Coleta de energia termoelétrica de placas gráficas de computador

Durante o CES2015, um fabricante bem conhecido da Unidade de Processador Gráfico (GPU) introduziu uma nova GPU. Essas GPUs precisam de gerenciamento térmico complexo para manter o processador frio. A maioria dos fabricantes de placas aceleradoras de GPU desenvolve novas placas aceleradoras gráficas que usam tecnologia de gerenciamento térmico primitiva em comparação com as tecnologias avançadas atuais. Muitos de nós conhecemos essa tecnologia como ventiladores que gerenciam essa energia térmica indesejada, como pode ser visto nesta imagem de uma placa aceleradora gráfica:

Inno3D-iChill-GeForce-GTX-980-HerculeZ-x4_1

Que barreiras os engenheiros precisam superar para converter essa energia térmica desperdiçada em energia elétrica útil?

Abaixo está um perfil de temperatura de uma placa GPU.

Perfil de temperatura da GPU

Referências:

mechanical-engineering electrical-engineering thermodynamics

— Mahendra Gunawardena
fonte

A geração de calor é bastante variável, mais fácil seria usar o resfriamento líquido e usar o radiador como aquecedor de pés.

— ratchet freak

Primeiro, meça a temperatura do cartão e calcule o limite de eficiência de Carnot.

— 410 foi no dia

@EnergyNumbers, eu não sou um ME. Portanto, não tenho muita experiência em conhecimento termodinâmico. Mas vejo muita energia que pode ser colhida e alimentada de volta ao sistema.

— Mahendra Gunawardena

Essa abordagem parece falha. Você deseja consumir energia desperdiçada como calor em um processo e convertê-la novamente em energia útil. Uma abordagem melhor é tornar o primeiro processo mais eficiente, para não gerar tanto calor.

— Chris Mueller

@MahendraGunawardena Entendo que você se pergunta por que isso não pode ser feito. Estou tentando ajudá-lo a entender. Então meça a temperatura do cartão. E, em seguida, calcule o limite de eficiência de Carnot. E adicione essas informações à sua pergunta.

— 410 foi no dia

Respostas:

Há calor que pode ser recapturado, mas você não vai conseguir muito dele. Como um dos comentadores mencionou, seu máximo absoluto é a eficiência de Carnot.

η_{C a r n o t} = 1 - \frac{T_{c}}{T_{h}}

$\eta_{Carnot}=1-\frac{T_c}{T_h}$

$T_c$ $T_h$

Após uma pesquisa rápida (temperaturas operacionais da GPU do Google), você verá várias postagens em fóruns que fornecem muitos números diferentes, nenhum dos quais acho que sejam fortes o suficiente para serem citados, mas estou reunindo os dados para fazer a minha própria suposição), parece que a maioria das placas tem um limite superior forte de ~ 100C antes de você começar a causar danos sérios. No entanto, manter a temperatura quente ainda reduzirá a vida útil do seu cartão e, a julgar pela figura da pergunta, este é um bom cartão pelo qual pagamos um centavo bonito e queremos mantê-lo o maior tempo possível . O 70C é um bom lugar para se procurar, mas o 80C (353K) ainda é provavelmente bastante seguro, e queremos o nosso melhor caso possível. Com esses números, temos

η_{C a r n o t} = 1 - \frac{293 K}{353 K} = 0.17

$\eta_{Carnot}=1-\frac{293K}{353K}=0.17$

Isso significa que, no máximo, o melhor que podemos fazer é obter 17% do calor que estamos gerando no cartão de volta como eletricidade para alimentar algo na torre. Podemos variar a temperatura do cartão e, entre 60 ° C e 100 ° C, a eficiência varia entre 12% e 21%. Independentemente disso, não estamos recebendo muito de volta.

Essa é a eficiência máxima. Este site , que vende geradores termoelétricos, diz que os TEGs de primeira linha funcionarão com 8% de eficiência. Embora isso seja melhor do que o que estávamos recebendo antes, o verdadeiro problema aqui é o custo e a implementação. Os TEGs não são baratos e os ventiladores de refrigeração. Um sistema de refrigeração básico também é muito mais fácil de instalar. Mesmo que possamos conectar um TEG para resfriar o cartão, precisamos encontrar algo que possamos fazer com essa eletricidade e não queremos que a energia variável seja usada para componentes críticos. As luzes da torre e os ventiladores extras provavelmente são a extensão de nosso uso.

Portanto, para responder à sua pergunta real, tenho certeza de que podemos encontrar todos os tipos de maneiras criativas de converter esse calor em trabalho elétrico ou mecânico. Tornar "útil" é uma história totalmente diferente.

— Trevor Archibald
fonte

Estudo de caso divertido, cortesia do professor Klaus Lackner: imagine um PC na Estação Espacial Internacional, alimentado por uma bateria suplementada por um mecanismo de calor Carnot conectado aos dissipadores de calor do PC, onde o reservatório frio é o espaço. E depois calcular o fornecimento de energia líquida requerida ...

— 410 gone

Boa resposta (+1), o outro problema é que, ao colocar um TEC no caminho do calor, você aumentará a condutividade térmica, o que significa que o principal trabalho de resfriamento é mais difícil. É mais ou menos como colocar um moinho de vento em cima do seu carro para gerar eletricidade a partir do movimento do carro.

— precisa

@ Trevev Archibald: Obrigado pela explicação técnica. O que estou lendo é que a coleta de energia é possível, mas, com base na economia atual, não é prático do ponto de vista do monitor. Semelhante aos painéis solares, e Toyota prius. Incentive as vendas de painéis solares e o Toyota prius sobe. Do ponto de vista da engenharia elétrica, se 17% da energia puder ser colhida, essa energia poderá ser armazenada em um reservatório de energia, como um capacitor de ceia e, em seguida, reutilizada no sistema em estágios, usando algum tipo de mecanismo de chave liga / desliga.

— Mahendra Gunawardena

Trevor Archibald deu uma resposta muito boa, mas vejo pelos seus comentários que uma resposta diferente pode ser útil, pois você ainda acha que isso pode ser viável com a economia certa.

Não seria. A questão é engenharia, não economia. É uma má idéia do ponto de vista econômico, certamente; mas alterar os preços não será uma boa ideia. Ainda seria uma má ideia. Deixe-me explicar.

calor de baixa qualidade

Calor de baixa qualidade é o calor que é alguns Kelvin ou dezenas de Kelvin acima da temperatura ambiente.

livrar-se do calor rapidamente é o nome do jogo

George Herold aponta você em um comentário para uma das razões pelas quais a coleta de energia no cartão seria uma má idéia: a condutividade térmica do cartão foi projetada para ser alta.

Livrar-se do calor rapidamente é particularmente importante em equipamentos de TI, onde a eficiência elétrica do equipamento é realmente incrivelmente baixa. E isso significa que, da eletricidade que você consome, quase tudo será transformado diretamente em calor. Existe uma quantidade mínima teórica de energia necessária para virar um pouco, independentemente do meio em que o bit está armazenado. Todo o restante da energia colocada acima desse mínimo vai se transformar em calor imediatamente. Para proteger o equipamento, você precisa se livrar desse calor o mais rápido possível.

Portanto, o cartão foi projetado para eliminar o calor o mais rápido possível. Qualquer coisa que você colocar no caminho, como o dispositivo de coleta de energia proposto, diminuirá a taxa na qual o calor sai do cartão. Isso aumentará a temperatura de equilíbrio do cartão. E isso reduzirá radicalmente a vida útil do cartão. Isso acontecerá independentemente do preço da eletricidade.

não é sobre o preço da eletricidade

E essa ideia de que, se o preço da eletricidade fosse alto o suficiente, faria valer a pena colher calor de baixa qualidade, está simplesmente errado. Se a eletricidade é tão valiosa, vale a pena tornar o cartão mais eficiente em primeiro lugar, para que haja menos calor desperdiçado: primeiro, reduza o consumo de energia de alto valor antes de tentar reciclar energia de baixo valor. E isso me leva a ...

energia versus exergia

O calor é, em grande parte dos casos, um produto residual. É quase sempre a forma de energia menos útil. É exatamente o que o limite de eficiência de Carnot está lhe dizendo: que, para obter algum trabalho com calor de baixa qualidade, você pode fazê-lo apenas com uma eficiência muito baixa; isto é, quase todo o calor permanecerá como calor.

Ao fazer engenharia com calor e outras formas de energia, é muito útil criar uma intuição para distinguir entre energia (a coisa medida em joules) e exergia (a coisa que faz o trabalho). A forma como está a energia determina quanto trabalho ela pode fazer. A eletricidade pode realizar grandes quantidades de trabalho com eficiência - possui exergia muito alta. O calor de baixa qualidade pode fazer muito pouco trabalho - possui exergia muito baixa.

Depois de criar calor de baixa qualidade, você já estará no final da linha para exergia (energia útil). Quase todos os usos de energia acabam com calor de baixa qualidade. É a forma final de praticamente todas as cadeias de conversões de energia. E, na escala cósmica, é (até onde sabemos) a forma final de cada joule, na morte por calor do universo.

O calor de baixa qualidade é o fim da estrada. Se você quiser mais trabalho com esses joules, faça esse trabalho antes que esses joules estejam na forma de calor de baixa qualidade.

— 410 ido
fonte

Absolutamente. O calor de baixa qualidade tem praticamente um uso, e isso aquece algo, desde que o que você deseja aquecer esteja exatamente onde o calor de baixa qualidade já está, ou possa ser alcançado com um ventilador muito simples e um duto curto.

— Trevor Archibald