Збирання термоелектричної енергії з комп'ютерних відеокарт

Під час CES2015 виробник добре відомих графічних процесорів (GPU) представив новий графічний процесор. Цим графічним процесорам потрібен складний термічний менеджмент, щоб підтримувати процесор прохолодно. Більшість виробників карт прискорювачів графічних процесорів розробляють нові графічні карти-прискорювачі, які використовують примітивну технологію термічного управління порівняно з сучасними передовими технологіями. Більшість з нас знають цю технологію як шанувальники, які керують цією небажаною тепловою енергією, як це видно із зображення графічної карти прискорювача:

Які бар'єри необхідно подолати інженерам, щоб перетворити цю марнотратну теплову енергію на корисну електричну енергію?

Нижче наведено температурний профіль графічної карти.

Список літератури:

• Термоелектричний генератор, який працює на вихлопних газах
• Малі термоелектричні генератори
• Огляд термоелектричних технологій
• Подовжте життя своєї відеокарти за допомогою спеціальних налаштувань автоматичної швидкості вентилятора

Є тепло, яке можна відбити, але багато чого від нього не вийде. Як зазначав один із коментаторів, ваш абсолютний максимум - ефективність Карно.

Це ідеалізована умова, ви ніколи не досягнете такої ефективності. Але щоб знайти свою межу, давайте розберемося все одно.$T_c$ буде просто кімнатна температура, всередині башти може бути трохи тепліше, але ми отримаємо користь від сумнівів і підберемо хороший круглий номер при 20С (293К). $T_h$ буде змінюватись, оскільки графічний процесор працює важче (це взагалі одне з питань цієї конструкції; потужність, яку ви отримуєте від системи охолодження, не буде послідовною, оскільки температура GPU змінюється залежно від того, наскільки ви напружуєте чіп.) не хочуть запускати його занадто гаряче і пошкодити карту, що перешкоджає призначенню системи охолодження.

Після швидкого пошуку (робочі температури Google для графічного процесора Google) ви побачите купу публікацій на форумах, які дають безліч різних цифр, жодне з яких я не думаю, що є достатньо сильним для цитування, але я збираю їх дані, щоб зробити свої власне припущення) схоже, що більшість карт мають сильну верхню межу ~ 100С, перш ніж ви почнете робити серйозні збитки. Однак запуск цього гарячого все одно скоротить термін служби вашої картки, і, судячи з картинки у запитанні, це приємна картка, за яку ми заплатили досить копійки, і ми хочемо тримати її довше, поки зможемо . 70C - це гарне місце для зйомки, але 80C (353K) все ще, ймовірно, досить безпечний, і ми хочемо, щоб ми мали найкращий варіант. З цими цифрами ми отримуємо

Це означає, що найкраще, що ми можемо зробити, - це повернути 17% тепла, який ми виробляємо на картці назад, як електроенергію, щоб живити щось у вежі. Ми можемо змінювати температуру карти, і коли вона змінюється між 60 ° C і 100 ° C, ефективність становить від 12% до 21%. Незважаючи на те, ми не отримуємо багато назад.

Але це максимальна ефективність. Цей веб-сайт , який продає термоелектричні генератори, говорить про те, що верхня частина рядків ТЕГ буде працювати з 8% ефективністю. Хоча це краще, ніж те, що ми раніше отримували, справжня проблема тут - це вартість та реалізація. ТЕГи недешеві, а вентилятори охолодження - це. Базову систему охолодження також набагато простіше встановити. Навіть якщо ми можемо підключити TEG для охолодження карти, ми повинні знайти щось, що ми можемо зробити з цією електрикою, і ми не хочемо, щоб змінна потужність використовувалася для критичних компонентів. Бажані світильники та додаткові вентилятори - це, мабуть, масштаби нашого використання.

Отже, щоб відповісти на ваше актуальне запитання там, я впевнений, що ми можемо знайти всілякі творчі способи перетворити тепло в електричну чи механічну роботу. Зробити це "корисним" - це зовсім інша історія.

Тревор Арчібальд дав вам дійсно гарну відповідь, але я бачу, що з ваших коментарів може бути корисна інша відповідь, оскільки ви все ще вважаєте, що це може бути життєздатним при правильній економіці.

Не було б. Питання - це інженерія, а не економіка. Це, звичайно, погана ідея з економічної точки зору; але зміна цін не зробить це гарною ідеєю. Все одно це було б поганою ідеєю. Дозволь пояснити.

низькосортне тепло

Низькосортне тепло - це тепло, яке на кілька кельвінів або десятків кельвінів вище кімнатної температури.

швидке позбавлення від спеки - це назва гри

Джордж Герольд вказує вам у коментарі до однієї причини, чому збирання енергії на картці було б поганою ідеєю: теплопровідність картки розрахована на високу.

Швидке позбавлення від тепла особливо важливо в ІТ-обладнанні, де електрична ефективність обладнання насправді надзвичайно низька. А це означає, що від електроенергії, яку ви вводите, майже все це перетвориться прямо в тепло. Існує теоретичний мінімальний обсяг енергії, необхідний для трохи перевертання, незалежно від середовища, на якому зберігається біт. Вся решта енергії, вкладеної вище цього мінімуму, відразу перетвориться в тепло. Щоб захистити обладнання, потрібно позбутися від цього тепла як можна швидше.

Тож карта створена для того, щоб позбутися від тепла як можна швидше. Все, що ви поставите на шляху, наприклад запропонований пристрій для збирання енергії, сповільнить швидкість, з якою тепло залишає картку. Це підвищить рівноважну температуру карти. І це кардинально скоротить життя картки. Це станеться незалежно від ціни на електроенергію.

справа не в ціні електроенергії

І думка про те, що якби ціна на електроенергію була достатньо високою, це зробило б забирати низькосортне тепло, просто помилковою. Якщо електроенергія цінна, тоді варто зробити карту більш ефективною, в першу чергу, щоб було менше відпрацьованого тепла: по-перше, зменшіть споживання енергії високої вартості, перш ніж спробувати переробити енергію низької вартості. І це приводить мене до ...

енергія проти вправ

Тепло у великій частці випадків є відходом. Це майже завжди найменш корисна форма енергії. Це дійсно те, що говорить вам межа граничної ефективності Карно: що для отримання будь-якої роботи з низьким рівнем тепла, ви можете це зробити лише з дуже низькою ефективністю; тобто майже вся спека залишиться як тепло.

Займаючись інженерією з теплом та іншими формами енергії, дуже корисно побудувати інтуїцію, щоб розрізняти енергію (річ, виміряну в джоулях), і ексергію (річ, яка виконує роботу). Форма, в якій знаходиться енергія, визначає, яку роботу вона може зробити. Електроенергія може виконати величезну кількість роботи ефективно - вона має дуже високу напругу. Теплоподібне тепло може зробити дуже мало роботи - воно має дуже низьку напругу.

Після того, як ви створили низькосортну спеку, ви вже в кінці лінії для напруги (корисна енергія). Майже всі види використання енергії закінчуються низькосортним теплом. Це остаточна форма майже для кожного ланцюга перетворень енергії. І, в космічному масштабі, то є (наскільки ми можемо судити) остаточну форму для кожного джоуля, в теплової смерті Всесвіту.

Невисока спека - це кінець дороги. Якщо ви хочете більше працювати з цих джоулів, тоді виконайте цю роботу, перш ніж ці джоулі будуть у вигляді низькосортного тепла.