チャージコントローラーを搭載したソーラーサーバーの試作第一号機。写真： ソーラー.lowtechmagazine.com

2018年XNUMX月、ローテクマガジンの愛好家 「ローテク」Web サーバー プロジェクトを立ち上げた。目標は、エネルギー消費を大幅に削減して、家庭用のセルフホスト サーバーにソーラー パネル 24 枚で十分になるようにすることでした。サイトは XNUMX 時間稼働する必要があるため、これは簡単ではありません。結局何が起こったのか見てみましょう。

サーバーにアクセスできます ソーラー.lowtechmagazine.com、現在の電力消費量とバッテリーの充電レベルを確認します。このサイトは、ページからのリクエスト数とトラフィックを最小限に抑えるように最適化されているため、Habr からのトラフィックの急増に耐えることができます。開発者の計算によると、ユニーク訪問者あたりのエネルギー消費量は 0,021 Wh です。

31年2020月42日未明、バッテリー残量は8％だった。現地時間04:XNUMXにバルセロナの夜明け。その後、ソーラーパネルから電流が流れるはずです。

なぜですか？

10年前の専門家 予測されたインターネットの発展は社会の「非物質化」、普遍的なデジタル化に貢献し、その結果、全体的なエネルギー消費量の削減に貢献します。彼らは間違っていました。実際、インターネット自体が要求していた 膨大な量のエネルギー供給、そしてこれらのボリュームは増加し続けています。

IT企業は代替電源への切り替えに向けた取り組みを始めたが、それはもはや不可能だ。すべてのデータセンターは、世界中のすべての太陽光発電および風力発電設備が生成するエネルギーの 3 倍のエネルギーを消費します。さらに悪いことに、ソーラーパネルと風力タービンの生産と定期的な交換が必要です。 エネルギーも必要ですしたがって、化石燃料（石油、ガス、ウラン）を放棄することは今日ではまったく不可能です。しかし、これらの埋蔵量は長くは続かないので、私たちは必然的に再生可能資源で生活する方法を考えなければなりません。 Web サーバーを含むコンピューター インフラストラクチャの運用が含まれます。

ローテクマガジン それを問題だと考えている Web ページは急速に肥大化します。 2010 年から 2018 年にかけて平均ページ サイズが増加 0,45MBから1,7MBまで、モバイル サイトの場合は、控えめな見積もりで 0,15 MB ～ 1,6 MB です。

交通量の増加 エネルギー効率の進歩を上回る (1 メガバイトの情報を送信するのに必要なエネルギー)、これによりインターネットのエネルギー消費量が継続的に増加します。サイトの重さと負荷が増加すると、ネットワーク インフラストラクチャの負荷が増加するだけでなく、コンピュータやスマートフォンの「ライフ サイクル」が短くなり、より頻繁に廃棄し、新しいものを作成する必要が生じます。 非常にエネルギーを消費するプロセス.

そしてもちろん、仕事量の増加はライフスタイルそのものによってもたらされます。人々はほぼすべての時間をインターネットに費やし、さまざまな Web サービスに大きく依存しています。クラウド IT インフラストラクチャ (ソーシャル ネットワーク、インスタント メッセンジャー、メールなど) のない現代社会を想像することはすでに困難です。

サーバーとウェブサイトの構成

В この記事 Webサーバーのハードウェア構成とソフトウェアスタックについて詳しく説明します。

シングルボードコンピュータ オリメックス オリヌキシーノ A20 ライム 2 低消費電力と電源管理チップなどの便利な追加機能を考慮して選ばれました AXP209。ボードとバッテリーの現在の電圧と電流に関する統計をリクエストできます。マイクロ回路は、バッテリーとソーラーパネルから電流が流れるDCコネクタの間で電力を自動的に切り替えます。したがって、バッテリをサポートするサーバーへの無停電電源供給が可能です。

オリメックス オリヌキシーノ A20 ライム 2

当初、バッテリーとして容量6600mAh（約24Wh）のリチウムポリマーバッテリーが選択され、次に容量84,4Whの鉛蓄電池が搭載されました。

オペレーティング システムは SD カードから起動します。 OS は 1 GB 未満しか占有せず、静的 Web サイトは約 30 MB ですが、クラス 10 の 16 GB より小さいカードを購入するのは経済的意味がありませんでした。

このサーバーは、バルセロナの 100Mbps の家庭用接続と標準的な消費者向けルーターを介してインターネットに接続します。静的 IP アドレスが予約されています。ほとんどの人がアパート内にこのようなサイトをセットアップできますが、ポートをローカル IP に転送するには、ファイアウォールの設定を少し変更する必要があります。

HTTP 用のポート 80 ～ 80
HTTPS 用のポート 443 ～ 443
SSH 用のポート 22 ～ 22

オペレーティングシステム アルビアンストレッチ Debian ディストリビューションとカーネルに基づく 孫西市、AllWinner チップを搭載した単一ボード用に設計されています。

Web サーバー用の 50 ワットのソーラー パネルと、著者のアパートのリビング ルームの照明用の 10 ワットのソーラー パネル

システムによって生成された静的サイト ペリカン (Python のサイト ジェネレーター)。静的サイトは読み込みが速く、CPU の使用量が少ないため、動的に生成されるページよりもはるかにエネルギー効率が高くなります。テーマのソースコードを参照してください。 ここで.

非常に重要な点は画像圧縮です。この最適化がなければ、Web ページを 1 MB より小さくすることはほぼ不可能であるためです。最適化のために、写真をハーフトーン画像に変換することが決定されました。たとえば、これは前世紀に交換台にいる女性電話交換手の写真です。 253 KB.

そして、これはサイズが最適化されたグレースケール画像です 36,5 KB 3色（黒、白、グレー）があります。目の錯覚により、見る人には 3 つ以上の色があるように見えます。

ハーフトーン写真は、サイズを最適化するため (かなり疑わしい決定) だけでなく、美的理由からも選択されました。この古い画像処理技術には特定の文体的特徴があるため、サイトのデザインはやや独特になっています。

最適化後、Low-tech Magazine Web サイト上の 623 点のイラストのサイズは 194,2 MB から 21,3 MB に、つまり 89% 減少しました。

新しい記事を書きやすくするため、また、バックアップを容易にするために、古い記事はすべて Markdown に変換されました。 git。すべてのスクリプトとトラッカー、およびロゴがサイトから削除されました。クライアントのブラウザのデフォルトのフォントが使用されます。 「ロゴ」として、雑誌名を大文字で左に矢印を付けたもの: LOW←TECH MAGAZINE。画像の代わりにわずか 16 バイトです。

ダウンタイムの場合に備えて、テキストと画像が RSS フィードにエクスポートされる「オフライン閲覧」の可能性が用意されています。 HTML を含む 100% のコンテンツのキャッシュが有効になります。

もう 2 つの最適化は、nginx で HTTP1.1 設定を有効にすることです。これにより、HTTP/XNUMX と比較してトラフィックがわずかに減少し、ページの読み込み時間が短縮されます。この表では、XNUMX つの異なるページの結果を比較しています。

| | FP |私たち | HS | FW | CW |
|----------|----------|----------|----------|----------|------ -|
| HTTP/1.1 | 1.46秒 | 1.87秒 | 1.54秒 | 1.86秒 | 1.89秒 |
| HTTP2 | 1.30秒 | 1.49秒 | 1.54秒 | 1.79秒 | 1.55秒 |
|画像 | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 |
|貯蓄 | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |

完全な nginx 構成:

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ヶ月の取り組みの成果

12 年 2018 月 28 日から 2019 年 XNUMX 月 XNUMX 日までの期間、サーバーは次のように表示しました。 稼働率 95,26%。これは、悪天候による年間のダウンタイムが 399 時間だったことを意味します。

しかし、過去 98,2 か月を考慮しない場合、稼働時間は 152% で、ダウンタイムはわずか 80 時間であったと開発者は書いています。ソフトウェア更新により消費電力が増加した過去 XNUMX か月間、稼働時間は XNUMX% に低下しました。サイトは毎晩数時間ダウンしました。

統計によると、年間 (3 年 2018 月 24 日から 2019 年 9,53 月 18,10 日まで) のサーバーの電力消費量は 50 kWh でした。電圧変換とバッテリーの放電による太陽光発電システムの重大な損失が記録されています。ソーラー コントローラーの年間消費量は XNUMX kWh でした。これは、システム効率が約 XNUMX% であることを意味します。

簡略化した図。 12 ボルトから 5 ボルトへの電圧変換器とバッテリー電流量計は表示されていません。

調査期間中、865 人のユニーク訪問者がサイトを訪問しました。太陽光発電設備でのすべてのエネルギー損失を含めると、ユニーク訪問者あたりのエネルギー消費量は 000 Wh でした。したがって、生成される 0,021 キロワット時の太陽エネルギーは、ほぼ 50 人のユニーク訪問者にサービスを提供するのに十分です。

実験では、さまざまなサイズのソーラーパネルがテストされました。この表は、さまざまなサイズのソーラーパネルを使用した場合に、さまざまな容量のバッテリーを充電するのにかかる時間を計算したものです。

すべてのエネルギー損失を含む、最初の 1,97 年間の Web サーバーの平均消費電力は 8 ワットでした。計算によると、夜間に Web サイトを実行するには、一年で最も夜が短い日 (50 月 21 日の 17,40 時間 14 分) には 49 ワット時のストレージ電力が必要で、最も長い夜 (21 月 29,19 日の XNUMX 時間 XNUMX 分) には XNUMX ワット時のストレージ電力が必要になります。 .XNUMXWh。

鉛蓄電池は容量の半分以下で放電してはいけないため、サーバーは最適な昼間の光 (60x2 Wh) で長時間の夜を乗り切るために 29,19 Wh のバッテリーを必要とします。年間のほとんどの期間、システムは 86,4 Wh のバッテリーと 50 ワットのソーラー パネルで動作し、前述の 95 ～ 98% の稼働率が達成されました。

稼働時間 100%

稼働時間を 100% にするには、バッテリー容量を増やす必要があります。 47,28 日の非常に悪い天候 (大きな発電が行われない場合) を補うには、24 ワット時 (1,97 時間 × XNUMX ワット) の蓄電が必要です。

1年2019月12日から2020年168月84日まで、100ワットのバッテリーがシステムに設置され、実用的な蓄電容量はXNUMXワット時でした。これは、サイトを XNUMX 泊 XNUMX 日運営し続けるのに十分なストレージです。この構成は、一年で最も暗い時期にテストされましたが、天候は比較的良好で、指定された期間中の稼働時間は XNUMX% でした。

ただし、数年間にわたって 100% の稼働時間を保証するには、悪天候が数日間続くという最悪のシナリオに備える必要があります。この計算によると、エネルギー生成が少ない、またはまったくない状態で Web サイトを 440 日間オンラインに保つには、車のバッテリーと同じサイズの XNUMX ワット時容量の鉛蓄電池が必要になります。

実際には、気象条件が良好であれば、48 Wh の鉛蓄電池で 24 月から 6 月まで一晩サーバーを稼働し続けることができます。 XNUMX Wh のバッテリーはサーバーを最大 XNUMX 時間持続します。つまり、サーバーは月によって異なりますが、毎晩シャットダウンします。

Low-tech Magazineの担当者らによると、サイトによっては概して、訪問者数が最小限の夜間は作業する必要がないという。たとえば、これが地方都市の出版物で、他の時間帯からの訪問者は来ず、地元住民のみが来る場合です。

つまり、トラフィックや稼働時間が異なるサイトでは、異なる容量のバッテリーと異なるサイズのソーラー パネルが必要になります。

著者は、どのくらいのエネルギーが必要になるかの計算を提供しています。 生産 ソーラーパネル自体のエネルギー（エネルギー）と、この量を予想耐用年数10年で割るといくらになるか。

このようにして、パネルの生産および運用で消費される化石燃料の等量を計算することができます。 Low-tech Magazine は、稼働初年度に、システム (50 W パネル、86,4 Wh バッテリー) が約 9 kg の排出量を「生成」したことを発見しました。これは、3 リットルのガソリンの燃焼に相当します。これは、50 リットルのガソリンとほぼ同じ量です。 XNUMX年前の車の走行距離。

サーバーがソーラーパネルからではなく一般の電力網から電力を供給されている場合、同等の排出量は 1,54 分の XNUMX kg であると思われます (スペインのエネルギー部門は代替エネルギーと原子力発電所のシェアが高い)。しかし、これは完全に正しい比較ではないと著者は書いています。なぜなら、この比較は太陽光インフラの具体化されたエネルギーを考慮に入れていますが、一般的なエネルギーネットワークのこの指標、つまりその建設とサポートのコストを考慮していないからです。 。

さらなる改良

これまでに、サーバーの消費電力を削減するために多くの最適化が行われてきました。たとえば、開発者はある時点で、合計 6,63 TB のトラフィックのうち 11,15 TB が、数分ごとにコンテンツを取得する 1,14 つの誤った RSS フィード実装によって生成されていることに気づきました。このバグを修正した後、サーバーの消費電力 (エネルギー損失を除く) は 0,95 W から約 0,19 W に減少しました。このゲインは小さいように思えるかもしれませんが、4,56 W の差は 2,5 日あたり XNUMX ワット時を意味し、これはサーバーのバッテリー寿命が XNUMX 時間以上に相当します。

最初の 50 年間、効率はわずか 22% でした。バッテリーの充電時と放電時 (12%)、および電圧を 5 V (太陽光発電システム) から 28 V (USB) に変換するときに損失が観察され、損失は最大 5% でした。開発者は、最適ではない電圧コンバータ（USBが内蔵されていないコントローラ）を使用していることを認めているため、この点を最適化するか、XNUMXVの太陽光発電設備に切り替えることができます。

エネルギー貯蔵効率を向上させるために、鉛蓄電池を充放電損失が少ない (10% 未満) より高価なリチウムイオン電池に置き換えることができます。現在、設計者はコンパクトな製品を検討しています。 圧縮空気の形のエネルギー貯蔵システム (CAES) は数十年の寿命を持ち、生産における二酸化炭素排出量が少なくなります。

コンパクトな圧縮空気エネルギー蓄積器、 ソース

追加の風力タービンの設置が検討されています（ 木から作る）そしてソーラートラッカーを設置してパネルを太陽に向けます。トラッカーを使用すると、発電量を 30% 増やすことができます。

システムの効率を高めるもう 1 つの方法は、システムを拡張することです。サーバー上にさらに多くの Web サイトを立ち上げ、さらに多くのサーバーを起動します。そうすれば、サイトあたりのエネルギー消費量は減少します。

太陽光発電ホスティング会社。イラスト: ディエゴ・マルモレホ

アパートのバルコニー全体をソーラーパネルで覆い、ソーラーウェブホスティング会社を設立すれば、顧客あたりのコストは単一のウェブサイトよりも大幅に低くなり、規模のメリットが得られます。

全体として、この実験は、一定の制限があれば、コンピュータ インフラストラクチャを再生可能エネルギー源で実行することが完全に可能であることを示しています。

理論的には、このようなサーバーは、世界の他の地域にミラーリングされていれば、バッテリーなしでも機能します。たとえば、ニュージーランドとチリに鏡を設置します。バルセロナでは夜になるとソーラーパネルが作動します。

出所： habr.com