CPU-Wärme zur Stromerzeugung nutzen

Ich habe Tanenbaums Structured Computer Organization gelesen und er sagt, einer der größten Engpässe bei der Erhöhung der CPU-Taktrate sei die Hitze. Also begann ich zu überlegen: Ist es möglich, den Kühlkörper komplett zu entfernen und diese Wärme zu nutzen, um mehr Strom zu erzeugen? Ich habe danach gesucht und diese thermoelektrischen Materialien und diesen thermoelektrischen Generator gefunden :

Ich habe in diesem Wikipedia-Artikel gelesen, dass "Silizium-Germanium-Legierungen derzeit die besten thermoelektrischen Materialien bei 1000 ° C sind (...)" , und ich weiß, dass die CPU normalerweise bei 30 bis 40 ° C arbeitet. Um auf 1000 ° C zu kommen, wären also mehr CPUs erforderlich.

Also dachte ich: Wie wäre es, wenn viele CPUs ohne Kühlkörper parallel geschaltet würden, um mehr Wärme zu sammeln? Wir können diese CPUs auch stark übertakten und sehen, wie viel Wärme sie erzeugen können.

Aber ich stecke fest. Ich weiß nicht, was ich als nächstes denken soll. Ich weiß nicht einmal, ob es eine gute Gedankenrichtung ist.

Meine Frage ist: Warum nicht eine Art Kühlkörper entwickeln, der aus der Wärme der CPU Strom erzeugt? Ich weiß, dass schon jemand darüber nachgedacht und sich überlegt hat, warum ich es nicht tun soll, aber ich kann es nicht herausfinden.

Warum ist das nicht möglich?

EDIT zur Verdeutlichung: Ich möchte nicht, dass CPUs bei 1000 ° C arbeiten. Ich werde meine Argumentationsschritte auflisten (die nicht unbedingt korrekt sind), die ungefähr so ​​lauteten:

1. Der CPU-Takt wird durch die Arbeitstemperatur (T) begrenzt.
2. CPUs erzeugen Wärme. Hitze lässt T steigen.
3. Kühlkörper kümmern sich um diese Wärme, um T = 40 ° C zu halten.
4. Ersetzen Sie den Kühlkörper durch einen thermoelektrischen Generator (aus SiGe oder einem ähnlichen Material)
5. Stellen Sie viele CPUs nebeneinander, um die Wärmeerzeugung zu erhöhen.
6. Die CPU wird durch Wärme an TEG abgegeben, sodass die CPU bei T = 40 ° C bleibt.
7. Ist das möglich?
8. Wie baue ich ein solches TEG? Welches Material soll verwendet werden?
9. Warum gibt es ein solches Gerät noch nicht?
10. Hat diese Frage gestellt.

EDIT2: Ich sehe, dass meine Idee grundsätzlich falsch und schlecht ist. Vielen Dank für alle Antworten und Kommentare. Entschuldigen Sie etwaige Missverständnisse.

tl; dr Ja, können Sie eine kleine Menge an Energie von einer Abwärme der CPU extrahieren, aber Ihre Kühlkörper muss je größer desto mehr Energie , die Sie extrahieren möchten sein.

Erklärung gibt es keine Maschine , die in Strom umwandelt erhitzt, nur Maschinen , die convert Wärmedifferenzin die Macht. In Ihrem Fall ist dies der Unterschied zwischen der CPU-Temperatur und der Umgebungstemperatur. Der maximale theoretische Wirkungsgrad für diesen Prozess beträgt (1 - T_cold / T_hot). Bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C, einer CPU-Temperatur von 40 ° C und einem Wärmestrom von 50 W könnten Sie also mit einem idealen Konverter 2,4 Watt Strom erzeugen (Die Temperaturen sind absolute Temperaturen in Kelvin). Wenn Sie der CPU erlauben, 60 ° C zu erreichen, können Sie bis zu 5 Watt erreichen, und wenn Sie 100 ° C erlauben, können Sie bis zu 10 Watt erreichen. Reale Wärme-Leistungs-Wandler sind ineffizienter, insbesondere thermoelektrische Elemente. Ich würde einen Stirlingmotor empfehlen, der dem idealen Wirkungsgrad näher kommt.

So fließt Wärme mit einem passiven Kühlkörper:

[CPU] --> [Environment]

Die Verbindung zwischen CPU und Umgebung hat einen Wärmewiderstand, der in Kelvin / Watt gemessen wird und direkt der Messung des elektrischen Widerstands in Volt / Ampere entspricht. In einigen Datenblättern sind möglicherweise Kelvin / Watt-Werte aufgetreten. Ein idealer Kühlkörper hat einen Widerstand von Null, daher beträgt die Temperaturdifferenz 0 und die CPU arbeitet bei Umgebungstemperatur (25 ° C). Bei einem realen Kühlkörper von 0,5 K / W und einem Wärmestrom von 50 W (die CPU erzeugt 50 W Wärme) beträgt die Temperaturdifferenz 25 K und die CPU 50 ° C.

So fließt die Wärme mit Ihrer vorgeschlagenen Maschine:

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

An allen drei Stellen gibt es Wärmewiderstände, dh Temperaturunterschiede. Nehmen wir an, die Verbindung zwischen der CPU und dem heißen Ende der Maschine ist ideal, dh sie haben die gleiche Temperatur. Der Wärmewiderstand in der Maschine wird zur Stromerzeugung genutzt. Der Wärmewiderstand zwischen dem kalten Ende und der Umgebung ist durch den kalten Ende-Kühlkörper gegeben.

Angenommen, der Kühlkörper am kalten Ende ist derselbe, den wir für die CPU verwendet haben, mit 0,5 K / W, und wir möchten, dass die CPU 50 ° C hat. Dann hat das kalte Ende der Maschine bereits 50 ° C. und es kann kein Temperaturunterschied über der Maschine bestehen, dh es kann kein Strom erzeugt werden. Wenn wir einen Kühlkörper verwenden, der zweimal groß war (0,25 K / W), liegt das kalte Ende bei 37,5 ° C und die Temperaturdifferenz über der Maschine beträgt 12,5 ° C, sodass ein wenig Strom erzeugt werden kann.

Jede Maschine, die Energie aus einem Temperaturunterschied zieht, weist einen Wärmewiderstand von gleich auf (temperature difference)/(Heat flow). Der Wärmewiderstand der Maschine wird zum Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert, sodass die CPU-Temperatur immer höher ist, wenn sich eine Maschine dazwischen befindet.

Übrigens: Einige Overclocker gehen den umgekehrten Weg: Sie fügen ein umgekehrt laufendes thermoelektrisches Element hinzu, das mit Strom Wärme von der CPU zum Kühlkörper pumpt und so eine negative Temperaturdifferenz erzeugt. Die CPU befindet sich am kalten Ende und der Kühlkörper am heißen Ende.

Übrigens: Aus diesem Grund haben Kernkraftwerke enorme Kühltürme, die als Cold-End-Kühlkörper fungieren.

Das Problem bei thermoelektrischen Generatoren ist, dass sie entsetzlich ineffizient sind.

Für eine CPU MÜSSEN Sie die Hitze loswerden, die sie produzieren oder sie schmelzen.

Sie könnten ein Peltier-Modul anschließen und eine kleine Menge Strom daraus gewinnen, müssten aber den Rest der Wärme über eine klassische Wärmeaustauschmethode abführen. Die erzeugte Strommenge wäre wahrscheinlich nicht signifikant genug, um die Kosten des Aufbaus zu rechtfertigen.

Sie können auch Peltiere als Kühler verwenden. Sie müssen jedoch Strom HINZUFÜGEN, um die Wärme abzupumpen. Diese Energie muss dann zusammen mit der Wärme, die Sie über den Wärmetauscher abführen, abgeführt werden. Letztere muss am Ende größer sein, damit Ihr Nettoeffekt schlechter wird.

Wärme an die Macht ist eine "Heiliger Gral" -Idee und setzt sich dort oben mit kalter Verschmelzung als theoretischem Traum auseinander.

Aus Gründen der Klarheit herausgegeben

Effiziente DIREKTE Umwandlung von Wärme in Elektrizität ist eine "Heiliger Gral" -Idee und setzt auf kalte Fusion als theoretischen Traum.

Für die Stromerzeugung möchten Sie, dass die heiße Seite (Prozessor) so heiß wie möglich ist, um maximale Effizienz zu erzielen. Der Wärmegenerator verlangsamt die Bewegung der Wärme, indem er ihr Energie entzieht.

Für die Berechnung soll der Prozessor so kalt wie möglich sein. Höhere Temperaturen erhöhen den elektrischen Widerstand des Siliziums. Aus diesem Grund haben Sie gut leitende Kühlkörper, Lüfter usw., um die Wärme so schnell wie möglich abzuleiten.

Diese Anforderungen widersprechen sich unmittelbar.

Überrascht, dass niemand anderes dies erwähnt hat:

Die Erzeugung von Strom aus der Abwärme eines brennbaren Prozesses kann sinnvoll sein. Strom aus der Abwärme eines Stromnetzes erzeugen? Das macht keinen Sinn. Wenn Sie auf diese Weise Energie sparen können, können Sie sogar noch mehr Energie sparen, indem Sie ein System aufbauen, das Elektrizität in erster Linie effizienter nutzt.

Die Gesetze der Thermodynamik besagen, dass das Zusammenführen von zwei Energiequellen gleicher Temperatur kein höheres Energieniveau bedeutet. Wenn Sie beispielsweise eine Tasse heißes Wasser in eine andere Tasse heißes Wasser gießen, wird die Kombination nicht heißer als die einzelnen Tassen.

Wärme ist auch eine der niedrigsten Energieformen, da man damit sehr wenig anfangen kann. Strom kann Stromkreise führen, Wind kann mechanische Bewegung erzeugen, aber Wärme kann nicht viel anderes tun, als mehr Energie in eine Flüssigkeit oder einen Feststoff zu stecken.

Das heißt, die am besten geeignete Methode, um Energie aus Wärme zu gewinnen, ist das Kochen einer Flüssigkeit (z. B. Wasser), um eine Turbine anzutreiben. Wenn Sie mehrere Kühlkörper zusammenbauen und an eine Wanne anschließen, kann das Wasser kochen, wenn die CPU-Temperaturen alle über 100 ° C liegen. Aber wie Sie wahrscheinlich schließen können, ist dies eine schreckliche Idee.

Lustiges Denken, aber nein. Ihre CPU ist nicht nur ein Chip, sondern es handelt sich um Bonddrähte und ein Gehäuse, das bei 1000 ° C keine Chance hätte.

Davon abgesehen sind noch einige Gesetze der Thermodynamik zu beachten. Sie müssen immer noch sehr viel Energie in das System stecken, um sehr wenig herauszuholen. Das Peltier-Element, auf das Sie sich beziehen, benötigt einen großen dT (Unterschied zwischen kalter und heißer Seite). Durch einfaches Entfernen der Kühlkörper wird die "kalte" Seite auf die gleiche Temperatur wie die heiße Seite gebracht, sodass hier keine Energie mehr gewonnen werden kann. Sie müssen die kalte Seite abkühlen, was die Effizienz noch mehr beeinträchtigt. Andererseits können diese Peltier-Elemente verwendet werden, um eine Temperaturdifferenz wie beim Kühlen der CPU zu erzeugen.

Theoretisch ist es möglich . Alles, was Sie brauchen, ist eine "Substanz", die Elektrizität erzeugt, wenn sich eine ihrer Oberflächen bei 40 ° C und die andere bei 20 ° C befindet.
Derzeit gibt es Thermoelemente, die genau dies tun (Wärme in Elektrizität umwandeln), jedoch bei einer viel höheren Temperatur.