أول نموذج أولي لخادم شمسي مزود بجهاز تحكم بالشحن. صورة: Solar.lowtechmagazine.com

في سبتمبر 2018، أحد المتحمسين من مجلة Low-tech أطلقت مشروع خادم ويب "منخفض التقنية".. كان الهدف هو تقليل استهلاك الطاقة لدرجة أن لوحة شمسية واحدة ستكون كافية لخادم منزلي مستضاف ذاتيًا. وهذا ليس بالأمر السهل، لأن الموقع يجب أن يعمل 24 ساعة في اليوم. دعونا نرى ما حدث في النهاية.

يمكنك الذهاب إلى الخادم Solar.lowtechmagazine.com، تحقق من استهلاك الطاقة الحالي ومستوى شحن البطارية. تم تحسين الموقع لتلبية الحد الأدنى من الطلبات الواردة من الصفحة والحد الأدنى من حركة المرور، لذلك يجب أن يتحمل زيادة في حركة المرور من حبر. وفقًا لحسابات المطور، يبلغ استهلاك الطاقة لكل زائر فريد 0,021 واط ساعة.

قبل فجر يوم 31 يناير 2020، كان متبقيًا في البطارية 42%. الفجر في برشلونة الساعة 8:04 بالتوقيت المحلي، وبعد ذلك يجب أن يتدفق التيار من اللوحة الشمسية.

لماذا؟

قبل عشر سنوات الخبراء وتوقعأن تطوير الإنترنت يساهم في "إضفاء الطابع المادي" على المجتمع، والرقمنة العالمية - ونتيجة لذلك، تقليل الاستهلاك الإجمالي للطاقة. كانوا مخطئين. في الواقع، طالب الإنترنت نفسه كميات هائلة من إمدادات الطاقة، وتستمر هذه الكميات في النمو.

أطلقت شركات تكنولوجيا المعلومات مبادرات للتحول إلى مصادر الطاقة البديلة، لكن هذا أصبح مستحيلاً الآن. تستهلك جميع مراكز البيانات طاقة أكثر بثلاثة أضعاف مما تولده جميع منشآت الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في العالم. والأسوأ من ذلك هو إنتاج الألواح الشمسية وتوربينات الرياح واستبدالها بانتظام يتطلب أيضا الطاقةلذلك، من المستحيل اليوم التخلي عن الوقود الأحفوري (النفط والغاز واليورانيوم). لكن هذه الاحتياطيات لن تدوم طويلا، لذا سيتعين علينا حتما أن نفكر في كيفية العيش على المصادر المتجددة. بما في ذلك تشغيل البنية التحتية للكمبيوتر، بما في ذلك خوادم الويب.

مجلة التكنولوجيا المنخفضة يعتبرها مشكلة تنتفخ صفحات الويب بسرعة كبيرة جدًا. زاد متوسط ​​حجم الصفحة من عام 2010 إلى عام 2018 من 0,45 ميجابايت إلى 1,7 ميجابايتوبالنسبة لمواقع الهاتف المحمول - من 0,15 ميجابايت إلى 1,6 ميجابايت، وهو تقدير متحفظ.

زيادة في حجم حركة المرور يفوق التقدم في مجال كفاءة استخدام الطاقة (الطاقة اللازمة لنقل 1 ميجابايت من المعلومات)، مما يسبب زيادة مستمرة في استهلاك الطاقة عبر الإنترنت. لا تؤدي المواقع الأثقل والأكثر تحميلًا إلى زيادة الحمل على البنية التحتية للشبكة فحسب، بل تعمل أيضًا على تقصير "دورة حياة" أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية، والتي يجب التخلص منها بشكل متكرر وإنتاج أجهزة جديدة، وهو ما يؤدي أيضًا إلى عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة.

وبالطبع، يتم إنشاء عبء العمل المتزايد من خلال نمط الحياة نفسه: يقضي الأشخاص كل وقتهم تقريبًا على الإنترنت ويعتمدون بشكل كبير على خدمات الويب المختلفة. من الصعب بالفعل تخيل مجتمع حديث بدون البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات السحابية (الشبكات الاجتماعية، والمراسلة الفورية، والبريد، وما إلى ذلك)

تكوين الخادم والموقع

В هذا المقال يتم وصف تكوين الأجهزة ومكدس البرامج لخادم الويب بالتفصيل.

كمبيوتر لوحي واحد أوليمكس أولينوكسينو A20 لايم 2 تم اختياره لاستهلاك منخفض للطاقة وميزات إضافية مفيدة مثل شريحة إدارة الطاقة AXP209. يسمح لك بطلب إحصائيات حول الجهد الحالي والتيار من اللوحة والبطارية. تقوم الدائرة الدقيقة تلقائيًا بتبديل الطاقة بين البطارية وموصل التيار المستمر، حيث يتدفق التيار من اللوحة الشمسية. وبالتالي، من الممكن إمداد الخادم بالطاقة دون انقطاع مع دعم البطارية.

أوليمكس أولينوكسينو A20 لايم 2

في البداية، تم اختيار بطارية ليثيوم بوليمر بسعة 6600 مللي أمبير (حوالي 24 واط ساعي) كبطارية، ثم تم تركيب بطارية الرصاص الحمضية بسعة 84,4 واط ساعي.

يقوم نظام التشغيل بالتمهيد من بطاقة SD. على الرغم من أن نظام التشغيل لا يستهلك أكثر من 1 جيجابايت وأن موقع الويب الثابت يبلغ حوالي 30 ميجابايت، إلا أنه لم يكن هناك أي معنى اقتصادي لشراء بطاقة أصغر من فئة 10 بسعة 16 جيجابايت.

يتصل الخادم بالإنترنت عبر اتصال منزلي بسرعة 100 ميجابت في الثانية في برشلونة وجهاز توجيه قياسي للمستهلك. تم حجز عنوان IP ثابت له. يمكن لأي شخص تقريبًا إعداد مثل هذا الموقع في شقته، وتحتاج إلى تغيير طفيف في إعدادات جدار الحماية لإعادة توجيه المنافذ إلى عنوان IP المحلي:

المنفذ 80 إلى 80 لـ HTTP المنفذ 443 إلى 443 لـ HTTPS المنفذ 22 إلى 22 لـ SSH

نظام التشغيل تمتد أرمبيان على أساس توزيع دبيان والنواة سونكسي، والذي تم تصميمه للوحات الفردية المزودة بشرائح AllWinner.

لوح شمسي بقدرة 50 وات لخادم الويب ولوح شمسي بقدرة 10 وات لإضاءة غرفة المعيشة في شقة المؤلف

موقع ثابت تم إنشاؤه بواسطة النظام البجع طائر (مولد الموقع في بايثون). يتم تحميل المواقع الثابتة بشكل أسرع وتستهلك قدرًا أقل من وحدة المعالجة المركزية (CPU)، لذا فهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الصفحات التي يتم إنشاؤها ديناميكيًا. راجع الكود المصدري للموضوع. هنا.

هناك نقطة مهمة للغاية وهي ضغط الصور، لأنه بدون هذا التحسين يكاد يكون من المستحيل جعل صفحات الويب أصغر من 1 ميغابايت. من أجل التحسين، تقرر تحويل الصور إلى صور نصفية. على سبيل المثال، هذه صورة لمشغلات الهاتف على لوحة التبديل في القرن الماضي، 253 KB.

وهنا صورة ذات حجم رمادي محسنة 36,5 KB بثلاثة ألوان (أسود، أبيض، رمادي). وبسبب الوهم البصري يبدو للمشاهد أن هناك أكثر من ثلاثة ألوان.

تم اختيار الصور ذات الألوان النصفية ليس فقط لتحسين الحجم (قرار مشكوك فيه إلى حد ما)، ولكن أيضًا لأسباب جمالية. تتميز تقنية معالجة الصور القديمة هذه بميزات أسلوبية معينة، لذا يتمتع الموقع بتصميم فريد إلى حد ما.

بعد التحسين، انخفض حجم 623 رسمًا توضيحيًا على موقع Low-tech Magazine من 194,2 ميجابايت إلى 21,3 ميجابايت، أي بنسبة 89%.

تم تحويل جميع المقالات القديمة إلى Markdown لسهولة كتابة مقالات جديدة، وكذلك لسهولة النسخ الاحتياطي عبر طائرة نفاثة. تمت إزالة كافة البرامج النصية وأجهزة التتبع، وكذلك الشعارات، من الموقع. يتم استخدام الخط الافتراضي في متصفح العميل. كـ "شعار" - اسم المجلة بالأحرف الكبيرة مع وجود سهم إلى اليسار: LOW←TECH MAGAZINE. 16 بايت فقط بدلاً من الصورة.

في حالة التوقف، تم تنظيم إمكانية "القراءة دون اتصال بالإنترنت": يتم تصدير النصوص والصور إلى موجز ويب RSS. يتم تمكين التخزين المؤقت للمحتوى بنسبة 100%، بما في ذلك HTML.

هناك تحسين آخر وهو تمكين إعدادات HTTP2 في nginx، مما يقلل حركة المرور قليلاً ويقلل وقت تحميل الصفحة مقارنةً بـ HTTP/1.1. يقارن الجدول النتائج لخمس صفحات مختلفة.

| | فب | نحن | النظام المنسق | مهاجم | الأسلحة الكيميائية | |----------|-------|-------|-------|------|-------|-------|-------| -| | HTTP/1.1 | 1.46 ث | 1.87 ث | 1.54 ثانية | 1.86 ث | 1.89 ث | | HTTP2 | 1.30 ثانية | 1.49 ثانية | 1.54 ثانية | 1.79 ث | 1.55 ثانية | | صور | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 | | التوفير | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |

التكوين الكامل لـ nginx:

root@solarserver:/var/log/nginx# cat /etc/nginx/sites-enabled/solar.lowtechmagazine.com

# Expires map
map $sent_http_content_type $expires {
default off;
text/html 7d;
text/css max;
application/javascript max;
~image/ max;
}

server {
listen 80;
server_name solar.lowtechmagazine.com;

location / {
return 301 https://$server_name$request_uri;
}
}

server{
listen 443 ssl http2;
server_name solar.lowtechmagazine.com;

charset UTF-8; #improve page speed by sending the charset with the first response.

location / {
root /var/www/html/;
index index.html;
autoindex off;
}


#Caching (save html pages for 7 days, rest as long as possible, no caching on frontpage)
expires $expires;

location @index {
add_header Last-Modified $date_gmt;
add_header Cache-Control 'no-cache, no-store';
etag off;
expires off;
}

#error_page 404 /404.html;

# redirect server error pages to the static page /50x.html
#error_page 500 502 503 504 /50x.html;
#location = /50x.html {
# root /var/www/;
#}

#Compression

gzip on;
gzip_disable "msie6";
gzip_vary on;
gzip_comp_level 6;
gzip_buffers 16 8k;
gzip_http_version 1.1;
gzip_types text/plain text/css application/json application/javascript text/xml application/xml application/xml+rss text/javascript;


#Caching (save html page for 7 days, rest as long as possible)
expires $expires;

# Logs
access_log /var/log/nginx/solar.lowtechmagazine.com_ssl.access.log;
error_log /var/log/nginx/solar.lowtechmagazine.com_ssl.error.log;

# SSL Settings:
ssl_certificate /etc/letsencrypt/live/solar.lowtechmagazine.com/fullchain.pem;
ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/solar.lowtechmagazine.com/privkey.pem;

# Improve HTTPS performance with session resumption
ssl_session_cache shared:SSL:10m;
ssl_session_timeout 5m;

# Enable server-side protection against BEAST attacks
ssl_prefer_server_ciphers on;
ssl_ciphers ECDH+AESGCM:ECDH+AES256:ECDH+AES128:DH+3DES:!ADH:!AECDH:!MD5;

# Disable SSLv3
ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;

# Lower the buffer size to increase TTFB
ssl_buffer_size 4k;

# Diffie-Hellman parameter for DHE ciphersuites
# $ sudo openssl dhparam -out /etc/ssl/certs/dhparam.pem 4096
ssl_dhparam /etc/ssl/certs/dhparam.pem;

# Enable HSTS (https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Security/HTTP_Strict_Transport_Security)
add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubdomains";

# Enable OCSP stapling (http://blog.mozilla.org/security/2013/07/29/ocsp-stapling-in-firefox)
ssl_stapling on;
ssl_stapling_verify on;
ssl_trusted_certificate /etc/letsencrypt/live/solar.lowtechmagazine.com/fullchain.pem;
resolver 87.98.175.85 193.183.98.66 valid=300s;
resolver_timeout 5s;
}

نتائج 15 شهرا من العمل

للفترة من 12 ديسمبر 2018 إلى 28 نوفمبر 2019 أظهر الخادم وقت التشغيل 95,26%. وهذا يعني أنه بسبب سوء الأحوال الجوية، بلغ وقت التوقف عن العمل لهذا العام 399 ساعة.

ولكن إذا لم تأخذ في الاعتبار الشهرين الماضيين، فإن وقت التشغيل كان 98,2٪، وكان وقت التوقف 152 ساعة فقط، كما كتب المطورون. انخفض وقت التشغيل إلى 80% في الشهرين الماضيين عندما زاد استهلاك الطاقة بسبب تحديث البرنامج. كل ليلة كان الموقع يتعطل لعدة ساعات.

وبحسب الإحصائيات للعام (من 3 ديسمبر 2018 إلى 24 نوفمبر 2019)، بلغ استهلاك الكهرباء للخادم 9,53 كيلوواط ساعة. تم تسجيل خسائر كبيرة في النظام الكهروضوئي بسبب تحويل الجهد وتفريغ البطارية. أظهرت وحدة التحكم بالطاقة الشمسية استهلاكًا سنويًا قدره 18,10 كيلووات ساعة، مما يعني أن كفاءة النظام تبلغ حوالي 50٪.

رسم تخطيطي مبسط. ولا يظهر محول جهد من 12 إلى 5 فولت وعداد بطارية أمبير ساعة

خلال فترة الدراسة، زار الموقع 865 زائر فريد. بما في ذلك جميع خسائر الطاقة في تركيب الطاقة الشمسية، بلغ استهلاك الطاقة لكل زائر فريد 000 واط ساعة. وبالتالي، فإن كيلوواط واحد من الطاقة الشمسية المولدة يكفي لخدمة ما يقرب من 0,021 ألف زائر فريد.

تم خلال التجربة اختبار الألواح الشمسية بأحجام مختلفة. يوضح الجدول حسابات المدة التي سيستغرقها شحن البطاريات ذات السعات المختلفة عند استخدام الألواح الشمسية ذات الأحجام المختلفة.

بلغ متوسط ​​استهلاك خادم الويب للطاقة خلال السنة الأولى، بما في ذلك جميع خسائر الطاقة، 1,97 واط. تظهر الحسابات أن تشغيل موقع ويب طوال الليل في أقصر ليلة في العام (8 ساعات و50 دقيقة، 21 يونيو) يتطلب 17,40 واط/ساعة من طاقة التخزين، وفي أطول ليلة (14 ساعة و49 دقيقة، 21 ديسمبر) تحتاج إلى 29,19 .XNUMX واط.

نظرًا لأن بطاريات الرصاص الحمضية لا ينبغي أن يتم تفريغها أقل من نصف سعتها، فإن الخادم يتطلب بطارية بقدرة 60 وات في الساعة للبقاء على قيد الحياة لأطول ليلة مع ضوء النهار الأمثل (2x29,19 وات في الساعة). في معظم أيام العام، عمل النظام ببطارية بقدرة 86,4 واط في الساعة ولوحة شمسية بقدرة 50 واط، ومن ثم تم تحقيق وقت التشغيل المذكور أعلاه بنسبة 95-98%.

وقت التشغيل 100%

للحصول على وقت تشغيل بنسبة 100%، من الضروري زيادة سعة البطارية. للتعويض عن يوم واحد من الطقس السيئ للغاية (بدون توليد طاقة كبير)، هناك حاجة إلى 47,28 واط ساعة (24 ساعة × 1,97 واط) من التخزين.

وفي الفترة من 1 ديسمبر 2019 إلى 12 يناير 2020، تم تركيب بطارية في النظام بقدرة 168 واط، والتي تبلغ سعتها التخزينية العملية 84 واط/ساعة. هذه مساحة تخزين كافية للحفاظ على تشغيل الموقع لمدة ليلتين ويوم واحد. تم اختبار التكوين خلال أحلك فترة من العام، ولكن الطقس كان جيدًا نسبيًا - وخلال الفترة المحددة كان وقت التشغيل 100%.

ولكن من أجل ضمان وقت تشغيل بنسبة 100٪ لعدة سنوات، سيتعين عليك توفير السيناريو الأسوأ، عندما يستمر الطقس السيئ لعدة أيام. تُظهر الحسابات أنه للحفاظ على موقع ويب على الإنترنت لمدة أربعة أيام مع توليد طاقة منخفض أو معدوم، ستحتاج إلى بطارية حمض الرصاص بسعة 440 واط/ساعة، وهو حجم بطارية السيارة.

من الناحية العملية، في الظروف الجوية الجيدة، ستحافظ بطارية الرصاص الحمضية بقدرة 48 وات في الساعة على تشغيل الخادم طوال الليل من مارس إلى سبتمبر. سوف تدوم بطارية 24 وات في الساعة للخادم لمدة أقصاها 6 ساعات، مما يعني أنه سيتم إيقاف تشغيله كل ليلة، على الرغم من أنه في أوقات مختلفة حسب الشهر.

بشكل عام، لا تحتاج بعض المواقع إلى العمل ليلاً، عندما يكون عدد الزوار في حده الأدنى، كما يقول الرجال من مجلة Low-tech. على سبيل المثال، إذا كان هذا منشورًا لمدينة إقليمية، حيث لا يأتي الزوار من مناطق زمنية أخرى، ولكن السكان المحليين فقط.

وهذا يعني أنه بالنسبة للمواقع ذات حركة المرور المختلفة ووقت التشغيل المختلف، هناك حاجة إلى بطاريات ذات سعات مختلفة وألواح شمسية بأحجام مختلفة.

يقدم المؤلف حسابًا لمقدار الطاقة المطلوبة الإنتاج الألواح الشمسية نفسها (الطاقة المتجسدة) ومقدار ما تحصل عليه إذا قسمت هذا المقدار على عمر الخدمة المتوقع وهو 10 سنوات.

وبهذه الطريقة يمكن حساب ما يعادل الوقود الأحفوري الذي يتم استهلاكه في إنتاج وتشغيل الألواح. وجدت مجلة Low-tech أنه في السنة الأولى من التشغيل، "ولد" نظامهم (لوحة 50 واط، بطارية 86,4 واط/ساعة) حوالي 9 كجم من الانبعاثات، أو ما يعادل حرق 3 لترات من البنزين: أي ما يعادل تقريبًا 50- سيارة ركاب عمرها كيلومتر السفر.

إذا لم يتم تشغيل الخادم من الألواح الشمسية، بل من شبكة الطاقة العامة، فإن الانبعاثات المكافئة تبدو أقل بست مرات: 1,54 كجم (يمتلك قطاع الطاقة الإسباني حصة كبيرة من محطات الطاقة البديلة والطاقة النووية). لكن هذه ليست مقارنة صحيحة تماما، كما يكتب المؤلف، لأنها تأخذ في الاعتبار الطاقة المجسدة للبنية التحتية الشمسية، ولكنها لا تأخذ في الاعتبار هذا المؤشر لشبكة الطاقة العامة، أي تكاليف بنائها ودعمها .

مزيد من التحسينات

خلال الفترة الماضية، تم إجراء عدد من التحسينات التي أدت إلى تقليل استهلاك طاقة الخادم. على سبيل المثال، في مرحلة ما، لاحظ المطور أن 6,63 تيرابايت من إجمالي 11,15 تيرابايت من حركة المرور تم إنشاؤها بواسطة تطبيق موجز RSS غير صحيح والذي كان يسحب المحتوى كل بضع دقائق. بعد إصلاح هذا الخلل، انخفض استهلاك الخادم للطاقة (باستثناء فقدان الطاقة) من 1,14 واط إلى 0,95 واط تقريبًا. قد يبدو الكسب صغيرًا، لكن الفارق 0,19 واط يعني 4,56 واط/ساعة يوميًا، وهو ما يتوافق مع أكثر من 2,5 ساعة من عمر بطارية الخادم.

خلال السنة الأولى، كانت الكفاءة 50٪ فقط. ولوحظت خسائر عند شحن وتفريغ البطارية (22%)، وكذلك عند تحويل الجهد من 12 فولت (نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية) إلى 5 فولت (USB)، حيث وصلت الخسائر إلى 28%. يعترف المطور أن لديه محول جهد دون المستوى الأمثل (وحدة تحكم بدون USB مدمج)، لذا يمكنك تحسين هذه النقطة أو التبديل إلى تركيب طاقة شمسية 5 فولت.

لتحسين كفاءة تخزين الطاقة، يمكن استبدال بطاريات الرصاص الحمضية ببطاريات ليثيوم أيون أكثر تكلفة، والتي تتميز بفقد شحن/تفريغ أقل (<10%). الآن يفكر المصمم في التعاقد نظام تخزين الطاقة على شكل هواء مضغوط (CAES)، الذي يبلغ عمره عقودًا، مما يعني بصمة كربونية أقل على إنتاجه.

مجمع طاقة الهواء المضغوط المضغوط, مصدر

يجري النظر في تركيب توربينات رياح إضافية (يمكن تصنع من الخشب) وتركيب جهاز تتبع الطاقة الشمسية لتوجيه الألواح نحو الشمس. يسمح لك جهاز التعقب بزيادة إنتاج الكهرباء بنسبة 30%.

هناك طريقة أخرى لزيادة كفاءة النظام وهي توسيع نطاقه. رفع المزيد من المواقع على الخادم وإطلاق المزيد من الخوادم. ثم سينخفض ​​استهلاك الطاقة لكل موقع.

شركة استضافة الطاقة الشمسية. الرسم التوضيحي: دييغو مارموليجو

إذا قمت بتغطية شرفة شقتك بأكملها بألواح الطاقة الشمسية وفتحت شركة استضافة مواقع للطاقة الشمسية، فإن التكلفة لكل عميل ستكون أقل بكثير من تكلفة موقع ويب واحد: وفورات الحجم.

بشكل عام، توضح هذه التجربة أنه، في ظل بعض القيود، من الممكن تمامًا أن تعمل البنية التحتية للكمبيوتر على مصادر الطاقة المتجددة.

من الناحية النظرية، يمكن لمثل هذا الخادم الاستغناء عن البطارية إذا تم نسخه في أجزاء أخرى من العالم. على سبيل المثال، تثبيت المرايا في نيوزيلندا وتشيلي. ستعمل الألواح الشمسية هناك عندما يحل الليل في برشلونة.

المصدر: www.habr.com