Wykorzystywanie ciepła procesora do generowania elektryczności

22

Czytam Structured Computer Organisation Tanenbauma i mówi, że jednym z głównych wąskich gardeł w zwiększaniu szybkości taktowania procesora jest ciepło. Zacząłem więc myśleć: czy można całkowicie usunąć radiator i wykorzystać to ciepło do wytworzenia większej ilości prądu? Szukałem tego i znalazłem te materiały termoelektryczne i ten generator termoelektryczny :

Koncepcja generatora termoelektrycznego znaleziona na Wikipedii

Przeczytałem w tym artykule w Wikipedii, że „stopy krzemowo-germanowe są obecnie najlepszymi materiałami termoelektrycznymi o temperaturze około 1000 ° C (...)” i wiem, że procesor zwykle pracuje w temperaturze około 30 ~ 40 ° C. Tak więc osiągnięcie 1000 ° C wymagałoby więcej procesorów.

Pomyślałem więc: co powiesz na umieszczenie wielu procesorów równolegle bez ich radiatorów, aby zebrać więcej ciepła? Możemy również znacznie podkręcić te procesory i zobaczyć, ile ciepła mogą wytworzyć.

Ale utknąłem. Nie wiem, co dalej myśleć. Nie wiem nawet, czy to dobra myśl.

Moje pytanie brzmi: dlaczego nie opracować jakiegoś radiatora, który wytwarza energię elektryczną z ciepła procesora? Wiem, że ktoś musiał już o tym pomyśleć i zastanowić się, dlaczego tego nie zrobić, ale nie mogę tego rozgryźć.

Dlaczego to nie jest możliwe?


EDYCJA dla wyjaśnienia: Nie chcę, aby procesory działały w 1000 ° C. Wymienię moje kroki rozumowania (niekoniecznie prawidłowe), które były z grubsza:

  1. Szybkość zegara procesora jest ograniczona temperaturą roboczą (T).
  2. Procesory generują ciepło. Ciepło powoduje wzrost T.
  3. Radiatory dbają o to ciepło, aby utrzymać T = 40 ° C.
  4. Wymień radiator na generator termoelektryczny (zbudowany z SiGe lub podobnego materiału)
  5. Umieść wiele procesorów obok siebie, aby zwiększyć wytwarzanie ciepła.
  6. Ciepło dochodzi z procesorów do TEG, więc procesory pozostają w temperaturze T = 40 ° C.
  7. czy to możliwe?
  8. Jak zbudować taki TEG? Jakiego materiału użyć?
  9. Dlaczego takie urządzenie jeszcze nie istnieje?
  10. Zadałem to pytanie.

EDYCJA 2: Widzę, że mój pomysł jest zasadniczo zły i zły. Dziękuję za wszystkie odpowiedzi i komentarze. Przepraszamy za wszelkie nieporozumienia.

Enzo Ferber
źródło
11
Jak proponujesz, aby Twoje procesory działały w 1000 ° C?
PlasmaHH
34
Dwa procesory przy 50 ° każdy nie są takie same jak jeden procesor przy 100 °.
Hearth
12
Oni nie. Pomyśl o tym w ten sposób: jeśli wschodnia strona pokoju wynosi 20 ° C, a zachodnia strona pokoju wynosi 20 ° C, cały pokój ma temperaturę 20 ° C, a nie 40 ° C lub coś w tym rodzaju.
Hearth
11
@EnzoFerber: ok, poddaję się, wiesz, że procesor zostanie zniszczony przez świecące na żółto gorąco, ale jednocześnie chcesz sprawić, by świecił na żółto gorąco i działał. Może faceci z scifi i fantasy SE mają magię, która działa dla ciebie.
PlasmaHH
6
Zauważyłem, że nikt nie odpowiedział, co uważam za prawdziwe rozwiązanie, więc dodaję swoją opinię. Do wytworzenia energii nie można wykorzystywać ciepła; potrzebujesz ciepła RÓŻNICOWEGO. ponieważ procesor musi pozostawać w stałej temperaturze (powyżej 100 ° C będzie źle się zachowywał), jedynym sposobem na wydobycie energii jest chłodzenie radiatora. Ale energia potrzebna do ochłodzenia radiatora jest wyższa niż energia, którą można wydobyć. Możesz wydobywać energię X, ale tylko pod warunkiem, że energia Y> X. Więc ... Brak wytwarzania energii, przepraszam ...
frarugi87

Odpowiedzi:

13

tl; dr Tak, możesz wydobyć niewielką ilość energii z ciepła odpadowego procesora, ale twój radiator musi być tym większy, im więcej mocy chcesz odzyskać.

wyjaśnienie Nie ma maszyny, która zamienia ciepło w energię, tylko maszyny, które przekształcają różnicę ciepłado władzy. W twoim przypadku ta różnica to różnica między temperaturą procesora a temperaturą otoczenia. Maksymalna teoretyczna wydajność tego procesu wynosi (1 - T_cold / T_hot), więc dla temperatury otoczenia wynoszącej 25 ° C, temperatury procesora wynoszącej 40 ° C i przepływu ciepła 50 W można wytworzyć 2,4 wata energii elektrycznej za pomocą idealnego konwertera (temperatury są temperaturami bezwzględnymi w kelwinach). Jeśli pozwolisz procesorowi osiągnąć 60 stopni C, możesz uzyskać do 5 watów, a jeśli pozwolisz na 100 stopni C, możesz uzyskać do 10 watów. Rzeczywiste przetworniki ciepła na energię są bardziej nieefektywne, zwłaszcza elementy termoelektryczne. Poleciłbym silnik Stirlinga, który jest bliższy idealnej wydajności.

W ten sposób ciepło przepływa z pasywnym radiatorem:

[CPU] --> [Environment]

Złącze procesor-środowisko ma opór cieplny, mierzony w kelwinach / watach, bezpośrednio równoważny z oporem elektrycznym mierzonym w woltach / amperach. W niektórych arkuszach danych mogły wystąpić wartości Kelvina / Wata. Idealny radiator ma zerową rezystancję, więc różnica temperatur wynosi 0, a procesor pracuje w temperaturze otoczenia (25 st. C). Przy rzeczywistym radiatorze 0,5 K / W i przepływie ciepła 50 W (CPU wytwarza 50 W ciepła), różnica temperatur wynosi 25 K, a procesor 50 ° C.

Oto jak ciepło przepływa z proponowaną maszyną:

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

We wszystkich trzech punktach występują opory cieplne, tj. Różnice temperatur. Załóżmy, że połączenie procesora z gorącym końcem maszyny jest idealne, tzn. Mają tę samą temperaturę. Odporność termiczna wewnątrz urządzenia służy do wytwarzania energii elektrycznej. Opór cieplny między zimnym końcem a środowiskiem jest zapewniany przez zimny koniec radiatora.

Powiedzmy, że radiator na zimnym końcu jest taki sam, jak w przypadku procesora, z 0,5 K / W, i chcemy, aby procesor miał 50 stopni C. Wtedy zimny koniec maszyny ma już 50 stopni, i nie może występować różnica temperatur na maszynie, tzn. nie może wytwarzać żadnej mocy. Jeśli użyjemy radiatora dwa razy był duży (0,25 K / W), wówczas zimny koniec wyniesie 37,5 st. C, a różnica temperatur nad maszyną wynosi 12,5 st. C, więc może wygenerować trochę mocy.

Każda maszyna, która pobiera energię z różnicy temperatur, ma opór cieplny równy (temperature difference)/(Heat flow). Odporność termiczna urządzenia jest dodawana do oporu cieplnego radiatora, więc temperatura procesora będzie zawsze wyższa, jeśli pomiędzy nimi znajdzie się maszyna.

BTW Niektóre overclockery idą w drugą stronę: dodają element termoelektryczny, który działa odwrotnie, wykorzystując energię elektryczną do pompowania ciepła z procesora do radiatora, tworząc ujemną różnicę temperatur. Procesor znajduje się na zimnym końcu, a radiator na gorącym końcu.

BTW Właśnie dlatego elektrownie jądrowe mają ogromne wieże chłodnicze, które działają jak zimny koniec radiatora.

mic_e
źródło
2
+1 jedyna jak dotąd odpowiedź dotycząca rzeczywistego problemu zamiast skupiania się na efektach ubocznych.
Agent_L,
1
Słyszałem, że kocioł parowy jest całkiem dobrym urządzeniem do pozyskiwania energii z samego ciepła. Naturalnie musisz wyjść poza temperaturę wrzenia, aby wytworzyć parę, która byłaby przydatna w tym momencie, w którym Twój półprzewodnik gotuje. Sądzę, że teoretycznie można by użyć systemu niskociśnieniowego, aby obniżyć temperaturę wrzenia. Nie warto tego myśleć o kilkudziesięciu watach. Zakłady WRT nuke z pewnością mogłyby wykorzystać ciepło odpadowe w cyklu chłodzenia do zapewnienia np. Ogrzewania mieszkań. Te złe atomy skaczą z wody chłodzącej do wody grzewczej, jak wszyscy myślą.
Barleyman
@nocomprende: Oczywiście masz rację. Ja wyjaśniłem.
mic_e
1
@Barleyman: Ogrzewanie mieszkaniowe to sprytny radiator, ponieważ można pobierać opłaty za jego użytkowanie. Jest to jednak niewiarygodne, ponieważ Twoi klienci nie pochłoną twojego ciepła podczas lata, więc będziesz potrzebować wież jako rezerwy. Ponadto ogrzewanie domów będzie wymagało co najmniej 60 ° C, więc nie będzie w stanie schłodzić zimnego końca poniżej 60 ° C. Pamiętaj: Im niższa temperatura zimnego końca, tym wyższa wydajność.
mic_e
1
+1 za bycie odpowiedzią kończącą wszystkie pozostałe odpowiedzi. :) Szkoda, że ​​inna odpowiedź (która jest OK, ale ze znacznie mniej szczegółami) została zaakceptowana.
AnoE,
32

Problem z generatorami termoelektrycznymi polega na tym, że są one niesamowicie nieefektywne.

W przypadku procesora MUSISZ pozbyć się wytwarzanego przez nie ciepła lub stopić.

Możesz podłączyć moduł Peltiera i wydobyć z niego niewielką ilość prądu, ale nadal będziesz musiał rozproszyć pozostałą część ciepła klasyczną metodą wymiany ciepła. Ilość wytworzonej energii elektrycznej prawdopodobnie nie byłaby wystarczająca, aby uzasadnić koszt instalacji.

MOŻESZ także używać peltiera jako chłodnicy. Jednak musisz DODAĆ moc, aby wypompować ciepło. Tę moc należy następnie rozproszyć wraz z ciepłem usuwanym przez wymiennik ciepła. W końcu ta ostatnia musi być większa, aby efekt netto był gorszy.

Ciepło do władzy jest pomysłem „świętego Graala” i jest tam z zimną fuzją jako teoretycznym snem.

Zredagowane dla przejrzystości

Skuteczna konwersja BEZPOŚREDNIA z ciepła na elektryczność jest ideą „świętego Graala” i jest tam z zimnym stopniem jako teoretycznym snem.

Trevor_G
źródło
7
Ciepło do mocy to nie tylko teoretyczny sen. Dokładnie to robi każdy silnik spalinowy, każda turbina parowa, każdy silnik odrzutowy. To po prostu nie ma sensu w temperaturze, w której działają procesory. Ponadto PO musi nauczyć się różnicy między ciepłem a temperaturą.
Dave Tweed
5
Zawartość ciepła w płynie wyjściowym jest zawsze mniejsza niż zawartość ciepła w płynie wejściowym, dlatego wszystkie wymienione przeze mnie urządzenia są ogólnie klasyfikowane jako „silniki cieplne”, a ich ogólna wydajność jest ograniczona znanymi prawami termodynamiki . Urządzenie Peltiera podlega tym samym prawom, ale na początku jest bardzo nieefektywne.
Dave Tweed
3
@ Ciśnienie treningowe jest wynikiem zastosowania energii cieplnej. Zasadniczo ciśnienie jest ich inżynieryjnym środkiem dostępu do energii cieplnej. Temperatura jest definiowana jako średnia energia kinetyczna, więc masz dobry pomysł, ale mylisz się co do przyczyny i efektu, o ile mówisz o silniku, a nie o sprężarce.
Chris Stratton,
10
Wytwarzanie użytecznej energii elektrycznej lub mechanicznej może być trudne, ale „ciepło odpadowe procesora w temperaturze niewiele wyższej niż temperatura pokojowa” może zapewnić ciepło w zimie - tzn. Pomysł „pieca danych”.
Chris Stratton,
2
@Christoph: Cóż, w dużych centrach danych masz dokładnie taką sytuację. Pompy ciepła (klimatyzatory) są używane do aktywnego pompowania ciepła z centrum danych, aby ułatwić chłodzenie centrum danych, a nikomu nie zależy na ogromnym poborze mocy.
mic_e
19

Do generowania energii elektrycznej chcesz, aby gorąca strona (procesor) była tak gorąca, jak to możliwe, aby uzyskać maksymalną wydajność. Generator termiczny spowalnia ruch ciepła, gdy pobiera z niego energię.

Do prowadzenia obliczeń, chcesz procesor być tak zimno , jak to możliwe. Wyższe temperatury zwiększają rezystancję elektryczną krzemu. Właśnie dlatego masz wysoce przewodzące radiatory, wentylatory itp .: aby jak najszybciej odprowadzić ciepło.

Wymagania te są bezpośrednio sprzeczne.

pjc50
źródło
6
Innymi słowy, musiałbyś znacznie pogorszyć działanie procesora, aby uzyskać nawet trywialną ilość mocy. To przegrana propozycja. Jeśli możesz tolerować gorsze działanie procesora, lepiej byłoby po prostu zapewnić mu mniej energii w pierwszej kolejności, niż dostarczać dużo dodatkowych, aby nagrzać go, abyś mógł odzyskać niewielką część tego.
David Schwartz,
1
W rzeczywistości krzem jest przeciwieństwem metalu - odporność maleje wraz ze wzrostem temperatury . Jednak wysokie temperatury powodują hałas, a niska odporność powoduje inne problemy. Oba powodują błędy procesora.
Tom Leys,
2
@gmatht Istnieją już eksperymenty z centrami danych głęboko w oceanach. Wygląda dość obiecująco dla klastrów chmurowych - chłodzenie nawet dużych farm serwerów jest w tych temperaturach otoczenia prawie banalne, a woda może łatwo odprowadzać dużo ciepła. Podejrzewam, że Pluton byłby raczej niepraktyczny, nawet gdybyśmy martwili się tylko temperaturą, a nie innymi praktycznymi trudnościami :)
Luaan
2
@TomLeys to nadmierne uproszczenie. W przypadku niedomieszkowanych półprzewodników opór spada wraz z temperaturą. Z domieszkowanymi półprzewodnikami może iść w obie strony.
Peter Green,
1
@gmatht Centrum danych na Plutonie musiałoby się zmagać z faktem, że na Plutonie jest atmosfera zbliżona do zera, więc rozpraszanie ciepła może nastąpić tylko przez promieniowanie, co jest bardzo nieefektywne w porównaniu z innymi metodami. A może chodziło Ci o Plutona, psa Myszki Miki? :) W takim przypadku myślę, że musiałoby się to zmierzyć z izolującymi efektami sierści psa, które są znaczne!
CVn
18

Zaskoczony, że nikt inny nie wspomniał o tym:

Sensowne może być wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego z procesu spalania paliwa. Generowanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego z systemu, który jest zasilany przede wszystkim energią elektryczną? To nie ma sensu. Jeśli możesz w ten sposób oszczędzać energię, możesz zaoszczędzić jeszcze więcej energii, budując system, który przede wszystkim bardziej efektywnie wykorzystuje energię elektryczną.

Solomon Slow
źródło
3
Dokładnie. Jeśli procesor może tolerować wydobywanie energii z jego ciepła, działa bardzo nieefektywnie i lepiej byłoby wykorzystać tę nieefektywność, aby przede wszystkim zużywać mniej energii, niż próbować wydobyć jej niewielką część.
David Schwartz
1
Ten sam argument można zastosować do silników spalających paliwo: optymalizacja silnika cieplnego daje więcej niż próbę odbioru ciepła odpadowego.
Dmitrij Grigoriew
1
Elektrownie często wykorzystują „ciepło odpadowe” z turbin gazowych do napędzania silników parowych.
Peter Green,
3
@DmitryGrigoryev: z jednym zastrzeżeniem: kogeneracja. Zbieranie ciepła odpadowego i wykorzystywanie go do ogrzewania innych rzeczy jest fantastycznie skuteczne.
whatsisname
2
Meta-komentarz: Prawdopodobnie nikt wcześniej nie pomyślał o udzieleniu tej odpowiedzi, ponieważ nie jest to częścią pytania. Faktem jest, że procesory generują ciepło. PO stwierdza ten fakt dla kompletności lub w celu ustalenia kontekstu pytania. PO nie pyta, jak / czy można tego uniknąć. Pytanie brzmi, czy ciepło, które jest dane, można wykorzystać do wytworzenia elektryczności. Dlatego nie ma sensu proponować unikania ciepła (w kontekście tego pytania).
AnoE,
2

Prawa termodynamiki mówią, że połączenie dwóch źródeł energii o tej samej temperaturze nie oznacza wyższego poziomu energii. Na przykład włożenie nalewania kubka gorącej wody do innego kubka gorącej wody nie powoduje, że kombinacja jest gorętsza niż osobne kubki.

Ciepło jest również jedną z najniższych form energii, ponieważ niewiele można z nim zrobić. Energia elektryczna może przepływać obwody, wiatr może wytwarzać ruch mechaniczny, ale ciepło nie może zrobić nic poza włożeniem większej ilości energii w płyn lub ciało stałe.

To powiedziawszy, najbardziej wykonalną metodą pozyskiwania energii z ciepła jest gotowanie płynu (na przykład wody) w celu obrócenia turbiny. Złożenie wielu radiatorów razem i przymocowanie do wanny może spowodować zagotowanie wody, jeśli procesory mają temperaturę powyżej 100 C. Ale, jak zapewne można wywnioskować, jest to okropny pomysł.

Pan Cheezits
źródło
Uzyskanie energii użytecznej z gradientu ciepła jest dość łatwe - ale wydajność wzrasta wraz ze wzrostem różnicy. Tak działają np. Silniki spalinowe i dlatego silnik termodynamiczny stara się nagrzać tak praktycznie, jak to możliwe, jednocześnie utrzymując drugą stronę tak chłodną, ​​jak to praktycznie możliwe. Gradient między procesorem o temperaturze 50 ° C a środowiskiem o temperaturze 25 ° C nie daje wiele możliwości pozyskiwania użytecznej energii - w rzeczywistości utrzymanie wystarczająco niskiej temperatury procesora jest wyzwaniem, a silnik cieplny tylko pogorszyłby sytuację.
Luaan
Chodziło nie o wydajność, ale o praktyczność. Gotowanie wody z odpadowym ciepłem procesora jest niepraktyczne niezależnie od gradientu temperatury.
Pan Cheezits
2
Oczywiście wrząca woda pod ciśnieniem pokojowym. Ale nikt nie mówi, że musi to być woda i że musi to być ciśnienie pokojowe - jest mnóstwo rzeczy, które miałyby dogodną temperaturę wrzenia. Używamy wielu różnych chłodziw w zależności od warunków - w tym popularnych obecnie rur ciepła, które są faktycznie używane do chłodzenia procesorów, przy użyciu niskociśnieniowego odparowującego chłodziwa wody znacznie przewyższającego przewodnictwo cieplne obudowy. Najważniejsza jest wydajność i koszt - wydobycie nawet niewielkiej części energii przy tak małym gradiencie jest niewiarygodnie drogie.
Luaan
2

Zabawne myślenie, ale nie. Twój procesor to nie tylko układ scalony, są w nim połączone przewody łączące i obudowa, która nie miałaby szansy na 1000 ° C.

Poza tym należy wziąć pod uwagę pewne prawa termodynamiki. Nadal musisz włożyć ogromną ilość energii do systemu, aby uzyskać bardzo niewiele. Element Peltiera, o którym mówisz, wymaga dużego dT (różnica między stroną zimną i gorącą), więc po prostu zdjęcie radiatora spowoduje, że strona „zimna” osiągnie tę samą temperaturę co strona gorąca, więc nie będzie tu więcej energii, musisz schłodzić zimną stronę, co jeszcze bardziej zniszczy wydajność. Z drugiej strony te elementy Peltiera można wykorzystać do wygenerowania różnicy temperatur, jak w przypadku chłodzenia procesora.

wiebel
źródło
2

Teoretycznie jest to możliwe . Wystarczy tylko „substancja”, która wytwarza elektryczność, gdy jedna z jej powierzchni ma 40 ° C, a druga 20 ° C.
Obecnie istnieją termopary, które właśnie to robią (zamieniają ciepło na elektryczność), ale w znacznie wyższej temperaturze.

Guill
źródło