Ernten von thermoelektrischer Energie aus Computergrafikkarten

Während der CES2015 stellte ein bekannter Hersteller von Grafikprozessoren (GPU) eine neue GPU vor. Diese GPUs benötigen ein komplexes Wärmemanagement, um den Prozessor kühl zu halten. Die meisten Hersteller von GPU-Beschleunigerkarten entwickeln neue Grafikbeschleunigerkarten, die im Vergleich zu den heutigen fortschrittlichen Technologien die primitive Wärmemanagementtechnologie verwenden. Die meisten von uns kennen diese Technologie als Lüfter, die diese unerwünschte Wärmeenergie verwalten, wie in diesem Bild einer Grafikbeschleunigerkarte dargestellt:

Welche Hindernisse müssen Ingenieure überwinden, um diese verschwenderische Wärmeenergie in nützliche elektrische Energie umzuwandeln?

Unten finden Sie ein Temperaturprofil einer GPU-Karte.

Verweise:

• Ein thermoelektrischer Generator, der mit Abgasen betrieben wird
• Kleine thermoelektrische Generatoren
• Übersicht über die thermoelektrische Technologie
• Verlängern Sie die Lebensdauer Ihrer Grafikkarte mit benutzerdefinierten Einstellungen für die automatische Lüftergeschwindigkeit

Es gibt Wärme, die zurückgewonnen werden kann, aber Sie werden nicht viel davon wegbekommen. Wie einer der Kommentatoren erwähnt hat, ist Ihr absolutes Maximum die Carnot-Effizienz.

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Nach einer kurzen Suche (Google "GPU-Betriebstemperaturen") werden Sie eine Reihe von Forenbeiträgen sehen, die viele verschiedene Zahlen enthalten, von denen ich glaube, dass keiner stark genug ist, um sie zu zitieren, aber ich bündle ihre Daten, um meine zu erstellen eigene Annahme) Es sieht so aus, als hätten die meisten Karten eine starke Obergrenze von ~ 100 ° C, bevor Sie ernsthaften Schaden anrichten. Wenn Sie jedoch so heiß laufen, verkürzt sich die Lebensdauer Ihrer Karte immer noch. Nach dem Bild in der Frage zu urteilen, ist dies eine schöne Karte, für die wir einen hübschen Cent bezahlt haben, und wir möchten sie so lange wie möglich behalten . 70C ist ein guter Ort zum Fotografieren, aber 80C (353K) ist wahrscheinlich immer noch ziemlich sicher, und wir wollen unseren bestmöglichen Fall. Mit diesen Zahlen bekommen wir

Dies bedeutet, dass wir höchstens 17% der Wärme, die wir auf der Karte erzeugen, als Strom zurückerhalten können, um etwas im Turm mit Strom zu versorgen. Wir können die Kartentemperatur variieren und zwischen 60 ° C und 100 ° C liegt der Wirkungsgrad zwischen 12% und 21%. Unabhängig davon bekommen wir nicht viel zurück.

Das ist jedoch die maximale Effizienz. Auf dieser Website , auf der thermoelektrische Generatoren verkauft werden, werden TEGs der Spitzenklasse mit einem Wirkungsgrad von 8% betrieben. Dies ist zwar besser als das Nichts, was wir zuvor bekommen hätten, aber das eigentliche Problem hier sind Kosten und Implementierung. TEGs sind nicht billig und Lüfter auch. Ein einfaches Kühlsystem ist auch viel einfacher zu installieren. Selbst wenn wir ein TEG anschließen können, um die Karte zu kühlen, müssen wir etwas finden, das wir mit dieser Elektrizität tun können, und wir möchten nicht, dass die variable Leistung für kritische Komponenten verwendet wird. Turmlichter und zusätzliche Lüfter sind wahrscheinlich das Ausmaß unserer Nutzung.

Um Ihre eigentliche Frage dort zu beantworten, können wir sicher alle möglichen kreativen Wege finden, um diese Wärme in elektrische oder mechanische Arbeit umzuwandeln. Es "nützlich" zu machen ist eine ganz andere Geschichte.

Trevor Archibald hat Ihnen eine wirklich gute Antwort gegeben, aber ich sehe aus Ihren Kommentaren, dass eine andere Antwort nützlich sein könnte, da Sie immer noch denken, dass dies mit der richtigen Wirtschaftlichkeit realisierbar sein könnte.

Es wäre nicht so. Das Problem ist Ingenieurwesen, nicht Wirtschaft. Aus wirtschaftlicher Sicht ist das sicherlich eine schlechte Idee. Aber Preisänderungen machen es nicht zu einer guten Idee. Es wäre immer noch eine schlechte Idee. Lassen Sie mich erklären.

minderwertige Hitze

Niedriggradige Wärme ist Wärme, die einige Kelvin oder einige zehn Kelvin über Raumtemperatur liegt.

Die Hitze schnell loszuwerden, ist der Name des Spiels

George Herold weist Sie in einem Kommentar auf einen Grund hin, warum das Ernten von Energie auf der Karte eine schlechte Idee wäre: Die Wärmeleitfähigkeit der Karte ist so ausgelegt , dass sie hoch ist.

Die schnelle Wärmeabfuhr ist besonders wichtig bei IT-Geräten, bei denen der elektrische Wirkungsgrad der Geräte wirklich sehr, sehr schlecht ist. Und das bedeutet, dass von dem Strom, den Sie einspeisen, fast alles direkt in Wärme umgewandelt wird. Es gibt eine theoretische Mindestmenge an Energie, die benötigt wird, um ein Bit umzudrehen, unabhängig davon, auf welchem ​​Medium das Bit gespeichert ist. Der gesamte Rest der Energie, die über diesem Minimum liegt, wird sofort in Wärme umgewandelt. Um das Gerät zu schützen, müssen Sie diese Wärme so schnell wie möglich abführen.

Die Karte ist so konzipiert, dass sie die Wärme so schnell wie möglich abführt. Alles, was Sie in den Weg stellen, wie z. B. Ihr vorgeschlagenes Energiegewinnungsgerät, verlangsamt die Geschwindigkeit, mit der Wärme die Karte verlässt. Dadurch wird die Gleichgewichtstemperatur der Karte erhöht. Und das wird die Lebensdauer der Karte radikal verkürzen. Das wird unabhängig vom Strompreis geschehen.

Es geht nicht um den Strompreis

Und diese Vorstellung, dass sich die Ernte von minderwertiger Wärme lohnen würde, wenn der Strompreis hoch genug wäre, ist einfach falsch. Wenn Strom so wertvoll ist, lohnt es sich zunächst, die Karte effizienter zu gestalten, damit weniger Abwärme entsteht: Reduzieren Sie zunächst den Verbrauch hochwertiger Energie, bevor Sie versuchen, geringwertige Energie zu recyceln. Und das bringt mich zu ...

Energie versus Exergie

Wärme ist in einem großen Teil der Fälle ein Abfallprodukt. Es ist fast immer die am wenigsten nützliche Energieform. Genau das sagt Ihnen die Carnot-Effizienzgrenze: Um Arbeiten mit geringer Hitze zu vermeiden, können Sie dies nur mit sehr geringem Wirkungsgrad tun. Das heißt, fast die gesamte Wärme bleibt als Wärme erhalten.

Wenn Sie mit Wärme und anderen Energieformen arbeiten, ist es sehr nützlich, eine Intuition aufzubauen, um zwischen Energie (das in Joule gemessene Ding) und Exergie (das, was die Arbeit erledigt) zu unterscheiden. Die Form, in der sich Energie befindet, bestimmt, wie viel Arbeit sie leisten kann. Strom kann sehr viel effizient arbeiten - er hat eine sehr hohe Exergie. Geringe Hitze kann sehr wenig Arbeit leisten - sie hat eine sehr geringe Exergie.

Sobald Sie minderwertige Wärme erzeugt haben, sind Sie bereits am Ende der Linie für Exergie (nützliche Energie). Fast alle Energieverwendungen enden bei geringer Hitze. Es ist die endgültige Form für so ziemlich jede Kette von Energieumwandlungen. Und im kosmischen Maßstab, es ist (soweit wir das beurteilen können) , um die endgültige Form für jede einzelne Joule, in dem Wärmetod des Universums.

Geringe Hitze ist das Ende der Straße. Wenn Sie mehr Arbeit aus diesen Joule herausholen möchten, erledigen Sie diese Arbeit, bevor diese Joule in Form von minderwertiger Hitze vorliegen.