В эпоху стриминговых сервисов, облачных хранилищ и умных чат-ботов, таких как ChatGPT, за кулисами кипит невидимая деятельность в огромных комплексах по обработке информации.
Эти сооружения требуют колоссальных затрат на поддержание оптимальной температуры, и значительная часть потребляемой мощности уходит на генерацию тепловых отходов низкой температуры, которые просто рассеиваются в окружающую среду без всякой пользы.
Свежий анализ из Университета Райса предлагает инновационный подход к превращению этих ненужных потоков в полезный ресурс для производства электричества.
Как отметила Лаура Шефер, возглавляющая отдел механики в этом вузе и участвовавшая в подготовке материала, из подобных комплексов исходит скрытый поток нагретого воздуха. Исследователи задумались, возможно ли усилить его нагрев за счет солнечных лучей и затем конвертировать в электрическую энергию. Выяснилось, что это не только реально, но и приносит финансовую выгоду.
В публикации, размещенной в издании Solar Energy, описывается усовершенствованная версия органического цикла Ренкина на базе солнечных ресурсов (ORC) — это компактное устройство, где для генерации тока применяется безвредная рабочая среда.
Ключевой элемент здесь — применение доступных плоских солнечных панелей на крышах, которые подогревают охлаждающую жидкость из комплекса перед ее поступлением в ORC. Такой "солнечный импульс" преодолевает прежнюю проблему: тепловые отходы обычно недостаточно горячи для эффективного преобразования в ток.
Эти комплексы уже поглощают сотни тераватт-часов ежегодно, что сравнимо с нуждами целой средней страны, а прогресс в области искусственного интеллекта только усиливает эту тенденцию.
По словам Кашифа Лиаката, аспиранта на механическом факультете Университета Райса, темпы улучшения производительности не поспевают за растущим потреблением. Чтобы цифровая сфера стала более экологичной, необходимо задействовать ту часть ресурсов, которая сейчас просто улетучивается.
Стандартные подходы, вроде электрических тепловых помп для подъема температуры перед рекуперацией, часто нивелируют все плюсы, поскольку сами требуют слишком много дополнительной мощности.
Шефер пояснила, что солнечная теплота позволяет увеличить нагрев без лишней нагрузки на сеть, делая процесс чище и проще. Вместе с Лиакатом они построили детальные модели, сочетающие термодинамику и экономику, и протестировали их с помощью специализированного ПО.
Проверки проводились для двух крупных объектов в США с разными погодными условиями: в Эшберне (Вирджиния) и Лос-Анджелесе. Модели включали солнечные панели на крышах, подключенные к ORC подходящей мощности и интегрированные в стандартную жидкостную систему охлаждения.
Итоги оказались впечатляющими. Устройство производило на 60-80% больше тока из одинакового объема тепловых отходов ежегодно: в Эшберне прирост составил 60%, а в Лос-Анджелесе — 80%. В периоды яркого солнца эффективность ORC возрастала более чем на 8%, а годовой средний показатель тоже улучшался. Кроме того, метод уменьшил цену генерируемого тока на 5,5% в Эшберне и на 16,5% в Лос-Анджелесе.
Лиакат добавил, что в Лос-Анджелесе результаты оказались лучше из-за более интенсивного солнечного излучения, но даже в Эшберне с его холодными и облачными зимами комбинированная установка существенно повышает отдачу и сокращает расходы.
Неожиданным бонусом стало то, что решение идеально вписывается в условия большинства современных комплексов, где серверы оснащены жидкостным охлаждением, предотвращающим перегрев.
Лиакат подчеркнул, что-то, что в отрасли воспринималось как минус, превращается в плюс при добавлении солнечного компонента, что особенно радует для передовых объектов.
Разработчики применили простые, недорогие и компактные солнечные устройства (аналогичные тем, что используются для подогрева воды), монтируемые на крышах и напрямую связанные с охлаждающей инфраструктурой.
Это свежий взгляд на существующие технологии. Поскольку ORC опирается на тепловые отходы, получаемая мощность напрямую покрывает часть нужд самого комплекса.
Шефер сравнила это с добавлением экологичного генератора, который активируется автоматически при солнечном свете — именно когда нагрузка на охлаждение достигает пика.
Исследователи считают, что дальше стоит опробовать комбинированную установку на реальном объекте, а также рассмотреть варианты хранения тепла для использования в темное время суток. Планируется анализ других видов панелей для регионов с суровым климатом.
Шефер уточнила, что их разработка не претендует на замену усилиям по оптимизации серверов или систем вентиляции, которые остаются vitalными. Однако она пополняет арсенал инструментов, превращая слабость в сильную сторону.