Menggunakan panas CPU untuk menghasilkan listrik

22

Saya telah membaca Organisasi Komputer Terstruktur Tanenbaum dan dia mengatakan salah satu hambatan utama untuk meningkatkan kecepatan clock CPU adalah panas. Jadi saya mulai berpikir: Apakah mungkin untuk menghapus heatsink sama sekali dan menggunakan panas itu untuk menghasilkan lebih banyak listrik? Saya sudah mencari ini dan menemukan bahan termoelektrik ini dan generator termoelektrik ini :

Konsep generator termoelektrik ditemukan di Wikipedia

Saya membaca artikel Wikipedia bahwa "Paduan silikon-germanium saat ini adalah bahan termoelektrik terbaik sekitar 1000 ° C (...)" , dan saya tahu CPU biasanya beroperasi sekitar 30 ~ 40 ° C. Jadi, untuk mencapai 1000 ° C akan membutuhkan lebih banyak CPU.

Jadi saya berpikir: Bagaimana dengan meletakkan banyak CPU secara paralel tanpa heatsink untuk mengumpulkan lebih banyak panas? Kita juga bisa meng-overclock CPU ini secara keseluruhan dan melihat berapa banyak panas yang bisa dihasilkan.

Tapi saya macet. Saya tidak tahu harus berpikir apa selanjutnya. Saya bahkan tidak tahu apakah itu pemikiran yang bagus.

Pertanyaan saya adalah: mengapa tidak mengembangkan semacam heatsink yang menghasilkan listrik dari panas CPU? Saya tahu seseorang pasti sudah memikirkan hal itu dan memikirkan alasan mengapa tidak melakukannya, tetapi saya tidak bisa mengetahuinya.

Jadi, mengapa itu tidak mungkin?


EDIT untuk klarifikasi: Saya tidak ingin CPU bekerja pada 1000 ° C. Saya akan mencantumkan langkah-langkah penalaran saya (belum tentu benar), yang kira-kira:

  1. Kecepatan jam CPU dibatasi oleh suhu kerja (T).
  2. CPU menghasilkan panas. Panas membuat T naik.
  3. Heatsink menangani panas itu untuk mempertahankan T = 40 ° C.
  4. Ganti heatsink dengan generator termoelektrik (dibangun dari SiGe atau bahan serupa)
  5. Letakkan banyak CPU berdampingan untuk meningkatkan pembangkitan panas.
  6. Panas keluar dari CPU ke TEG, sehingga CPU tetap pada T = 40 ° C.
  7. Apakah ini mungkin?
  8. Bagaimana cara membangun TEG? Materi apa yang digunakan?
  9. Mengapa perangkat seperti itu belum ada?
  10. Mengajukan pertanyaan ini.

EDIT2: Saya melihat bahwa ide saya pada dasarnya salah dan buruk. Terima kasih atas semua jawaban dan komentarnya. Maaf tentang kesalahpahaman.

Enzo Ferber
sumber
11
Bagaimana Anda mengusulkan CPU Anda bekerja pada 1000 ° C?
PlasmaHH
34
Dua CPU pada 50 ° masing-masing tidak sama dengan satu CPU pada 100 °.
Hearth
12
Mereka tidak melakukannya. Pikirkan seperti ini: jika sisi timur kamar Anda adalah 20 ° C, dan sisi barat kamar Anda adalah 20 ° C, kamar Anda secara keseluruhan adalah 20 ° C, bukan 40 ° C atau apa pun seperti itu.
Hearth
11
@ EnzoFerber: ok, saya menyerah, Anda tahu bahwa CPU akan dihancurkan oleh itu menyala kuning panas, tetapi pada saat yang sama Anda ingin membuatnya menyala kuning panas dan bekerja. Mungkin orang-orang di scifi dan fantasy SE memiliki sihir yang cocok untuk Anda.
PlasmaHH
6
Saya perhatikan tidak ada yang menjawab apa yang saya pikir adalah solusi nyata, jadi saya menambahkan pendapat saya. Untuk menghasilkan energi, Anda tidak dapat menggunakan panas; Anda perlu panas BERBEDA. karena CPU harus tetap pada suhu tetap (lebih dari 100 ° C akan berperilaku buruk), satu-satunya cara untuk mengekstraksi energi adalah membuat pendingin heatsink. Tetapi energi yang dibutuhkan untuk mendinginkan heatsink lebih tinggi daripada yang bisa Anda ekstrak. Anda dapat mengekstrak energi X, tetapi hanya menyediakannya energi Y> X. Jadi ... Tidak ada pembangkit listrik, maaf ...
frarugi87

Jawaban:

13

tl; dr Ya, Anda dapat mengekstrak sejumlah kecil daya dari panas limbah CPU, tetapi unit pendingin Anda harus lebih besar semakin banyak daya yang ingin Anda ekstrak.

PENJELASAN Tidak ada mesin yang mengubah panas menjadi listrik, hanya mesin yang mengubah perbedaan panasmenjadi kekuatan. Dalam kasus Anda, perbedaan itu adalah antara suhu CPU dan suhu lingkungan. Efisiensi teoritis maksimum untuk proses ini adalah (1 - T_cold / T_hot), jadi untuk suhu lingkungan 25 derajat C, suhu CPU 40 derajat C dan aliran panas 50W Anda dapat menghasilkan 2,4 watt listrik dengan konverter yang ideal (suhu adalah suhu absolut di Kelvin). Jika Anda membiarkan CPU mencapai 60 derajat C, Anda bisa mendapatkan hingga 5 watt, dan jika Anda membiarkan 100 derajat C, Anda bisa mendapatkan hingga 10 watt. Konverter heat-to-power kehidupan nyata lebih tidak efisien, terutama elemen termoelektrik. Saya akan merekomendasikan mesin pengaduk, yang lebih dekat ke efisiensi ideal.

Beginilah cara panas mengalir dengan heatsink pasif:

[CPU] --> [Environment]

Persimpangan CPU-ke-Lingkungan memiliki hambatan termal, diukur dalam Kelvin / Watt, setara langsung dengan bagaimana hambatan listrik diukur dalam Volt / Ampere. Anda mungkin menemukan nilai Kelvin / Watt di beberapa lembar data. Heatsink yang ideal memiliki ketahanan nol, sehingga perbedaan suhu adalah 0 dan CPU beroperasi pada suhu lingkungan (25 derajat C). Dengan heatsink kehidupan nyata 0,5K / W dan aliran panas 50W (CPU menghasilkan panas 50W), perbedaan suhu 25K dan CPU pada 50 derajat C.

Beginilah cara panas mengalir dengan mesin yang Anda usulkan:

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

Ada hambatan termal, yaitu perbedaan suhu, pada ketiga titik. Mari kita asumsikan bahwa koneksi antara CPU dan hot end mesin ideal, yaitu mereka pada suhu yang sama. Hambatan termal di dalam mesin digunakan untuk menghasilkan listrik. Resistansi termal antara ujung dingin dan lingkungan diberikan oleh heat-end pendingin.

Katakanlah heat sink pada ujung dingin adalah sama dengan yang kami gunakan untuk CPU, dengan 0,5K / W, dan kami ingin CPU berada pada 50 derajat C. Kemudian ujung dingin mesin sudah pada 50 derajat C, dan tidak ada perbedaan suhu pada mesin, yaitu tidak dapat menghasilkan daya. Jika kita menggunakan heat sink dua kali besar (0,25K / W), maka ujung dinginnya akan berada di 37,5 derajat C dan perbedaan suhu di atas mesin adalah 12,5 derajat C, sehingga dapat menghasilkan sedikit daya.

Setiap mesin yang mengekstraksi daya dari perbedaan suhu menimbulkan hambatan termal yang setara dengan (temperature difference)/(Heat flow). Resistansi termal dari mesin ditambahkan ke resistansi termal heatsink, sehingga suhu CPU akan selalu lebih panas jika ada mesin di antaranya.

BTW Beberapa overclocker melakukan sebaliknya: Mereka menambahkan elemen termoelektrik yang berjalan secara terbalik, menggunakan tenaga listrik untuk memompa panas dari CPU ke heatsink, menciptakan perbedaan suhu negatif. CPU ada di ujung dingin, dan heatsink ada di ujung panas.

BTW Inilah sebabnya mengapa pembangkit listrik tenaga nuklir memiliki menara pendingin yang sangat besar, yang berfungsi sebagai pendingin unit pendingin.

mic_e
sumber
2
+1 satu-satunya jawaban sejauh ini menangani masalah yang sebenarnya daripada berfokus pada efek samping.
Agent_L
1
Saya pernah mendengar ketel uap adalah alat yang cukup bagus untuk mengekstraksi energi dari panas saja .. Secara alami Anda perlu melampaui suhu mendidih untuk menghasilkan uap yang akan berguna pada titik mana semikonduktor Anda memasak. Saya kira secara teoritis Anda bisa menggunakan sistem tekanan rendah untuk menurunkan titik didih. Hampir tidak layak untuk beberapa lusin watt pikir. WRT pabrik nuklir, Anda pasti bisa menggunakan limbah panas dalam siklus pendinginan untuk menyediakan misalnya pemanasan perumahan. Atom-atom jahat itu melompat dari air pendingin ke air panas seperti yang diketahui semua orang.
Barleyman
@nocomprende: Anda benar, tentu saja. Saya sudah klarifikasi.
mic_e
1
@Barleyman: Pemanasan di rumah adalah heatsink yang pintar, karena Anda dapat mengenakan biaya uang untuk penggunaannya. Tapi itu tidak bisa diandalkan karena pelanggan Anda tidak akan menenggelamkan panas Anda selama musim panas, sehingga Anda akan membutuhkan menara sebagai cadangan. Selain itu, pemanasan di rumah membutuhkan setidaknya 60 derajat C, sehingga tidak akan bisa mendinginkan ujung dingin di bawah 60 derajat C. Ingat: Semakin rendah suhu ujung dingin, semakin tinggi efisiensinya.
mic_e
1
+1 untuk menjadi jawaban untuk mengakhiri semua jawaban lainnya. :) Sayang sekali jawaban lain (yang OK tapi dengan detail lebih sedikit) telah diterima.
AnoE
32

Masalah dengan generator termoelektrik adalah mereka sangat tidak efisien.

Untuk CPU Anda HARUS menyingkirkan panas yang mereka hasilkan atau meleleh.

Anda dapat memasang modul peltier dan mengekstraksi sejumlah kecil listrik dari mereka tetapi Anda masih perlu membuang sisa panas melalui metode pertukaran panas klasik. Jumlah listrik yang dihasilkan mungkin tidak cukup signifikan untuk menjamin biaya pemasangan.

Anda BISA juga menggunakan peltiers sebagai pendingin. Namun, Anda perlu MENAMBAH daya untuk memompa panas. Kekuatan itu kemudian harus dihilangkan bersama dengan panas yang Anda lepaskan melalui penukar panas. Pada akhirnya yang terakhir harus lebih besar sehingga efek bersih Anda lebih buruk.

Panas ke kekuasaan adalah ide "cawan suci" dan di atas sana dengan fusi dingin sebagai mimpi teoretis.

Diedit untuk kejelasan

Konversi LANGSUNG yang efisien dari panas ke listrik adalah ide "suci grail" dan ada di sana dengan fusi dingin sebagai mimpi teoretis.

Trevor_G
sumber
7
Panas ke kekuasaan bukan hanya mimpi teoretis. Setiap mesin pembakaran internal, setiap turbin uap, setiap mesin jet melakukan hal itu. Itu tidak masuk akal pada suhu di mana CPU beroperasi. Juga, OP perlu mempelajari perbedaan antara panas dan suhu.
Dave Tweed
5
Kandungan panas dari fluida keluaran selalu kurang dari kandungan panas dari fluida input, itulah sebabnya mengapa semua perangkat yang saya daftarkan secara umum diklasifikasikan sebagai "mesin panas", dan efisiensi keseluruhannya dibatasi oleh hukum termodinamika yang terkenal. . Perangkat Peltier tunduk pada undang-undang yang sama, tetapi awalnya tidak efisien untuk memulainya.
Dave Tweed
3
@ Tekanan tekanan adalah hasil dari penerapan energi panas. Pada dasarnya tekanan adalah cara rekayasa mereka untuk mengakses energi panas. Temperatur didefinisikan sebagai energi kinetik rata-rata, jadi dengan cara Anda memiliki ide yang tepat, tetapi Anda salah pada penyebab vs efek selama Anda berbicara tentang mesin, dan bukan kompresor.
Chris Stratton
10
Mungkin sulit untuk menghasilkan energi listrik atau mekanik yang berguna, tetapi "CPU membuang panas sedikit di atas suhu kamar" dapat membuat Anda tetap hangat di musim dingin - yaitu ide "data furnace".
Chris Stratton
2
@Christoph: Nah, di pusat data besar Anda memiliki situasi ini persis. Heat pump (Air conditioner) digunakan untuk secara aktif memompa panas dari pusat data untuk membuat pusat data lebih mudah untuk didinginkan, dan tidak ada yang peduli dengan daya yang besar.
mic_e
19

Untuk menghasilkan listrik, Anda ingin sisi panas (prosesor) menjadi sepanas mungkin untuk efisiensi maksimum. Generator termal memperlambat pergerakan panas saat mengekstraksi energi darinya.

Untuk melakukan perhitungan, Anda ingin prosesor menjadi sedingin mungkin. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan resistensi listrik silikon. Inilah sebabnya mengapa Anda memiliki heatsink, kipas, dll yang sangat konduktif: untuk memindahkan panas secepat mungkin.

Persyaratan ini saling bertentangan secara langsung.

pjc50
sumber
6
Atau, dengan kata lain, Anda harus membuat CPU bekerja lebih buruk secara signifikan untuk mengekstraksi daya yang bahkan sepele. Itu adalah proposisi yang hilang. Jika Anda dapat mentolerir CPU bekerja lebih buruk, Anda akan lebih baik hanya memberikan lebih sedikit daya di tempat pertama daripada memberikan banyak tambahan hanya untuk membuatnya panas sehingga Anda dapat memulihkan sebagian kecil dari itu.
David Schwartz
1
Sebenarnya Silicon adalah kebalikan dari Metal - Resistance berkurang dengan meningkatnya suhu . Namun suhu tinggi menyebabkan kebisingan dan resistansi rendah menyebabkan masalah lain. Keduanya menyebabkan kesalahan CPU.
Tom Leys
2
@ gmatht Sudah ada eksperimen dengan pusat data di lautan. Kelihatannya cukup menjanjikan untuk cloud cluster - bahkan mendinginkan server pertanian yang besar hampir sepele pada suhu lingkungan tersebut, dan air dapat membawa banyak panas dengan mudah. Saya menduga Pluto akan agak tidak praktis, bahkan jika kami hanya mementingkan suhu dan bukan kesulitan praktis lainnya :)
Luaan
2
@ TomLeys itu penyederhanaan yang berlebihan. Dengan semikonduktor yang tidak tahan, resistensi akan turun seiring suhu. Dengan semikonduktor yang diolah, itu bisa berjalan baik.
Peter Green
1
@ gmatht Pusat data di Pluto harus berhadapan dengan fakta bahwa ada nol atmosfer di Pluto, jadi pembuangan panas hanya dapat terjadi oleh radiasi, yang sangat tidak efisien dibandingkan dengan metode lain. Atau mungkin yang Anda maksud adalah Pluto, anjing Mickey Mouse? :) Dalam hal ini, saya kira itu harus bersaing dengan efek isolasi bulu anjing, yang sangat besar!
CVn
18

Terkejut bahwa tidak ada orang lain yang menyebutkan ini:

Menghasilkan listrik dari limbah panas dari beberapa proses yang membakar bahan bakar bisa masuk akal. Menghasilkan listrik dari limbah panas dari sistem yang ditenagai oleh listrik? Itu tidak masuk akal. Jika mungkin bagi Anda untuk menghemat energi dengan melakukan itu, maka mungkin bagi Anda untuk menghemat lebih banyak energi dengan membangun sistem yang menggunakan listrik secara lebih efisien.

Solomon Lambat
sumber
3
Persis. Jika CPU dapat mentolerir ekstraksi energi dari panasnya, itu beroperasi sangat tidak efisien dan Anda akan lebih baik mengeksploitasi inefisiensi itu untuk membuatnya menggunakan daya lebih sedikit di tempat pertama daripada mencoba untuk mengekstrak sebagian kecil dari itu.
David Schwartz
1
Argumen yang sama dapat diterapkan pada mesin yang membakar bahan bakar: mengoptimalkan mesin termal menghasilkan lebih dari mencoba mengumpulkan limbah panas.
Dmitry Grigoryev
1
Cukup umum bagi pembangkit listrik untuk menggunakan "limbah panas" dari turbin gas untuk menjalankan mesin uap.
Peter Green
3
@DmitryGrigoryev: dengan satu peringatan: kogenerasi. Mengumpulkan limbah panas dan menggunakannya untuk memanaskan hal-hal lain sangat efektif.
whatsisname
2
Meta-komentar: Mungkin tidak ada yang pernah berpikir untuk memberikan jawaban ini sebelumnya karena itu bukan bagian dari pertanyaan. Faktanya adalah CPU menghasilkan panas. OP menyatakan fakta itu demi kelengkapan atau untuk mengatur konteks pertanyaan. OP tidak bertanya bagaimana / apakah ini bisa dihindari. Pertanyaannya adalah apakah panas, yang diberikan, dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Oleh karena itu tidak masuk akal untuk mengusulkan untuk menghindari panas (dalam konteks pertanyaan ini).
AnoE
2

Hukum termodinamika menyatakan bahwa menyatukan dua sumber energi pada suhu yang sama tidak sama dengan tingkat energi yang lebih tinggi. Misalnya, menuangkan secangkir air panas ke dalam cangkir air panas lainnya tidak membuat kombinasi ini lebih panas dari pada cangkir yang terpisah.

Panas juga merupakan salah satu bentuk energi terendah karena sangat sedikit yang dapat Anda lakukan dengannya. Listrik dapat menjalankan sirkuit, angin dapat menciptakan gerakan mekanis, tetapi panas tidak bisa berbuat banyak selain memasukkan lebih banyak energi ke dalam cairan atau padatan.

Yang mengatakan, metode yang paling layak untuk mendapatkan energi dari panas adalah merebus fluida (air misalnya) untuk mengubah turbin. Menyatukan beberapa heat sink dan menempel pada sebuah bak bisa membuat air mendidih jika CPU semuanya di atas 100 C. Tapi, seperti yang mungkin Anda simpulkan, ini adalah ide yang buruk.

Tuan Cheezits
sumber
Mendapatkan energi yang dapat digunakan dari gradien panas cukup mudah - tetapi efisiensinya meningkat karena perbedaannya semakin lebar. Begitulah cara misalnya mesin pembakaran bekerja, dan itulah sebabnya mesin termodinamika mencoba menjadi sepanas praktis, sambil menjaga sisi lain sedingin praktis. Kemiringan antara CPU 50 ° C dan lingkungan 25 ° Cnya tidak memberi Anda banyak kesempatan untuk mengekstraksi energi yang bermanfaat - memang, menjaga CPU cukup dingin adalah sebuah tantangan, dan mesin panas hanya akan memperburuknya.
Luaan
Maksudnya bukan tentang efisiensi, tetapi kepraktisan. Air mendidih dengan limbah panas CPU tidak praktis terlepas dari gradien suhu.
Tn. Cheezits
2
Air mendidih pada tekanan kamar, tentu saja. Tapi tidak ada yang mengatakan itu harus air, dan itu harus tekanan ruangan - ada banyak hal yang akan memiliki titik didih yang nyaman. Kami menggunakan banyak pendingin yang berbeda tergantung pada kondisinya - termasuk pipa panas yang sekarang populer yang sebenarnya digunakan untuk pendinginan CPU, menggunakan pendingin evaporative air tekanan rendah jauh melebihi kinerja konduksi panas dari casing. Efisiensi dan biaya adalah yang terpenting - mengekstraksi sebagian kecil energi dalam gradien sekecil itu tidak praktis mahal.
Luaan
2

Berpikir lucu, tapi tidak. CPU Anda bukan hanya sebuah chip, ada kabel pengikat dan casing yang terlibat yang tidak akan benar-benar memiliki peluang pada 1000 ° C.

Selain itu, masih ada beberapa hukum termodinamika yang perlu dipertimbangkan. Anda masih harus memasukkan sejumlah besar energi ke dalam sistem untuk mendapatkan sangat sedikit. Elemen Peltier yang Anda maksudkan membutuhkan dT besar (perbedaan antara sisi dingin dan panas) jadi dengan melepas heat sink akan memunculkan sisi "dingin" ke suhu yang sama dengan sisi panas, sehingga tidak ada lagi energi yang bisa diperoleh di sini, Anda harus mendinginkan Sisi Dingin yang akan semakin merusak efisiensinya. Di sisi lain elemen-elemen Peltier dapat digunakan untuk menghasilkan perbedaan suhu seperti pada pendinginan CPU.

wiebel
sumber
2

Secara teori, itu mungkin . Yang Anda butuhkan hanyalah beberapa "substansi" yang menghasilkan listrik ketika salah satu permukaannya berada pada suhu 40c dan yang lainnya pada suhu 20c.
Saat ini, ada termokopel yang melakukan hal ini (ubah panas menjadi listrik), tetapi pada suhu yang jauh lebih tinggi.

Guill
sumber