Esimene prototüüp päikeseserverist laadimiskontrolleriga. Foto: solar.lowtechmagazine.com

Septembris 2018 käivitas entusiast Low-tech Magazine'ist projekti „madaltehnoloogiline” veebiserver. Eesmärk oli vähendada energiatarbimist piisavalt, et koduse self-hosted serveri jaoks piisaks ühest päikesepaneelist. See ei ole lihtne, kuna veebisait peab olema aktiivne ööpäevaringselt. Vaatame, mis lõpuks välja tuli.

Saate külastada serverit solar.lowtechmagazine.com, kontrollida praegust energiatarbimist ja aku laadimise taset. Veebisait on optimeeritud väheste päringute ja minimaalse liiklusega, seega peab see taluma külastuste tõusu Habrast. Arendaja arvutuste kohaselt on energia tarbimine ühe unikaalse külastaja kohta 0,021 W⋅h.

31. jaanuari 2020. aastal, enne koitu, oli tal jäänud 42% akulaadimisest. Koidik Barcelonas oli kell 8:04 kohalikku aega, pärast seda hakkab voolama päikesepaneelist.

Miks?

Kümme aastat tagasi ennustasid eksperdid , et interneti areng soodustab ühiskonna „dematerialiseerimist”, üldist digitaalset muutumist — ja seega energiatariituse vähenemist. Nad eksisid. Tegelikult nõudis internet ise, et etü interneti areng soodustab ühiskonna «dematerjaliseerimist», ulatuslikku digitaliseerimist — ja sellest tulenevalt ka üldise energiatarbimise vähenemist. Nad eksisid. Tegelikult nõudis internet ise tohutuid energiavarusid, ja need mahud kasvavad jätkuvalt.

IT-ettevõtted on käivitanud algatusi üleminekuks alternatiivsetele energiaallikatele, kuid see on praegu võimatu. Kõik andmekeskused tarbivad kolm korda rohkem energiat, kui kõik maailma päikese- ja tuuleenergiasegad kokku toovad. Veelgi hullem, päikesepaneelide ja tuuleenergiate tootmine ning regulaarne asendamine nõuab samuti energiat, seepärast on praegu fossilsete kütuste (nafta, gaas, uraan) kasutamisest loobuda lihtsalt võimatu. Aga nende varud ei kesta igavesti, seega peame paratamatult mõtlema, kuidas elada taastuvate energiaallikate peal. Sealhulgas arvutite infrastruktuuri, sealhulgas veebiserverite töö.

Low-tech Magazine peab probleemiks veebilehtede liiga kiire paisutamine. Aastatel 2010–2018 kasvas keskmine lehe suurus 0,45 MB-st 1,7 MB-ni, samas mobiililehtede puhul — 0,15 MB-st 1,6 MB-ni, konservatiivse hinnangu kohaselt.

Liikluse suurenemine ületab edusamme energiaefektiivsuses 1 megabaidi teabe edastamiseks vajaliku energia osas, mis põhjustab pidevat interneti energiatarbimise suurenemist. Raskemad ja koormatud veebilehed mitte ainult ei suurenda koormust võrguinfrastruktuurile, vaid lühendavad ka arvutite ja nutitelefonide „elutsüklit”, mida tuleb sagedamini välja visata ja asendada, mis on samuti üsna energiamahukas protsess..

Ja muidugi, koormuse tõus tuleneb ka elustiilist: inimesed veedavad peaaegu kogu oma aja internetis ja sõltuvad suuresti erinevatest veebiteenustest. Kaasaegset ühiskonda on juba keeruline ette kujutada ilma pilve IT-infrastruktuurita (sotsiaalmeedia, sõnumitoojad, e-post jne)

Serveri ja veebisaidi konfigureerimine

V selles artiklis sisaldab üksikasjalikku teavet riistvara konfigureerimise ja veebiserveri tarkvara virna kohta.

Ühetasandiline arvuti Olimex Olinuxino A20 Lime 2 valiti madala energiatarbimise ja kasulike lisafunktsioonide tõttu, nagu energiamõõduhalduse kiip AXP209. See võimaldab küsida statistikat praeguse pinget ja voolu kohta plaadilt ja akust. Kiip lülitab automaatselt toite akust ja DC-pistikust, kuhu voolab vool päikesepaneelist. Seega on serverile võimalik tagada katkematu toide koos akutoega.

Olimex Olinuxino A20 Lime 2

Esialgu valiti akuks liitiumpolümeeraku, mille maht on 6600 mAh (umbes 24 W⋅h), hiljem paigaldati 84,4 W⋅h pliiaku.

Käivitussüsteem laadib SD-kaardilt. Kuigi OS võtab vähem kui 1 GB ja staatiline veebisait umbes 30 MB, polnud majanduslikku mõtet osta kaarti, mis on väiksem kui Class 10 16 GB.

Server on ühendatud Internetiga 100-megabiti koduse ühenduse kaudu Barcelonas ja tavalise kodumajapidamise ruuteriga. Selle jaoks on reserveeritud staatiline IP-aadress. Peaaegu igaüks saab sellise veebisaidi enda korteris luua, tuleb lihtsalt natuke muuta tulemüüris seadistust, et edastada sadamat kohalikule IP-le:

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

Operatsioonisüsteem Armbian Stretch Debiani ja tuuma põhjal, SUNXI, mis on välja töötatud üheplaaditehnika jaoks, millel on AllWinneri kiibid.

50-vatine päikesepaneel veebiserveri jaoks ja 10-vatine paneel elutoa valgustamiseks autori korteris

Staatiline veebisait genereeritakse süsteemi Pelican (veebisaidi generaator Pythonis). Staatilised veebilehed laadivad kiiremini ning ei koorma CPU-d, mistõttu on need energiatõhusamad kui dünaamiliselt genereeritud lehed. Teema algkood on saadaval. siit.

Äärmiselt oluline aspekt on piltide tihendamine, kuna ilma selle optimeerimiseta on peaaegu võimatu teha veebilehti väiksemaks kui 1 megabait. Optimeerimise käigus otsustati fotosid muuta halltoonilisteks kujutisteks. Näiteks on siin foto telefonistidest, kes töötasid lülitusjaamas eelmisel sajandil, 253 KB.

Siin on optimeeritud halltooniline pilt, mille suurus on 36,5 KB kolme värviga (must, valge, hall). Optilise illusiooni tõttu tundub vaatajale, et värvide arv on üle kolme.

Halltoonilisi fotosid valiti mitte ainult suuruse optimeerimise tõttu (see otsus on siiski kahtlane), vaid ka esteetilistel põhjustel. See vana pilditöötlustehnika omab teatud stilistilisi omadusi, mistõttu saidist kujunes teatud mõttes ainulaadne disain.

623 illustratsiooni Low-tech Magazine'i veebilehel optimeerimise jäRel vähenes suurus 194,2 MB-lt 21,3 MB-ni, mis tähendab 89% vähendamist.

Kõik vanad artiklid konverteeriti Markdown-formaati, et uute artiklite kirjutamine oleks lihtsam ja varukoopia tegemine läbi git. Veebilehelt eemaldati kõik skriptid ja jälgijad, samuti logod. Kasutatakse kliendi brauseri vaikimisi fonti. "Logo" on ajakirja nimi suurtähtedega koos vasakule suunatud noolega: LOW←TECH MAGAZINE. Kokku vaid 16 baiti pildi asemel.

Veebilehe seisaku korral on korraldatud võimalus “offline lugemiseks”: tekstid ja pildid eksporditakse RSS-voogu. Kogunud on 100% sisu vahemälu, sealhulgas HTML.

Veel üks optimeerimine on HTTP2 sätte lubamine nginx-is, mis vähendab veidi liiklust ja lühendab 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 |
| Pilte | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 |
| säästud | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |

Nginxi täielik 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; #paranda lehe kiirus, edastades märgendi esimese vastusega.

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


#Caching (salvesta html lehed 7 päevaks, ülejäänud võimalikult pikaks, frontpage'il pole cache'd)
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;

# suuna serveri veateated staatilisele lehele /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 (salvesta html leht 7 päevaks, ülejäänud võimalikult pikaks)
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 Seaded:
ssl_certificate /etc/letsencrypt/live/solar.lowtechmagazine.com/fullchain.pem;
ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/solar.lowtechmagazine.com/privkey.pem;

# Paranda HTTPS jõudlust sessiooni jätkusuutlikkusega
ssl_session_cache shared:SSL:10m;
ssl_session_timeout 5m;

# Luba serveripoolne kaitse BEAST rünnakute vastu
ssl_prefer_server_ciphers on;
ssl_ciphers ECDH+AESGCM:ECDH+AES256:ECDH+AES128:DH+3DES:!ADH:!AECDH:!MD5;

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

# Alanda puhversalvuse suurust, et suurendada TTFB-d
ssl_buffer_size 4k;

# Diffie-Hellmani parameeter DHE krüptograafi jaoks
# $ sudo openssl dhparam -out /etc/ssl/certs/dhparam.pem 4096
ssl_dhparam /etc/ssl/certs/dhparam.pem;

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

# Luba 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 töö tulemused

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

Kuid kui arvestada vaid viimaseid kaht kuud, siis tööaeg oli 98,2% ja seisakuaeg vaid 152 tundi, kirjutavad arendajad. Tööaeg langes viimase kahe kuu jooksul 80% peale, kuna energiatarbimine suurenes tarkvarauuenduste tõttu. Igal ööl lülitati veebileht välja mitmeks tunniks.

Statistika kohaselt oli aasta jooksul (3. detsember 2018 - 24. november 2019) serveri elektritarbimine 9,53 kWh. Suur energiakadu fikseeriti fotogalvaanilises süsteemis pingetõstmise ja aku tühjenemise tõttu. Päikesekontroller näitas aastast tarbimist 18,10 kWh, mis tähendab, et süsteemi efektiivsus oli ligikaudu 50%.

Lihtsustatud skeem. Sellel ei ole näidatud pingemuundurit 12 voltlt 5 volti ja aku ampere-tunni arvestit.

Uurimisperioodi jooksul külastas saidi 865 000 unikaalset külastajat. Koos kõigi päikesepaneelide energia kaotustega oli energia tarbimine ühe unikaalse külastaja kohta 0,021 W⋅h. Seega piisab ühest kilovatt-tunnist toodetud päikesepaneeli energiast peaaegu 50 000 unikaalse külastaja teenindamiseks.

Eksperimendi jooksul katsetati erineva suurusega päikesepaneele. Tabelis on arvutused selle kohta, kui kaua laaditakse erineva mahutavusega akusid erineva suurusega päikesepaneelidega.

Keskmine veebiserveri tarbiv võimsus esimese aasta jooksul, sealhulgas kõik energia kaotused, oli 1,97 W. Arvutused näitavad, et saidi öösel, lühim öö aastas (8 tundi 50 minutit, 21. juuni), on vaja 17,40 watt-tundi salvestusvõimet, ja pikim öö (14 tundi 49 minutit, 21. detsember) vajab 29,19 W⋅h.

Kuna plii-happe akusid ei tohi laadida alla poole mahutavusest, on serveri jaoks vajalik 60 W⋅h aku, et üle elada pikim öö ideaalse päevavalguse korral (2×29,19 W⋅h). Suurema osa aastast töötas süsteem 86,4 W⋅h akuga ja 50-vatise päikesepaneeliga, mis võimaldas saavutada eespool mainitud tööaega 95-98%.

Tööaeg 100%

Tööaja 100% saavutamiseks tuleb suurendada akude mahutavust. Ühe väga halva ilma päeva (ilma märkimisväärse elektrienergia tootmiseta) kompenseerimiseks on vajalik 47,28 watt-tundi (24 tundi × 1,97 vatti) salvestusruumi.

1. detsembrist 2019 kuni 12. jaanuarini 2020 kasutati süsteemis 168-vatist akut, mille praktiline salvestusruum on 84 watt-tundi. Seda salvestusruumi piisab saidi toimimise toetamiseks kahe öö ja ühe päeva jooksul. Konfiguratsiooni testiti aasta kõige tumedamal ajal, kuid ilm oli suhteliselt hea - ja antud perioodil oli tööaeg 100%.

Kuid et tagada 100% tööaeg mitmeks aastaks, peab olema ette nähtud ka halvim stsenaarium, kui halb ilm kestab mitu päeva. Arvutused näitavad: et hoida sait online nelja päeva jooksul madala või nullenergia tootmisega, on vajalik 440 watt-tunnise mahutavuse plii-happe aku, mis on suurusega auto aku.

Praktikas toetab heades ilmades 48 W⋅h plii-happe aku serveri tööd nädala jooksul märtsist septembrini. 24 W⋅h aku peab serverit käimas maksimaalselt 6 tundi, see tähendab, et see lülitub igal ööl välja, kuigi erineval ajal, sõltuvalt kuust.

Laiemalt ei pea mõned saidid öösel töötama, kui külastuste arv on minimaalne, arvavad Low-tech Magazine'i töötajad. Näiteks, kui see on piirkondlik linna väljaanne, kuhu ei tule külastajaid teistest ajavöönditest, vaid ainult kohalikud elanikud.

Seega vajavad erineva külastatavuse ja tööaja jaoks erineva mahutavuse akusid ja erineva suurusega päikesepaneele.

Autor toob välja arvutuse, kui palju energiat on vajalik tootmiseks enda päikesepaneelide (embodied energy) jaoks ja kui palju saadakse, kui jagada see kogus oodatava eluiga 10 aastat.

Seega, saab arvutada fossiilkütuste analooge, mida on kulutatud paneelide tootmiseks ja kasutamiseks. Low-tech Magazine'i andmetel on nende süsteem (paneel 50 W, aku 86,4 W⋅h) esimese aktiivsusaasta jooksul 'toodetud' umbes 9 kg heitmeid või ekvivalente 3 liitri bensiini põletamisest: umbes sama, kui sõiduauto 50 km sõidab.

Kui serverit toita mitte päikesepaneelidest, vaid ühest elektrivõrgust, siis tundub heitmete ekvivalent umbes kuus korda madalam: 1,54 kg (Hispaania energiamajanduses on suur osa alternatiivsetest energiaallikatest ja tuumaelektrijaamadest). Kuid autor rõhutab, et see pole täiesti korrektne võrdlus, kuna see arvestab seadmete produksiooni agile energiat, kuid ei arvestada seda näitajat ühise elektrivõrgu jaoks, st kulud selle ehitamiseks ja hoidmiseks.

Edasised täiustused

Ajava jooksul on tehtud mitmeid optimeerimisi, mis on vähendanud serveri energiatarvet. Näiteks märkis arendaja, et 6,63 TB kogumahust 11,15 TB liiklusest genereerib üks vale RSS-voo läbiviimine, mis tõmbab sisu iga paari minuti tagant. Selle vea parandamise järel vähenes serveri energiatarve (ilma energiakadudeta) 1,14 W-st umbes 0,95 W-ni. Tulemuseks võib tunduda väike, kuid 0,19 W erinevus tähendab 4,56 vatttundi ööpäevas, mis vastab enam kui 2,5 tunni pikkusele serveri tööajale.

Esimesel aastal oli efektiivsus vaid 50%. Kadusid kätketi laadimise ja tühjendamise korral (22%), samuti pinget muundamisel 12 V (päikese päikese-energia süsteem) 5 V (USB), kus kadu ulatub kuni 28%-ni. Arendaja tunnistab, et tal on alamõhitatud pingemoodul (kontroller ilma integreeritud USB-ta), seega on võimalik seda hetke optimeerida või liikuda 5V päikesepaneelide süsteemi poole.

Energia salvestamise tõhususe suurendamiseks on võimalik asendada plii-happe akud kallimate liitium-ioonakuudega, millel on väiksemad laengu/tühjendamise kadud (<10%). Praegu kaalub konstruktor kompaktset elektrienergia salvestamise süsteemi suruõhuga (CAES), mille eluiga on kümneid aastaid, mis tähendab väiksemat "süsiniku jalajälge" selle tootmisel.

Kompaktne suruõhu energiaakumu allikas

Kaalutakse täiendava tuulegeneraatori paigaldamist (selle võib valmistada puidust) ja päikeseseire seadme paigaldamist, et pöörata paneele päikese poole. Seire seade võimaldab energiakogust suurendada 30%.

Veel üks viis süsteemi efektiivsuse tõstmiseks on selle skaleerimine. Serveris saab majutada rohkem veebisaite ja käivitada rohkem servereid. Nii väheneb energia tarbimine igale veebisaidile.

Päikesepaneelide hostimise ettevõte. Illustraator: Diego Marmolejo

Kui katta kogu korteri rõdu päikesepaneelidega ja avada päikeseveebihostingu ettevõte, siis on iga kliendi kulud märgatavalt väiksemad kui üheainsa veebisaidi puhul: majanduslikud säästud skaalal.

Kokkuvõttes näitab see katse, et teatud piirangute korral võib arvutisinfrastruktuur täiesti töötada taastuvatel energiaallikatel.

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

Allikas: habr.com