اولین نمونه از سرور خورشیدی با کنترلر شارژ. عکس: solar.lowtechmagazine.com

در سپتامبر 2018، یکی از علاقه مندان از مجله Low-tech یک پروژه وب سرور با فناوری پایین راه اندازی کرد. هدف کاهش مصرف انرژی به حدی بود که یک پنل خورشیدی برای یک سرور خود میزبان خانگی کافی باشد. این کار آسانی نیست، زیرا سایت باید 24 ساعته کار کند. ببینیم آخرش چی شد.

می توانید به سرور بروید solar.lowtechmagazine.com، مصرف برق فعلی و سطح شارژ باتری را بررسی کنید. این سایت برای حداقل تعداد درخواست از صفحه و حداقل ترافیک بهینه شده است، بنابراین باید در برابر افزایش ترافیک از Habr مقاومت کند. طبق محاسبات سازنده، مصرف انرژی به ازای هر بازدیدکننده منحصر به فرد 0,021 وات ساعت است.

درست قبل از طلوع 31 ژانویه 2020، 42 درصد باتری آن باقی مانده بود. طلوع در بارسلون در ساعت 8:04 به وقت محلی، پس از آن جریان باید از صفحه خورشیدی جاری شود.

چرا؟

ده سال پیش کارشناسان پیش بینی کردکه توسعه اینترنت به "غیر مادی شدن" جامعه، دیجیتالی شدن جهانی - و در نتیجه کاهش مصرف کلی انرژی کمک می کند. آنها اشتباه می کردند. در واقع، خود اینترنت تقاضا می کرد مقادیر عظیمی از تامین انرژی، و این حجم ها همچنان در حال رشد هستند.

شرکت های فناوری اطلاعات ابتکاراتی را برای تغییر به منابع انرژی جایگزین راه اندازی کرده اند، اما اکنون این غیرممکن است. تمام مراکز داده سه برابر بیشتر از تمام تاسیسات خورشیدی و بادی در جهان انرژی مصرف می کنند. بدتر از آن، تولید و جایگزینی منظم پانل های خورشیدی و توربین های بادی است همچنین نیاز به انرژی داردبنابراین، امروزه کنار گذاشتن سوخت های فسیلی (نفت، گاز، اورانیوم) به سادگی غیرممکن است. اما این ذخایر زیاد دوام نمی‌آورند، بنابراین ناگزیر باید به این فکر کنیم که چگونه با منابع تجدیدپذیر زندگی کنیم. از جمله بهره برداری از زیرساخت های رایانه ای، از جمله سرورهای وب.

مجله با تکنولوژی پایین آن را یک مشکل می داند صفحات وب خیلی سریع پف می کنند. میانگین اندازه صفحه از سال 2010 تا 2018 افزایش یافته است از 0,45 مگابایت تا 1,7 مگابایت، و برای سایت های تلفن همراه - از 0,15 مگابایت تا 1,6 مگابایت، یک تخمین محافظه کارانه.

افزایش حجم ترافیک از پیشرفت در بهره وری انرژی پیشی می گیرد (انرژی مورد نیاز برای انتقال 1 مگابایت اطلاعات) که باعث افزایش مداوم مصرف انرژی اینترنت می شود. سایت‌های سنگین‌تر و بارگذاری‌تر نه تنها بار زیرساخت‌های شبکه را افزایش می‌دهند، بلکه «چرخه عمر» رایانه‌ها و گوشی‌های هوشمند را نیز کوتاه می‌کنند، که باید بیشتر دفع شوند و سایت‌های جدید تولید شوند. یک فرآیند بسیار انرژی بر.

و البته، افزایش حجم کار توسط خود سبک زندگی ایجاد می شود: مردم تقریباً تمام وقت خود را در اینترنت می گذرانند و به شدت به خدمات مختلف وب متکی هستند. تصور جامعه مدرن بدون زیرساخت فناوری اطلاعات ابری (شبکه های اجتماعی، پیام رسان های فوری، پست و غیره) دشوار است.

پیکربندی سرور و وب سایت

В این مقاله پیکربندی سخت‌افزار و پشته نرم‌افزار وب سرور به تفصیل شرح داده شده است.

کامپیوتر تک برد Olimex Olinuxino A20 Lime 2 برای مصرف انرژی کم و ویژگی های مفید اضافی مانند تراشه مدیریت انرژی انتخاب شده است AXP209. این امکان را به شما می دهد تا آمار ولتاژ و جریان فعلی را از برد و باتری درخواست کنید. ریز مدار به طور خودکار برق را بین باتری و کانکتور DC سوئیچ می کند، جایی که جریان از پنل خورشیدی جریان می یابد. بنابراین منبع تغذیه بدون وقفه سرور با پشتیبانی از باتری امکان پذیر است.

Olimex Olinuxino A20 Lime 2

در ابتدا یک باتری لیتیوم پلیمری با ظرفیت 6600 میلی آمپر ساعت (حدود 24 وات ساعت) به عنوان باتری انتخاب شد، سپس یک باتری سرب اسیدی با ظرفیت 84,4 وات ساعت نصب شد.

سیستم عامل از کارت SD بوت می شود. اگرچه سیستم عامل بیش از 1 گیگابایت اشغال نمی کند و وب سایت ثابت حدود 30 مگابایت است، خرید کارتی کوچکتر از کلاس 10 16 گیگابایتی منطقی نبود.

سرور از طریق یک اتصال خانگی 100 مگابیت بر ثانیه در بارسلون و یک روتر استاندارد مصرف کننده به اینترنت متصل می شود. یک آدرس IP ثابت برای آن رزرو شده است. تقریباً هر کسی می تواند چنین سایتی را در آپارتمان خود راه اندازی کند؛ برای ارسال پورت ها به IP محلی باید کمی تنظیمات فایروال را تغییر دهید:

پورت 80 تا 80 برای HTTP پورت 443 تا 443 برای HTTPS پورت 22 تا 22 برای SSH

سیستم عامل کشش آرمبین بر اساس توزیع دبیان و هسته سانکسیکه برای بردهای تکی با تراشه های AllWinner طراحی شده است.

پنل خورشیدی 50 واتی برای وب سرور و پنل خورشیدی 10 واتی برای نورپردازی اتاق نشیمن آپارتمان نویسنده

سایت ایستا تولید شده توسط سیستم مرغ ماهیخوار (سازنده سایت در پایتون). سایت‌های استاتیک سریع‌تر بارگیری می‌شوند و از CPU کمتری استفاده می‌کنند، بنابراین نسبت به صفحاتی که به‌صورت پویا تولید می‌شوند، انرژی بسیار کارآمدتری دارند. کد منبع موضوع را ببینید. اینجا.

نکته بسیار مهم فشرده سازی تصویر است، زیرا بدون این بهینه سازی تقریباً غیرممکن است که صفحات وب کوچکتر از 1 مگابایت بسازید. برای بهینه‌سازی، تصمیم گرفته شد که عکس‌ها به تصاویر نیمه‌تون تبدیل شوند. به عنوان مثال، در اینجا یک عکس از اپراتورهای تلفن زن در یک تابلوی برق در قرن گذشته است. 253 KB.

و در اینجا یک تصویر بهینه شده در مقیاس خاکستری از اندازه است 36,5 KB با سه رنگ (مشکی، سفید، خاکستری). به دلیل توهم نوری، به نظر بیننده بیش از سه رنگ وجود دارد.

عکس‌های نیم‌تنی نه تنها برای بهینه‌سازی اندازه (تصمیم نسبتاً مشکوک)، بلکه به دلایل زیبایی‌شناختی نیز انتخاب شدند. این تکنیک قدیمی پردازش تصویر دارای ویژگی های سبک خاصی است، بنابراین سایت تا حدودی طراحی منحصر به فردی دارد.

پس از بهینه سازی، 623 تصویر در وب سایت مجله Low-tech از 194,2 مگابایت به 21,3 مگابایت یعنی 89 درصد کاهش یافت.

همه مقالات قدیمی برای سهولت در نوشتن مقالات جدید و همچنین برای سهولت پشتیبان گیری از طریق به Markdown تبدیل شدند. دستگاه گوارش. تمامی اسکریپت ها و ردیاب ها و همچنین لوگوها از سایت حذف شدند. فونت پیش فرض در مرورگر مشتری استفاده می شود. به عنوان یک "لوگو" - نام مجله با حروف بزرگ با یک فلش به سمت چپ: LOW←TECH MAGAZINE. فقط 16 بایت به جای یک عکس.

در صورت خرابی، امکان "خواندن آفلاین" سازماندهی شده است: متون و تصاویر به یک فید RSS صادر می شوند. ذخیره 100% محتوا از جمله HTML فعال است.

بهینه سازی دیگر فعال کردن تنظیمات HTTP2 در nginx است که کمی ترافیک را کاهش می دهد و زمان بارگذاری صفحه را در مقایسه با HTTP/1.1 کاهش می دهد. جدول نتایج را برای پنج صفحه مختلف مقایسه می کند.

| | FP | ما | HS | FW | CW | |----------|-------|-------|-------|-------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46 ثانیه | 1.87s | 1.54 ثانیه | 1.86s | 1.89s | | HTTP2 | ساعت 1.30 | 1.49s | 1.54 ثانیه | 1.79s | 1.55 ثانیه | | تصاویر | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 | | پس انداز | 11 درصد | 21 درصد | 0% | 4 درصد | 18 درصد |

پیکربندی کامل 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;
}

نتایج 15 ماه کار

برای دوره از 12 دسامبر 2018 تا 28 نوامبر 2019، سرور نشان داد آپتایم 95,26%. این بدان معنی است که به دلیل آب و هوای بد، زمان خاموشی برای سال 399 ساعت بوده است.

اما اگر دو ماه گذشته را در نظر نگیرید، زمان آپ تایم 98,2٪ و زمان خاموشی فقط 152 ساعت بود، توسعه دهندگان می نویسند. در دو ماه گذشته زمانی که مصرف برق به دلیل به روز رسانی نرم افزار افزایش یافت، زمان کار به 80٪ کاهش یافت. هر شب سایت برای چند ساعت از کار افتاد.

طبق آمار، برای سال (از 3 دسامبر 2018 تا 24 نوامبر 2019) مصرف برق سرور 9,53 کیلووات ساعت بوده است. تلفات قابل توجهی در سیستم فتوولتائیک به دلیل تبدیل ولتاژ و تخلیه باتری ثبت شده است. کنترل کننده خورشیدی مصرف سالانه 18,10 کیلووات ساعت را نشان داد که به این معنی است که راندمان سیستم حدود 50٪ است.

نمودار ساده شده مبدل ولتاژ 12 به 5 ولت و آمپر ساعت باتری را نشان نمی دهد.

در طول دوره مطالعه، 865 بازدیدکننده منحصر به فرد از سایت بازدید کردند. با احتساب تمام تلفات انرژی در تاسیسات خورشیدی، مصرف انرژی به ازای هر بازدیدکننده منحصر به فرد 000 وات ساعت بود. بنابراین، یک کیلووات ساعت انرژی خورشیدی تولید شده برای خدمات رسانی به تقریبا 0,021 بازدیدکننده منحصر به فرد کافی است.

در طول آزمایش، پنل های خورشیدی در اندازه های مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند. جدول محاسباتی را نشان می دهد که چه مدت طول می کشد تا باتری های با ظرفیت های مختلف در هنگام استفاده از پنل های خورشیدی با اندازه های مختلف شارژ شود.

میانگین مصرف برق وب سرور در طول سال اول با احتساب تمام تلفات انرژی 1,97 وات بوده است. محاسبه نشان می دهد که اجرای یک وب سایت در طول شب در کوتاه ترین شب سال (8 ساعت و 50 دقیقه، 21 ژوئن) به 17,40 وات ساعت قدرت ذخیره سازی نیاز دارد و در طولانی ترین شب (14 ساعت و 49 دقیقه، 21 دسامبر) به 29,19 وات ساعت نیاز دارید. .XNUMX ساعت

از آنجایی که باتری های سرب اسیدی نباید کمتر از نصف ظرفیت تخلیه شوند، سرور برای زنده ماندن طولانی ترین شب با نور مطلوب در روز (60x2 وات ساعت) به یک باتری 29,19 وات ساعتی نیاز دارد. در بیشتر سال، این سیستم با یک باتری 86,4 وات ساعتی و یک پنل خورشیدی 50 واتی کار می‌کرد و سپس 95 تا 98 درصد زمان کار فوق‌الذکر به دست آمد.

آپتایم 100%

برای 100% uptime، لازم است ظرفیت باتری افزایش یابد. برای جبران یک روز آب و هوای بسیار بد (بدون تولید برق قابل توجه)، به 47,28 وات ساعت (24 ساعت × 1,97 وات) ذخیره سازی نیاز است.

از 1 دسامبر 2019 تا 12 ژانویه 2020، یک باتری 168 واتی در سیستم نصب شد که ظرفیت ذخیره سازی عملی آن 84 وات ساعت است. این فضای ذخیره سازی کافی است تا سایت را برای دو شب و یک روز فعال نگه دارد. پیکربندی در تاریک ترین دوره سال آزمایش شد، اما آب و هوا نسبتاً خوب بود - و در طول دوره مشخص شده زمان کار 100٪ بود.

اما برای تضمین 100% آپتایم برای چندین سال، باید بدترین سناریو را فراهم کنید، زمانی که هوای بد برای چندین روز ادامه دارد. محاسبه نشان می دهد که برای آنلاین نگه داشتن یک وب سایت به مدت چهار روز با تولید کم یا بدون انرژی، به یک باتری سرب اسیدی با ظرفیت 440 وات ساعت نیاز دارید که به اندازه یک باتری ماشین است.

در عمل، در شرایط آب و هوایی خوب، یک باتری سرب اسیدی 48 وات ساعتی سرور را در طول شب از مارس تا سپتامبر در حال کار نگه می دارد. یک باتری 24 وات ساعتی سرور را حداکثر تا 6 ساعت دوام می آورد، یعنی هر شب خاموش می شود، البته بسته به ماه در زمان های مختلف.

بچه های مجله فناوری کم می گویند، در کل، برخی از سایت ها نیازی به کار در شب ندارند، زمانی که تعداد بازدیدکنندگان حداقل است. به عنوان مثال، اگر این یک نشریه شهری منطقه ای است، که بازدیدکنندگان از مناطق زمانی دیگر نمی آیند، بلکه فقط ساکنان محلی هستند.

یعنی برای سایت هایی با ترافیک متفاوت و آپتایم متفاوت، باتری هایی با ظرفیت های مختلف و پنل های خورشیدی با اندازه های مختلف مورد نیاز است.

نویسنده محاسبه ای از میزان انرژی مورد نیاز برای آن ارائه می دهد تولید خود پنل های خورشیدی (انرژی تجسم یافته) و اگر این مقدار را بر طول عمر مورد انتظار 10 سال تقسیم کنید چقدر به دست می آید.

به این ترتیب می توان معادل سوخت های فسیلی مصرف شده در تولید و بهره برداری از پنل ها را محاسبه کرد. مجله فناوری پایین دریافت که در سال اول کار، سیستم آنها (پانل 50 وات، باتری 86,4 وات ساعت) تقریباً 9 کیلوگرم گازهای گلخانه ای یا معادل سوزاندن 3 لیتر بنزین تولید می کند: تقریباً مشابه یک بنزین 50 کیلومتر سفر با ماشین سواری یک ساله.

اگر سرور نه از پنل های خورشیدی، بلکه از شبکه برق عمومی تغذیه شود، به نظر می رسد که انتشار معادل شش برابر کمتر باشد: 1,54 کیلوگرم (بخش انرژی اسپانیا سهم بالایی از انرژی های جایگزین و نیروگاه های هسته ای دارد). نویسنده می نویسد، اما این مقایسه کاملاً درستی نیست، زیرا انرژی تجسم یافته زیرساخت خورشیدی را در نظر می گیرد، اما این شاخص را برای شبکه انرژی عمومی، یعنی هزینه های ساخت و پشتیبانی آن، در نظر نمی گیرد. .

بهبودهای بیشتر

در طول زمان گذشته، تعدادی بهینه سازی انجام شده است که مصرف انرژی سرور را کاهش داده است. به عنوان مثال، در یک نقطه توسعه‌دهنده متوجه شد که 6,63 ترابایت از کل 11,15 ترابایت ترافیک توسط یک اجرای نادرست فید RSS ایجاد شده است که هر چند دقیقه یک بار محتوا را می‌کشد. پس از رفع این باگ، مصرف برق سرور (به استثنای تلفات انرژی) از 1,14 وات به تقریباً 0,95 وات کاهش یافت. بهره ممکن است کوچک به نظر برسد، اما اختلاف 0,19 وات به معنای 4,56 وات ساعت در روز است که معادل بیش از 2,5 ساعت عمر باتری برای سرور است.

در طول سال اول، بهره وری تنها 50٪ بود. تلفات هنگام شارژ و تخلیه باتری (22٪) و همچنین هنگام تبدیل ولتاژ از 12 ولت (سیستم PV خورشیدی) به 5 ولت (USB) مشاهده شد که تلفات تا 28٪ بود. توسعه دهنده اذعان می کند که یک مبدل ولتاژ کمتر از حد مطلوب (کنترل کننده بدون USB داخلی) دارد، بنابراین می توانید این نقطه را بهینه کنید یا به یک نصب خورشیدی 5 ولتی تغییر دهید.

برای بهبود راندمان ذخیره‌سازی انرژی، باتری‌های سرب اسیدی را می‌توان با باتری‌های لیتیوم یونی گران‌تر جایگزین کرد که تلفات شارژ/دشارژ کمتری دارند (<10%). اکنون طراح یک کامپکت را در نظر گرفته است سیستم ذخیره انرژی در قالب هوای فشرده (CAES)، که طول عمر آن چندین دهه است، که به معنای ردپای کربن کمتر در تولید آن است.

ذخیره کننده انرژی هوای فشرده فشرده، منبع

نصب یک توربین بادی اضافی در حال بررسی است (می تواند باشد از چوب بسازید) و نصب ردیاب خورشیدی برای چرخاندن پنل ها به سمت خورشید. ردیاب به شما اجازه می دهد تا تولید برق را تا 30 درصد افزایش دهید.

راه دیگر برای افزایش کارایی سیستم، مقیاس گذاری آن است. وب سایت های بیشتری را روی سرور ایجاد کنید و سرورهای بیشتری راه اندازی کنید. سپس مصرف انرژی در هر سایت کاهش می یابد.

شرکت میزبانی خورشیدی تصویر: دیگو مارمولخو

اگر کل بالکن آپارتمان خود را با پنل های خورشیدی بپوشانید و یک شرکت میزبان وب خورشیدی افتتاح کنید، هزینه هر مشتری به طور قابل توجهی کمتر از یک وب سایت واحد خواهد بود: صرفه جویی در مقیاس.

به طور کلی، این آزمایش نشان می‌دهد که با توجه به محدودیت‌های خاص، این امکان کاملاً برای زیرساخت‌های کامپیوتری وجود دارد که با منابع انرژی تجدیدپذیر کار کنند.

از نظر تئوری، چنین سروری حتی می‌تواند بدون باتری نیز کار کند، اگر در سایر نقاط جهان منعکس شود. به عنوان مثال، نصب آینه در نیوزلند و شیلی. زمانی که در بارسلونا شب است، پنل‌های خورشیدی کار خواهند کرد.

منبع: www.habr.com