Сбор термоэлектрической энергии с компьютерных видеокарт

Во время CES2015 известный производитель графических процессоров (GPU) представил новый GPU. Эти графические процессоры нуждаются в сложном управлении температурой для поддержания охлаждения процессора. Большинство производителей графических ускорителей разрабатывают новые графические ускорители, которые используют примитивную технологию управления температурным режимом по сравнению с современными передовыми технологиями. Большинство из нас знают эту технологию как вентиляторы, которые управляют этой нежелательной тепловой энергией, как видно на этом изображении графического ускорителя:

Какие барьеры необходимо преодолеть инженерам для преобразования этой расточительной тепловой энергии в полезную электрическую энергию?

Ниже приведен температурный профиль видеокарты.

Ссылки:

• Термоэлектрический генератор, работающий на выхлопных газах
• Малые термоэлектрические генераторы
• Обзор термоэлектрических технологий
• Продлите жизнь своей видеокарты с помощью пользовательских настроек скорости вентилятора

Существует тепло, которое можно отбить, но вы не избавитесь от него. Как отметил один из комментаторов, ваш абсолютный максимум - это эффективность Карно.

Это идеализированное условие, вы никогда не достигнете этой эффективности. Но чтобы найти свой предел, давайте все равно разберемся.$T_c$ будет просто комнатная температура, внутри башни может быть немного теплее, но мы дадим себе преимущество сомнения и выберем хорошее круглое число при 20C (293K). $T_h$ будет меняться по мере того, как GPU будет работать интенсивнее (это одна из проблем этой конструкции в целом; мощность, которую вы получаете от системы охлаждения, будет непостоянной, поскольку температура GPU изменяется в зависимости от того, насколько сильно вы нагружаете чип.) не хочу запускать его слишком горячим и повредить карту, что наносит ущерб цели системы охлаждения.

После некоторого быстрого поиска (Google «Рабочая температура графического процессора») вы увидите кучу сообщений на форуме, которые дают много разных чисел, ни одно из которых я не считаю достаточно сильным, чтобы цитировать, но я собираю их данные, чтобы мои собственное предположение) похоже, что большинство карт имеют сильный верхний предел ~ 100C, прежде чем вы начнете наносить серьезный урон. Тем не менее, запуск в таком горячем режиме все еще сократит срок службы вашей карты, и, судя по изображению в вопросе, это хорошая карта, за которую мы заплатили немалую копейку, и мы хотим держать ее как можно дольше , 70C - хорошее место для стрельбы, но 80C (353K) все еще, вероятно, довольно безопасны, и мы хотим, чтобы наш лучший случай был. С этими числами мы получаем

Это означает, что в лучшем случае лучшее, что мы можем сделать, - это вернуть 17% тепла, которое мы генерируем на карте, обратно в качестве электричества для питания чего-либо в башне. Мы можем варьировать температуру карты, и если она колеблется от 60 ° C до 100 ° C, эффективность возрастает от 12% до 21%. Несмотря на это, мы не получим много обратно.

Это максимальная эффективность, хотя. На этом сайте , где продаются термоэлектрические генераторы, говорится, что верхняя часть линии TEG будет работать с 8% эффективностью. Хотя это лучше, чем то, что мы получали раньше, реальная проблема здесь - это стоимость и реализация. ТЭГ не дешевы, а вентиляторы охлаждения. Базовая система охлаждения также намного проще в установке. Даже если мы можем подключить TEG для охлаждения карты, мы должны найти что-то, что мы можем сделать с этим электричеством, и мы не хотим, чтобы переменная мощность использовалась для критических компонентов. Башенные светильники и дополнительные вентиляторы - это, вероятно, степень нашего использования.

Поэтому, чтобы ответить на ваш актуальный вопрос, я уверен, что мы можем найти все виды творческих способов превращения этого тепла в электрическую или механическую работу. Сделать его «полезным» - это совсем другая история.

Тревор Арчибальд дал вам действительно хороший ответ, но я вижу из ваших комментариев другой ответ, возможно, будет полезным, поскольку вы все еще думаете, что он может быть жизнеспособным при правильной экономике.

Это не было бы. Вопрос в технике, а не в экономике. Это плохая идея с экономической точки зрения, конечно; но изменение цен не сделает это хорошей идеей. Это все равно будет плохой идеей. Позволь мне объяснить.

низкое тепло

Низкокалорийное тепло - это тепло, которое на несколько Кельвинов или десятки Кельвинов выше комнатной температуры.

быстрое избавление от жары - вот название игры

Джордж Херольд в своем комментарии указывает на одну из причин, почему сбор энергии с карты был бы плохой идеей: теплопроводность карты рассчитана на высокую.

Быстрое избавление от тепла особенно важно в ИТ-оборудовании, где электрическая эффективность оборудования действительно очень мала. А это означает, что из электричества, которое вы вводите, почти все оно будет превращено прямо в тепло. Существует теоретическое минимальное количество энергии, необходимое для переворачивания бита, независимо от носителя, на котором хранится бит. Вся остальная энергия, вложенная выше этого минимума, сразу же превратится в тепло. Чтобы защитить оборудование, вам нужно как можно быстрее избавиться от этого тепла.

Таким образом, карта предназначена для максимально быстрого избавления от тепла. Все, что вы кладете на пути, например, предлагаемое вами устройство для сбора энергии, замедляет скорость, с которой тепло покидает карту. Это поднимет равновесную температуру карты. И это радикально сократит жизнь карты. Это произойдет независимо от цены на электроэнергию.

дело не в цене электричества

И эта идея о том, что если бы цена на электроэнергию была достаточно высокой, что делало бы выгодным сбор низкокалорийного тепла, просто неверна. Если электричество является таким ценным, то в первую очередь стоит сделать карту более эффективной, чтобы было меньше отработанного тепла: во-первых, уменьшите потребление высокоценной энергии, прежде чем пытаться утилизировать малоценную энергию. И это подводит меня к ...

энергия против эксергии

Тепло в большинстве случаев является ненужным продуктом. Это почти всегда наименее полезная форма энергии. Это действительно то, о чем говорит предел эффективности Carnot: чтобы получить любую работу от низкой температуры, вы можете сделать это только с очень низкой эффективностью; почти все тепло останется в виде тепла.

При выполнении инженерных работ с теплом и другими формами энергии очень полезно создать интуицию, чтобы различать энергию (то, что измеряется в джоулях) и эксергию (то, что выполняет работу). Форма, в которой находится энергия, определяет, сколько работы она может выполнить. Электричество может эффективно выполнять огромные объемы работы - оно обладает очень высокой энергией. Низкосортное тепло может выполнять очень мало работы - оно обладает очень низкой эксергией.

Как только вы создали низкосортное тепло, вы уже в конце линии для эксергии (полезной энергии). Почти все виды использования энергии заканчиваются на низкой температуре. Это окончательная форма практически для каждой цепочки преобразования энергии. И, в космическом масштабе, то есть (насколько мы можем судить) окончательную форму для каждого джоуля, в тепловой смерти Вселенной.

Низкое качество тепла - это конец дороги. Если вы хотите получить больше работы от этих джоулей, то сделайте эту работу до того, как эти джоули будут в форме низкой температуры.