Raccolta di energia termoelettrica da schede grafiche per computer

Durante il CES2015 un noto produttore di GPU (Graphic Processor Unit) ha introdotto una nuova GPU. Queste GPU necessitano di una gestione termica complessa per mantenere fresco il processore. La maggior parte dei produttori di schede di accelerazione GPU sviluppa nuove schede di accelerazione grafiche che utilizzano la tecnologia di gestione termica primitiva rispetto alle tecnologie avanzate di oggi. Molti di noi conoscono questa tecnologia come fan che gestiscono questa energia termica indesiderata, come si vede in questa immagine di una scheda acceleratrice grafica:

Quali ostacoli devono superare gli ingegneri per convertire questa dispendiosa energia termica in utile energia elettrica?

Di seguito è riportato un profilo di temperatura di una scheda GPU.

Riferimenti:

• Un generatore termoelettrico che funziona con fumi di scarico
• Piccoli generatori termoelettrici
• Panoramica sulla tecnologia termoelettrica
• Estendi la durata della tua scheda video con le impostazioni personalizzate della velocità della ventola

C'è calore che può essere recuperato, ma non ne otterrai molto. Come ha detto uno dei commentatori, il tuo massimo assoluto è l'efficienza di Carnot.

Questa è una condizione idealizzata, non raggiungerai mai questa efficienza. Ma per trovare il nostro limite, scopriamolo comunque.$T_c$ sarà solo la temperatura ambiente, potrebbe essere leggermente più caldo all'interno della torre, ma ci daremo il beneficio del dubbio e sceglieremo un bel numero rotondo a 20 ° C (293 K). $T_h$ varierà man mano che la GPU lavora di più (questo è uno dei problemi con questo design in generale; la potenza che ottieni dal sistema di raffreddamento non sarà coerente perché la temperatura della GPU varia a seconda di quanto stai stressando il chip.) non voglio farlo troppo caldo e danneggiare la scheda, il che vanifica lo scopo di un sistema di raffreddamento.

Dopo alcune ricerche rapide ("temperature operative della GPU" di Google, vedrai un sacco di post sul forum che danno molti numeri diversi, nessuno dei quali penso sia abbastanza forte da citare, ma sto raggruppando i loro dati per rendere il mio proprio presupposto) sembra che la maggior parte delle carte abbia un limite massimo di ~ 100 ° C prima di iniziare a fare seri danni. Tuttavia, correre così caldo ridurrà comunque la vita della tua carta e, a giudicare dall'immagine nella domanda, questa è una bella carta per la quale abbiamo pagato un bel soldo e vogliamo tenerlo in circolazione il più a lungo possibile . 70C è un buon posto per sparare, ma 80C (353K) è ancora probabilmente abbastanza sicuro e vogliamo il nostro miglior caso possibile. Con quei numeri, otteniamo

Ciò significa che, al massimo, il meglio che possiamo fare è ottenere il 17% del calore che stiamo generando sulla scheda come elettricità per alimentare qualcosa nella torre. Siamo in grado di variare la temperatura della scheda e poiché va da 60 ° C a 100 ° C, l'efficienza va dal 12% al 21%. Indipendentemente da ciò, non stiamo tornando molto indietro.

Questa è la massima efficienza però. Questo sito , che vende generatori termoelettrici, afferma che i TEG di fascia alta funzioneranno con un'efficienza dell'8%. Mentre questo è meglio del nulla che avremmo avuto prima, il vero problema qui è il costo e l'implementazione. I TEG non sono economici e le ventole di raffreddamento lo sono. Un sistema di raffreddamento di base è anche molto più facile da installare. Anche se possiamo collegare un TEG per raffreddare la scheda, dobbiamo trovare qualcosa che possiamo fare con quell'elettricità e non vogliamo che la potenza variabile venga utilizzata per componenti critici. Le luci della torre e le ventole extra sono probabilmente la misura del nostro utilizzo.

Quindi, per rispondere alla tua vera domanda lì dentro, sono sicuro che possiamo trovare tutti i tipi di modi creativi per convertire quel calore in lavoro elettrico o meccanico. Renderlo "utile" è una storia completamente diversa.

Trevor Archibald ti ha dato una risposta davvero buona, ma vedo dai tuoi commenti una risposta diversa potrebbe essere utile, poiché pensi ancora che questo possa essere praticabile con la giusta economia.

Non lo sarebbe. Il problema è l'ingegneria, non l'economia. È una cattiva idea dal punto di vista economico, certamente; ma cambiare i prezzi non lo renderà una buona idea. Sarebbe comunque una cattiva idea. Lasciatemi spiegare.

calore di basso grado

Il calore di bassa qualità è il calore che è di qualche Kelvin o decine di Kelvin sopra la temperatura ambiente.

sbarazzarsi del caldo rapidamente è il nome del gioco

George Herold ti indica in un commento un motivo per cui la raccolta di energia sulla carta sarebbe una cattiva idea: la conduttività termica della carta è progettata per essere elevata.

Sbarazzarsi del calore rapidamente è particolarmente importante nelle apparecchiature IT, dove l'efficienza elettrica delle apparecchiature è davvero incredibilmente scarsa. Ciò significa che l'elettricità che immetti, quasi tutta verrà trasformata direttamente in calore. Esiste una quantità minima teorica di energia necessaria per capovolgere un po ', indipendentemente dal supporto su cui è memorizzato il bit. Tutto il resto dell'energia inserita al di sopra di quel minimo si trasformerà immediatamente in calore. Per proteggere l'apparecchiatura, è necessario eliminare tale calore il più rapidamente possibile.

Quindi la scheda è progettata per eliminare il calore il più velocemente possibile. Qualunque cosa tu metta in mezzo, come il tuo dispositivo di raccolta di energia proposto, rallenterà la velocità con cui il calore lascia la carta. Ciò aumenterà la temperatura di equilibrio della carta. E questo ridurrà radicalmente la vita della carta. Ciò accadrà indipendentemente dal prezzo dell'elettricità.

non si tratta del prezzo dell'elettricità

E l'idea che se il prezzo dell'elettricità fosse abbastanza alto, renderebbe utile la raccolta di calore di bassa qualità, è semplicemente sbagliato. Se l'elettricità è così preziosa, allora vale la pena rendere la scheda più efficiente in primo luogo, in modo che ci fosse meno calore residuo: in primo luogo, ridurre il consumo di energia di alto valore, prima di provare a riciclare energia di basso valore. E questo mi porta a ...

energia contro exergia

Il calore è, in gran parte, un prodotto di scarto. È quasi sempre la forma di energia meno utile. Questo è davvero ciò che ti dice il limite di efficienza di Carnot: che per ottenere qualsiasi lavoro dal calore di bassa qualità, puoi farlo solo con un'efficienza molto bassa; cioè, quasi tutto il calore rimarrà come calore.

Quando si fa ingegneria con il calore e altre forme di energia, è molto utile sviluppare un'intuizione per distinguere tra energia (la cosa misurata in joule) ed exergia (la cosa che fa lavorare). La forma in cui si trova l'energia determina la quantità di lavoro che può fare. L'elettricità può fare enormi quantità di lavoro in modo efficiente - ha un'ergonomia molto elevata. Il calore di bassa qualità può fare pochissimo lavoro - ha una bassissima esergia.

Dopo aver creato calore di bassa qualità, sei già alla fine della linea per l'esergia (energia utile). Quasi tutti gli usi dell'energia finiscono con un calore di bassa qualità. È la forma finale per praticamente ogni catena di conversioni energetiche. E, su scala cosmica, è (per quanto ne sappiamo) la forma finale per ogni singolo joule, nella morte calda dell'universo.

Il calore di bassa qualità è la fine della strada. Se vuoi più lavoro su quei joule, allora fai quel lavoro prima che quei joule siano sotto forma di calore di bassa qualità.