหยัดพลังงานได้มากขึ้นโดยการสร้างระบบที่ใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นตั้งแต่แรก

กฎหมายของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการรวมแหล่งพลังงานสองแหล่งที่มีอุณหภูมิเดียวกันนั้นไม่เท่ากับระดับพลังงานที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่นการเทน้ำร้อนหนึ่งถ้วยลงในน้ำร้อนอีกถ้วยหนึ่งจะไม่ทำให้การรวมร้อนกว่าถ้วยอื่น ๆ

ความร้อนยังเป็นหนึ่งในรูปแบบพลังงานที่ต่ำที่สุดซึ่งมีน้อยมากที่คุณสามารถทำได้ ไฟฟ้าสามารถไหลเวียนได้วงจรลมสามารถสร้างการเคลื่อนที่เชิงกล แต่ความร้อนไม่สามารถทำได้มากกว่าการใส่พลังงานมากขึ้นในของเหลวหรือของแข็ง

ที่กล่าวว่าวิธีที่เป็นไปได้มากที่สุดในการรับพลังงานจากความร้อนคือการต้มของเหลว (น้ำเป็นต้น) เพื่อเปลี่ยนกังหัน การวางแผ่นระบายความร้อนหลาย ๆ ตัวเข้าด้วยกันและติดกับอ่างอาจทำให้น้ำเดือดหากซีพียูมีอุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส แต่คุณอาจอนุมานได้ว่านี่เป็นความคิดที่แย่มาก

คิดตลก แต่ไม่มี ซีพียูของคุณไม่ได้เป็นเพียงแค่ชิพเท่านั้น แต่ยังมีสายไฟเชื่อมและตัวเรือนที่เกี่ยวข้องซึ่งไม่น่าจะมีโอกาสสูงถึง 1,000 ° C

นอกจากนั้นยังมีกฎของอุณหพลศาสตร์ที่ต้องพิจารณาอีกด้วย คุณยังต้องใส่พลังงานจำนวนมากเข้าไปในระบบเพื่อให้ได้น้อยมาก องค์ประกอบ Peltier ที่คุณอ้างถึงต้องการ dT ขนาดใหญ่ (ความแตกต่างระหว่างด้านเย็นและด้านร้อน) ดังนั้นการถอดแผ่นระบายความร้อนจะทำให้ด้าน "เย็น" มีอุณหภูมิเท่ากับด้านร้อนจึงไม่มีพลังงานเพิ่มขึ้นที่นี่ คุณจะต้องทำให้ด้านเย็นเย็นลงซึ่งจะทำลายประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ในทางกลับกันองค์ประกอบ Peltier เหล่านั้นสามารถใช้เพื่อสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิเช่นเดียวกับในการระบายความร้อนของ CPU

ในทางทฤษฎีก็เป็นไปได้ สิ่งที่คุณต้องการคือ "สาร" ที่สร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อพื้นผิวหนึ่งของมันอยู่ที่ 40c และอีกอย่างคือที่ 20c
ปัจจุบันมีเทอร์โมคับเปิลที่ทำสิ่งนี้ (เปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้า) แต่ที่อุณหภูมิสูงขึ้นมาก