충전 컨트롤러를 갖춘 태양광 서버의 첫 번째 프로토타입입니다. 사진: Solar.lowtechmagazine.com

2018년 XNUMX월, Low-tech Magazine의 매니아 한 분이 "낮은 기술" 웹 서버 프로젝트 시작. 목표는 에너지 소비를 줄여 가정용 자체 호스팅 서버에 하나의 태양광 패널로 충분하도록 하는 것이었습니다. 사이트가 하루 24시간 작동해야 하기 때문에 이는 쉽지 않습니다. 결국 무슨 일이 일어났는지 봅시다.

서버로 이동하시면 됩니다 Solar.lowtechmagazine.com, 현재 전력 소비량과 배터리 충전 수준을 확인하세요. 이 사이트는 페이지의 요청 수와 트래픽을 최소화하도록 최적화되어 있으므로 Habr의 트래픽 급증을 견뎌야 합니다. 개발자의 계산에 따르면 순 방문자당 에너지 소비량은 0,021Wh입니다.

31년 2020월 42일 새벽 직전, 배터리 잔량은 8%였습니다. 현지 시간으로 04시 XNUMX분에 바르셀로나의 새벽이 지나면 태양 전지판에서 전류가 흘러야 합니다.

이유는 무엇입니까?

XNUMX년 전 전문가 예언 된인터넷의 발전은 사회의 "비물질화", 보편적인 디지털화에 기여하며, 결과적으로 전반적인 에너지 소비 감소에 기여합니다. 그들은 틀렸다. 실제로 인터넷 자체가 요구한 것은 엄청난 양의 에너지 공급, 이러한 볼륨은 계속해서 증가하고 있습니다.

IT 기업들은 대체 전원으로 전환하기 위한 계획을 시작했지만 현재는 불가능합니다. 모든 데이터 센터는 전 세계 모든 태양광 및 풍력 시설에서 생성되는 에너지보다 XNUMX배 더 많은 에너지를 소비합니다. 더 나쁜 것은 태양광 패널과 풍력 터빈의 생산과 정기적인 교체입니다. 에너지도 필요하다따라서 오늘날 화석 연료(석유, 가스, 우라늄)를 버리는 것은 불가능합니다. 하지만 이러한 매장량은 오래 가지 못할 것이기 때문에 우리는 필연적으로 재생 가능한 에너지원을 활용하여 생활하는 방법에 대해 고민해야 할 것입니다. 웹 서버를 포함한 컴퓨터 인프라 운영을 포함합니다.

로우테크 매거진 문제라고 생각한다 웹페이지가 너무 빨리 팽창합니다. 2010년부터 2018년까지 평균 페이지 크기가 증가했습니다. 0,45MB에서 1,7MB까지, 모바일 사이트의 경우 - 보수적인 추정치인 0,15MB에서 1,6MB까지입니다.

교통량 증가 에너지 효율성의 발전을 앞지릅니다. (1MB의 정보를 전송하는 데 필요한 에너지)로 인해 인터넷 에너지 소비가 지속적으로 증가합니다. 사이트가 무거워지고 로드가 늘어나면 네트워크 인프라의 부하가 늘어날 뿐만 아니라, 자주 버려야 하는 컴퓨터와 스마트폰의 '수명주기'가 단축되고, 새로운 제품이 생산되기도 합니다. 매우 에너지 집약적인 프로세스.

물론 증가된 작업량은 라이프스타일 자체로 인해 발생합니다. 사람들은 거의 모든 시간을 인터넷에서 보내고 다양한 웹 서비스에 크게 의존합니다. 클라우드 IT 인프라(소셜 네트워크, 인스턴트 메신저, 메일 등)가 없는 현대 사회는 이미 상상하기 어렵습니다.

서버 및 웹사이트 구성

В 이 기사 웹 서버의 하드웨어 구성과 소프트웨어 스택에 대해 자세히 설명합니다.

싱글 보드 컴퓨터 Olimex Olinuxino A20 라임 2 낮은 전력 소비와 전원 관리 칩과 같은 유용한 추가 기능을 위해 선택됨 AXP209. 이를 통해 보드와 배터리의 현재 전압과 전류에 대한 통계를 요청할 수 있습니다. 마이크로 회로는 배터리와 태양광 패널에서 전류가 흐르는 DC 커넥터 사이의 전원을 자동으로 전환합니다. 따라서 배터리 지원으로 서버에 무정전 전원 공급이 가능합니다.

Olimex Olinuxino A20 라임 2

처음에는 6600mAh(약 24Wh) 용량의 리튬폴리머 배터리를 배터리로 선택한 뒤 84,4Wh 용량의 납축전지를 탑재했다.

운영 체제는 SD 카드에서 부팅됩니다. OS는 1GB도 안 되고, 정적 웹사이트도 30MB 정도지만, 클래스 10 16GB보다 작은 카드를 사는 것은 경제적 의미가 없었다.

서버는 바르셀로나의 100Mbps 홈 연결과 표준 소비자 라우터를 통해 인터넷에 연결됩니다. 고정 IP 주소가 예약되어 있습니다. 거의 모든 사람이 자신의 아파트에 이러한 사이트를 설정할 수 있으므로 포트를 로컬 IP로 전달하려면 방화벽 설정을 약간 변경해야 합니다.

HTTP의 경우 포트 80~80 HTTPS의 경우 포트 443~443 SSH의 경우 포트 22~22

운영 체제 암비안 스트레치 데비안 배포판 및 커널 기반 순시, AllWinner 칩이 포함된 단일 보드용으로 설계되었습니다.

웹서버용 50와트 태양광 패널과 작가 아파트 거실 조명용 10와트 태양광 패널

시스템에 의해 생성된 정적 사이트 펠리컨 (Python의 사이트 생성기). 정적 사이트는 더 빠르게 로드되고 CPU 사용량이 적기 때문에 동적으로 생성된 페이지보다 에너지 효율성이 훨씬 높습니다. 테마의 소스 코드를 참조하세요. 여기에.

매우 중요한 점은 이미지 압축입니다. 이 최적화 없이는 웹 페이지를 1MB보다 작게 만드는 것이 거의 불가능하기 때문입니다. 최적화를 위해 사진을 하프톤 이미지로 변환하기로 결정했습니다. 예를 들어, 여기 지난 세기 교환대에 있던 여성 전화 교환원의 사진이 있습니다. 253 KB.

그리고 여기에 최적화된 회색조 이미지 크기가 있습니다. 36,5 KB 세 가지 색상(블랙, 화이트, 그레이)으로 구성되어 있습니다. 착시 현상으로 인해 보는 사람에게는 세 가지 이상의 색상이 있는 것처럼 보입니다.

하프톤 사진은 크기를 최적화하기 위해서(다소 모호한 결정) 뿐만 아니라 미학적 이유 때문에 선택되었습니다. 이 오래된 이미지 처리 기술에는 특정 스타일적 특징이 있으므로 사이트 디자인이 다소 독특합니다.

최적화 후 Low-tech Magazine 웹사이트의 623개 일러스트레이션 크기가 194,2MB에서 21,3MB로, 즉 89% 감소했습니다.

새 글을 쉽게 작성할 수 있을 뿐만 아니라 다음을 통해 쉽게 백업할 수 있도록 모든 이전 글을 마크다운으로 변환했습니다. 자식. 로고뿐만 아니라 모든 스크립트와 추적기가 사이트에서 제거되었습니다. 클라이언트 브라우저의 기본 글꼴이 사용됩니다. "로고" - 왼쪽에 화살표가 있는 대문자로 된 잡지 이름: LOW←TECH MAGAZINE. 그림 대신 16바이트만 있으면 됩니다.

다운타임이 발생할 경우 "오프라인 읽기" 기능이 구성되었습니다. 텍스트와 그림이 RSS 피드로 내보내집니다. HTML을 포함한 100% 콘텐츠 캐싱이 활성화됩니다.

또 다른 최적화는 nginx에서 HTTP2 설정을 활성화하여 HTTP/1.1에 비해 트래픽을 약간 줄이고 페이지 로딩 시간을 줄이는 것입니다. 이 표에서는 XNUMX개의 서로 다른 페이지에 대한 결과를 비교합니다.

| | FP | 우리 | 고등학교 | FW | CW | |----------|---------|-------|-------|-------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46초 | 1.87초 | 1.54초 | 1.86초 | 1.89초 | | HTTP2 | 1.30초 | 1.49초 | 1.54초 | 1.79초 | 1.55초 | | 이미지 | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 | | 저축 | 11% | 21% | 0% | 4% | 18% |

전체 nginx 구성:

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;
}

15개월간의 노력의 결과

12년 2018월 28일부터 2019년 XNUMX월 XNUMX일까지 서버에 표시된 내용은 다음과 같습니다. 가동 시간 95,26%. 이는 악천후로 인해 연간 가동 중단 시간이 399시간이라는 것을 의미합니다.

하지만 지난 98,2개월을 고려하지 않으면 가동시간은 152%, 가동중단시간은 80시간에 불과하다고 개발자들은 썼다. 소프트웨어 업데이트로 인해 전력 소비가 증가하면서 지난 XNUMX개월 동안 가동 시간이 XNUMX%로 떨어졌습니다. 매일 밤 사이트는 몇 시간 동안 다운되었습니다.

통계에 따르면, 해당 연도(3년 2018월 24일부터 2019년 9,53월 18,10일) 동안 서버의 전력 소비량은 50kWh였습니다. 전압 변환 및 배터리 방전으로 인해 태양광 시스템에서 상당한 손실이 기록되었습니다. 태양광 컨트롤러의 연간 소비량은 XNUMXkWh로 시스템 효율은 약 XNUMX% 수준이다.

단순화된 다이어그램. 12~5V의 전압 변환기와 배터리 전류계는 표시되지 않습니다.

연구 기간 동안 865명의 순 방문자가 사이트를 방문했습니다. 태양광 설치로 인한 모든 에너지 손실을 포함하면 순 방문자당 에너지 소비량은 000Wh였습니다. 따라서 생성된 0,021kWh의 태양 에너지는 거의 50명의 고유 방문자에게 서비스를 제공하기에 충분합니다.

실험 중에 다양한 크기의 태양광 패널이 테스트되었습니다. 표는 다양한 크기의 태양광 패널을 사용할 때 다양한 용량의 배터리를 충전하는 데 걸리는 시간을 계산한 것입니다.

모든 에너지 손실을 포함하여 첫 해 동안 웹 서버의 평균 전력 소비량은 1,97와트였습니다. 계산에 따르면, 일년 중 가장 짧은 밤(8시간 50분, 21월 17,40일)에 밤새 웹사이트를 운영하려면 14와트시의 저장 전력이 필요하고, 가장 긴 밤(49시간 21분, 29,19월 XNUMX일)에는 XNUMX와트시가 필요한 것으로 나타났습니다. .XNUMXWh.

납산 배터리는 용량의 절반 이하로 방전되어서는 안 되기 때문에 최적의 주간 조명(60x2Wh)으로 가장 긴 밤을 견디려면 서버에 29,19Wh 배터리가 필요합니다. 일년 내내 시스템은 86,4Wh 배터리와 50와트 태양광 패널로 작동했으며 앞서 언급한 95~98%의 가동 시간을 달성했습니다.

가동 시간 100%

100% 가동 시간을 위해서는 배터리 용량을 늘려야 합니다. 매우 나쁜 날씨(큰 발전량 없음)의 하루를 보상하려면 47,28와트시(24시간 × 1,97와트)의 저장 공간이 필요합니다.

1년 2019월 12일부터 2020년 168월 84일까지 시스템에 100와트 배터리가 설치되었으며, 실제 저장 용량은 XNUMX와트시입니다. 이는 사이트를 XNUMX박 XNUMX일 동안 운영하기에 충분한 저장 공간입니다. 구성은 일년 중 가장 어두운 기간에 테스트되었지만 날씨는 비교적 좋았으며 지정된 기간 동안 가동 시간은 XNUMX%였습니다.

그러나 몇 년 동안 100% 가동 시간을 보장하려면 악천후가 며칠 동안 지속되는 최악의 시나리오를 대비해야 합니다. 계산에 따르면 에너지 생성이 적거나 전혀 없는 상태에서 440일 동안 웹사이트를 온라인 상태로 유지하려면 자동차 배터리 크기인 XNUMX와트시 용량의 납산 배터리가 필요합니다.

실제로 날씨가 좋은 경우 48Wh 납산 배터리를 사용하면 24월부터 6월까지 밤새 서버를 계속 작동할 수 있습니다. XNUMXWh 배터리는 최대 XNUMX시간 동안 서버를 작동시킵니다. 즉, 달에 따라 시간이 다르지만 매일 밤 서버가 종료됩니다.

전반적으로 일부 사이트는 방문자 수가 최소인 밤에 작업할 필요가 없다고 Low-tech Magazine의 직원은 말합니다. 예를 들어, 다른 시간대의 방문객은 오지 않고 지역 주민만 오는 지역 도시 간행물인 경우입니다.

즉, 트래픽과 가동 시간이 다른 사이트의 경우 용량이 다른 배터리와 크기가 다른 태양광 패널이 필요합니다.

저자는 얼마나 많은 에너지가 필요한지 계산합니다. 생산 태양광 패널 자체(내재 에너지)와 이 양을 예상 서비스 수명인 10년으로 나누면 얼마나 나올까요?

이러한 방식으로 패널의 생산 및 운영에 소비되는 화석 연료의 양을 계산할 수 있습니다. Low-tech Magazine은 작동 첫해에 해당 시스템(50W 패널, 86,4Wh 배터리)이 약 9kg의 배기가스를 "생성"했으며 이는 휘발유 3리터를 연소하는 것과 같습니다. 세 살짜리 승용차 km 여행.

서버가 태양광 패널이 아닌 일반 전력망에서 전력을 공급받는 경우 등가 배출량은 1,54kg으로 XNUMX배 더 낮은 것으로 보입니다(스페인 에너지 부문은 대체 에너지 및 원자력 발전소의 비중이 높습니다). 그러나 저자는 이것이 태양광 인프라의 내재 에너지를 고려하지만 일반 에너지 네트워크에 대한 이 지표, 즉 건설 및 지원 비용을 고려하지 않기 때문에 완전히 정확한 비교는 아니라고 썼습니다. .

추가 개선

지난 시간 동안 서버 전력 소비를 줄이는 여러 가지 최적화가 수행되었습니다. 예를 들어, 어느 시점에서 개발자는 총 6,63TB의 트래픽 중 11,15TB가 몇 분마다 콘텐츠를 가져오는 잘못된 RSS 피드 구현으로 인해 생성되었음을 발견했습니다. 이 버그를 수정한 후 서버의 전력 소비(에너지 손실 제외)가 1,14W에서 약 0,95W로 감소했습니다. 이득이 작아 보일 수 있지만 0,19W의 차이는 하루 4,56와트시를 의미하며 이는 서버의 배터리 수명이 2,5시간 이상에 해당합니다.

첫 해에는 효율성이 50%에 불과했습니다. 배터리를 충전 및 방전할 때(22%), 전압을 12V(태양광 PV 시스템)에서 5V(USB)로 변환할 때 손실이 관찰되었으며, 여기서 손실은 최대 28%였습니다. 개발자는 최적이 아닌 전압 변환기(USB가 내장되지 않은 컨트롤러)가 있으므로 이 지점을 최적화하거나 5V 태양광 설치로 전환할 수 있음을 인정합니다.

에너지 저장 효율을 향상시키기 위해 납축 배터리를 충전/방전 손실이 더 낮은(<10%) 더 비싼 리튬 이온 배터리로 교체할 수 있습니다. 이제 디자이너는 컴팩트를 고려하고 있습니다. 압축 공기 형태의 에너지 저장 시스템 (CAES)는 수십 년의 수명을 가지며 이는 생산 시 탄소 배출량이 더 적다는 것을 의미합니다.

소형 압축공기 에너지 축적기, 출처

추가 풍력 터빈 설치가 고려되고 있습니다. 나무로 만들다) 그리고 태양 추적기를 설치하여 패널을 태양을 향해 돌립니다. 추적기를 사용하면 전기 생산량을 30% 늘릴 수 있습니다.

시스템의 효율성을 높이는 또 다른 방법은 시스템을 확장하는 것입니다. 서버에 더 많은 웹사이트를 구축하고 더 많은 서버를 시작하세요. 그러면 사이트당 에너지 소비가 감소합니다.

태양광 호스팅 회사. 일러스트: 디에고 마르몰레조

아파트 발코니 전체를 태양광 패널로 덮고 태양광 웹 호스팅 회사를 열면 단일 웹 사이트보다 고객당 비용이 훨씬 낮아집니다. 즉 규모의 경제입니다.

전반적으로, 이 실험은 특정 제한이 주어지면 컴퓨터 인프라를 재생 가능 에너지원으로 실행하는 것이 전적으로 가능하다는 것을 보여줍니다.

이론적으로 이러한 서버는 세계의 다른 지역에서 미러링되는 경우 배터리 없이도 작동할 수 있습니다. 예를 들어 뉴질랜드와 칠레에 거울을 설치하십시오. 바르셀로나에서는 밤이 되면 태양전지판이 작동할 것입니다.

출처 : habr.com