Il primo prototipo di server solare con regolatore di carica. Foto:
Nel settembre 2018, un appassionato di Low-tech Magazine . L'obiettivo era ridurre il consumo di energia a tal punto che un pannello solare sarebbe sufficiente per un server domestico ospitato autonomamente. Questo non è facile, perché il sito deve funzionare 24 ore su XNUMX. Vediamo cosa è successo alla fine.
Puoi andare al server , controllare il consumo energetico attuale e il livello di carica della batteria. Il sito è ottimizzato per un numero minimo di richieste dalla pagina e un traffico minimo, quindi dovrebbe resistere a un aumento del traffico da Habr. Secondo i calcoli dello sviluppatore, il consumo energetico per visitatore unico è di 0,021 Wh.
Poco prima dell’alba del 31 gennaio 2020, la batteria rimaneva al 42%. Alba a Barcellona alle 8:04 ora locale, dopodiché la corrente dovrebbe fluire dal pannello solare.
Perché?
Dieci anni fa gli esperti che lo sviluppo di Internet contribuisce alla “dematerializzazione” della società, alla digitalizzazione universale e, di conseguenza, a una riduzione del consumo energetico complessivo. Si sbagliavano. In effetti, Internet stessa lo richiedeva , e questi volumi continuano a crescere.
Le aziende IT hanno lanciato iniziative per passare a fonti di energia alternative, ma ora questo è impossibile. Tutti i data center consumano tre volte più energia di quella generata da tutti gli impianti solari ed eolici del mondo. Ancor peggio, la produzione e la sostituzione regolare di pannelli solari e turbine eoliche , quindi, oggi è semplicemente impossibile abbandonare i combustibili fossili (petrolio, gas, uranio). Ma queste riserve non dureranno a lungo, quindi dovremo inevitabilmente pensare a come vivere grazie alle fonti rinnovabili. Compresa la gestione dell'infrastruttura informatica, compresi i server web.
Rivista a bassa tecnologia Le pagine web si gonfiano troppo velocemente. La dimensione media della pagina è aumentata dal 2010 al 2018 e per i siti mobili: da 0,15 MB a 1,6 MB, una stima conservativa.
Aumento dei volumi di traffico (l'energia necessaria per trasmettere 1 megabyte di informazioni), che provoca un costante aumento del consumo energetico di Internet. I siti più pesanti e caricati non solo aumentano il carico sull’infrastruttura di rete, ma accorciano anche il “ciclo di vita” di computer e smartphone, che devono essere buttati via più spesso e produrne di nuovi, che inoltre .
E, naturalmente, l’aumento del carico di lavoro è creato dallo stile di vita stesso: le persone trascorrono quasi tutto il loro tempo su Internet e fanno molto affidamento su vari servizi web. È già difficile immaginare la società moderna senza infrastrutture IT cloud (social network, messaggistica istantanea, posta, ecc.)
Configurazione server e sito web
В La configurazione hardware e lo stack software del web server sono descritti in dettaglio.
Computer a scheda singola scelto per il basso consumo energetico e utili funzionalità aggiuntive come il chip di gestione dell'alimentazione . Permette di richiedere statistiche sulla tensione attuale e sulla corrente proveniente dalla scheda e dalla batteria. Il microcircuito commuta automaticamente l'alimentazione tra la batteria e il connettore CC, dove scorre la corrente dal pannello solare. Pertanto è possibile l'alimentazione ininterrotta del server con il supporto della batteria.
Olimex Olinuxino A20 Calce 2
Inizialmente è stata scelta una batteria ai polimeri di litio con una capacità di 6600 mAh (circa 24 Wh), quindi è stata installata una batteria al piombo con una capacità di 84,4 Wh.
Il sistema operativo si avvia dalla scheda SD. Anche se il sistema operativo occupa non più di 1 GB e il sito web statico è di circa 30 MB, non aveva senso economico acquistare una scheda più piccola di una Classe 10 da 16 GB.
Il server si connette a Internet tramite una connessione domestica da 100 Mbps a Barcellona e un router consumer standard. A questo è riservato un indirizzo IP statico. Quasi chiunque può configurare un sito del genere nel proprio appartamento; è necessario modificare leggermente le impostazioni del firewall per inoltrare le porte all'IP locale:
Porta da 80 a 80 per HTTP Porta da 443 a 443 per HTTPS Porta da 22 a 22 per SSH
Sistema operativo basato sulla distribuzione e sul kernel Debian , progettato per schede singole con chip AllWinner.
Un pannello solare da 50 watt per un web server e un pannello solare da 10 watt per l'illuminazione del soggiorno nell'appartamento dell'autore
Sito statico generato dal sistema (generatore di siti in Python). I siti statici si caricano più velocemente e richiedono meno utilizzo della CPU, quindi sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle pagine generate dinamicamente. Vedi il codice sorgente del tema. .
Un punto molto importante è la compressione delle immagini, poiché senza questa ottimizzazione è quasi impossibile rendere le pagine web più piccole di 1 megabyte. Per l'ottimizzazione si è deciso di convertire le fotografie in immagini a mezzitoni. Ecco ad esempio una fotografia di operatrici telefoniche su un centralino nel secolo scorso, .
Ed ecco un'immagine in scala di grigi ottimizzata delle dimensioni con tre colori (nero, bianco, grigio). A causa dell'illusione ottica, allo spettatore sembra che ci siano più di tre colori.
Le fotografie a mezzitoni sono state scelte non solo per ottimizzare le dimensioni (una decisione piuttosto dubbia), ma anche per ragioni estetiche. Questa vecchia tecnica di elaborazione delle immagini ha alcune caratteristiche stilistiche, quindi il sito ha un design alquanto unico.
Dopo l'ottimizzazione, le dimensioni di 623 illustrazioni sul sito web della rivista Low-tech Magazine sono diminuite da 194,2 MB a 21,3 MB, ovvero dell'89%.
Tutti i vecchi articoli sono stati convertiti in Markdown per facilitare la scrittura di nuovi articoli e per facilitare il backup tramite . Tutti gli script e i tracker, nonché i loghi, sono stati rimossi dal sito. Viene utilizzato il carattere predefinito nel browser del client. Come “logo” - il nome della rivista in maiuscolo con una freccia a sinistra: LOW←TECH MAGAZINE. Solo 16 byte invece di un'immagine.
In caso di inattività è stata organizzata la possibilità di “lettura offline”: testi e immagini vengono esportati in un feed RSS. È abilitata la memorizzazione nella cache del contenuto al 100%, incluso HTML.
Un'altra ottimizzazione è l'abilitazione delle impostazioni HTTP2 in nginx, che riduce leggermente il traffico e riduce il tempo di caricamento della pagina rispetto a HTTP/1.1. La tabella confronta i risultati di cinque pagine diverse.
| | F.P. | NOI | SA | FW | CW | |----------|-------|-------|-------|-------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46 | 1.87 | 1.54 | 1.86 | 1.89 | | HTTP2 | 1.30:1.49 | 1.54 | 1.79 | 1.55 | 9 | | Immagini | 21| 11| 19| 23| 11| | risparmio | 21% | 0% | 4% | 18%| XNUMX%|
Configurazione completa di 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;
}Risultati di 15 mesi di lavoro
Per il periodo dal 12 dicembre 2018 al 28 novembre 2019, il server ha mostrato . Ciò significa che a causa del maltempo il fermo macchina per l'anno è stato di 399 ore.
Ma se non si prendono in considerazione gli ultimi due mesi, il tempo di attività è stato del 98,2% e il tempo di inattività è stato di sole 152 ore, scrivono gli sviluppatori. Il tempo di attività è sceso all'80% negli ultimi due mesi quando il consumo energetico è aumentato a causa di un aggiornamento del software. Ogni notte il sito rimaneva inattivo per diverse ore.
Secondo le statistiche, per l’anno (dal 3 dicembre 2018 al 24 novembre 2019), il consumo di elettricità del server è stato di 9,53 kWh. Sono state registrate perdite significative nell'impianto fotovoltaico dovute alla conversione della tensione e allo scaricamento della batteria. Il regolatore solare ha mostrato un consumo annuo di 18,10 kWh, il che significa che l'efficienza del sistema è di circa il 50%.
Diagramma semplificato. Non presenta un convertitore di tensione da 12 a 5 volt e un misuratore di amperora della batteria
Durante il periodo di studio, il sito è stato visitato da 865 visitatori unici. Includendo tutte le perdite di energia nell'impianto solare, il consumo energetico per visitatore unico è stato di 000 Wh. Pertanto, un kilowattora di energia solare generata è sufficiente per servire quasi 0,021 visitatori unici.
Durante l'esperimento sono stati testati pannelli solari di diverse dimensioni. La tabella mostra i calcoli del tempo necessario per caricare batterie di diverse capacità quando si utilizzano pannelli solari di diverse dimensioni.
Il consumo energetico medio del server web durante il primo anno, comprese tutte le perdite energetiche, è stato di 1,97 Watt. Il calcolo mostra che l'esecuzione di un sito web durante la notte nella notte più breve dell'anno (8 ore e 50 minuti, 21 giugno) richiede 17,40 wattora di energia di stoccaggio, mentre nella notte più lunga (14 ore 49 minuti, 21 dicembre) ne servono 29,19 .XNUMXWh.
Poiché le batterie al piombo non dovrebbero scaricarsi al di sotto della metà della capacità, il server richiede una batteria da 60 Wh per sopravvivere alla notte più lunga con una luce diurna ottimale (2x29,19 Wh). Per la maggior parte dell'anno, il sistema ha funzionato con una batteria da 86,4 Wh e un pannello solare da 50 watt, e poi è stato raggiunto il suddetto tempo di attività del 95-98%.
Tempo di attività 100%
Per un tempo di attività del 100%, è necessario aumentare la capacità della batteria. Per compensare un giorno di tempo molto brutto (senza una significativa produzione di energia), sono necessari 47,28 wattora (24 ore × 1,97 watt) di accumulo.
Dal 1 dicembre 2019 al 12 gennaio 2020 nel sistema è stata installata una batteria da 168 watt, che ha una capacità di accumulo pratica di 84 wattora. Questo spazio di archiviazione è sufficiente per mantenere il sito in funzione per due notti e un giorno. La configurazione è stata testata durante il periodo più buio dell'anno, ma il tempo era relativamente buono e durante il periodo specificato il tempo di attività è stato del 100%.
Ma per garantire un uptime del 100% per diversi anni, dovrai prevedere lo scenario peggiore, quando il maltempo persiste per diversi giorni. Il calcolo mostra che per mantenere un sito web online per quattro giorni con una produzione di energia bassa o nulla, sarebbe necessaria una batteria al piombo con una capacità di 440 wattora, che è la dimensione di una batteria per auto.
In pratica, in condizioni meteorologiche favorevoli, una batteria al piombo da 48 Wh manterrà il server in funzione durante la notte da marzo a settembre. Una batteria da 24 Wh durerà per un massimo di 6 ore, il che significa che si spegnerà ogni notte, anche se in orari diversi a seconda del mese.
In generale, alcuni siti non hanno bisogno di funzionare di notte, quando il numero di visitatori è minimo, dicono i ragazzi di Low-tech Magazine. Ad esempio, se si tratta di una pubblicazione cittadina regionale, dove non arrivano visitatori da altri fusi orari, ma solo residenti locali.
Cioè, per siti con traffico diverso e tempi di attività diversi, sono necessarie batterie di capacità diverse e pannelli solari di dimensioni diverse.
L'autore fornisce un calcolo di quanta energia è necessaria produzione i pannelli solari stessi (energia incorporata) e quanto risulta se si divide tale importo per la durata di servizio prevista di 10 anni.
In questo modo è possibile calcolare l'equivalente di combustibili fossili consumati nella produzione e nel funzionamento dei pannelli. Low-tech Magazine ha scoperto che nel primo anno di funzionamento, il loro sistema (pannello da 50 W, batteria da 86,4 Wh) “generava” circa 9 kg di emissioni, ovvero l’equivalente di bruciare 3 litri di benzina: più o meno la stessa quantità di un 50- km di viaggio dell'auto di un anno.
Se il server non è alimentato da pannelli solari, ma dalla rete elettrica generale, le emissioni equivalenti sembrano essere sei volte inferiori: 1,54 kg (il settore energetico spagnolo ha un'elevata quota di energie alternative e centrali nucleari). Ma questo non è un confronto del tutto corretto, scrive l'autore, perché tiene conto dell'energia incorporata nell'infrastruttura solare, ma non tiene conto di questo indicatore per la rete energetica generale, cioè dei costi della sua costruzione e del suo mantenimento. .
Ulteriori miglioramenti
Negli ultimi tempi sono state apportate numerose ottimizzazioni che hanno ridotto il consumo energetico del server. Ad esempio, a un certo punto lo sviluppatore ha notato che 6,63 TB dei 11,15 TB totali di traffico erano generati da un'implementazione errata del feed RSS che attirava contenuti ogni pochi minuti. Dopo aver corretto questo bug, il consumo energetico del server (escluse le perdite di energia) è diminuito da 1,14 W a circa 0,95 W. Il guadagno può sembrare piccolo, ma una differenza di 0,19 W significa 4,56 wattora al giorno, che corrisponde a più di 2,5 ore di autonomia della batteria per il server.
Durante il primo anno l'efficienza era solo del 50%. Sono state osservate perdite durante la carica e la scarica della batteria (22%), nonché durante la conversione della tensione da 12 V (impianto solare fotovoltaico) a 5 V (USB), dove le perdite sono arrivate fino al 28%. Lo sviluppatore ammette di avere un convertitore di tensione non ottimale (controller senza USB integrata), quindi puoi ottimizzare questo punto o passare a un'installazione solare da 5 V.
Per migliorare l’efficienza di accumulo dell’energia, le batterie al piombo possono essere sostituite con batterie agli ioni di litio più costose, che hanno perdite di carica/scarica inferiori (<10%). Ora il progettista sta valutando una compatta (CAES), che ha una durata di decenni, il che significa un’impronta di carbonio inferiore sulla sua produzione.
Accumulatore di energia compatto ad aria compressa,
Si sta valutando l'installazione di una turbina eolica aggiuntiva (può essere ) e installando un inseguitore solare per orientare i pannelli verso il sole. Il localizzatore consente di aumentare la produzione di energia elettrica del 30%.
Un altro modo per aumentare l’efficienza del sistema è ridimensionarlo. Crea più siti Web sul server e avvia più server. Quindi il consumo di energia per sito diminuirà.
Società di hosting solare. Illustrazione: Diego Marmolejo
Se copri l’intero balcone del tuo appartamento con pannelli solari e apri una società di web hosting solare, il costo per cliente sarà notevolmente inferiore rispetto a quello di un singolo sito web: economie di scala.
Nel complesso, questo esperimento dimostra che, date alcune limitazioni, è del tutto possibile che l’infrastruttura informatica funzioni con fonti di energia rinnovabile.
In teoria, un server del genere potrebbe fare a meno della batteria se replicato in altre parti del mondo. Ad esempio, installa mirror in Nuova Zelanda e Cile. I pannelli solari funzioneranno quando è notte a Barcellona.
Fonte: habr.com