Récupérer l'énergie thermoélectrique des cartes graphiques informatiques

Au cours du CES2015, un fabricant bien connu de processeurs graphiques (GPU) a présenté un nouveau GPU. Ces GPU nécessitent une gestion thermique complexe pour maintenir le processeur au frais. La plupart des fabricants de cartes accélératrices GPU développent de nouvelles cartes accélératrices graphiques qui utilisent la technologie de gestion thermique primitive par rapport aux technologies avancées d'aujourd'hui. La plupart d'entre nous connaissent cette technologie en tant que fans qui gèrent cette énergie thermique indésirable, comme le montre cette image d'une carte accélératrice graphique:

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

Quels obstacles les ingénieurs doivent-ils surmonter pour convertir cette énergie thermique inutile en énergie électrique utile?

Voici un profil de température d'une carte GPU.

Profil de température du GPU

Références:

mechanical-engineering electrical-engineering thermodynamics

— Mahendra Gunawardena
source

La génération de chaleur de ceux-ci est plutôt variable, plus facile serait d'utiliser un refroidissement liquide et d'utiliser le radiateur comme chauffe-pieds.

— monstre à cliquet

Tout d'abord, mesurez la température de la carte et calculez la limite d'efficacité Carnot.

— 410 disparu le

@EnergyNumbers, je ne suis pas ME. Je n'ai donc pas beaucoup d'expérience en thermodynamique des connaissances. Mais je vois beaucoup d'énergie qui peut être récoltée et réinjectée dans le système

— Mahendra Gunawardena

Cette approche semble défectueuse. Vous voulez prendre l'énergie gaspillée sous forme de chaleur en un seul processus et la reconvertir en énergie utile. Une meilleure approche consiste à rendre le premier processus plus efficace afin de ne pas générer autant de chaleur.

— Chris Mueller

@MahendraGunawardena Je comprends que vous vous demandez pourquoi cela ne peut pas être fait. J'essaie de vous aider à comprendre. Mesurez donc la température de la carte. Et puis calculez la limite d'efficacité Carnot. Et puis ajoutez ces informations dans votre question.

— 410 disparu le

Réponses:

Il y a de la chaleur qui peut être récupérée, mais vous n'en retirerez pas beaucoup. Comme l'a mentionné l'un des commentateurs, votre maximum absolu est l'efficacité Carnot.

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

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

C'est une condition idéalisée, vous n'atteindrez jamais cette efficacité. Mais pour trouver notre limite, découvrons-le quand même. sera juste la température ambiante, il pourrait être légèrement plus chaud à l'intérieur de la tour, mais nous nous donnerons le bénéfice du doute et choisirons un joli chiffre rond à 20C (293K). variera à mesure que le GPU travaille plus dur (c'est l'un des problèmes avec cette conception en général; la puissance que vous obtenez du système de refroidissement ne sera pas cohérente car la température du GPU varie en fonction de la sur la puce.) Nous ne voulons pas l'exécuter trop chaud et endommager la carte, ce qui va à l'encontre de l'objectif d'un système de refroidissement. $T_c$ $T_h$

Après quelques recherches rapides (Google "Températures de fonctionnement du GPU", vous verrez un tas de messages sur le forum qui donnent beaucoup de chiffres différents, dont aucun je pense ne sont assez forts pour citer, mais je rassemble leurs données pour faire mon propre hypothèse), il semble que la plupart des cartes ont une limite supérieure forte de ~ 100 ° C avant de commencer à faire de gros dégâts. Cependant, le fait de chauffer à chaud réduira toujours la durée de vie de votre carte, et à en juger par l'image de la question, c'est une belle carte pour laquelle nous avons payé un joli sou, et nous voulons la garder aussi longtemps que possible . 70C est un bon endroit pour tirer, mais 80C (353K) est toujours probablement assez sûr, et nous voulons notre meilleur cas possible. Avec ces chiffres, nous obtenons

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

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

Cela signifie que, au maximum, le mieux que nous puissions faire est d'obtenir 17% de la chaleur que nous générons sur la carte sous forme d'électricité pour alimenter quelque chose dans la tour. On peut faire varier la température de la carte, et comme elle va entre 60C et 100C, l'efficacité va entre 12% et 21%. Quoi qu'il en soit, nous ne récupérons pas beaucoup.

C'est pourtant l'efficacité maximale. Ce site , qui vend des générateurs thermoélectriques, indique que les TEG haut de gamme fonctionneront à 8% d'efficacité. Bien que ce soit mieux que le rien que nous aurions obtenu auparavant, le vrai problème ici est le coût et la mise en œuvre. Les TEG ne sont pas bon marché, et les ventilateurs de refroidissement le sont. Un système de refroidissement de base est également beaucoup plus facile à installer. Même si nous pouvons brancher un TEG pour refroidir la carte, nous devons trouver quelque chose que nous pouvons faire avec cette électricité, et nous ne voulons pas que la puissance variable soit utilisée pour des composants critiques. Les lampes de tour et les ventilateurs supplémentaires sont probablement l'étendue de notre utilisation.

Donc, pour répondre à votre question, je suis sûr que nous pouvons trouver toutes sortes de façons créatives de convertir cette chaleur en travaux électriques ou mécaniques. Le rendre «utile» est une toute autre histoire.

— Trevor Archibald
source

Étude de cas amusante, gracieuseté du professeur Klaus Lackner: imaginez un PC dans la Station spatiale internationale, alimenté par une batterie complétée par un moteur thermique Carnot fixé aux dissipateurs de chaleur du PC, où le réservoir froid est de l'espace. Et puis calculez l'alimentation nette requise ...

— 410 disparu le

Bonne réponse (+1), l'autre problème est qu'en mettant un TEC dans le chemin de chaleur, vous augmenterez la conductivité thermique, ce qui signifie que le travail principal de refroidissement est plus difficile. Un peu comme coller un moulin à vent sur le dessus de votre voiture pour générer de l'électricité à partir du mouvement de la voiture.

— George Herold

@Trevor Archibald: Merci pour l'explication technique. Ce que je lis, c'est que la récupération d'énergie est possible, mais sur la base de l'économie actuelle, ce n'est pas pratique du point de vue d'un moniteur. Similaire aux panneaux solaires et Toyota prius. Donnez un incitatif aux ventes de panneaux solaires et Toyota prius augmente. Du point de vue de l'ingénierie électrique, si 17% d'énergie peut être récoltée, cette énergie peut être stockée dans un réservoir d'énergie tel qu'un condensateur de souper, puis réutilisée par étapes dans le système à l'aide d'un certain type de mécanisme de commutation d'alimentation.

— Mahendra Gunawardena

Trevor Archibald vous a donné une très bonne réponse, mais je vois dans vos commentaires qu'une réponse différente pourrait être utile, car vous pensez toujours que cela pourrait être viable avec la bonne économie.

Ce ne serait pas. Le problème est l'ingénierie, pas l'économie. C'est une mauvaise idée du point de vue économique, certainement; mais changer les prix n'en fera pas une bonne idée. Ce serait quand même une mauvaise idée. Laisse-moi expliquer.

chaleur à faible teneur

La chaleur de faible qualité est une chaleur qui est de quelques Kelvin ou dizaines de Kelvin au-dessus de la température ambiante.

se débarrasser rapidement de la chaleur est le nom du jeu

George Herold vous indique dans un commentaire une raison pour laquelle la récupération d'énergie sur la carte serait une mauvaise idée: la conductivité thermique de la carte est conçue pour être élevée.

Il est particulièrement important de se débarrasser rapidement de la chaleur dans les équipements informatiques, où l'efficacité électrique des équipements est vraiment très faible. Et cela signifie que de l'électricité que vous mettez, la quasi-totalité va être transformée directement en chaleur. Il y a une quantité minimale d'énergie théorique nécessaire pour retourner un bit, quel que soit le support sur lequel le bit est stocké. Tout le reste de l'énergie mise au-dessus de ce minimum, va immédiatement se transformer en chaleur. Afin de protéger l'équipement, vous devez vous débarrasser de cette chaleur le plus rapidement possible.

La carte est donc conçue pour éliminer la chaleur le plus rapidement possible. Tout ce que vous mettez sur le chemin, comme votre appareil de récupération d'énergie proposé, ralentira la vitesse à laquelle la chaleur quitte la carte. Cela augmentera la température d'équilibre de la carte. Et cela raccourcira radicalement la durée de vie de la carte. Cela se produira quel que soit le prix de l'électricité.

ce n'est pas le prix de l'électricité

Et cette idée que si le prix de l'électricité était suffisamment élevé, il serait intéressant de récolter de la chaleur de faible qualité, est tout simplement fausse. Si l'électricité est si précieuse, cela vaut la peine de rendre la carte plus efficace en premier lieu, afin qu'il y ait moins de chaleur perdue: tout d'abord, réduisez la consommation d'énergie de haute valeur, avant d'essayer de recycler l'énergie de faible valeur. Et cela m'amène à ...

énergie contre exergie

La chaleur est, dans une grande partie des cas, un déchet. C'est presque toujours la forme d'énergie la moins utile. C'est vraiment ce que la limite d'efficacité Carnot vous dit: que pour obtenir un travail à partir d'une chaleur de faible qualité, vous ne pouvez le faire qu'avec une efficacité très faible; c'est-à-dire que presque toute la chaleur restera sous forme de chaleur.

Lors de l'ingénierie avec la chaleur et d'autres formes d'énergie, il est très utile de développer une intuition pour distinguer l' énergie (la chose mesurée en joules) et l' exergie (la chose qui fait travailler). La forme dans laquelle l'énergie se trouve détermine la quantité de travail qu'elle peut faire. L'électricité peut faire d'énormes quantités de travail efficacement - elle a une très grande exergie. La chaleur de faible qualité peut faire très peu de travail - elle a une très faible exergie.

Une fois que vous avez créé de la chaleur de bas niveau, vous êtes déjà au bout de la ligne pour l'exergie (énergie utile). Presque toutes les utilisations de l'énergie se retrouvent à une chaleur de faible qualité. C'est la forme finale pour à peu près toutes les chaînes de conversions d'énergie. Et, à l'échelle cosmique, il est (aussi loin que nous pouvons dire) la forme finale pour chaque joule, la mort thermique de l'univers.

La chaleur à basse température est la fin de la route. Si vous voulez plus de travail sur ces joules, faites-le avant que ces joules ne soient sous forme de chaleur à faible teneur.

— 410 partis
source

Absolument. La chaleur de faible qualité a à peu près une utilité, et c'est de chauffer quelque chose, tant que ce que vous voulez chauffer est exactement là où se trouve déjà la chaleur de basse qualité, ou peut être atteint avec un ventilateur très simple et un conduit court.

— Trevor Archibald