การเก็บเกี่ยวพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริกจากการ์ดกราฟิกคอมพิวเตอร์

ในช่วง CES2015 ผู้ผลิตหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ที่รู้จักกันดีได้แนะนำ GPU ใหม่ GPU เหล่านี้ต้องการการจัดการระบายความร้อนที่ซับซ้อนเพื่อให้โปรเซสเซอร์เย็น ผู้ผลิตการ์ดเร่งความเร็ว GPU ส่วนใหญ่พัฒนาการ์ดเร่งความเร็วกราฟิกใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีการจัดการระบายความร้อนดั้งเดิมเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีขั้นสูงในปัจจุบัน พวกเราส่วนใหญ่รู้จักเทคโนโลยีนี้ในฐานะแฟน ๆ ที่จัดการพลังงานความร้อนที่ไม่ต้องการดังที่เห็นในภาพการ์ดเร่งความเร็วกราฟิก:

Inno3D-iChill-GeForce GTX--980-Herculez-x4_1

อุปสรรคอะไรที่วิศวกรต้องเอาชนะเพื่อแปลงพลังงานความร้อนที่สิ้นเปลืองนี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีประโยชน์

ด้านล่างนี้เป็นโปรไฟล์อุณหภูมิของการ์ด GPU

โปรไฟล์อุณหภูมิ GPU

อ้างอิง:

mechanical-engineering electrical-engineering thermodynamics

— Mahendra Gunawardena
แหล่งที่มา

การสร้างความร้อนของสิ่งเหล่านั้นค่อนข้างแปรผันได้ง่ายกว่าคือการใช้การทำความเย็นด้วยของเหลวและใช้หม้อน้ำเป็นผู้วางเท้า

— วงล้อประหลาด

ก่อนอื่นวัดอุณหภูมิของการ์ดและคำนวณขีด จำกัด ประสิทธิภาพคาร์โนต์

— 410 หายไป

@EnergyNumbers ฉันไม่ใช่ฉัน ดังนั้นฉันจึงไม่มีประสบการณ์เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ความรู้มากนัก แต่ฉันเห็นพลังงานจำนวนมากที่สามารถเก็บเกี่ยวและป้อนกลับเข้าไปในระบบได้

— Mahendra Gunawardena

วิธีการนี้ดูเหมือนว่ามีข้อบกพร่อง คุณต้องการที่จะนำพลังงานที่สูญเปล่าไปใช้เป็นความร้อนในกระบวนการเดียวและแปลงกลับเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ วิธีที่ดีกว่าคือการทำให้กระบวนการแรกมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อไม่ให้เกิดความร้อนมาก

— Chris Mueller

@MahendraGunawardena ฉันเข้าใจว่าคุณสงสัยว่าทำไมสิ่งนี้ถึงไม่สามารถทำได้ ฉันพยายามช่วยให้คุณเข้าใจ ดังนั้นวัดอุณหภูมิของการ์ด แล้วคำนวณขีด จำกัด ประสิทธิภาพคาร์โนต์ จากนั้นเพิ่มข้อมูลนั้นลงในคำถามของคุณ

— 410 ไป

คำตอบ:

มีความร้อนที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แต่คุณจะไม่ได้รับความร้อนมากนัก ในฐานะที่เป็นหนึ่งในผู้แสดงความคิดเห็นได้กล่าวถึงสูงสุดของคุณคือประสิทธิภาพคาร์โนต์

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

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

นี่คือสภาพที่สมบูรณ์แบบคุณจะไม่มีวันได้รับประสิทธิภาพนี้ แต่เพื่อค้นหาขีด จำกัด ของเราลองหากันดู จะเป็นอุณหภูมิห้องมันอาจอุ่นกว่าในหอเล็กน้อย แต่เราจะให้ประโยชน์กับตัวเองด้วยความสงสัยและเลือกหมายเลขรอบที่ 20C (293K) จะแตกต่างกันไปในขณะที่ GPU ทำงานหนักขึ้น (นี่เป็นหนึ่งในปัญหาของการออกแบบนี้โดยทั่วไปพลังที่คุณได้รับจากระบบระบายความร้อนจะไม่สอดคล้องกันเนื่องจากอุณหภูมิของ GPU แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าคุณเครียดชิปมากแค่ไหน) เราไม่ต้องการเรียกใช้มันร้อนเกินไปและสร้างความเสียหายให้กับการ์ดซึ่งเอาชนะวัตถุประสงค์ของระบบทำความเย็น $T_c$ $T_h$

หลังจากการค้นหาอย่างรวดเร็ว (Google "อุณหภูมิการทำงานของ GPU" คุณจะเห็นโพสต์ฟอรัมมากมายที่ให้ตัวเลขที่แตกต่างกันจำนวนมากซึ่งฉันคิดว่าไม่มีประสิทธิภาพพอที่จะกล่าวถึง แต่ฉันได้รวบรวมข้อมูลเพื่อทำให้ สมมติฐานของตัวเอง) ดูเหมือนว่าการ์ดส่วนใหญ่จะมีขีด จำกัด สูงสุดที่แข็งแกร่งที่ ~ 100C ก่อนที่คุณจะเริ่มทำความเสียหายร้ายแรง อย่างไรก็ตามการรันความร้อนนั้นจะลดอายุการใช้งานของการ์ดของคุณและตัดสินจากรูปภาพในคำถามนี่เป็นการ์ดที่ดีที่เราจ่ายเงินสวยและเราต้องการเก็บไว้ให้นานที่สุดเท่าที่จะทำได้ . 70C เป็นสถานที่ที่เหมาะสำหรับการถ่ายภาพ แต่ 80C (353K) ยังคงปลอดภัยอยู่และเราต้องการกรณีที่ดีที่สุด ด้วยตัวเลขเหล่านี้เราได้รับ

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

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

ซึ่งหมายความว่าอย่างสูงสุดสิ่งที่ดีที่สุดที่เราสามารถทำได้คือรับความร้อน 17% ที่เราสร้างขึ้นบนการ์ดกลับมาเป็นกระแสไฟฟ้าเพื่อส่งพลังงานบางอย่างในหอคอย เราสามารถปรับอุณหภูมิการ์ดได้และเมื่ออยู่ระหว่าง 60C ถึง 100C ประสิทธิภาพจะอยู่ระหว่าง 12% ถึง 21% ไม่ว่าเราจะไม่ได้รับกลับมาก

นั่นคือประสิทธิภาพสูงสุดแม้ว่า เว็บไซต์นี้ซึ่งขายเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความร้อนบอกว่าด้านบนของ TEGs จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ 8% แม้ว่าสิ่งนี้จะดีกว่าสิ่งที่เราเคยทำมาก่อน แต่ปัญหาที่แท้จริงที่นี่คือค่าใช้จ่ายและการดำเนินการ TEG ไม่ถูกและพัดลมระบายความร้อน ระบบทำความเย็นพื้นฐานนั้นง่ายต่อการติดตั้ง แม้ว่าเราสามารถต่อ TEG เพื่อทำให้การ์ดเย็นลงเราต้องหาบางสิ่งที่เราสามารถทำได้ด้วยไฟฟ้านั้นและเราไม่ต้องการให้พลังงานตัวแปรสำหรับส่วนประกอบที่สำคัญ ไฟเสาและแฟนเสริมอาจเป็นขอบเขตของการใช้งานของเรา

เพื่อที่จะตอบคำถามที่แท้จริงของคุณในนั้นฉันแน่ใจว่าเราสามารถหาวิธีที่สร้างสรรค์เพื่อให้ความร้อนนั้นถูกแปลงเป็นงานไฟฟ้าหรือเครื่องกล การทำให้ "มีประโยชน์" เป็นเรื่องราวที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง

— เทรเวอร์อาร์ชิบัลด์
แหล่งที่มา

กรณีศึกษาอย่างสนุกสนานความเอื้อเฟื้อของศาสตราจารย์ Klaus Lackner: รูปภาพพีซีในสถานีอวกาศนานาชาติใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เสริมด้วยเครื่องมือความร้อน Carnot ที่ติดอยู่กับชุดระบายความร้อนของพีซีที่อ่างเก็บความเย็นเป็นพื้นที่ จากนั้นคำนวณแหล่งจ่ายไฟสุทธิที่ต้องการ ...

— 410 ไป

คำตอบที่ดี (+1) ปัญหาอีกข้อคือการใส่ TEC ในเส้นทางความร้อนคุณจะทำให้การนำความร้อนสูงขึ้นซึ่งหมายความว่างานหลักของการทำความเย็นนั้นยากกว่า เรียงลำดับคล้ายกับการติดกังหันลมที่ด้านบนของรถของคุณเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจากการเคลื่อนไหวของรถ

— George Herold

@ เทรเวอร์อาร์ชิบัลด์: ขอบคุณสำหรับคำอธิบายทางเทคนิค สิ่งที่ฉันกำลังอ่านคือการเก็บเกี่ยวพลังงานเป็นไปได้ แต่ขึ้นอยู่กับเศรษฐศาสตร์ในปัจจุบันมันไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงจากมุมมองของจอภาพ คล้ายกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์และโตโยต้าพรีอุส ให้สิทธิประโยชน์ทางภาษีสำหรับยอดขายแผงโซล่าร์เซลล์และ Toyota Prius เพิ่มขึ้น จากมุมมองทางวิศวกรรมไฟฟ้าหากสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้ 17% พลังงานนี้สามารถเก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำพลังงานเช่นตัวเก็บประจุอาหารเย็นแล้วนำกลับมาใช้ใหม่ในระบบเป็นระยะโดยใช้กลไกสวิตช์พลังงานบางชนิด

— Mahendra Gunawardena

เทรเวอร์อาร์ชิบัลด์ได้ให้คำตอบที่ดีแก่คุณ แต่ฉันเห็นความคิดเห็นของคุณว่าคำตอบที่แตกต่างกันอาจมีประโยชน์ในขณะที่คุณยังคิดว่านี่อาจเป็นไปได้กับเศรษฐศาสตร์ที่เหมาะสม

มันจะไม่เป็นเช่นนั้น ปัญหาคือวิศวกรรมไม่ใช่เศรษฐศาสตร์ มันเป็นความคิดที่ไม่ดีจากมุมมองทางเศรษฐกิจอย่างแน่นอน แต่การเปลี่ยนแปลงราคาจะไม่ทำให้เป็นความคิดที่ดี มันคงเป็นความคิดที่ไม่ดี ให้ฉันอธิบาย

ความร้อนเกรดต่ำ

ความร้อนเกรดต่ำคือความร้อนที่เคลวิน 2-3 เคลวินหรือสูงกว่าอุณหภูมิห้องเล็กน้อย

การกำจัดความร้อนอย่างรวดเร็วเป็นชื่อของเกม

George Herold ชี้ให้คุณเห็นถึงเหตุผลข้อหนึ่งว่าทำไมการเก็บเกี่ยวพลังงานบนการ์ดจะเป็นความคิดที่ไม่ดี: การนำความร้อนของการ์ดนั้นถูกออกแบบมาให้สูง

การกำจัดความร้อนอย่างรวดเร็วเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์ไอทีซึ่งประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของอุปกรณ์นั้นแย่มาก ๆ และนั่นหมายความว่าไฟฟ้าที่คุณใส่เข้าไปเกือบทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน มีพลังงานขั้นต่ำตามทฤษฎีที่ต้องใช้ในการพลิกบิตโดยไม่คำนึงถึงสื่อที่เก็บบิตไว้ พลังงานที่เหลือทั้งหมดอยู่ในระดับต่ำสุดนั้นจะเปลี่ยนเป็นความร้อนทันที เพื่อปกป้องอุปกรณ์คุณต้องกำจัดความร้อนนั้นให้เร็วที่สุด

ดังนั้นการ์ดถูกออกแบบมาเพื่อกำจัดความร้อนโดยเร็วที่สุด อะไรก็ตามที่คุณใส่ลงไปเช่นอุปกรณ์เก็บพลังงานที่คุณเสนอจะทำให้อัตราการความร้อนออกจากการ์ดช้าลง นั่นจะเพิ่มอุณหภูมิความสมดุลของการ์ด และนั่นจะทำให้อายุการใช้งานของการ์ดสั้นลงอย่างมาก ที่จะเกิดขึ้นโดยไม่คำนึงถึงราคาไฟฟ้า

มันไม่เกี่ยวกับราคาไฟฟ้า

และความคิดนี้ว่าถ้าราคาไฟฟ้าสูงพอมันจะทำให้การเก็บเกี่ยวความร้อนเกรดต่ำคุ้มค่าเป็นเรื่องที่ผิด หากกระแสไฟฟ้ามีค่ามากแสดงว่าคุ้มค่าที่จะทำให้การ์ดมีประสิทธิภาพมากขึ้นในตอนแรกดังนั้นจึงมีความร้อนเหลือทิ้งน้อยลง: ขั้นแรกให้ลดการใช้พลังงานที่มีมูลค่าสูงก่อนที่จะพยายามรีไซเคิลพลังงานที่มีมูลค่าต่ำ และนั่นทำให้ฉันไปที่ ...

พลังงานกับ exergy

ความร้อนในกรณีส่วนใหญ่เป็นของเสีย มันเป็นพลังงานรูปแบบที่มีประโยชน์น้อยที่สุด นั่นคือสิ่งที่ขีด จำกัด ประสิทธิภาพของ Carnot กำลังบอกคุณ: เพื่อให้ได้ผลงานใด ๆ จากความร้อนระดับต่ำคุณสามารถทำได้ด้วยประสิทธิภาพที่ต่ำมากเท่านั้น นั่นคือความร้อนเกือบทั้งหมดจะอยู่ในระดับความร้อน

เมื่อทำวิศวกรรมที่มีความร้อนและรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานก็มีประโยชน์มากที่จะสร้างขึ้นสัญชาตญาณที่จะแยกแยะระหว่างพลังงาน (สิ่งที่วัดได้ในจูลส์) และเอ็กเซอร์ยี (สิ่งที่ได้รับงานทำ) รูปแบบที่พลังงานอยู่นั้นกำหนดว่าจะทำงานได้มากแค่ไหน ไฟฟ้าสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจำนวนมาก - มันมีพลังงานสูงมาก ความร้อนระดับต่ำสามารถทำงานได้น้อยมาก - มันมี exergy ต่ำมาก

เมื่อคุณสร้างความร้อนระดับต่ำแล้วคุณจะอยู่ที่จุดสิ้นสุดของบรรทัดสำหรับ exergy (พลังงานที่มีประโยชน์) การใช้พลังงานเกือบทั้งหมดสิ้นสุดลงที่ความร้อนระดับต่ำ มันเป็นรูปแบบสุดท้ายสำหรับการแปลงพลังงานทุก ๆ โซ่ และในระดับจักรวาลมันเป็น (เท่าที่เราสามารถบอกได้) รูปแบบสุดท้ายของจูลทุกดวงในการตายอันร้อนแรงของจักรวาล

ความร้อนคุณภาพต่ำคือจุดสิ้นสุดของถนน หากคุณต้องการผลงานของจูลเหล่านั้นมากขึ้นให้ทำงานให้สำเร็จก่อนจูลเหล่านั้นจะอยู่ในรูปของความร้อนเกรดต่ำ

— 410 ไปแล้ว
แหล่งที่มา

อย่างแน่นอน ความร้อนระดับต่ำมีการใช้งานค่อนข้างมากและเป็นสิ่งที่ให้ความร้อนตราบใดที่สิ่งที่คุณต้องการให้ความร้อนคือที่ที่ความร้อนเกรดต่ำนั้นมีอยู่แล้วหรือสามารถเข้าถึงได้ด้วยพัดลมและท่อสั้น

— เทรเวอร์อาร์ชิบัลด์