Thu hoạch năng lượng nhiệt điện từ card đồ họa máy tính

Trong CES2015, một nhà sản xuất Bộ xử lý đồ họa (GPU) nổi tiếng đã giới thiệu một GPU mới. Những GPU này cần quản lý nhiệt phức tạp để giữ cho bộ xử lý mát. Hầu hết các nhà sản xuất thẻ tăng tốc GPU phát triển thẻ tăng tốc đồ họa mới sử dụng công nghệ quản lý nhiệt nguyên thủy so với các công nghệ tiên tiến ngày nay. Hầu hết chúng ta đều biết công nghệ này là những người hâm mộ quản lý năng lượng nhiệt không mong muốn này, như được thấy trong hình ảnh này của một thẻ tăng tốc đồ họa:

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

Những rào cản nào các kỹ sư cần phải vượt qua để chuyển đổi năng lượng nhiệt lãng phí này thành năng lượng điện hữu ích?

Dưới đây là thông tin về nhiệt độ của thẻ GPU.

Hồ sơ nhiệt độ GPU

Người giới thiệu:

mechanical-engineering electrical-engineering thermodynamics

— Mahendra Gunawardena
nguồn

Sự sinh nhiệt của những thứ này khá thay đổi, dễ dàng hơn là sử dụng làm mát bằng chất lỏng và sử dụng bộ tản nhiệt như một bộ lọc chân.

— ratchet freak

Đầu tiên, đo nhiệt độ của thẻ và tính giới hạn hiệu suất Carnot.

— 410 đi

@EnergyNumbers, tôi không phải là TÔI. Do đó tôi không có nhiều kinh nghiệm về nhiệt động lực học kiến thức. Nhưng tôi thấy rất nhiều năng lượng có thể được thu hoạch và cung cấp lại cho hệ thống

— Mahendra Gunawardena

Cách tiếp cận này có vẻ thiếu sót. Bạn muốn lấy năng lượng lãng phí dưới dạng nhiệt trong một quá trình và chuyển đổi lại thành năng lượng hữu ích. Một cách tiếp cận tốt hơn là làm cho quá trình đầu tiên hiệu quả hơn để không tạo ra quá nhiều nhiệt.

— Chris Mueller

@MahendraGunawardena Tôi hiểu rằng bạn tự hỏi tại sao điều này không thể được thực hiện. Tôi đang cố gắng giúp bạn hiểu. Vì vậy, đo nhiệt độ của thẻ. Và sau đó tính giới hạn hiệu quả Carnot. Và sau đó thêm thông tin đó vào câu hỏi của bạn.

— 410 đi

Câu trả lời:

Có sức nóng có thể được lấy lại, nhưng bạn sẽ không nhận được nhiều. Như một trong những người bình luận đã đề cập, tối đa tuyệt đối của bạn là hiệu quả Carnot.

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

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

Đây là một điều kiện lý tưởng hóa, bạn sẽ không bao giờ đạt được hiệu quả này. Nhưng để tìm ra giới hạn của chúng tôi, chúng ta hãy tìm ra nó. sẽ chỉ là nhiệt độ phòng, bên trong tòa tháp có thể ấm hơn một chút, nhưng chúng tôi sẽ cho mình lợi ích của sự nghi ngờ và chọn một số tròn đẹp ở 20C (293K). sẽ thay đổi khi GPU hoạt động mạnh hơn (đây là một trong những vấn đề với thiết kế này nói chung; công suất bạn nhận được từ hệ thống làm mát sẽ không nhất quán vì nhiệt độ GPU thay đổi tùy thuộc vào mức độ bạn nhấn mạnh vào chip.) Chúng tôi không muốn chạy quá nóng và làm hỏng thẻ, điều đó đánh bại mục đích của một hệ thống làm mát. $T_c$ $T_h$

Sau khi tìm kiếm nhanh (Google "nhiệt độ hoạt động GPU", bạn sẽ thấy một loạt các bài đăng trên diễn đàn cung cấp nhiều con số khác nhau, không ai trong số chúng tôi đủ mạnh để trích dẫn, nhưng tôi đang tập hợp dữ liệu của họ để tạo ra giả định riêng) có vẻ như hầu hết các thẻ có giới hạn trên mạnh mẽ ~ 100C trước khi bạn bắt đầu gây sát thương nghiêm trọng. Tuy nhiên, việc chạy nóng như vậy vẫn sẽ làm giảm tuổi thọ của thẻ của bạn và đánh giá bằng hình ảnh trong câu hỏi, đây là một thẻ đẹp mà chúng tôi đã trả một xu khá lớn và chúng tôi muốn giữ nó lâu nhất có thể . 70C là một nơi tốt để chụp, nhưng 80C (353K) có lẽ vẫn khá an toàn, và chúng tôi muốn trường hợp tốt nhất có thể của chúng tôi. Với những con số đó, chúng tôi nhận được

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

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

Điều này có nghĩa là, ở mức tối đa, điều tốt nhất chúng ta có thể làm là lấy 17% nhiệt lượng mà chúng ta tạo ra trên thẻ trở lại dưới dạng điện để cung cấp năng lượng cho một cái gì đó trong tháp. Chúng tôi có thể thay đổi nhiệt độ thẻ và khi nó nằm trong khoảng từ 60C đến 100C, hiệu quả sẽ nằm trong khoảng từ 12% đến 21%. Bất kể, chúng tôi sẽ không nhận lại được nhiều.

Đó là hiệu quả tối đa mặc dù. Trang web này , nơi bán máy phát nhiệt điện, nói rằng TEG hàng đầu sẽ chạy với hiệu suất 8%. Mặc dù điều này tốt hơn những gì chúng ta đã nhận được trước đây, nhưng vấn đề thực sự ở đây là chi phí và việc thực hiện. TEG không phải là giá rẻ, và quạt làm mát là. Một hệ thống làm mát cơ bản cũng dễ cài đặt hơn nhiều. Ngay cả khi chúng ta có thể nối TEG để làm mát thẻ, chúng ta phải tìm ra thứ gì đó chúng ta có thể làm với dòng điện đó và chúng ta không muốn sử dụng năng lượng biến đổi cho các thành phần quan trọng. Đèn tháp và quạt thêm có lẽ là mức độ sử dụng của chúng tôi.

Vì vậy, để trả lời câu hỏi thực tế của bạn trong đó, tôi chắc chắn chúng ta có thể tìm thấy tất cả các cách sáng tạo để chuyển nhiệt đó thành công việc điện hoặc cơ khí. Làm cho nó "hữu ích" là một câu chuyện hoàn toàn khác.

— Trevor Archibald
nguồn

Nghiên cứu trường hợp thú vị, theo sự chỉ dẫn của Giáo sư Klaus Lackner: hình ảnh một PC trong Trạm vũ trụ quốc tế, được cung cấp năng lượng từ pin được bổ sung động cơ nhiệt Carnot gắn vào các bộ tản nhiệt của PC, trong đó bể chứa lạnh là không gian. Và sau đó tính toán nguồn cung cấp điện cần thiết ...

— 410 đi vào

Câu trả lời hay (+1), vấn đề khác là bằng cách đặt một TEC vào đường dẫn nhiệt, bạn sẽ làm cho độ dẫn nhiệt cao hơn, nghĩa là công việc chính của làm mát là khó khăn hơn. Tương tự như việc gắn một cối xay gió trên xe của bạn để tạo ra điện từ chuyển động của xe.

— George Herold

@Trevor Archibald: Cảm ơn bạn đã giải thích về kỹ thuật. Những gì tôi đang đọc là thu hoạch năng lượng là có thể, nhưng dựa trên nền kinh tế hiện tại, nó không thực tế từ quan điểm giám sát. Tương tự như các tấm pin mặt trời, và Toyota Prius. Đưa ra một doanh số ưu đãi thuế của các tấm pin mặt trời và Toyota Prius đi lên. Từ quan điểm kỹ thuật điện, nếu có thể thu hoạch được 17% năng lượng, năng lượng này có thể được lưu trữ trong một bể chứa năng lượng như tụ điện siêu âm và sau đó được tái sử dụng trong hệ thống trong các giai đoạn sử dụng một số loại cơ chế chuyển đổi năng lượng.

— Mahendra Gunawardena

Trevor Archibald đã cho bạn một câu trả lời thực sự tốt, nhưng tôi thấy từ các bình luận của bạn, một câu trả lời khác nhau có thể hữu ích, vì bạn vẫn nghĩ rằng điều này có thể khả thi với kinh tế học đúng đắn.

Nó sẽ không được. Vấn đề là kỹ thuật, không phải kinh tế. Đó là một ý tưởng tồi từ quan điểm kinh tế, chắc chắn; nhưng thay đổi giá sẽ không làm cho nó một ý tưởng tốt. Nó vẫn sẽ là một ý tưởng tồi. Hãy để tôi giải thích.

nhiệt độ thấp

Nhiệt độ thấp là nhiệt độ cao hơn một vài Kelvin hoặc hàng chục Kelvin trên nhiệt độ phòng.

thoát khỏi sức nóng một cách nhanh chóng là tên của trò chơi

George Herold chỉ cho bạn một nhận xét về một lý do tại sao thu hoạch năng lượng trên thẻ sẽ là một ý tưởng tồi: độ dẫn nhiệt của thẻ được thiết kế cao.

Loại bỏ nhiệt nhanh chóng đặc biệt quan trọng trong thiết bị CNTT, trong đó hiệu quả điện của thiết bị thực sự kém đến mức đáng kinh ngạc. Và điều đó có nghĩa là điện mà bạn đặt vào, gần như tất cả chúng sẽ bị biến thành nhiệt. Có một lượng năng lượng tối thiểu theo lý thuyết cần thiết để lật một bit, bất kể phương tiện lưu trữ bit trên đó. Tất cả phần còn lại của năng lượng đưa vào trên mức tối thiểu đó, sẽ biến thành nhiệt ngay lập tức. Để bảo vệ thiết bị, bạn cần loại bỏ nhiệt đó càng nhanh càng tốt.

Vì vậy, thẻ được thiết kế để thoát nhiệt càng nhanh càng tốt. Bất cứ điều gì bạn đặt trên đường đi, chẳng hạn như thiết bị thu hoạch năng lượng được đề xuất của bạn, sẽ làm chậm tốc độ mà nhiệt rời khỏi thẻ. Điều đó sẽ làm tăng nhiệt độ cân bằng của thẻ. Và điều đó sẽ rút ngắn triệt để tuổi thọ của thẻ. Điều đó sẽ xảy ra bất kể giá điện.

Nó không phải là về giá điện

Và ý tưởng này cho rằng nếu giá điện đủ cao, nó sẽ khiến việc thu hoạch nhiệt độ thấp trở nên đáng giá, đơn giản là sai. Nếu điện là có giá trị, thì ngay từ đầu, việc làm cho thẻ hiệu quả hơn, để có ít nhiệt thải hơn: trước tiên, hãy giảm mức tiêu thụ năng lượng giá trị cao, trước khi thử tái chế năng lượng giá trị thấp. Và điều đó đưa tôi đến ...

năng lượng so với dị ứng

Nhiệt, trong một tỷ lệ lớn các trường hợp, là một sản phẩm thải. Nó hầu như luôn là dạng năng lượng ít hữu ích nhất. Đó thực sự là những gì giới hạn hiệu quả của Carnot đang nói với bạn: rằng để có được bất kỳ công việc nào thoát khỏi mức nhiệt thấp, bạn chỉ có thể làm như vậy với hiệu quả rất thấp; có nghĩa là, gần như tất cả nhiệt sẽ ở lại dưới dạng nhiệt.

Khi thực hiện kỹ thuật với nhiệt và các dạng năng lượng khác, sẽ rất hữu ích khi xây dựng một trực giác để phân biệt giữa năng lượng (thứ được đo bằng joules) và dị ứng (điều hoàn thành công việc). Dạng năng lượng nằm trong đó, quyết định mức độ nó có thể làm. Điện có thể thực hiện một lượng lớn công việc hiệu quả - nó có khả năng gây dị ứng rất cao. Nhiệt độ thấp có thể làm rất ít việc - nó có khả năng gây dị ứng rất thấp.

Khi bạn đã tạo ra nhiệt độ thấp, bạn đã ở cuối dòng cho chứng dị ứng (năng lượng hữu ích). Hầu như tất cả các sử dụng năng lượng kết thúc ở nhiệt độ thấp. Đây là hình thức cuối cùng cho hầu hết các chuỗi chuyển đổi năng lượng. Và, ở quy mô vũ trụ, đó là (theo như chúng ta có thể nói) là hình thức cuối cùng cho mỗi joule, trong cái chết nhiệt của vũ trụ.

Nhiệt độ thấp là cuối con đường. Nếu bạn muốn làm việc nhiều hơn từ những joules đó, thì hãy hoàn thành công việc đó trước khi những joules đó ở dạng nhiệt độ thấp.

— 410 đi
nguồn

Chắc chắn rồi. Nhiệt độ thấp có khá nhiều công dụng, và đó là làm nóng thứ gì đó, từ lâu thứ gì đó bạn muốn sưởi chính xác là nơi có nhiệt độ thấp, hoặc có thể đạt được bằng một chiếc quạt rất đơn giản và ống dẫn ngắn.

— Trevor Archibald