コンピュータグラフィックスカードから熱電エネルギーを収穫する

CES2015の間、有名なグラフィックプロセッサユニット（GPU）メーカーが新しいGPUを発表しました。これらのGPUは、プロセッサを冷却するために複雑な熱管理を必要とします。ほとんどのGPUアクセラレータカードメーカーは、今日の高度なテクノロジと比較して、基本的な熱管理テクノロジを使用する新しいグラフィックアクセラレータカードを開発しています。グラフィックスアクセラレータカードの次の画像に見られるように、私たちのほとんどは、この不要な熱エネルギーを管理するファンとしてこのテクノロジーを知っています。

この無駄な熱エネルギーを有用な電気エネルギーに変換するためにエンジニアはどのような障壁を克服する必要がありますか？

以下は、GPUカードの温度プロファイルです。

参照：

• 排気ガスで動く熱電発電機
• 小型熱電発電機
• 熱電技術の概要
• カスタムの自動ファン速度設定でビデオカードの寿命を延ばす

奪うことができる熱がありますが、それの多くを逃すことはできません。コメント投稿者の一人が述べたように、あなたの絶対最大はカルノー効率です。

これは理想的な状態であり、この効率に達することは決してありません。しかし、私たちの限界を見つけるために、とにかくそれを理解しましょう。は室温であり、塔の内部は少し暖かいかもしれませんが、20C（293K）で疑いの余地を与え、適切な数値を選びます。は、GPUのがなるにつれて変化します（これは、一般にこの設計の問題の1つです。GPUの温度は、チップに負荷をかけている量によって変化するため、冷却システムから得られる電力は一定ではありません。）高温にしてカードを損傷したくないので、冷却システムの目的に反します。$T_c$$T_h$

いくつかのクイック検索（Googleの「GPU動作温度」）を実行すると、さまざまな数値を提供する多数のフォーラム投稿が表示されます。どれも引用するのに十分なほど強力ではないと思いますが、データをプールして、独自の仮定）深刻なダメージを与える前に、ほとんどのカードには100C程度の強い上限があるようです。ただし、そのように熱くしてもカードの寿命は短くなり、問題の画像から判断すると、これはかなりの金額を支払った素晴らしいカードであり、できる限りそれを維持したいと考えています。 。70Cは撮影に適した場所ですが、80C（353K）はおそらくかなり安全であり、可能な限り最善のケースが必要です。これらの数字で、

つまり、カードで発生する熱の17％をタワーの何かに電力を供給するための電力として戻すことが、最大で私たちにできる最善の方法です。カードの温度を変えることができ、60Cから100Cの間になるため、効率は12％から21％の間になります。とにかく、私たちは多くを取り戻していません。

それが最大の効率です。熱電発電機を販売しているこのサイトは、TEGの最上位が8％の効率で稼働すると述べています。これは私たちが以前に得てきたものよりも優れていますが、ここでの本当の問題はコストと実装です。TEGは安価ではなく、冷却ファンは安価です。基本的な冷却システムも設置がはるかに簡単です。TEGを接続してカードを冷却することができたとしても、その電力で何ができるかを見つける必要があり、重要なコンポーネントに可変電力を使用したくありません。タワーライトと追加のファンがおそらく私たちの使用範囲です。

そこであなたの実際の質問に答えるために、熱を電気的または機械的な仕事に変換するためのあらゆる種類の創造的な方法を見つけることができると私は確信しています。「有用」にするのはまったく別の話です。

Trevor Archibaldがあなたに本当に良い答えを与えてくれましたが、あなたのコメントから、正しい経済学でこれが実行可能であるとまだ考えているので、異なる答えが役に立つかもしれません。

そうではありません。問題は経済ではなく工学です。確かに、それは経済的な観点からは悪い考えです。しかし、価格を変更してもそれは良い考えにはなりません。それはまだ悪い考えです。説明させてください。

微熱

低品位熱とは、室温より数ケルビンまたは数十ケルビン高い熱です。

熱を素早く取り除くことがゲームの名前です

George Heroldはコメントで、カードのエネルギーハーベスティングが悪い考えである理由の1つを指摘しています。カードの熱伝導率は高く設計されています。

熱をすばやく取り除くことは、IT機器では特に重要です。IT機器では、機器の電気効率が本当に驚異的に非常に低いためです。つまり、投入した電気のほとんどすべてが直接熱に変換されます。ビットが格納されているメディアに関係なく、ビットを反転するために必要な理論上の最小量のエネルギーがあります。その最小値を超えて投入された残りのエネルギーはすべて、すぐに熱に変わります。機器を保護するためには、その熱をできるだけ早く取り除く必要があります。

したがって、カードはできるだけ早く熱を取り除くように設計されています。提案されているエナジーハーベスティングデバイスなど、邪魔なものを置くと、熱がカードから出る速度が遅くなります。これにより、カードの平衡温度が上昇します。そして、それはカードの寿命を根本的に短くするでしょう。それは電気代に関係なく起こります。

電気代ではありません

そして、電気の価格が十分高ければ、低品位の熱を回収する価値があるというこの考えは単に間違っています。電気がそれだけ価値がある場合は、そもそもカードをより効率的にして無駄な熱を減らす価値があります。まず、高価値のエネルギーの消費を減らしてから、低価値のエネルギーをリサイクルしようとします。そして、それは私に...をもたらします

エネルギー対エクセルギー

熱は、多くの場合、廃棄物です。ほとんどの場合、これは最も有用なエネルギー形態ではありません。これが、Carnotの効率制限が実際に伝えていることです。低グレードの熱から作業を行うには、非常に低い効率でしか実行できません。つまり、ほとんどすべての熱が熱として残ります。

熱やその他の形態のエネルギーでエンジニアリングを行う場合、エネルギー（ジュールで測定されるもの）とエクセルギー（仕事を行うもの）を区別する直感を構築することは非常に役立ちます。エネルギーの形は、それが実行できる仕事量を決定します。電気は大量の仕事を効率的に行うことができます-それは非常に高いエクセルギーを持っています。低品位の熱はほとんど仕事をすることができません-それは非常に低いエクセルギーを持っています。

低品位の熱を作成したら、エクセルギー（有用なエネルギー）のラインの終わりにいます。エネルギーのほとんどすべての使用は、低品位の熱で終わります。これは、エネルギー変換のほぼすべてのチェーンの最終的な形式です。そして、宇宙のスケールでは、それは（私たちが知る限り）宇宙の熱死におけるすべてのジュールの最終的な形です。

低品位の熱は道の終わりです。これらのジュールからより多くの作業が必要な場合は、それらのジュールが低品位熱の形になる前に、その作業を完了させてください。