Prototipe pertama server surya dengan pengontrol muatan. Foto:
Pada bulan September 2018, seorang peminat dari Majalah Low-tech . Tujuannya adalah untuk mengurangi konsumsi energi sedemikian rupa sehingga satu panel surya akan cukup untuk server yang dihosting sendiri di rumah. Hal ini tidak mudah, karena situs harus bekerja 24 jam sehari. Mari kita lihat apa yang terjadi pada akhirnya.
Anda dapat pergi ke server , periksa konsumsi daya saat ini dan tingkat pengisian daya baterai. Situs ini dioptimalkan untuk jumlah minimum permintaan dari halaman dan lalu lintas minimal, sehingga harus tahan terhadap lonjakan lalu lintas dari Habr. Menurut perhitungan pengembang, konsumsi energi per pengunjung unik adalah 0,021 Wh.
Tepat sebelum fajar pada tanggal 31 Januari 2020, baterainya tersisa 42%. Fajar di Barcelona pukul 8:04 waktu setempat, setelah itu arus akan mengalir dari panel surya.
Kenapa?
Sepuluh tahun yang lalu para ahli bahwa perkembangan Internet berkontribusi pada “dematerialisasi” masyarakat, digitalisasi universal - dan, sebagai akibatnya, pengurangan konsumsi energi secara keseluruhan. Mereka salah. Faktanya, Internet sendiri yang menuntut , dan volume ini terus bertambah.
Perusahaan IT telah meluncurkan inisiatif untuk beralih ke sumber listrik alternatif, namun hal ini sekarang tidak mungkin dilakukan. Semua pusat data mengonsumsi energi tiga kali lebih banyak daripada yang dihasilkan oleh semua instalasi tenaga surya dan angin di dunia. Lebih buruk lagi, produksi dan penggantian panel surya dan turbin angin secara rutin , oleh karena itu, saat ini tidak mungkin meninggalkan bahan bakar fosil (minyak, gas, uranium). Namun cadangan ini tidak akan bertahan lama, jadi mau tidak mau kita harus memikirkan cara hidup dari sumber daya terbarukan. Termasuk pengoperasian infrastruktur komputer, termasuk web server.
Majalah berteknologi rendah Halaman web membengkak terlalu cepat. Ukuran halaman rata-rata meningkat dari 2010 hingga 2018 , dan untuk situs seluler - dari 0,15 MB hingga 1,6 MB, perkiraan konservatif.
Peningkatan volume lalu lintas (energi yang dibutuhkan untuk mengirimkan 1 megabyte informasi), yang menyebabkan konsumsi energi Internet terus meningkat. Situs yang lebih berat dan lebih banyak memuat tidak hanya meningkatkan beban pada infrastruktur jaringan, tetapi juga memperpendek “siklus hidup” komputer dan telepon pintar, yang harus lebih sering dibuang dan yang baru diproduksi, yang juga .
Dan tentu saja, peningkatan beban kerja disebabkan oleh gaya hidup itu sendiri: orang menghabiskan hampir seluruh waktunya di Internet dan sangat bergantung pada berbagai layanan web. Sulit membayangkan masyarakat modern tanpa infrastruktur TI cloud (jejaring sosial, pesan instan, email, dll.)
Konfigurasi server dan situs web
В Konfigurasi perangkat keras dan tumpukan perangkat lunak server web dijelaskan secara rinci.
Komputer papan tunggal dipilih karena konsumsi daya yang rendah dan fitur tambahan yang berguna seperti chip manajemen daya . Hal ini memungkinkan Anda untuk meminta statistik tentang tegangan dan arus saat ini dari papan dan baterai. Sirkuit mikro secara otomatis mengalihkan daya antara baterai dan konektor DC, tempat arus mengalir dari panel surya. Dengan demikian, pasokan listrik tanpa gangguan ke server dengan dukungan baterai dimungkinkan.
Olimex Olinuxino A20 Jeruk Nipis 2
Awalnya dipilih baterai lithium-polymer berkapasitas 6600 mAh (sekitar 24 Wh), kemudian dipasang baterai lead-acid berkapasitas 84,4 Wh.
Sistem operasi melakukan booting dari kartu SD. Meskipun OS memakan waktu tidak lebih dari 1 GB dan situs web statis berukuran sekitar 30 MB, tidak ada gunanya membeli kartu yang lebih kecil dari Kelas 10 16 GB.
Server terhubung ke Internet melalui koneksi rumah 100Mbps di Barcelona dan router konsumen standar. Alamat IP statis dicadangkan untuk itu. Hampir semua orang dapat mengatur situs seperti itu di apartemen mereka, Anda perlu sedikit mengubah pengaturan firewall untuk meneruskan port ke IP lokal:
Port 80 hingga 80 untuk HTTP Port 443 hingga 443 untuk HTTPS Port 22 hingga 22 untuk SSH
Sistem operasi berdasarkan distribusi Debian dan kernel , yang dirancang untuk papan tunggal dengan chip AllWinner.
Panel surya 50 watt untuk web server dan panel surya 10 watt untuk penerangan ruang tamu di apartemen penulis
Situs statis yang dihasilkan oleh sistem (generator situs dengan Python). Situs statis memuat lebih cepat dan menggunakan lebih sedikit CPU, sehingga lebih hemat energi dibandingkan halaman yang dibuat secara dinamis. Lihat kode sumber untuk tema tersebut. .
Poin yang sangat penting adalah kompresi gambar, karena tanpa optimasi ini hampir tidak mungkin membuat halaman web lebih kecil dari 1 megabyte. Untuk optimasi, diputuskan untuk mengubah foto menjadi gambar halftone. Sebagai contoh, berikut adalah foto operator telepon perempuan di switchboard pada abad yang lalu, .
Dan berikut adalah ukuran gambar skala abu-abu yang dioptimalkan dengan tiga warna (hitam, putih, abu-abu). Karena ilusi optik, pemirsa seolah-olah ada lebih dari tiga warna.
Foto halftone dipilih tidak hanya untuk mengoptimalkan ukuran (keputusan yang agak meragukan), tetapi juga untuk alasan estetika. Teknik pemrosesan gambar lama ini memiliki ciri gaya tertentu, sehingga situs ini memiliki desain yang agak unik.
Setelah optimasi, 623 ilustrasi di situs Majalah Low-tech berkurang ukurannya dari 194,2 MB menjadi 21,3 MB, yaitu sebesar 89%.
Semua artikel lama diubah menjadi Markdown untuk kemudahan menulis artikel baru, serta untuk kemudahan pencadangan melalui . Semua skrip dan pelacak, serta logo, telah dihapus dari situs. Font default di browser klien digunakan. Sebagai “logo” - nama majalah dengan huruf kapital dengan panah ke kiri: LOW←TECH MAGAZINE. Hanya 16 byte, bukan gambar.
Jika terjadi waktu henti, kemungkinan “membaca offline” telah diatur: teks dan gambar diekspor ke umpan RSS. Caching konten 100% diaktifkan, termasuk HTML.
Pengoptimalan lainnya adalah mengaktifkan pengaturan HTTP2 di nginx, yang sedikit mengurangi lalu lintas dan mengurangi waktu pemuatan halaman dibandingkan dengan HTTP/1.1. Tabel tersebut membandingkan hasil untuk lima halaman berbeda.
| | FP | KAMI | HS | FW | CW | |----------|-------|-------|-------|-------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46 detik | 1.87 detik | 1.54 detik | 1.86 detik | 1.89 detik | | HTTP2 | 1.30 detik | 1.49 detik | 1.54 detik | 1.79 detik | 1.55 detik | | Gambar | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 | | tabungan | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |
Konfigurasi nginx lengkap:
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;
}Hasil kerja 15 bulan
Untuk periode 12 Desember 2018 hingga 28 November 2019, server menunjukkan . Artinya, karena cuaca buruk, waktu henti dalam setahun adalah 399 jam.
Tetapi jika Anda tidak memperhitungkan dua bulan terakhir, uptime adalah 98,2%, dan downtime hanya 152 jam, tulis pengembang. Uptime turun hingga 80% dalam dua bulan terakhir ketika konsumsi daya meningkat karena pembaruan perangkat lunak. Setiap malam situs tersebut down selama beberapa jam.
Menurut statistik, untuk tahun ini (dari 3 Desember 2018 hingga 24 November 2019), konsumsi listrik server adalah 9,53 kWh. Kerugian yang signifikan dalam sistem fotovoltaik akibat konversi tegangan dan pengosongan baterai telah dicatat. Pengontrol tenaga surya menunjukkan konsumsi tahunan sebesar 18,10 kWh, yang berarti efisiensi sistem sekitar 50%.
Diagram yang disederhanakan. Itu tidak menunjukkan konverter tegangan dari 12 ke 5 volt dan meteran ampere-jam baterai
Selama periode penelitian, 865 pengunjung unik mengunjungi situs tersebut. Termasuk seluruh kehilangan energi pada instalasi tenaga surya, konsumsi energi per pengunjung unik adalah 000 Wh. Dengan demikian, satu kilowatt-jam energi matahari yang dihasilkan cukup untuk melayani hampir 0,021 pengunjung unik.
Selama percobaan, panel surya dengan ukuran berbeda diuji. Tabel tersebut menunjukkan perhitungan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai dengan kapasitas berbeda bila menggunakan panel surya dengan ukuran berbeda.
Konsumsi daya rata-rata server web selama tahun pertama, termasuk seluruh kehilangan energi, adalah 1,97 Watt. Perhitungan menunjukkan bahwa menjalankan situs web dalam semalam pada malam terpendek dalam setahun (8 jam 50 menit, 21 Juni) memerlukan daya penyimpanan 17,40 watt-jam, dan pada malam terpanjang (14 jam 49 menit, 21 Desember) Anda memerlukan 29,19 .XNUMX Apa.
Karena baterai timbal-asam tidak boleh habis di bawah setengah kapasitasnya, server memerlukan baterai 60 Wh untuk bertahan di malam hari terpanjang dengan cahaya siang hari yang optimal (2x29,19 Wh). Hampir sepanjang tahun, sistem ini bekerja dengan baterai 86,4 Wh dan panel surya 50 watt, dan kemudian waktu aktif 95-98% yang disebutkan di atas tercapai.
Waktu aktif 100%
Untuk uptime 100%, perlu dilakukan penambahan kapasitas baterai. Untuk mengimbangi cuaca buruk selama satu hari (tanpa pembangkitan listrik yang signifikan), diperlukan penyimpanan sebesar 47,28 watt-jam (24 jam × 1,97 watt).
Mulai 1 Desember 2019 hingga 12 Januari 2020, baterai 168 watt dipasang di sistem, yang memiliki kapasitas penyimpanan praktis 84 watt-jam. Penyimpanan ini cukup untuk menjaga situs tetap berjalan selama dua malam satu hari. Konfigurasi ini diuji selama periode paling gelap dalam setahun, namun cuacanya relatif baik - dan selama periode yang ditentukan, waktu aktifnya adalah 100%.
Namun untuk menjamin 100% uptime selama beberapa tahun, Anda harus memperhitungkan skenario terburuk, ketika cuaca buruk berlanjut selama beberapa hari. Perhitungan menunjukkan bahwa untuk menjaga situs web tetap online selama empat hari dengan pembangkitan energi rendah atau tanpa pembangkitan energi, Anda memerlukan baterai timbal-asam dengan kapasitas 440 watt-jam, yang setara dengan baterai mobil.
Dalam praktiknya, dalam kondisi cuaca yang baik, baterai timbal-asam 48 Wh akan menjaga server tetap berjalan semalaman dari bulan Maret hingga September. Baterai 24 Wh akan bertahan pada server maksimal 6 jam, artinya server akan mati setiap malam, meskipun pada waktu yang berbeda-beda tergantung bulannya.
Pada umumnya, beberapa situs tidak perlu bekerja pada malam hari, ketika jumlah pengunjung minim, kata orang-orang dari Majalah Low-tech. Misalnya saja publikasi kota daerah, yang tidak datang adalah pengunjung dari zona waktu lain, melainkan hanya warga sekitar.
Artinya, untuk situs dengan lalu lintas berbeda dan waktu aktif berbeda, diperlukan baterai dengan kapasitas berbeda dan panel surya dengan ukuran berbeda.
Penulis memberikan perhitungan berapa besar energi yang dibutuhkan produksi panel surya itu sendiri (energi yang terkandung) dan berapa besar hasilnya jika Anda membagi jumlah ini dengan perkiraan masa pakai 10 tahun.
Dengan cara ini, dimungkinkan untuk menghitung jumlah bahan bakar fosil yang dikonsumsi dalam produksi dan pengoperasian panel. Majalah Teknologi Rendah menemukan bahwa pada tahun pertama pengoperasian, sistem mereka (panel 50 W, baterai 86,4 Wh) “menghasilkan” sekitar 9 kg emisi, atau setara dengan pembakaran 3 liter bensin: hampir sama dengan 50- perjalanan km mobil penumpang berusia satu tahun.
Jika server ditenagai bukan dari panel surya, tetapi dari jaringan listrik umum, maka emisi setaranya tampaknya enam kali lebih rendah: 1,54 kg (sektor energi Spanyol memiliki pangsa energi alternatif dan pembangkit listrik tenaga nuklir yang tinggi). Namun perbandingan ini tidak sepenuhnya benar, tulis penulis, karena perbandingan ini memperhitungkan energi yang terkandung dalam infrastruktur tenaga surya, namun tidak memperhitungkan indikator ini untuk jaringan energi umum, yaitu biaya pembangunan dan dukungannya. .
Perbaikan lebih lanjut
Selama ini, sejumlah optimasi telah dilakukan yang telah mengurangi konsumsi daya server. Misalnya, pada suatu saat pengembang memperhatikan bahwa 6,63 TB dari total 11,15 TB lalu lintas dihasilkan oleh satu penerapan umpan RSS yang salah yang menarik konten setiap beberapa menit. Setelah perbaikan bug ini, konsumsi daya server (tidak termasuk kehilangan energi) menurun dari 1,14 W menjadi sekitar 0,95 W. Keuntungannya mungkin tampak kecil, namun perbedaan sebesar 0,19 W berarti 4,56 watt-jam per hari, yang setara dengan lebih dari 2,5 jam masa pakai baterai untuk server.
Pada tahun pertama, efisiensi hanya 50%. Kerugian diamati saat pengisian dan pengosongan baterai (22%), serta saat mengubah tegangan dari 12 V (sistem PV surya) menjadi 5 V (USB), di mana kerugian mencapai 28%. Pengembang mengakui bahwa ia memiliki konverter tegangan suboptimal (pengontrol tanpa USB internal), sehingga Anda dapat mengoptimalkan titik ini atau beralih ke instalasi surya 5V.
Untuk meningkatkan efisiensi penyimpanan energi, baterai timbal-asam dapat diganti dengan baterai litium-ion yang lebih mahal, yang memiliki kehilangan pengisian/pengosongan lebih rendah (<10%). Kini sang desainer sedang mempertimbangkan sebuah compact (CAES), yang mempunyai jangka hidup selama beberapa dekade, yang berarti jejak karbon lebih kecil pada produksinya.
Akumulator energi udara terkompresi yang ringkas,
Pemasangan turbin angin tambahan sedang dipertimbangkan (bisa jadi ) dan memasang pelacak surya untuk mengarahkan panel ke arah matahari. Pelacak memungkinkan Anda meningkatkan produksi listrik sebesar 30%.
Cara lain untuk meningkatkan efisiensi sistem adalah dengan menskalakannya. Tingkatkan lebih banyak situs web di server dan luncurkan lebih banyak server. Maka konsumsi energi per lokasi akan berkurang.
Perusahaan hosting tenaga surya. Ilustrasi: Diego Marmolejo
Jika Anda menutupi seluruh balkon apartemen Anda dengan panel surya dan membuka perusahaan web hosting tenaga surya, biaya per pelanggan akan jauh lebih rendah dibandingkan dengan satu situs web: skala ekonomi.
Secara keseluruhan, eksperimen ini menunjukkan bahwa, dengan adanya keterbatasan tertentu, infrastruktur komputer dapat dijalankan dengan menggunakan sumber energi terbarukan.
Secara teoritis, server semacam itu bahkan dapat berfungsi tanpa baterai jika diterapkan di belahan dunia lain. Misalnya, memasang kaca spion di Selandia Baru dan Chili. Di sana panel surya akan berfungsi saat malam hari di Barcelona.
Sumber: www.habr.com