利用CPU热量发电

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我一直在阅读Tanenbaum的结构化计算机组织，他说提高CPU时钟速度的主要瓶颈之一是热量。所以我开始思考：是否可以将散热器完全移除，然后利用该热量产生更多的电能？我一直在搜索，发现了这些热电材料和这个热电发生器：

我在Wikipedia上的文章中读到“硅锗合金是目前在1000°C（...）左右最好的热电材料”，我知道CPU通常在30〜40°C左右工作。因此，达到1000°C将需要更多的CPU。

所以我想：将许多没有散热器的CPU并行放置会产生更多热量吗？我们还可以对这些CPU进行超频很多，看看它们会产生多少热量。

但是我被困住了。我不知道接下来要怎么想。我什至不知道这是否是一个好的思路。

我的问题是：为什么不开发某种通过CPU的热量发电的散热器？我知道有人一定已经考虑过这一点，并考虑了为什么不这样做的原因，但我无法弄清楚。

那么，为什么不可能呢？

编辑以澄清：我不希望CPU在1000°C下工作。我将列出我的推理步骤（不一定正确），大致如下：

CPU时钟速度受工作温度（T）的限制。
CPU产生热量。热量使T升高。
散热器会照顾这些热量，以保持T = 40°C。
用热电发电机（由SiGe或类似材料制成）替换散热器
并排放置许多CPU以增加热量产生。
CPU发热量到TEG，因此CPU保持在T = 40°C。
这可能吗？
如何建立这样的TEG？使用哪种材料？
为什么这样的设备不存在？
问了这个问题。

EDIT2：我看到我的想法从根本上来说是错误的，也是错误的。感谢您的所有回答和评论。对不起任何误解。

heat cpu heatsink

— 恩佐·费伯（Enzo Ferber）
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您如何建议您的CPU在1000°C下工作？

— PlasmaHH

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每个50°的两个CPU与一个100°的CPU不同。

— 炉边

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他们没有。这样想：如果房间的东边是20°C，房间的西边是20°C，则整个房间的温度是20°C，而不是40°C或类似的温度。

— 炉边

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@EnzoFerber：好的，我放弃了，您知道CPU会因其发黄光而被破坏，但是同时您希望使它发黄光并可以工作。也许科幻和幻想SE的家伙有一些魔术对您有用。

— PlasmaHH

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我注意到没有人回答我认为是真正的解决方案，因此我添加了自己的看法。为了产生能量，你不能使用热量。您需要热量差异。由于CPU需要保持在固定温度下（超过100°C它将表现不佳），因此提取能量的唯一方法是使散热器更冷。但是，冷却散热器所需的能量高于可以提取的能量。您可以提取X能量，但只能提供Y> X能量。所以...没有发电，对不起...

— frarugi87

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tl; dr 是的，您可以从CPU的废热中提取少量功率，但是您的散热器必须越大，您要提取的功率就越大。

说明没有机器将热量转化为电能，只有机器将热量差转化为热量。上电。您的情况就是CPU温度和环境温度之间的差异。此过程的最大理论效率为（1-T_cold / T_hot），因此，对于环境温度为25摄氏度，CPU温度为40摄氏度和热流为50W的情况，理想的转换器可以产生2.4瓦特的电能（温度是开氏温度的绝对温度）。如果允许CPU达到60摄氏度，则可以达到5瓦；如果允许100摄氏度，则可以达到10瓦。现实生活中的热电转换器效率较低，尤其是热电元件。我建议使用斯特林发动机，该发动机更接近理想效率。

这是无源散热器的热量流动方式：

[CPU] --> [Environment]

CPU到环境的结点具有以开尔文/瓦特为单位测量的热阻，直接等效于以伏特/安培为单位的电阻。您可能在某些数据表中遇到了开尔文/瓦特值。理想的散热器具有零电阻，因此温度差为0，并且CPU在环境温度（25摄氏度）下运行。现实生活中的散热器为0.5K / W，热流为50W（CPU产生50W的热量），温度差为25K，CPU的温度为50摄氏度。

这是您建议的机器的热量流向：

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

在所有三个点上都存在热阻，即温度差。让我们假设CPU和机器热端之间的连接是理想的，即它们处于相同的温度。机器内部的热阻用于发电。冷端和环境之间的热阻由冷端散热器提供。

假设冷端的散热器与我们用于CPU的散热器相同，为0.5K / W，我们希望CPU处于50摄氏度。那么计算机的冷端已经是50摄氏度，并且机器上不会有温差，即它不会产生功率。如果我们两次使用较大的散热器（0.25K / W），则冷端温度为37.5摄氏度，并且机器上的温度差为12.5摄氏度，因此它可以产生一点电能。

从温差提取功率的任何机器都构成等于的热阻(temperature difference)/(Heat flow)。机器的热阻与散热器的热阻相加，因此，如果中间有机器，则CPU温度将始终更高。

顺便说一句，一些超频者采取相反的方式：他们添加了一个反向运行的热电元件，利用电力将热量从CPU泵送到散热器，从而产生负温差。CPU在冷端，而散热器在热端。

顺便说一句，这就是为什么核电厂拥有巨大的冷却塔，它们充当冷端散热器的原因。

— 老鼠
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到目前为止，只有+1解决了实际问题，而不是着重于副作用。

— Agent_L

1

我听说蒸汽锅炉是仅从热量中提取能量的相当不错的设备。自然，您需要超过沸腾温度才能产生蒸汽，这将在您的半导体烹饪时发挥作用。我猜理论上您可以使用低压系统降低沸点。对于几十瓦的想法，这几乎不值得。WRT核电站，您绝对可以在冷却循环中利用废热提供住宅供暖。那些坏原子像众所周知的那样从冷却水跳到加热水。

— Barleyman

@nocomprende：当然，您是对的。我已经澄清了。

— mic_e

1

@ Barleyman：住宅供暖系统是一个聪明的散热器，因为您可以收取使用费用。但这是不可靠的，因为您的客户在夏季不会散发热量，因此您将需要塔作为备用。同样，住宅供暖至少需要60摄氏度，因此无法将冷端冷却到60摄氏度以下。请记住：冷端温度越低，效率越高。

— mic_e

1

+1是结束所有其他答案的答案。:)感到遗憾的是，另一个答案（可以，但细节要少得多）已被接受。

— AnoE

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热电发电机的问题在于它们的效率极低。

对于CPU，您必须消除它们产生的热量或它们融化的热量。

您可以连接珀尔帖模块并从它们中提取少量电能，但是您仍然需要通过经典的热交换方法消散其余的热量。产生的电量可能不足以保证安装成本。

您也可以使用珀耳帖冷却器。但是，您需要添加电源以抽出热量。然后，该功率需要与您通过热交换器去除的热量一起消散。最后，后者需要更大，这样您的净效果就会更糟。

从热到电是一个“圣杯”想法，并且在那里进行冷聚变是一个理论梦想。

编辑的清晰度

从热到电的高效直接转换是一个“圣杯”想法，并且在那里进行冷聚变是理论上的梦想。

— 特雷弗
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7

从热到电不仅是理论上的梦想。每台内燃机，每台蒸汽涡轮机，每台喷气发动机都在这样做。在CPU运行的温度下，这毫无意义。此外，OP还需要了解热量和温度之间的差异。

— 戴夫·特威德

5

输出流体的热量总是小于输入流体的热量，这就是为什么我列出的所有设备都归为“热力发动机”的原因，其整体效率受到众所周知的热力学定律的限制。。珀耳帖设备必须遵守这些相同的法律，但是众所周知，它起初效率低下。

— 戴夫·特威德

3

压力是热能施加的结果。本质上，压力是他们获取热能的工程手段。温度被定义为平均动能，因此在某种程度上您有一个正确的主意，但是只要您谈论的是引擎而不是压缩机，那么在因果关系上就错了。

— 克里斯·斯特拉顿

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可能很难从中产生有用的电能或机械能，但是“ CPU废热的温度略高于室温”可以使您在冬天保持温暖-即“数据炉”的想法。

— 克里斯·斯特拉顿

2

@Christoph：好吧，在大型数据中心中，您确实遇到了这种情况。热泵（空调）用于主动将热量从数据中心抽出，使数据中心更易于冷却，而且没人在乎巨大的功耗。

— mic_e

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为了发电，您希望热侧（处理器）尽可能热，以实现最大效率。当热发生器从中提取能量时，它会放慢热量的运动。

为了进行计算，您希望处理器尽可能冷。较高的温度会增加硅的电阻。这就是为什么要使用导热率高的散热器，风扇等的原因：尽可能快地将热量带走。

这些要求彼此直接矛盾。

— pjc50
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6

或者，换句话说，您必须使CPU的工作性能大大变差，以提取微不足道的电量。那是一个失败的主张。如果您可以忍受CPU的工作变差，最好先提供较少的电源，而不是仅仅提供一些额外的电源使其变热，这样您就可以恢复其中的一小部分。

— David Schwartz

1

实际上，硅与金属相反。电阻随温度升高而降低。但是高温会引起噪音，而低电阻会导致其他问题。两者都会导致CPU错误。

— Tom Leys

2

@gmatht已经在海洋深处对数据中心进行了实验。对于云集群而言，这看起来非常有前途-即使在如此大的环境温度下，即使对巨大的服务器场进行冷却也几乎是微不足道的，而且水可以轻松带走大量热量。我怀疑冥王星将是不切实际的，即使我们只关心温度而不是其他实际困难:)

— Luaan

2

@TomLeys太简单了。在未掺杂的半导体中，电阻随温度下降。使用掺杂的半导体，它可以任意选择。

— 彼得·格林

1

@gmatht冥王星上的数据中心必须应对这样一个事实，即冥王星上的大气层几乎为零，因此散热只能通过辐射进行，与其他方法相比效率非常低。或者，您的意思是冥王星，米老鼠的狗？:)在这种情况下，我想它必须与狗毛的隔热效果抗衡，这是相当大的！

— CVn

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惊讶的是没有其他人提到此：

从某些燃烧燃料的过程中产生的余热发电是很有意义的。首先是利用电力驱动系统的废热来发电？这是没有意义的。如果这样做可以节省能源，那么可以通过构建首先更高效地使用电力的系统来节省更多的能源。

— 所罗门慢
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3

究竟。如果CPU能够忍受热量的提取，那么它的运行效率将非常低下，您最好利用这种效率低下的方法，使其首先使用较少的功率，而不是尝试提取一小部分的功率。

— David Schwartz

1

可以将相同的论点应用于燃烧燃料的发动机：优化热力发动机的产量比试图收集废热要多。

— 德米特里·格里戈里耶夫

1

发电厂使用燃气轮机的“余热”运行蒸汽机是很普遍的。

— 彼得·格林

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@DmitryGrigoryev：一个警告：热电联产。收集废热并将其用于加热其他物品非常有效。

— whatsisname 2017年

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元注释：可能没有人考虑过给出此答案，因为它不是问题的一部分。事实是CPU会发热。OP出于完整起见或设置问题的上下文而陈述了这一事实。OP并没有询问如何/是否可以避免这种情况。问题是给定的热量是否可以用来发电。因此，建议避免加热（在这个问题的背景下）是没有意义的。

— AnoE

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热力学定律指出，将两个温度相同的能源放在一起并不等于更高的能源水平。例如，将一杯热水倒入另一杯热水中，不会比单独的杯子更热。

热量也是能量的最低形式之一，因为您几乎无能为力。电力可以使电路运转，风可以产生机械运动，但是热量除了将更多的能量转化为流体或固体外，无济于事。

也就是说，从热量中获取能量的最可行方法是煮沸流体（例如水）以使涡轮机转动。如果CPU的温度都高于100 C，将多个散热器放在一起并连接到浴缸上可能会使水沸腾。但是，您可以推断，这是一个糟糕的主意。

— Cheezits先生
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从热梯度获得可用能量很容易-但是效率随着差异的扩大而提高。这就是例如内燃机的工作方式，这就是为什么热力发动机试图使温度尽可能高的同时使另一侧温度尽可能低的原因。在50°C的CPU和25°C的环境之间的梯度不会给您太多提取有用能量的机会-实际上，保持CPU足够凉爽是一个挑战，而热机只会使情况变得更糟。

— a安

提出的重点不是效率，而是实用性。无论温度梯度如何，用CPU的废热沸腾水都是不切实际的。

— Cheezits先生17年

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确保在室温下开水。但是没有人说必须是水，而且必须是室内压力-有很多东西会具有方便的沸点。根据情况，我们使用了许多不同的冷却剂-包括现在流行的用于冷却CPU的热管，使用低压水蒸发冷却剂的性能大大超出了外壳的导热性。效率和成本才是最重要的-在如此小的梯度中提取一小部分能量实际上是不现实的。

— a安

2

有趣的想法，但没有。您的CPU不仅是芯片，还涉及键合线和机壳，在1000°C的温度下可能无法承受。

除此之外，仍然需要考虑一些热力学定律。您仍然必须在系统中投入大量能量，以减少消耗。您所指的Peltier元件需要较大的dT（冷端和热端之间的差），因此，只需卸下散热器，即可将“冷”端的温度提高到与热端相同的温度，因此这里不再需要获取更多能量，您需要冷却冷侧，这将进一步降低效率。另一方面，这些Peltier元件可以像冷却CPU一样用于产生温差。

— 维贝尔
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2

从理论上讲，这是可能的。您所需要的只是某种“物质”，当其中一个表面的温度为40c，另一个表面的温度为20c时，该物质会发电。
目前，有一些热电偶可以做到这一点（将热量转换为电），但温度要高得多。

— 吉尔
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