Nguyên mẫu đầu tiên của máy chủ năng lượng mặt trời có bộ điều khiển sạc. Hình chụp:
Vào tháng 2018 năm XNUMX, một người đam mê Tạp chí Công nghệ thấp . Mục tiêu là giảm mức tiêu thụ năng lượng đến mức chỉ cần một tấm pin mặt trời là đủ cho một máy chủ tự lưu trữ tại nhà. Điều này không hề dễ dàng vì trang web phải hoạt động 24 giờ một ngày. Hãy xem điều gì đã xảy ra cuối cùng.
Bạn có thể vào máy chủ , hãy kiểm tra mức tiêu thụ điện năng hiện tại và mức sạc pin. Trang web được tối ưu hóa cho số lượng yêu cầu tối thiểu từ trang và lưu lượng truy cập tối thiểu, do đó, nó sẽ chịu được lưu lượng truy cập tăng vọt từ Habr. Theo tính toán của nhà phát triển, mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi khách truy cập là 0,021 Wh.
Ngay trước bình minh ngày 31 tháng 2020 năm 42, nó còn 8% pin. Bình minh ở Barcelona lúc 04:XNUMX giờ địa phương, sau đó dòng điện sẽ chạy từ tấm pin mặt trời.
Tại sao?
Mười năm trước các chuyên gia rằng sự phát triển của Internet góp phần “phi vật chất hóa” xã hội, số hóa toàn cầu - và kết quả là giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể. Họ đã sai. Trên thực tế, bản thân Internet đã yêu cầu , và khối lượng này tiếp tục tăng lên.
Các công ty CNTT đã đưa ra sáng kiến chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng thay thế nhưng điều này hiện không thể thực hiện được. Tất cả các trung tâm dữ liệu tiêu thụ năng lượng nhiều gấp ba lần so với tất cả các cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời và gió trên thế giới tạo ra. Tệ hơn nữa, việc sản xuất và thay thế thường xuyên các tấm pin mặt trời, tua-bin gió , do đó, ngày nay đơn giản là không thể từ bỏ nhiên liệu hóa thạch (dầu, khí đốt, uranium). Nhưng những nguồn dự trữ này sẽ không tồn tại được lâu nên chắc chắn chúng ta sẽ phải nghĩ đến việc làm thế nào để sống nhờ vào các nguồn tài nguyên tái tạo. Bao gồm hoạt động của cơ sở hạ tầng máy tính, bao gồm cả máy chủ web.
Tạp chí công nghệ thấp Các trang web phình to quá nhanh. Kích thước trang trung bình tăng từ năm 2010 đến 2018 và đối với các trang web dành cho thiết bị di động - từ 0,15 MB đến 1,6 MB, một ước tính thận trọng.
Tăng lưu lượng giao thông (năng lượng cần thiết để truyền 1 megabyte thông tin), khiến mức tiêu thụ năng lượng Internet không ngừng tăng lên. Các trang web nặng hơn và được tải nhiều hơn không chỉ làm tăng tải cho cơ sở hạ tầng mạng mà còn rút ngắn “vòng đời” của máy tính và điện thoại thông minh, những thứ phải loại bỏ thường xuyên hơn và những cái mới được sản xuất, cũng .
Và tất nhiên, khối lượng công việc tăng lên được tạo ra bởi chính lối sống: mọi người dành hầu hết thời gian trên Internet và phụ thuộc nhiều vào các dịch vụ web khác nhau. Thật khó để tưởng tượng xã hội hiện đại không có cơ sở hạ tầng CNTT trên nền tảng đám mây (mạng xã hội, tin nhắn tức thời, thư, v.v.)
Cấu hình máy chủ và trang web
В Cấu hình phần cứng và phần mềm của máy chủ web được mô tả chi tiết.
Máy tính bảng đơn được chọn để tiêu thụ điện năng thấp và các tính năng bổ sung hữu ích như chip quản lý năng lượng . Nó cho phép bạn yêu cầu số liệu thống kê về điện áp và dòng điện hiện tại từ bo mạch và pin. Vi mạch tự động chuyển nguồn giữa pin và đầu nối DC, nơi dòng điện chạy từ tấm pin mặt trời. Do đó, có thể cung cấp điện liên tục cho máy chủ với sự hỗ trợ của pin.
Olimex Olinuxino A20 Vôi 2
Ban đầu, pin lithium-polymer có dung lượng 6600 mAh (khoảng 24 Wh) được chọn làm pin, sau đó pin axit chì có dung lượng 84,4 Wh được lắp đặt.
Hệ điều hành khởi động từ thẻ SD. Mặc dù hệ điều hành chiếm không quá 1 GB và trang web tĩnh có dung lượng khoảng 30 MB, nhưng việc mua thẻ nhỏ hơn Class 10 16 GB sẽ không có ý nghĩa kinh tế.
Máy chủ kết nối với Internet thông qua kết nối gia đình 100Mbps ở Barcelona và bộ định tuyến tiêu dùng tiêu chuẩn. Một địa chỉ IP tĩnh được dành riêng cho nó. Hầu như bất cứ ai cũng có thể thiết lập một trang web như vậy trong căn hộ của mình, bạn cần thay đổi một chút cài đặt tường lửa để chuyển tiếp cổng sang IP cục bộ:
Cổng 80 đến 80 cho HTTP Cổng 443 đến 443 cho HTTPS Cổng 22 đến 22 cho SSH
Hệ điều hành dựa trên bản phân phối và hạt nhân Debian , được thiết kế cho các bo mạch đơn có chip AllWinner.
Tấm pin mặt trời 50 watt cho máy chủ web và tấm pin mặt trời 10 watt để chiếu sáng phòng khách trong căn hộ của tác giả
Trang web tĩnh do hệ thống tạo ra (trình tạo trang web bằng Python). Các trang tĩnh tải nhanh hơn và tiêu tốn ít CPU hơn, do đó chúng tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với các trang được tạo động. Xem mã nguồn của chủ đề. .
Một điểm rất quan trọng là nén hình ảnh, vì nếu không có sự tối ưu hóa này thì hầu như không thể làm cho các trang web có dung lượng nhỏ hơn 1 megabyte. Để tối ưu hóa, người ta quyết định chuyển đổi các bức ảnh thành hình ảnh bán sắc. Ví dụ, đây là bức ảnh chụp các nữ nhân viên trực điện thoại trên tổng đài vào thế kỷ trước, .
Và đây là hình ảnh thang độ xám được tối ưu hóa về kích thước với XNUMX màu (đen, trắng, xám). Do ảo ảnh quang học, người xem dường như có nhiều hơn ba màu.
Những bức ảnh bán sắc được chọn không chỉ để tối ưu hóa kích thước (một quyết định khá đáng ngờ) mà còn vì lý do thẩm mỹ. Kỹ thuật xử lý hình ảnh cũ này có những đặc điểm phong cách nhất định nên trang web có thiết kế hơi độc đáo.
Sau khi tối ưu hóa, 623 hình minh họa trên trang web Tạp chí Công nghệ thấp đã giảm kích thước từ 194,2 MB xuống 21,3 MB, tức là giảm 89%.
Tất cả các bài viết cũ đều được chuyển sang Markdown để dễ viết bài mới cũng như dễ dàng sao lưu qua . Tất cả các tập lệnh và trình theo dõi cũng như logo đã bị xóa khỏi trang web. Phông chữ mặc định trong trình duyệt của khách hàng được sử dụng. Là “logo” - tên tạp chí viết hoa có mũi tên sang trái: TẠP CHÍ CÔNG NGHỆ THẤP. Chỉ có 16 byte thay vì một hình ảnh.
Trong trường hợp ngừng hoạt động, khả năng “đọc ngoại tuyến” đã được tổ chức: văn bản và hình ảnh được xuất sang nguồn cấp dữ liệu RSS. Bộ nhớ đệm của 100% nội dung được bật, bao gồm cả HTML.
Một cách tối ưu hóa khác là bật cài đặt HTTP2 trong nginx, giúp giảm nhẹ lưu lượng truy cập và giảm thời gian tải trang so với HTTP/1.1. Bảng so sánh kết quả của năm trang khác nhau.
| | FP | CHÚNG TÔI | HS | FW | CW | |----------|-------|-------|-------|-------|------ -| | HTTP/1.1 | 1.46 giây | 1.87 giây | 1.54 giây | 1.86 giây | 1.89 giây | | HTTP2 | 1.30h1.49 | 1.54 giây | 1.79 giây | 1.55 giây | 9 giây | | Hình ảnh | 21 | 11 | 19 | 23 | 11 | | tiết kiệm | 21% | 0% | 4% | 18% | XNUMX% |
Cấu hình nginx đầy đủ:
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;
}Kết quả 15 tháng làm việc
Trong khoảng thời gian từ ngày 12 tháng 2018 năm 28 đến ngày 2019 tháng XNUMX năm XNUMX, máy chủ đã hiển thị . Điều này có nghĩa là do thời tiết xấu nên thời gian ngừng hoạt động trong năm là 399 giờ.
Nhưng nếu bạn không tính đến hai tháng qua, thời gian hoạt động là 98,2% và thời gian ngừng hoạt động chỉ là 152 giờ, các nhà phát triển viết. Thời gian hoạt động giảm xuống 80% trong hai tháng qua khi mức tiêu thụ điện năng tăng do cập nhật phần mềm. Mỗi đêm trang web ngừng hoạt động trong vài giờ.
Theo thống kê, trong năm (từ ngày 3/2018/24 đến ngày 2019/9,53/18,10), lượng điện tiêu thụ của máy chủ là 50 kWh. Đã ghi nhận những tổn thất đáng kể trong hệ thống quang điện do chuyển đổi điện áp và xả pin. Bộ điều khiển năng lượng mặt trời cho thấy mức tiêu thụ hàng năm là XNUMX kWh, nghĩa là hiệu suất của hệ thống là khoảng XNUMX%.
Sơ đồ đơn giản hóa Nó không hiển thị bộ chuyển đổi điện áp từ 12 đến 5 volt và đồng hồ đo giờ ampe pin
Trong thời gian nghiên cứu, có 865 lượt khách truy cập đã truy cập trang web. Bao gồm tất cả tổn thất năng lượng khi lắp đặt năng lượng mặt trời, mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi khách truy cập là 000 Wh. Như vậy, một kilowatt giờ năng lượng mặt trời được tạo ra là đủ để phục vụ gần 0,021 du khách.
Trong quá trình thử nghiệm, các tấm pin mặt trời có kích thước khác nhau đã được thử nghiệm. Bảng hiển thị các tính toán về thời gian sạc pin có dung lượng khác nhau khi sử dụng các tấm pin mặt trời có kích thước khác nhau.
Mức tiêu thụ điện năng trung bình của máy chủ web trong năm đầu tiên, bao gồm tất cả tổn thất năng lượng, là 1,97 Watts. Tính toán cho thấy, chạy một trang web qua đêm vào đêm ngắn nhất trong năm (8 giờ 50 phút, ngày 21 tháng 17,40) cần 14 watt-giờ điện lưu trữ và vào đêm dài nhất (49 giờ 21 phút, ngày 29,19 tháng XNUMX), bạn cần XNUMX watt. .XNUMX Cái gì.
Vì pin axit chì không được xả dưới một nửa công suất nên máy chủ cần có pin 60 Wh để tồn tại qua đêm dài nhất với ánh sáng ban ngày tối ưu (2x29,19 Wh). Trong phần lớn thời gian của năm, hệ thống này hoạt động với pin 86,4 Wh và tấm pin mặt trời 50 watt, sau đó đã đạt được thời gian hoạt động 95-98% nói trên.
Thời gian hoạt động 100%
Để có thời gian hoạt động 100% cần phải tăng dung lượng pin. Để bù đắp cho một ngày thời tiết rất xấu (không phát điện đáng kể), cần có bộ lưu trữ 47,28 watt-giờ (24 giờ × 1,97 watt).
Từ ngày 1 tháng 2019 năm 12 đến ngày 2020 tháng 168 năm 84, một cục pin 100 watt đã được lắp vào hệ thống, có công suất lưu trữ thực tế là XNUMX watt-giờ. Dung lượng lưu trữ này đủ để duy trì trang web hoạt động trong hai đêm và một ngày. Cấu hình đã được thử nghiệm trong khoảng thời gian đen tối nhất trong năm, nhưng thời tiết tương đối tốt - và trong khoảng thời gian quy định, thời gian hoạt động là XNUMX%.
Nhưng để đảm bảo 100% thời gian hoạt động trong vài năm, bạn sẽ phải tính đến trường hợp xấu nhất, khi thời tiết xấu kéo dài trong vài ngày. Tính toán cho thấy rằng để duy trì một trang web trực tuyến trong bốn ngày với mức năng lượng thấp hoặc không tạo ra năng lượng, bạn sẽ cần một cục pin axit chì có công suất 440 watt-giờ, tương đương với kích thước của một cục pin ô tô.
Trên thực tế, trong điều kiện thời tiết tốt, pin axit chì 48 Wh sẽ giúp máy chủ hoạt động qua đêm từ tháng 24 đến tháng 6. Pin XNUMX Wh sẽ giúp máy chủ hoạt động tối đa XNUMX giờ, nghĩa là nó sẽ tắt hàng đêm, mặc dù vào các thời điểm khác nhau tùy theo tháng.
Nhìn chung, một số trang web không cần phải làm việc vào ban đêm, khi số lượng khách truy cập ở mức tối thiểu, những người từ Tạp chí Công nghệ thấp cho biết. Ví dụ: nếu đây là ấn phẩm của một thành phố trong khu vực, nơi du khách từ các múi giờ khác không đến mà chỉ có cư dân địa phương.
Nghĩa là, đối với các địa điểm có lưu lượng truy cập khác nhau và thời gian hoạt động khác nhau, cần có pin có dung lượng khác nhau và các tấm pin mặt trời có kích thước khác nhau.
Tác giả đưa ra cách tính lượng năng lượng cần thiết cho sản xuất bản thân các tấm pin mặt trời (năng lượng thể hiện) và sẽ thu được bao nhiêu nếu bạn chia số tiền này cho tuổi thọ sử dụng dự kiến là 10 năm.
Bằng cách này, có thể tính toán lượng nhiên liệu hóa thạch tương đương được tiêu thụ trong quá trình sản xuất và vận hành các tấm pin. Tạp chí Low-tech nhận thấy trong năm đầu tiên hoạt động, hệ thống của họ (tấm pin 50 W, pin 86,4 Wh) “tạo ra” khoảng 9 kg khí thải, tương đương với việc đốt 3 lít xăng: tương đương với một chiếc 50- xe khách cũ km du lịch.
Nếu máy chủ được cấp nguồn không phải từ các tấm pin mặt trời mà từ lưới điện chung, thì lượng khí thải tương đương dường như thấp hơn sáu lần: 1,54 kg (ngành năng lượng của Tây Ban Nha có tỷ lệ năng lượng thay thế và nhà máy điện hạt nhân cao). Nhưng đây không phải là một so sánh hoàn toàn chính xác, tác giả viết, bởi vì nó tính đến năng lượng tiêu tốn của cơ sở hạ tầng năng lượng mặt trời, nhưng không tính đến chỉ số này cho mạng lưới năng lượng chung, tức là chi phí xây dựng và hỗ trợ. .
Cải tiến hơn nữa
Trong thời gian qua, một số tối ưu hóa đã được thực hiện giúp giảm mức tiêu thụ điện năng của máy chủ. Ví dụ: tại một thời điểm, nhà phát triển nhận thấy rằng 6,63 TB trong tổng số 11,15 TB lưu lượng truy cập được tạo ra bởi một lần triển khai nguồn cấp dữ liệu RSS không chính xác khiến nội dung cứ sau vài phút lại kéo ra. Sau khi sửa lỗi này, mức tiêu thụ điện năng của máy chủ (không bao gồm tổn thất năng lượng) đã giảm từ 1,14 W xuống còn khoảng 0,95 W. Mức tăng có vẻ nhỏ nhưng chênh lệch 0,19 W có nghĩa là 4,56 watt-giờ mỗi ngày, tương ứng với thời lượng pin hơn 2,5 giờ cho máy chủ.
Trong năm đầu tiên, hiệu quả chỉ đạt 50%. Tổn thất được quan sát thấy khi sạc và xả pin (22%), cũng như khi chuyển đổi điện áp từ 12 V (hệ thống quang điện mặt trời) sang 5 V (USB), trong đó tổn thất lên tới 28%. Nhà phát triển thừa nhận rằng anh ta có bộ chuyển đổi điện áp dưới mức tối ưu (bộ điều khiển không có USB tích hợp), vì vậy bạn có thể tối ưu hóa điểm này hoặc chuyển sang lắp đặt năng lượng mặt trời 5V.
Để cải thiện hiệu quả lưu trữ năng lượng, pin axit chì có thể được thay thế bằng pin lithium-ion đắt tiền hơn, có tổn thất sạc/xả thấp hơn (<10%). Bây giờ nhà thiết kế đang xem xét một thiết kế nhỏ gọn (CAES), có tuổi thọ hàng thập kỷ, điều đó có nghĩa là lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất của nó nhỏ hơn.
Bộ tích lũy năng lượng khí nén nhỏ gọn,
Việc lắp đặt thêm một tuabin gió đang được xem xét (có thể ) và lắp đặt thiết bị theo dõi năng lượng mặt trời để quay các tấm pin về phía mặt trời. Trình theo dõi cho phép bạn tăng sản lượng điện lên 30%.
Một cách khác để tăng hiệu quả của hệ thống là mở rộng quy mô của nó. Tăng thêm nhiều trang web trên máy chủ và khởi chạy nhiều máy chủ hơn. Sau đó, mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi trang web sẽ giảm.
Công ty lưu trữ năng lượng mặt trời. Minh họa: Diego Marmolejo
Nếu bạn bao phủ toàn bộ ban công căn hộ của mình bằng các tấm pin mặt trời và mở một công ty lưu trữ web năng lượng mặt trời, chi phí cho mỗi khách hàng sẽ thấp hơn đáng kể so với một trang web duy nhất: tính kinh tế theo quy mô.
Nhìn chung, thí nghiệm này chứng minh rằng, với một số hạn chế nhất định, cơ sở hạ tầng máy tính hoàn toàn có thể chạy bằng các nguồn năng lượng tái tạo.
Về mặt lý thuyết, một máy chủ như vậy thậm chí có thể hoạt động mà không cần pin nếu được nhân rộng ở những nơi khác trên thế giới. Ví dụ: lắp đặt gương ở New Zealand và Chile. Ở đó các tấm pin mặt trời sẽ hoạt động khi trời tối ở Barcelona.
Nguồn: www.habr.com