שְׁאֵלָה:
קצירת אנרגיה תרמואלקטרית מכרטיסי גרפיקה ממוחשבים
Mahendra Gunawardena
2015-01-30 17:47:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

במהלך CES2015 יצרן יחידת מעבדים גרפיים (GPU) ידוע שהציג GPU חדש. GPUs אלה זקוקים לניהול תרמי מורכב בכדי לשמור על קור רוח של המעבד. רוב יצרני כרטיסי ההאצה של GPU מפתחים כרטיסי תאוצה גרפיים חדשים המשתמשים בטכנולוגיית ניהול תרמי פרימיטיבי בהשוואה לטכנולוגיות המתקדמות של ימינו. רובנו מכירים את הטכנולוגיה הזו כמאווררים המנהלים את האנרגיה התרמית הלא רצויה הזו, כפי שנראה בתמונה זו של כרטיס מאיץ גרפי:

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

אילו חסמים עושים מהנדסים צריך להתגבר כדי להמיר אנרגיה תרמית בזבזנית זו לאנרגיה חשמלית שימושית?

להלן פרופיל טמפרטורה של כרטיס GPU.

GPU Temperature Profile


הפניות:

ייצור החום של אלה הוא די משתנה, קל יותר יהיה להשתמש בקירור נוזלי ולהשתמש ברדיאטור כחומר רגליים.
ראשית, יש למדוד את טמפרטורת הכרטיס ולחשב את מגבלת היעילות של קרנו.
@EnergyNumbers, אני לא ME. לפיכך אין לי ניסיון רב בתרמודינמיקה של ידע. אבל אני רואה הרבה אנרגיה שניתן לקצור ולהזין אותה למערכת
גישה זו נראית לקויה. אתה רוצה לקחת אנרגיה שמתבזבזת כחום בתהליך אחד ולהמיר אותה בחזרה לאנרגיה שימושית. גישה טובה יותר היא להפוך את התהליך הראשון ליעיל יותר כדי לא לייצר כל כך הרבה חום.
@EnergyNumbers. אני לא ME, אבל אני רואה הרבה אנרגיית חום שניתן להמיר לחשמל ולהזין אותה חזרה למערכת. כשמסתכלים על הדוגמאות והצמיחה בטכנולוגיה תרמו-אלקטרית, אני תוהה מדוע לא ניתן לעשות זאת
@MahendraGunawardena אני מבין שאתה תוהה מדוע לא ניתן לעשות זאת. אני מנסה לעזור לך להבין. אז מדדו את טמפרטורת הכרטיס. ואז חישבו את מגבלת היעילות של קרנו. ואז הוסף את המידע לשאלתך.
@EnergyNumbers: תודה על המשוב שלך. בהתבסס על דוגמה של טרבור ארצ'יבלד, 17% מהאנרגיה יכולה לקצור בחזרה. אם נחזיר את האנרגיה לאנרגיה חשמלית ואחסנו את האנרגיה במאגר אנרגיה כמו קבלים-על. מקור ההחלפה האלקטרוני לקבל העל עושה שימוש חוזר באנרגיה המאוחסנת וחוזר למקור החשמל הראשי. אני מבין שכלכלית זה עשוי להיות מעשי כרגע. כאשר מחיר הנפט הגולמי לחבית הוא 120 דולר אז טויוטה פריוס היא אפשרות אטרקטיבית. כאשר מחיר הנפט הגולמי הוא דולר 25 חבית טויוטה פריוס כבר לא אטרקטיבי
@ChrisMueller, אני מסכים איתך לחלוטין שהכרטיס צריך להיות יעיל. אם המעבד נשעון בתדר נמוך יותר, המערכת תייצר פחות חום, אך ל- GPU יהיה תפוקה נמוכה. הצרכנים דורשים תפוקה גבוהה יותר ולכן המעבד נשען בתדר גבוה יותר. מנקודת מבט של ביקוש צרכני GPU הצרכן ימשיך לדרוש יותר, ולכן יהיה צורך גדול יותר בניהול תרמי.
אני חושב ששאלה זו רחבה מדי. יש זיליונים של דרכים אפשריות וחלקן אולי לא מביאות משהו ואחרות לא כלום. אבל שום תשובה לא תציין את כולם. אז איך מצביעים עליהם? ומה פירוש ההצבעה. אני מניח שהחלפות סטאקס אינן מתאימות היטב לנושאים כללים (אך מעניינים מאוד).
שתיים תשובות:
Trevor Archibald
2015-01-30 21:03:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

יש חום שאפשר לכבוש מחדש, אבל לא תקבל הרבה ממנו. כפי שציין אחד המגיבים, המקסימום המוחלט שלך הוא יעילות קרנו.

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

זהו מצב אידיאלי, לעולם לא תגיע ליעילות זו. אבל כדי למצוא את הגבול שלנו, בואו נבין את זה בכל מקרה. $ T_c $ תהיה רק ​​טמפרטורת החדר, אולי יהיה קצת יותר חם בתוך המגדל, אבל אנחנו נעניק לעצמנו את היתרון של הספק ונבחר מספר עגול יפה ב -20 C (293K). $ T_h $ ישתנה מכיוון שה- GPU עובד קשה יותר (זו אחת הבעיות בעיצוב זה באופן כללי; הכוח שתקבל ממערכת הקירור לא יהיה עקבי מכיוון שטמפרטורת ה- GPU משתנה בהתאם למידת הלחץ על השבב. .) אנחנו לא רוצים להפעיל אותו יותר מדי חם ולפגוע בכרטיס, שמביס את המטרה של מערכת קירור.

לאחר חיפוש מהיר ("טמפרטורות ההפעלה של GPU" בגוגל, תראה חבורה של פוסטים בפורום שנותנים הרבה מספרים שונים, שאף אחד מהם אני חושב שהוא לא מספיק חזק לצטט, אבל אני ' אם אני מאגד את הנתונים שלהם כדי להניח את ההנחה שלי) נראה שלרוב הכרטיסים יש גבול עליון חזק של ~ 100C לפני שתתחיל לעשות נזק רציני. עם זאת, הפעלת החם הזה עדיין תפחית את חיי הכרטיס שלך, ואם לשפוט לפי התמונה בשאלה, זהו כרטיס נחמד ששילמנו עליו אגורה יפה, ואנחנו רוצים לשמור עליו כל עוד אנו יכולים . 70C הוא מקום טוב לירות, אבל 80C (353K) עדיין די בטוח, ואנחנו רוצים את המקרה הטוב ביותר שלנו. עם המספרים האלה, אנו מקבלים

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

משמעות הדבר היא, במקסימום , הכי טוב שאנחנו יכולים לעשות הוא להחזיר 17% מהחום שאנחנו מייצרים על הכרטיס כחשמל כדי להניע משהו במגדל. אנו יכולים לשנות את טמפרטורת הכרטיס, וככל שהיא עוברת בין 60C ל 100C, יעילותה נע בין 12% ל -21%. בלי קשר, אנחנו לא מקבלים הרבה בחזרה.

זו אמנם היעילות המקסימלית. אתר זה, שמוכר גנרטורים תרמו-חשמליים, אומר כי החלק העליון של קו ה- TEG יפעל ביעילות של 8%. אמנם זה טוב יותר מהשום דבר שקיבלנו קודם, אבל הבעיה האמיתית כאן היא עלות ויישום. TEGs אינם זולים, ומאווררי קירור הם. מערכת קירור בסיסית היא גם הרבה יותר קלה להתקנה. גם אם אנו יכולים לחבר TEG כדי לקרר את הכרטיס, עלינו למצוא משהו שאנחנו יכולים לעשות עם החשמל הזה, ואנחנו לא רוצים שהכוח המשתנה ישמש לרכיבים קריטיים. אורות מגדל ומאווררים נוספים הם ככל הנראה היקף השימוש שלנו.

אז כדי לענות על שאלתך בפועל שם, אני בטוח שנוכל למצוא כל מיני דרכים יצירתיות להפוך את החום הזה למרה לעבודה חשמלית או מכנית. להפוך את זה ל"שימושי "זה סיפור אחר לגמרי.

תיאור מקרה מהנה, באדיבות פרופסור קלאוס לקנר: דמיין מחשב בתחנת החלל הבינלאומית, המופעל באמצעות סוללה בתוספת מנוע חום קרנו המחובר לגופי הקירור של המחשב האישי, שם מאגר הקור הוא מקום. ואז חשב את אספקת החשמל נטו הנדרשת ...
תשובה נחמדה (+1), הבעיה האחרת היא שעל ידי הצבת TEC בנתיב החום תגביר את המוליכות התרמית גבוהה יותר, כלומר העבודה העיקרית של קירור קשה יותר. בערך דומה להדבקת טחנת רוח על גבי מכוניתך כדי לייצר חשמל מתנועת המכונית.
@Trevor Archibald: תודה על ההסבר הטכני. מה שקראתי הוא קצירת אנרגיה אפשרית, אך על סמך הכלכלה הנוכחית היא אינה מעשית מבחינה צגית. בדומה לקולטי השמש, וטויוטה פריוס. תן מכירות תמריץ מס של פאנלים סולאריים וטויוטה פריוס עולה. מנקודת מבט של הנדסת חשמל, אם ניתן לקצור אנרגיה של 17%, ניתן לאחסן את האנרגיה במאגר אנרגיה כגון קבלים לארוחת ערב ואז לעשות בה שימוש חוזר במערכת בשלבים באמצעות מנגנון מתג הפעלה כלשהו.
410 gone
2015-01-31 08:45:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

טרבור ארצ'יבלד נתן לך תשובה ממש טובה, אבל אני רואה מהתגובות שלך תשובה שונה עשויה להיות שימושית, מכיוון שאתה עדיין חושב שזה יכול להיות משתלם עם כלכלה נכונה.

זה לא היה לִהיוֹת. הנושא הוא הנדסה, לא כלכלה. זה רעיון רע מבחינה כלכלית, בוודאי; אך שינוי מחירים לא יהפוך את זה לרעיון טוב. זה עדיין יהיה רעיון רע. תן לי להסביר.

חום בדרגה נמוכה

חום בדרגה נמוכה הוא חום שנמצא כמה קלווין או עשרות קלווין מעל טמפרטורת החדר.

להיפטר החום במהירות הוא שם המשחק

ג'ורג 'הרולד מציין אותך בתגובה לסיבה אחת מדוע קצירת אנרגיה בכרטיס תהיה רעיון רע: המוליכות התרמית של הכרטיס מתוכננת להיות גבוה.

היפטרות מהחום במהירות חשובה במיוחד בציוד IT, שם היעילות החשמלית של הציוד באמת ממש גרועה להפליא. וזה אומר שמחשמל שאתה מכניס, כמעט כל זה יהפוך ישר לחום. ישנה כמות מינימלית תיאורטית של אנרגיה הדרושה כדי להעיף מעט, ללא קשר למדיום עליו מאוחסן הסיבית. כל שאר האנרגיה המושקעת מעל המינימום ההוא, תהפוך לחום מיד. על מנת להגן על הציוד, עליך להיפטר מהחום הזה כמה שיותר מהר.

אז הכרטיס נועד להיפטר מהחום כמה שיותר מהר. כל מה שתשים בדרך, כגון מכשיר קצירת האנרגיה המוצע שלך, יאט את הקצב בו החום עוזב את הכרטיס. זה יעלה את טמפרטורת שיווי המשקל של הכרטיס. וזה יקצר באופן קיצוני את חיי הכרטיס. זה יקרה בלי קשר למחיר החשמל.

זה לא קשור למחיר החשמל

והרעיון הזה שאם מחיר החשמל היה גבוה מספיק, זה יהפוך את קצירת חום בדרגה נמוכה לכדאית, פשוט שגוי. אם חשמל כל כך יקר, כדאי מלכתחילה להפוך את הכרטיס ליעיל יותר, כך שהיה פחות בזבוז חום: ראשית, הפחיתו את צריכת האנרגיה בעלת הערך הגבוה, לפני שתנסו למחזר אנרגיה בעלת ערך נמוך. וזה מביא אותי ל ...

אנרגיה לעומת אנרגיה

חום הוא, בחלק גדול מהמקרים, מוצר פסולת. זה כמעט תמיד צורת האנרגיה הכי פחות שימושית. זה באמת מה שמגבלת היעילות של קרנו אומרת לך: שכדי להוציא כל עבודה מחום בדרגה נמוכה, אתה יכול לעשות זאת רק ביעילות נמוכה מאוד; כלומר, כמעט כל החום יישאר כחום.

כשעושים הנדסה עם חום וצורות אחרות של אנרגיה, כדאי מאוד לבנות אינטואיציה כדי להבחין בין אנרגיה (הדבר שנמדד בג'אול) ו אקרגיות (הדבר שמבצע עבודה). הצורה בה נמצאת האנרגיה, קובעת כמה עבודה היא יכולה לעשות. חשמל יכול לעשות כמויות אדירות של עבודה ביעילות - יש לו אקרגיה גבוהה מאוד. חום בדרגה נמוכה יכול לעשות מעט מאוד עבודה - יש לו אנרגיה נמוכה מאוד.

ברגע שיצרת חום בדרגה נמוכה, אתה כבר בסוף התור לאנרגיה (אנרגיה שימושית). כמעט כל השימושים באנרגיה מגיעים בסופו של דבר לחום נמוך. זה הצורה הסופית כמעט לכל שרשרת של המרות אנרגיה. ובסולם הקוסמי, זה (ככל שנוכל לדעת) הצורה הסופית לכל ג'ול, במות החום של היקום.

דרגה נמוכה החום הוא סוף הדרך. אם אתה רוצה יותר עבודה מתוך הג'אול ההוא, בצע את העבודה לפני ש הג'אול האלה יהיו בצורה של חום בדרגה נמוכה.

בהחלט. לחום בדרגה נמוכה יש פחות או יותר שימוש אחד, וזה מחמם משהו, כל כך זמן שמשהו שאתה רוצה לחמם הוא בדיוק המקום בו כבר נמצא החום בדרגה נמוכה, או שאפשר להגיע אליו באמצעות מאוורר פשוט מאוד וצינור קצר.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...