将热量包装成可重复使用的能源

在任何计算机设计中，过热都是一个重要问题。尽管设计人员实施了不同的散热方法，但都有一个共同的问题。散热依赖于传输介质的导热性。已经发明了许多巧妙的装置来实现更快和更有效的散热。但是，与其把热量扔掉，为什么不回收呢？John 提出了一种潜在的节能热管理策略。

向大多数笔记本电脑或笔记本电脑用户询问他们的主要烦恼，他们的回答可能与他们的电脑产生的热量有关。膝上型电脑和笔记本电脑使用许多与嵌入式计算机设计相同的组件，例如中央和图形处理单元、北桥、南桥等组件。

组件在热友好型计算机设计中发挥着重要作用。使用威盛 C7 CPU 等低热量处理器有助于降低整体热量。但一般来说，随着处理器变得更强大，它们会产生更多的热量，因此热管理是一个重要的考虑因素。

问题就在这里：计算机需要电力才能运行，而电力不可避免地会以热量的形式产生废能。如果系统内积聚的热量太大，系统将无法正常运行。因此，设计师的目标是消除产生的热量并在可能的情况下有效地利用它。

当前的热管理技术

目前，大多数（如果不是全部）热管理方法都集中在散热上，无论是被动的（例如，无风扇散热器）还是主动的（例如，风扇强制冷却或水冷）。基于散热的理想热管理系统将消散所有产生的热量。尽管现有的热管理设备已经足够，但它们可以散发的热量有限。只有在达到热平衡之前，散热才能令人满意。

需要散发多少热量？通常，使用的能量与产生的热量成正比。因此，如果一个组件在 60 秒内使用 30 W 的功率，它将输出 1，800 焦耳的热量。

Q = Pt = VIt

在上面的等式中，Q 以焦耳 （J） 为单位表示热量，P 以瓦特 （W） 为单位表示功率，t 以秒 （s） 为单位表示时间，V 以安培 （A） 为单位表示电流。可以使用以下等式计算 Delta T 摄氏度，其中 m 代表质量，单位为千克 （kg），c 代表比热 （J/gK）。

ΔT = Q/mc = VIt/mc

散热器系统基于将热量从散热器传递到环境空气。为了使散热器正常工作，系统运行时绝不能达到热平衡（即，系统开启时环境空气必须始终比散热器冷）。否则，一旦达到热平衡，热量将不再从散热器传递到环境空气。

一旦达到热平衡，散热器就无法减轻处理器的热负荷。即使假设从未达到热平衡，也很明显浪费了很多能量。这种潜力不应被利用。另一种热管理技术涉及转换热能并将其存储以备后用。

使热能生产

将热能转化为电能并不是一个新想法。由于热量是红外辐射，因此是电磁光谱的一部分，因此基于光伏的热管理是可能的。术语热光伏 （TPV） 已被用于描述用于转换热能的光伏设备。目前，TPV 设备还不够实用，不能作为主要电源考虑。然而，重要的是要记住，热管理系统的主要目标是散热，而不是发电。从这个过程中收集到的任何力量都是一种奖励，而不是主要目标。

光伏器件需要两层光敏材料：一层 p 型层和一层 n 型层。p 型包括一种材料，其原子具有一个额外的电子，可防止该材料完全不导电。n 型由原子缺少一个电子的材料组成。当 p 型层暴露在光线下时，光源中的光子会导致额外的电子被释放，从而产生电流（见图 1）。

图1

全封闭系统的实现

回收废能的热管理设备是气密密封系统的理想选择。在这样的系统中，被动冷却和风扇强制冷却几乎没有影响。当废能可回收时，可以在不牺牲性能的情况下设计坚固的密封系统。高性能组件通常会产生更多热量，但对于以热量为燃料的热管理设备来说，这不再是问题。

要实施热管理设备，机箱内部必须衬有 TPV 电池，以吸收尽可能多的热量。此外，双面 TPV 电池应直接放置在散热器上方（参见图 2）。采用双面设计，TPV 电池不仅可以从散热器吸收热量，还可以从环境空气中吸收热量。机箱内壁衬有单面 TPV 电池，以捕获任何剩余的环境热量。

图 2

这种热管理策略特别适用于环境可能对计算机产生不利影响的便携式应用或外部应用（例如，街道信息亭、摩托车上的 GPS 单元或船舶上的导航单元）。该技术也适用于部分封闭的系统，例如环境不会对计算机产生不利影响的固定应用程序（例如，建筑物内的信息亭）。

延长电池寿命

通过在热管理设备中使用 TPV 电池并选择正确的组件，设计人员可以创建成功的低热量系统。随着光伏电池技术的进步，这种设计可能会导致产品的电池寿命长得离谱，甚至可能是一种几乎永久的能源。

审核编辑：郭婷