Recolectando energía termoeléctrica de tarjetas gráficas de computadora

Durante CES2015, un conocido fabricante de unidades de procesador gráfico (GPU) presentó una nueva GPU. Estas GPU necesitan una gestión térmica compleja para mantener el procesador fresco. La mayoría de los fabricantes de tarjetas aceleradoras de GPU desarrollan nuevas tarjetas aceleradoras de gráficos que utilizan tecnología de gestión térmica primitiva en comparación con las tecnologías avanzadas de hoy. La mayoría de nosotros conocemos esta tecnología como ventiladores que manejan esta energía térmica no deseada, como se ve en esta imagen de una tarjeta aceleradora de gráficos:

¿Qué barreras deben superar los ingenieros para convertir esta energía térmica derrochadora en energía eléctrica útil?

A continuación se muestra un perfil de temperatura de una tarjeta GPU.

Referencias

• Un generador termoeléctrico que funciona con gases de escape
• Pequeños generadores termoeléctricos
• Descripción de la tecnología termoeléctrica
• Extienda la vida útil de su tarjeta de video con la configuración personalizada de velocidad del ventilador automático

Hay calor que se puede volver a capturar, pero no obtendrá mucho de él. Como uno de los comentaristas ha mencionado, su máximo absoluto es la eficiencia de Carnot.

Esta es una condición idealizada, nunca alcanzarás esta eficiencia. Pero para encontrar nuestro límite, descifrémoslo de todos modos. solo será la temperatura ambiente, puede que sea un poco más cálido dentro de la torre, pero nos daremos el beneficio de la duda y elegiremos un buen número redondo a 20C (293K). variará a medida que la GPU trabaje más (este es uno de los problemas con este diseño en general; la potencia que obtienes del sistema de enfriamiento no será constante porque la temperatura de la GPU varía dependiendo de cuánto estreses el chip). No queremos calentarlo demasiado y dañar la tarjeta, lo que anula el propósito de un sistema de enfriamiento.$T_c$$T_h$

Después de algunas búsquedas rápidas ("temperaturas de funcionamiento de la GPU de Google" en Google, verá un montón de publicaciones en el foro que dan muchos números diferentes, ninguno de los cuales creo que son lo suficientemente fuertes como para citar, pero estoy agrupando sus datos para hacer mi propia suposición) parece que la mayoría de las cartas tienen un límite superior fuerte de ~ 100C antes de comenzar a hacer daño grave. Sin embargo, correr tan caliente aún reducirá la vida útil de su tarjeta, y a juzgar por la imagen en la pregunta, esta es una buena tarjeta por la que hemos pagado un centavo, y queremos mantenerla todo el tiempo que podamos . 70C es un buen lugar para disparar, pero 80C (353K) todavía es probablemente bastante seguro, y queremos nuestro mejor caso posible. Con esos números, obtenemos

Esto significa que, como máximo, lo mejor que podemos hacer es recuperar el 17% del calor que estamos generando en la tarjeta como electricidad para alimentar algo en la torre. Podemos variar la temperatura de la tarjeta, y a medida que oscila entre 60 ° C y 100 ° C, la eficiencia oscila entre 12% y 21%. De todos modos, no vamos a recuperar mucho.

Sin embargo, esa es la máxima eficiencia. Este sitio , que vende generadores termoeléctricos, dice que los TEG de primera línea funcionarán con una eficiencia del 8%. Si bien esto es mejor que nada que hubiéramos estado obteniendo antes, el verdadero problema aquí es el costo y la implementación. Los TEG no son baratos, y los ventiladores sí lo son. Un sistema de enfriamiento básico también es mucho más fácil de instalar. Incluso si podemos conectar un TEG para enfriar la tarjeta, tenemos que encontrar algo que podamos hacer con esa electricidad, y no queremos que la potencia variable se use para componentes críticos. Las luces de la torre y los ventiladores adicionales son probablemente el alcance de nuestro uso.

Entonces, para responder su pregunta real allí, estoy seguro de que podemos encontrar todo tipo de formas creativas para convertir ese calor en trabajo eléctrico o mecánico. Hacerlo "útil" es una historia completamente diferente.

Trevor Archibald le ha dado una respuesta realmente buena, pero veo en sus comentarios que una respuesta diferente podría ser útil, ya que aún cree que esto podría ser viable con la economía correcta.

No sería El problema es la ingeniería, no la economía. Es una mala idea desde la perspectiva económica, ciertamente; pero cambiar los precios no lo hará una buena idea. Aún sería una mala idea. Dejame explicar.

calor de bajo grado

El calor de bajo grado es el calor que está a unos pocos Kelvin o decenas de Kelvin por encima de la temperatura ambiente.

deshacerse del calor rápidamente es el nombre del juego

George Herold le señala en un comentario una razón por la cual la recolección de energía en la tarjeta sería una mala idea: la conductividad térmica de la tarjeta está diseñada para ser alta.

Eliminar el calor rápidamente es particularmente importante en los equipos de TI, donde la eficiencia eléctrica de los equipos es realmente asombrosamente pobre. Y eso significa que de la electricidad que pones, casi toda se convertirá directamente en calor. Hay una cantidad mínima teórica de energía necesaria para voltear un bit, independientemente del medio en el que se almacena el bit. Todo el resto de la energía puesta por encima de ese mínimo, se convertirá en calor de inmediato. Para proteger el equipo, debe deshacerse de ese calor lo más rápido posible.

Por lo tanto, la tarjeta está diseñada para eliminar el calor lo más rápido posible. Cualquier cosa que ponga en el camino, como su dispositivo de recolección de energía propuesto, reducirá la velocidad a la que el calor sale de la tarjeta. Eso elevará la temperatura de equilibrio de la tarjeta. Y eso acortará radicalmente la vida de la tarjeta. Eso sucederá independientemente del precio de la electricidad.

no se trata del precio de la electricidad

Y esta idea de que si el precio de la electricidad fuera lo suficientemente alto, valdría la pena cosechar calor de baja calidad, simplemente es erróneo. Si la electricidad es tan valiosa, entonces vale la pena hacer que la tarjeta sea más eficiente en primer lugar, para que haya menos calor residual: primero, reduzca el consumo de energía de alto valor, antes de intentar reciclar energía de bajo valor. Y eso me lleva a ...

energía versus exergía

El calor es, en una gran proporción de casos, un producto de desecho. Casi siempre es la forma de energía menos útil. Eso es realmente lo que el límite de eficiencia de Carnot le está diciendo: que para obtener cualquier trabajo del calor de bajo grado, solo puede hacerlo con muy baja eficiencia; es decir, casi todo el calor permanecerá como calor.

Al hacer ingeniería con calor y otras formas de energía, es muy útil desarrollar una intuición para distinguir entre energía (lo que se mide en julios) y exergía (lo que hace el trabajo). La forma en que se encuentra la energía determina cuánto trabajo puede hacer. La electricidad puede hacer grandes cantidades de trabajo de manera eficiente: tiene una alta actividad. El calor de bajo grado puede hacer muy poco trabajo, tiene muy poca ejercicio.

Una vez que haya creado calor de bajo grado, ya estará al final de la línea para la exergía (energía útil). Casi todos los usos de la energía terminan en calor de bajo grado. Es la forma final de casi todas las cadenas de conversiones de energía. Y, en la escala cósmica, es (por lo que podemos decir) la forma final de cada julio, en la muerte por calor del universo.

El calor de bajo grado es el final del camino. Si desea obtener más trabajo de esos julios, haga ese trabajo antes de que esos julios estén en forma de calor de bajo grado.