Esimene prototüüp päikesepaneeliga serverist koos laadimisregulaatoriga. Foto: solar.lowtechmagazine.com

Septembris 2018 käivitas entusiast Low-tech Magazine'ist projekti «madala tehnoloogia» veebiserveri. Eesmärgiks oli vähendada energiatarbimist nii palju, et kodusele self-hosted serverile piisaks ühest päikesepaneelist. See pole lihtne, sest sait peab tööle olema 24 tundi ööpäevas. Vaatame, mis lõpuks välja tuli.

Saate serverisse siseneda solar.lowtechmagazine.com, kontrollida jooksvaid energiatarbimist ja aku laadimistaset. Veebileht on optimeeritud minimaalsete päringute ja liikluse saavutamiseks, nii et see peaks taluma külastuste hüpet Хabra. Arendaja arvutuste kohaselt on energia tarbimine ühe unikaalse külastaja kohta 0,021 W⋅h.

Vahetult enne koitu 31. jaanuaril 2020 oli tal jäänud 42% aku laengust. Koidu aeg Barcelonas on kohaliku aja järgi 8:04, pärast seda peab päikesepaneelist vool minema.

Miks?

Kümme aastat tagasi ennustasid eksperdid , et interneti areng soodustab «dematerialiseerimist» ning üldist digitaalset ümberkujundamist — ja sellega kaasnevat üldise energiatarbimise vähenemist. Nad eksisid. Tegelikult nõudis internet isehiiglaslikke energiaallikaid , ja need mahud kasvavad jätkuvalt.IT-ettevõtted alustasid algatusi üleminekuks alternatiivsetele energiaallikatele, kuid see on praegu võimatu. Kõik andmekeskused tarbivad kolm korda rohkem energiat, kui kõik maapinna ja tuuleenergia allikad maailmas genereerivad. Halvem veel, päikesepaneelide ja tuulegeneraatorite tootmine ja regulaarne asendamine

nõuab samuti energiat , seega on fossiilkütusest (nafta, gaas, uraan) täna loobumine lihtsalt võimatu. Kuid neid varusid ei jätku kauaks, seega peame paratamatult mõtlema, kuidas elada taastuvate allikate peal. Sealhulgas arvutitaristute, sealhulgas veebiserverite töö.Low-tech Magazine

peab probleemiks veebilehtede liiga kiire paisumist. Aastatel 2010–2018 suurenes selle keskmine lehe suurus 0,45 MB-st 1,7 MB-ni , mobiilsetes veebisaitides aga — 0,15 MB-st 1,6 MB-ni, konservatiivse hinnanguga.Liikluse mahtude suurenemine

ületab energiaefektiivsuse arengut. ületab edusammud energiatõhususes ( energia, mis on vajalik 1 megabaidi teabe edastamiseks), mis põhjustab pidevat interneti energiatarbimise kasvu. Raske ja koormatud veebisaidid mitte ainult ei suurenda koormust võrguinfrastruktuurile, vaid lühendavad ka arvutite ja nutitelefonide «eluiga», mis sunnib sagedamini seadmeid ringi vahetama ja tootma uusi, mis samuti on väga energiatootmise protsess.

Ja loomulikult tekitab koormuse tõusu ka elustiil: inimesed veedavad peaaegu kogu oma aja internetis ja toetuvad paljuski erinevatele veebiteenustele. Kaasaegset ühiskonda on raske ette kujutada ilma pilve IT-infrastruktuurita (sotsiaalmeedia, sõnumirakendused, meil jne)

Serveri ja veebisaidi konfiguratsioon

Uues selles artiklis kirjeldab põhjalikult veebiserveri riistvarakonfiguratsiooni ja tarkvarapinu.

Üheplaadi arvuti Olimex Olinuxino A20 Lime 2 valiti madala energiatarbimise ja kasulike täiendavate funktsioonide, nagu toitehalduskiibi olemasolu tõttu AXP209. See võimaldab küsida statistikat praeguse pinge ja voolutugevuse kohta plaadilt ja akust. Kiip lülitub automaatselt aku ja DC pesa vahel, kuhu voolab energia päikesepaneelist. Seega on võimalik serverit toita katkematult akutoega.

Olimex Olinuxino A20 Lime 2

Esialgu valiti akuks 6600 mAh (umbes 24 Wh) liitium-polümeeraku, hiljem vahetati välja 84,4 Wh happesisaldusega aku.

Kä Operating system loads from an SD card. Although the OS occupies no more than 1 GB and a static website about 30 MB, there was no economic sense in buying a card smaller than Class 10 16 GB.

Server connects to the network via a 100 Mbps home connection in Barcelona and a standard consumer router. A static IP address is reserved for it. Practically anyone can set up such a site in their apartment, it only requires slight adjustments to the firewall settings for port forwarding to the local IP:

Port 80 to 80 for HTTP
Port 443 to 443 for HTTPS
Port 22 to 22 for SSH

Operatsioonisüsteem Armbian Stretch based on the Debian distribution and kernel SUNXI, which is developed for single-board computers with AllWinner chips.

50-watt solar panel for the web server and a 10-watt panel for lighting the author's living room

Static site generated by the system Pelican (veebisaitide generaator Pythonis). Statiilsed veebilehed laadivad kiiremini ja ei koorma CPU-d, mistõttu on need energiatõhusamad kui dünaamiliselt genereeritud lehed. Teema allika kood sm. siin.

Väga oluline aspekt on piltide tihendamine, kuna ilma selle optimeerimiseta on peaaegu võimatu teha veebilehti alla 1 megabaiti. Optimeerimise nimel otsustati fotod muuta halltoonilisteks piltideks. Näiteks siin on pilt telefonistide kohta, kes töötasid lülitite juures eelmisel sajandil. 253 KB.

Siin on optimeeritud halltooniline pilt, mille suurus on 36,5 KB kolme värviga (must, valge, hall). Optilise illusiooni tõttu näib vaatajale, et värve on rohkem kui kolm.

Halltoonilised fotod valiti mitte ainult suuruse optimeerimise tõttu (see otsus on üsna kaheldav), vaid ka esteetilistel põhjustel. See vana pilditöötlustehnika omab teatud stilistilisi eripärasid, mistõttu said veebilehe disain mingis mõttes ainulaadseks.

623 illustratsiooni Low-tech Magazine'i veebilehel pärast optimeerimist vähendati suurusega 194,2 MB-lt 21,3 MB-le, mis tähendab 89% kokkuhoidu.

Kõik vanad artiklid konverteeriti Markdowni, et lihtsustada uute artiklite kirjutamist ning varundamist läbi git. Veebilehelt eemaldati kõik skriptid ja jälgijad, samuti logod. Kasutatakse kliendi brauseri vaikimisi fondi. „Logona“ on ajakirja nimi suurte tähtedega ja vasakule noolega: LOW←TECH MAGAZINE. Kokku 16 baiti pildi asemel.

Aeg-ajalt tekkiva seisaku korral on loodud võimalus „offline-lugemiseks”: tekstid ja pildid eksporditakse RSS-feedi. Kogu sisu, sealhulgas HTML, on loodud 100% vahemäluga.

Veel üks optimeerimine on HTTP2 seade lubamine nginx-is, mis pisut vähendab liiklust ja vähendab lehtede laadimisaega võrreldes HTTP/1.1-ga. Tabelis võrreldakse tulemusi viie erineva lehe jaoks.

| | FP | WE | HS | FW | CW |
|----------|-------|-------|-------|-------|-------|
| HTTP/1.1 | 1.46s | 1.87s | 1.54s | 1.86s | 1.89s |
| HTTP2 | 1.30s | 1.49s | 1.54s | 1.79s | 1.55s |
| Pildid | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 |
| kokkuhoid | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |

Täielik nginx konfigureerimine:

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;
}

15 kuu töös olevate tulemused

Ajavahemikul 12. detsember 2018 kuni 28. november 2019 oli serveri aeg 95,26%. See tähendab, et halva ilma tõttu oli aastane seisak 399 tundi.

Kuid kui mitte arvestada viimase kahe kuu jooksul, oli tööaeg 98,2% ja seisakut vaid 152 tundi, kirjutavad arendajad. Tööaeg langes viimase kahe kuu jooksul 80%-ni, kui energiatarbimine kasvas tarkvarauuenduste tõttu. Igal ööl lülitati sait välja mitmeks tunniks.

Statistika kohaselt kulutas server aastaga (3. detsembrist 2018 kuni 24. novembrini 2019) 9,53 kWh. Fotogalvaanilises süsteemis registreeriti märkimisväärsed kaod pinge konverteerimise ning aku tühjenemise tõttu. Päikesepaneelide regulaator näitas aastast tarbimist 18,10 kWh, mis viitab süsteemi efektiivsusele umbes 50%.

Lihtsustatud skeem. Selles ei ole näidatud pingemuundurit 12 voltist 5 volti ning aku ampertunni arvestit.

Uurimisperioodi jooksul külastas veebisaiti 865 000 ainulaadset külastajat. Arvestades kõiki energiakaoid päikesepaneelide süsteemis, oli energia tarbimine ühe ainulaadse külastaja kohta 0,021 Wh. Seega piisab ühest kilovatt-tunnist toodetud päikeseenergiast peaaegu 50 000 ainulaadse külastaja teenindamiseks.

Katse ajal testiti erineva suurusega päikesepaneele. Tabelis on toodud arvutused selle kohta, kui kiiresti erineva mahutavusega akud laaditakse erineva suurusega päikesepaneelide abil.

Veebiserveri keskmine tarbimine esimese aasta jooksul, sealhulgas kõik energiad, oli 1,97 W. Arvutus näitab, et veebisaidi toetamiseks öösel kõige lühemal ööl aastas (8 tundi 50 minutit, 21. juuni) on vajalik 17,40 Wh salvestusvõimsust, ning kõige pikemal ööl (14 tundi 49 minutit, 21. detsember) on vajalik 29,19 Wh.

Kuna pliihappe akusid ei tohi tühjendada alla poole mahutavusest, vajab server 60 Wh akut, et üle elada kõige pikem öö optimaalse päikesepaistega päeval (2×29,19 Wh). Suurema osa aastast töötas süsteem 86,4 Wh akuga ja 50-vatise päikesepaneeliga, mille tulemusena saavutati eespool mainitud 95-98% tööaeg.

Tööaeg 100%

100% tööaja saavutamiseks on vaja suurendada akude mahutavust. Ühe väga halva ilma päeva kompenseerimiseks (ilma märkimisväärse elektritootmiseta) on vajalik 47,28 Wh (24 tundi × 1,97 W) salvestust.

Alates 1. detsembrist 2019 kuni 12. jaanuarini 2020 paigaldati süsteemi 168-vatine aku, mille praktiline salvestusvõime on 84 vat-tundi. Seda salvestust on piisavalt, et hoida veebilehte töös kahe öö ja ühe päeva jooksul. Konfiguratsiooni katsetati aasta tumseimal perioodil, kuid ilm oli suhteliselt hea - ja kogu selle aja töötaoleku aeg oli 100%.

Kuid et garanteerida 100% tööaeg mitme aasta jooksul, tuleb arvestada ka kõige hullemat stsenaariumi, kus halb ilm kestab mitmeid päevi. Kalkulatsioon näitab, et et hoida veebilehte online nelja päeva jooksul madala või nullenergia genereerimisega, on vajalik plii-happe aku, mille salvestusvõime on 440 vat-tundi, see tähendab autovõimsust.

Praktikas toetab plii-happe aku salvestusvõime 48 Vt⋅h veebiserverit öö jooksul märtsist septembrini, hea ilmaga. 24 Vt⋅h aku suudab serverit hoida maksimaalselt 6 tundi, see tähendab, et see lülitab end välja igal ööl, kuigi erineval ajal, olenevalt kuust.

Üldiselt ei pea mõned veebilehed öösel töötama, kui külastajate arv on minimaalne, arvavad Low-tech Magazine'i poisid. Näiteks, kui see on piirkondlik linnaleht, kuhu ei satu külastajaid teistest ajavöönditest, vaid ainult kohalikud elanikud.

Seega vajavad veebilehed, mille külastatavus ja tööaeg on erinevad, erineva salvestusvõimega akusid ja erineva suurusega päikesepaneele.

Autor toob välja kalkulatsiooni, kui palju energiat on vaja tootmiseks päikesepaneelide (embodied energy) valmistamiseks ja kui palju saame, jagades selle arvu oodatava kasutusea, mis on 10 aastat.

Nii saab arvutada fossiilkütuste analooge, mis on kulutatud paneelide tootmiseks ja kasutamiseks. Low-tech Magazine'i andmetel 'toodetud' nende süsteem (paneel 50 W, aku 86,4 Vt⋅h) esimese tööaasta jooksul umbes 9 kg heitkoguseid või ekvivalent 3 liitri bensiini põletamisel: umbes sama palju kui turistautoga, mis sõidab 50 km.

Kui serverit ei toideta päikesepaneelidest, vaid üldisest energiaalast, on heitmete ekvivalendiks umbes kuus korda vähem: 1,54 kg (Hispaania energiatootmises on suur osa alternatiivsetest energiaallikatest ja tuumaenergiast). Kuid autor kirjutab, et see ei ole päris õiglane võrdlus, sest see arvestab päikese infrastruktuuri embodied energy, kuid ei arvestata seda näitajat üldise energiaalaga, mis tähendab kulutusi selle ehitusele ja hooldamisele.

Edasised täiustused

Viimase aja jooksul on läbi viidud mitmeid optimeerimisi, mis on vähendanud serveri energiatarvet. Näiteks märkas arendaja, et 6,63 TB kogumaht 11,15 TB liiklusest tekkis ühe vale RSS-syumi teostuse tõttu, mis tõmbas sisu iga paari minuti järel. Pärast selle vea parandamist vähenes serveri energiatarve (ilma energiaprobleeme arvestamata) 1,14 W-lt umbes 0,95 W-le. Võit võib tunduda väike, kuid 0,19 W vahe tähendab 4,56 vatttundi päevas, mis vastab rohkem kui 2,5 tunni autonoomsele tööle serveris.

Esimesel aastal oli efektiivsus vaid 50%. Kaotused esinesid aku laadimise ja tühjendamise ajal (22%) ning 12 V (päikese fotoelektriline süsteem) 5 V (USB) pinget muutes, kus kaotused ulatusid kuni 28%-ni. Arendaja tunnistab, et tal on mitteoptimaalne pingemuundur (kontroller ilma sisseehitatud USB-ta), seetõttu saab seda hetke optimeerida või minna üle 5V päikesepaneelide süsteemile.

Energiasalvestuse efektiivsuse suurendamiseks saab pliihappeakud asendada kallimate liitiumioonakudega, millel on väiksemad laengu/tühjenemise kaod (<10%). Praegu kaalub disainer kompaktselt elektrienergia salvestussüsteemi kompressitud õhu vormis (CAES), mille eluiga on kümneid aastaid, mis tähendab väiksemat „süsiniku jalajälge” selle tootmisel.

Kompaktne kompressitud õhu energiasalvesti, allikas

Kaalutakse täiendava tuulegeneraatori paigaldamist (seda saab valmistada puidust) ja päikesepaneelide pöördmise treileri paigaldamist. Treiler võimaldab suurendada elektri tootmist 30%.

Veel fiskaalsüsteemi efektiivsuse suurendamise viise – selle skaleerimine. Serveris rohkem veebilehti ja rohkem serverite käivitamine. See vähendab energiakulu iga veebilehe kohta.

Päikesehõlmamise ettevõte. Illustreerimine: Diego Marmolejo

Kui katta kogu korteri rõdu päikesepaneelidega ja avada päikesepõhine veebihostingu ettevõte, siis kliendi kohta põhjustatud kulud on oluliselt madalamad kui ühe veebilehe puhul: skaala kokkuhoid.

Üldiselt demonstreerib see katse, et teatud piirangute korral suudab arvutitaristu toimida taastuvenergia allikate peal.

Teoreetiliselt võib selline server isegi ilma akuta hakkama saada, kui peegeldada seda teistes maailma osades. Näiteks paigutada peeglid Uus-Meremaale ja Tšiili. Seal päikesepaneelid töötavad, kui Barcelonas on öö.

Allikas: habr.com