Usando calor de la CPU para generar electricidad

He estado leyendo la Organización de computadoras estructuradas de Tanenbaum y dice que uno de los principales cuellos de botella para aumentar la velocidad del reloj de la CPU es el calor. Entonces comencé a pensar: ¿es posible quitar el disipador de calor por completo y usar ese calor para generar más electricidad? He estado buscando esto y encontré estos materiales termoeléctricos y este generador termoeléctrico :

Leí en ese artículo de Wikipedia que "las aleaciones de silicio-germanio son actualmente los mejores materiales termoeléctricos alrededor de 1000 ° C (...)" , y sé que la CPU normalmente opera alrededor de 30 ~ 40 ° C. Por lo tanto, llegar a 1000 ° C requeriría más CPU.

Entonces pensé: ¿qué hay de poner muchas CPU en paralelo sin sus disipadores de calor para acumular más calor? También podemos overclockear estas CPU mucho y ver cuánto calor pueden generar.

Pero estoy atascado. No sé qué pensar a continuación. Ni siquiera sé si es una buena línea de pensamiento.

Mi pregunta es: ¿por qué no desarrollar algún tipo de disipador térmico que genere electricidad a partir del calor de la CPU? Sé que alguien ya debe haber pensado en eso y haber pensado en una razón para no hacerlo, pero no puedo entenderlo.

Entonces, ¿por qué no es posible?

EDITAR para aclarar: no quiero que las CPU funcionen a 1000 ° C. Enumeraré mis pasos de razonamiento (no necesariamente correctos), que fueron más o menos:

1. La velocidad del reloj de la CPU está limitada por la temperatura de trabajo (T).
2. Las CPU generan calor. El calor hace subir a T.
3. Los disipadores de calor se encargan de ese calor para mantener T = 40 ° C.
4. Reemplace el disipador térmico con un generador termoeléctrico (construido de SiGe o material similar)
5. Coloque muchas CPU al lado del otro para aumentar la generación de calor.
6. El calor sale de las CPU a TEG, por lo que las CPU se mantienen en T = 40 ° C.
7. es posible?
8. ¿Cómo construir tal TEG? ¿Qué material usar?
9. ¿Por qué ese dispositivo ya no existe?
10. Hice esta pregunta.

EDIT2: Veo que mi idea es fundamentalmente incorrecta y mala. Gracias por todas las respuestas y comentarios. Perdón por cualquier malentendido.

tl; dr Sí, puede extraer una pequeña cantidad de energía del calor residual de una CPU, pero su disipador de calor debe ser mayor cuanto más energía desee extraer.

explicación No existe una máquina que convierta el calor en energía, solo máquinas que convierten la diferencia de caloren el poder En su caso, esa diferencia es la que existe entre la temperatura de la CPU y la temperatura ambiente. La eficiencia teórica máxima para este proceso es (1 - T_cold / T_hot), por lo que para una temperatura ambiente de 25 grados C, una temperatura de CPU de 40 grados C y un flujo de calor de 50 W, podría generar 2,4 vatios de electricidad con un convertidor ideal (Las temperaturas son temperaturas absolutas en Kelvins). Si permite que la CPU alcance 60 grados C, puede obtener hasta 5 vatios, y si permite 100 grados C, puede obtener hasta 10 vatios. Los convertidores de calor a potencia de la vida real son más ineficientes, especialmente los elementos termoeléctricos. Recomendaría un motor Stirling, que está más cerca de la eficiencia ideal.

Así es como fluye el calor con un disipador pasivo:

[CPU] --> [Environment]

La unión CPU-Medio Ambiente tiene una resistencia térmica, medida en Kelvins / Watt, directamente equivalente a cómo se mide la resistencia eléctrica en Voltios / Amperio. Es posible que haya encontrado valores Kelvin / Watt en algunas hojas de datos. Un disipador térmico ideal tiene resistencia cero, por lo que la diferencia de temperatura es 0 y la CPU funciona a temperatura ambiente (25 grados C). Con un disipador de calor de la vida real de 0.5K / W y un flujo de calor de 50W (la CPU genera 50W de calor), la diferencia de temperatura es de 25K y la CPU está a 50 grados C.

Así es como fluye el calor con su máquina propuesta:

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

Hay resistencias térmicas, es decir, diferencias de temperatura, en los tres puntos. Supongamos que la conexión entre la CPU y el extremo caliente de la máquina es ideal, es decir, están a la misma temperatura. La resistencia térmica dentro de la máquina se utiliza para generar electricidad. La resistencia térmica entre el extremo frío y el medio ambiente viene dada por el disipador de calor del extremo frío.

Digamos que el disipador de calor en el extremo frío es el mismo que usamos para la CPU, con 0.5K / W, y queremos que la CPU esté a 50 grados C. Luego el extremo frío de la máquina ya está a 50 grados C, y no puede haber diferencia de temperatura sobre la máquina, es decir, no puede generar energía. Si usamos un disipador de calor dos veces fue grande (0.25K / W), entonces el extremo frío estará a 37.5 ° C y la diferencia de temperatura sobre la máquina es de 12.5 ° C, por lo que puede generar un poco de energía.

Cualquier máquina que extrae energía de una diferencia de temperatura presenta una resistencia térmica igual a (temperature difference)/(Heat flow). La resistencia térmica de la máquina se agrega a la resistencia térmica del disipador térmico, por lo que la temperatura de la CPU siempre será más alta si hay una máquina en el medio.

Por cierto, algunos overclockers van en la dirección opuesta: agregan un elemento termoeléctrico que funciona en reversa, utilizando energía eléctrica para bombear calor desde la CPU al disipador térmico, creando una diferencia de temperatura negativa. La CPU está en el extremo frío y el disipador térmico está en el extremo caliente.

Por cierto, esta es la razón por la cual las plantas de energía nuclear tienen enormes torres de enfriamiento, que funcionan como el disipador de calor del extremo frío.

El problema con los generadores termoeléctricos es que son terriblemente ineficientes.

Para una CPU, TIENES que deshacerte del calor que producen o se derriten.

Podría conectar un módulo peltier y extraer una pequeña cantidad de electricidad de ellos, pero aún necesitaría disipar el resto del calor mediante un método clásico de intercambio de calor. Es probable que la cantidad de electricidad generada no sea lo suficientemente significativa como para garantizar el costo de la configuración.

También PUEDES usar peltiers como enfriadores. Sin embargo, necesita AGREGAR energía para bombear el calor. Esa potencia debe ser disipada junto con el calor que está eliminando a través del intercambiador de calor. Al final, este último debe ser más grande para que su efecto neto sea peor.

El calor al poder es una idea de "santo grial" y está a la altura de la fusión fría como un sueño teórico.

EDITADO PARA CLARIDAD

La conversión DIRECTA eficiente del calor a la electricidad es una idea del "Santo Grial" y está a la altura de la fusión fría como un sueño teórico.

Para generar electricidad, desea que el lado caliente (procesador) esté lo más caliente posible para obtener la máxima eficiencia. El generador térmico ralentiza el movimiento del calor a medida que extrae energía de él.

Para realizar el cálculo, desea que el procesador esté lo más frío posible. Las temperaturas más altas aumentan la resistencia eléctrica del silicio. Es por eso que tiene disipadores de calor, ventiladores, etc. altamente conductivos: para alejar el calor lo más rápido posible.

Estos requisitos se contradicen directamente entre sí.

Sorprendido de que nadie más ha mencionado esto:

Generar electricidad a partir del calor residual de algún proceso que quema combustible puede tener sentido. ¿Generar electricidad a partir del calor residual de un sistema que funciona con electricidad en primer lugar? Eso no tiene sentido. Si es posible que ahorre energía haciendo eso, entonces es posible que ahorre aún más energía al construir un sistema que use electricidad de manera más eficiente en primer lugar.

Las leyes de la termodinámica establecen que juntar dos fuentes de energía de la misma temperatura no equivale a un nivel de energía más alto. Por ejemplo, poner una taza de agua caliente en otra taza de agua caliente no hace que la combinación sea más caliente que las tazas separadas.

El calor también es una de las formas más bajas de energía, ya que es muy poco lo que puedes hacer con él. La electricidad puede ejecutar circuitos, el viento puede crear movimiento mecánico, pero el calor no puede hacer mucho más que poner más energía en un fluido o sólido.

Dicho esto, el método más factible para obtener energía del calor es hervir un fluido (agua, por ejemplo) para hacer girar una turbina. Si se juntan varios disipadores de calor y se unen a una bañera, el agua puede hervir si las CPU están por encima de los 100 C. Pero, como probablemente se puede deducir, esta es una idea terrible.

Pensamiento divertido, pero no. Su CPU no es solo un chip, hay cables de conexión y una carcasa involucrados que no tendrían una posibilidad exacta de 1000 ° C.

Aparte de eso, todavía hay algunas leyes de termodinámica a considerar. Todavía tiene que poner una gran cantidad de energía en el sistema para sacar muy poco. El elemento Peltier al que se refiere necesita una gran dT (diferencia entre el lado frío y el lado caliente), por lo que simplemente quitando los disipadores de calor traerá el lado "frío" a la misma temperatura que el lado caliente, por lo que no se ganará más energía aquí, necesitará enfriar el lado frío, lo que arruinará aún más la eficiencia. Por otro lado, esos elementos Peltier pueden usarse para generar una diferencia de temperatura como en el enfriamiento de la CPU.

En teoría, es posible . Todo lo que necesita es alguna "sustancia" que genere electricidad cuando una de sus superficies está a 40c y la otra a 20c.
Actualmente, hay termopares que hacen exactamente esto (cambiar el calor a electricidad), pero a una temperatura mucho más alta.