První prototyp solárního serveru s regulátorem nabíjení. Fotografie:
V září 2018 nadšenec z Low-tech Magazine . Cílem bylo snížit spotřebu energie natolik, aby jeden solární panel stačil pro domácí server s vlastním hostitelem. Není to jednoduché, protože stránka musí fungovat 24 hodin denně. Podívejme se, co se nakonec stalo.
Můžete jít na server , zkontrolujte aktuální spotřebu energie a úroveň nabití baterie. Web je optimalizován pro minimální počet požadavků ze stránky a minimální návštěvnost, takže by měl odolat náporu návštěvnosti od Habra. Spotřeba energie na unikátního návštěvníka je podle propočtů developera 0,021 Wh.
Těsně před úsvitem 31. ledna 2020 mu zbývalo 42 % baterie. Svítání v Barceloně v 8:04 místního času, poté by měl proudit proud ze solárního panelu.
Proč?
Před deseti lety odborníci že rozvoj internetu přispívá k „dematerializaci“ společnosti, univerzální digitalizaci – a v důsledku toho ke snížení celkové spotřeby energie. Mýlili se. Ve skutečnosti si to vyžádal sám internet a tyto objemy stále rostou.
IT společnosti zahájily iniciativy k přechodu na alternativní zdroje energie, ale to je nyní nemožné. Všechna datová centra spotřebují třikrát více energie, než vyrobí všechna solární a větrná zařízení na světě. Ještě horší je výroba a pravidelná výměna solárních panelů a větrných turbín , proto je dnes prostě nemožné opustit fosilní paliva (ropa, plyn, uran). Tyto zásoby ale dlouho nevydrží, a tak se nevyhnutelně budeme muset zamyslet nad tím, jak žít z obnovitelných zdrojů. Včetně provozu počítačové infrastruktury včetně webových serverů.
Low-tech magazín Webové stránky se příliš rychle nafukují. Průměrná velikost stránky se od roku 2010 do roku 2018 zvýšila a pro mobilní weby - od 0,15 MB do 1,6 MB, konzervativní odhad.
Zvýšení objemu dopravy (energie potřebná k přenosu 1 megabajtu informací), což způsobuje neustálý nárůst spotřeby energie na internetu. Těžší a více zatížené weby nejen zvyšují zátěž síťové infrastruktury, ale také zkracují „životní cyklus“ počítačů a smartphonů, které je nutné častěji vyhazovat a vyrábět nové, které také .
A samozřejmě zvýšená pracovní zátěž je způsobena samotným životním stylem: lidé tráví téměř veškerý čas na internetu a hodně se spoléhají na různé webové služby. Je těžké si představit moderní společnost bez cloudové IT infrastruktury (sociální sítě, instant messenger, pošta atd.)
Konfigurace serveru a webu
В Podrobně je popsána hardwarová konfigurace a softwarový stack webového serveru.
Jednodeskový počítač vybráno pro nízkou spotřebu energie a užitečné doplňkové funkce, jako je čip pro správu napájení . Umožňuje vyžádat si statistiku aktuálního napětí a proudu z desky a baterie. Mikroobvod automaticky přepíná napájení mezi baterií a DC konektorem, kudy proudí proud ze solárního panelu. Je tak možné nepřerušené napájení serveru s podporou baterie.
Olimex Olinuxino A20 Lime 2
Zpočátku byla jako baterie zvolena lithium-polymerová baterie s kapacitou 6600 mAh (asi 24 Wh), poté byla instalována olověná baterie s kapacitou 84,4 Wh.
Operační systém se spustí z SD karty. Přestože OS nezabírá více než 1 GB a statický web má asi 30 MB, nemělo ekonomický smysl kupovat kartu menší než Class 10 16 GB.
Server se připojuje k internetu přes domácí připojení 100 Mb/s v Barceloně a standardní spotřebitelský router. Je pro něj vyhrazena statická IP adresa. Takovou stránku si může ve svém bytě zřídit téměř každý, je třeba mírně změnit nastavení firewallu, aby se porty předávaly na místní IP:
Port 80 až 80 pro HTTP Port 443 až 443 pro HTTPS Port 22 až 22 pro SSH
Operační systém založené na distribuci Debianu a jádře , který je určen pro jednotlivé desky s čipy AllWinner.
50W solární panel pro webový server a 10W solární panel pro osvětlení obývacího pokoje v autorově bytě
Statická stránka generovaná systémem (generátor stránek v Pythonu). Statické stránky se načítají rychleji a jsou méně náročné na CPU, takže jsou mnohem energeticky účinnější než dynamicky generované stránky. Podívejte se na zdrojový kód tématu. .
Velmi důležitým bodem je komprese obrázků, protože bez této optimalizace je téměř nemožné vytvořit webové stránky menší než 1 megabajt. Pro optimalizaci bylo rozhodnuto převést fotografie do polotónových obrázků. Zde je například fotografie telefonních operátorek na ústředně v minulém století, .
A zde je optimalizovaný obrázek velikosti šedi se třemi barvami (černá, bílá, šedá). Díky optickému klamu se divákovi zdá, že existuje více než tři barvy.
Polotónové fotografie byly vybrány nejen kvůli optimalizaci velikosti (poměrně pochybné rozhodnutí), ale také z estetických důvodů. Tato stará technika zpracování obrázků má určité stylistické rysy, takže web má poněkud jedinečný design.
Po optimalizaci se 623 ilustrací na webu Low-tech Magazine zmenšilo ze 194,2 MB na 21,3 MB, tedy o 89 %.
Všechny staré články byly převedeny na Markdown pro snadné psaní nových článků a také pro snadné zálohování přes . Všechny skripty a sledovače, stejně jako loga, byly z webu odstraněny. Použije se výchozí písmo v prohlížeči klienta. Jako „logo“ - název časopisu velkými písmeny se šipkou doleva: LOW←TECH MAGAZINE. Pouze 16 bajtů místo obrázku.
V případě výpadku byla organizována možnost „offline čtení“: texty a obrázky jsou exportovány do RSS kanálu. Je povoleno ukládání 100 % obsahu do mezipaměti, včetně HTML.
Další optimalizací je povolení nastavení HTTP2 v nginx, což mírně snižuje provoz a zkracuje dobu načítání stránky ve srovnání s HTTP/1.1. Tabulka porovnává výsledky pro pět různých stránek.
| | FP | MY | HS | FW | CW | |----------|-------|-------|-------|------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46 s | 1.87s | 1.54 s | 1.86 s | 1.89 s | | HTTP2 | 1.30:1.49 | 1.54 s | 1.79 s | 1.55 s | 9s | | Obrázky | 21 | 11 | 19 | 23 | 11 | | úspory | 21 % | 0 % | 4 % | 18 % | XNUMX % |
Úplná konfigurace 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;
}Výsledky 15měsíční práce
Za období od 12. prosince 2018 do 28. listopadu 2019 server zobrazoval . To znamená, že kvůli špatnému počasí byla prostoj za rok 399 hodin.
Pokud ale nevezmete v úvahu poslední dva měsíce, doba provozu byla 98,2 % a prostoj jen 152 hodin, píší vývojáři. Doba provozuschopnosti klesla na 80 % za poslední dva měsíce, kdy spotřeba energie vzrostla kvůli aktualizaci softwaru. Každou noc stránka na několik hodin padala.
Podle statistik byla za rok (od 3. prosince 2018 do 24. listopadu 2019) spotřeba elektřiny serveru 9,53 kWh. Ve fotovoltaickém systému byly zaznamenány značné ztráty v důsledku přeměny napětí a vybití baterie. Solární regulátor vykázal roční spotřebu 18,10 kWh, což znamená, že účinnost systému je asi 50 %.
Zjednodušené schéma. Nezobrazuje měnič napětí z 12 na 5 voltů a měřič ampérhodiny baterie
Během sledovaného období stránku navštívilo 865 000 unikátních návštěvníků. Se započtením všech energetických ztrát v solárním zařízení byla spotřeba energie na unikátního návštěvníka 0,021 Wh. Jedna kilowatthodina vyrobené solární energie tak vystačí na obsluhu téměř 50 000 unikátních návštěvníků.
Během experimentu byly testovány solární panely různých velikostí. V tabulce jsou uvedeny výpočty, jak dlouho bude trvat nabití baterií různých kapacit při použití solárních panelů různých velikostí.
Průměrná spotřeba webového serveru během prvního roku včetně všech energetických ztrát byla 1,97 Wattu. Výpočet ukazuje, že provoz webu přes noc v nejkratší noc v roce (8 hodin 50 minut, 21. června) vyžaduje 17,40 watthodin úložného výkonu a v nejdelší noc (14 hodin 49 minut, 21. prosince) potřebujete 29,19 XNUMX Wh.
Protože by se olověné baterie neměly vybíjet pod polovinu kapacity, server vyžaduje 60 Wh baterii, aby přežil nejdelší noc s optimálním denním světlem (2x29,19 Wh). Většinu roku systém fungoval s 86,4 Wh baterií a 50wattovým solárním panelem a poté bylo dosaženo zmiňovaných 95-98% provozuschopnosti.
100% dostupnost
Pro 100% provozuschopnost je nutné zvýšit kapacitu baterie. Pro kompenzaci jednoho dne velmi špatného počasí (bez významné výroby energie) je zapotřebí 47,28 watthodin (24 hodin × 1,97 wattů) úložiště.
Od 1. prosince 2019 do 12. ledna 2020 byla do systému instalována 168wattová baterie, která má praktickou kapacitu úložiště 84 watthodin. To je dostatečné úložiště, aby web fungoval dvě noci a jeden den. Konfigurace byla testována během nejtemnějšího období roku, ale počasí bylo relativně dobré – a během zadaného období byla dostupnost 100 %.
Ale abyste zaručili 100% dostupnost po několik let, budete muset počítat s nejhorším scénářem, kdy špatné počasí přetrvává několik dní. Z výpočtu vyplývá, že pro udržení webu online po dobu čtyř dnů s nízkou nebo žádnou výrobou energie byste potřebovali olověnou baterii s kapacitou 440 watthodin, což je velikost autobaterie.
V praxi za dobrých povětrnostních podmínek 48 Wh olověná baterie udrží server v chodu přes noc od března do září. 24 Wh baterie vydrží serveru maximálně 6 hodin, což znamená, že se každou noc vypne, i když v různých časech v závislosti na měsíci.
Celkově vzato, některé weby nemusí fungovat v noci, kdy je návštěvnost minimální, říkají kluci z Low-tech Magazine. Pokud se například jedná o publikaci krajského města, kam nepřicházejí návštěvníci z jiných časových pásem, ale pouze místní obyvatelé.
To znamená, že pro stránky s různou návštěvností a různou dobou provozu jsou potřeba baterie různé kapacity a solární panely různých velikostí.
Autor uvádí výpočet, kolik energie je na to potřeba výroba samotné solární panely (vtělená energie) a kolik to vyjde, když tuto částku vydělíte předpokládanou životností 10 let.
Tímto způsobem je možné vypočítat ekvivalent fosilních paliv, která jsou spotřebována při výrobě a provozu panelů. Low-tech Magazine zjistil, že v prvním roce provozu jejich systém (50 W panel, 86,4 Wh baterie) „vygeneroval“ přibližně 9 kg emisí, což odpovídá spálení 3 litrů benzínu: přibližně stejně jako 50-ti rok staré osobní auto km ujet.
Pokud je server napájen nikoli ze solárních panelů, ale z obecné elektrické sítě, pak se ekvivalentní emise zdají být šestkrát nižší: 1,54 kg (španělský energetický sektor má vysoký podíl alternativní energie a jaderných elektráren). Ale to není úplně správné srovnání, píše autor, protože bere v úvahu vtělenou energii solární infrastruktury, ale nebere v úvahu tento ukazatel pro obecnou energetickou síť, tedy náklady na její výstavbu a podporu .
Další vylepšení
V poslední době byla provedena řada optimalizací, které snížily spotřebu energie serveru. Například v jednu chvíli si vývojář všiml, že 6,63 TB z celkových 11,15 TB provozu bylo vygenerováno jednou nesprávnou implementací zdroje RSS, která stahovala obsah každých několik minut. Po opravě této chyby se spotřeba serveru (bez energetických ztrát) snížila z 1,14 W na přibližně 0,95 W. Zisk se může zdát malý, ale rozdíl 0,19 W znamená 4,56 watthodiny za den, což odpovídá více než 2,5 hodinám výdrže baterie serveru.
Během prvního roku byla účinnost pouze 50 %. Ztráty byly pozorovány při nabíjení a vybíjení baterie (22 %), dále při převodu napětí z 12 V (solární FV systém) na 5 V (USB), kde byly ztráty až 28 %. Vývojář přiznává, že má suboptimální měnič napětí (regulátor bez vestavěného USB), takže můžete tento bod optimalizovat nebo přejít na 5V solární instalaci.
Pro zlepšení účinnosti skladování energie lze olověné baterie nahradit dražšími lithium-iontovými bateriemi, které mají nižší ztráty při nabíjení/vybíjení (<10 %). Nyní projektant uvažuje o kompaktu (CAES), který má životnost desítky let, což znamená menší uhlíkovou stopu na jeho výrobě.
Kompaktní akumulátor energie stlačeného vzduchu,
Uvažuje se o instalaci další větrné turbíny (může být ) a instalaci solárního sledovače pro otočení panelů směrem ke slunci. Tracker umožňuje zvýšit výrobu elektřiny o 30 %.
Dalším způsobem, jak zvýšit účinnost systému, je jeho škálování. Zvedněte více webových stránek na serveru a spusťte více serverů. Potom se spotřeba energie na místo sníží.
Solární hostingová společnost. Ilustrace: Diego Marmolejo
Pokud pokryjete celý balkon svého bytu solárními panely a otevřete si solární webhostingovou společnost, náklady na zákazníka budou výrazně nižší než u jedné webové stránky: úspory z rozsahu.
Celkově tento experiment ukazuje, že vzhledem k určitým omezením je zcela možné, aby počítačová infrastruktura běžela na obnovitelných zdrojích energie.
Teoreticky by se takový server mohl obejít i bez baterie, pokud by byl zrcadlen v jiných částech světa. Nainstalujte zrcadla například na Novém Zélandu a v Chile. Solární panely budou fungovat, když je v Barceloně noc.
Zdroj: www.habr.com