第一個有充電控制器的太陽能伺服器原型。 照片：
2018年XNUMX月，Low-tech雜誌的一位愛好者 。 目標是大幅降低能源消耗，使一塊太陽能板足以用於家庭自託管伺服器。 這並不容易，因為該網站必須每天 24 小時工作。 讓我們看看最後發生了什麼。
你可以去伺服器 ，檢查當前功耗和電池電量。 該網站針對來自頁面的最少請求數和最小流量進行了最佳化，因此它應該能夠承受來自 Habr 的流量激增。 根據開發商的計算，每位獨立訪客的能耗為0,021 Wh。
31 年 2020 月 42 日黎明前，它的電量還剩 8%。 巴塞隆納當地時間 04:XNUMX 黎明，之後太陽能板就會流出電流。
為什麼呢？
十年前的專家 網路的發展有助於社會的「非物質化」和普遍數位化，從而減少整體能源消耗。 他們錯了。 事實上，網路本身就要求 ，而這些數量還在持續增加中。
IT 公司已發起改用替代能源的舉措，但現在這是不可能的。 所有資料中心消耗的能源是世界上所有太陽能和風能裝置產生的能源的三倍。 更糟的是，太陽能電池板和風力渦輪機的生產和定期更換 因此，今天根本不可能放棄化石燃料（石油、天然氣、鈾）。 但這些儲備不會持續太久，因此我們不可避免地要考慮如何依靠再生能源生活。 包括電腦基礎設施的運行，包括網路伺服器。
低科技雜誌 網頁膨脹得太快。 2010 年至 2018 年平均頁面大小增加 ，對於行動網站 - 保守估計為 0,15 MB 到 1,6 MB。
交通量增加 （傳輸1兆位元組資訊所需的能量），導致網路能耗不斷增加。 更重、負載更多的站點不僅增加了網路基礎設施的負載，而且還縮短了電腦和智慧型手機的“生命週期”，不得不更頻繁地扔掉它們並生產新的，這也 .
當然，工作量的增加是由生活方式本身造成的：人們幾乎把所有的時間都花在網路上，並且嚴重依賴各種網路服務。 很難想像現代社會沒有雲端 IT 基礎設施（社群網路、即時通訊工具、郵件等）。
伺服器和網站配置
В 詳細描述了Web伺服器的硬體配置和軟體堆疊。
單板計算機 選擇低功耗和有用的附加功能（例如電源管理晶片） 。 它允許您請求電路板和電池當前電壓和電流的統計資料。 微電路會自動在電池和直流連接器之間切換電源，電流從太陽能板流出。 因此，可以透過電池支援為伺服器不間斷供電。
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最初選擇容量為6600mAh（約24Wh）的鋰聚合物電池作為電池，隨後安裝了容量為84,4Wh的鉛酸電池。
作業系統從 SD 卡啟動。 雖然作業系統佔用的空間不超過1GB，靜態網站大約30MB，但購買小於Class 10 16GB的卡片沒有經濟意義。
該伺服器透過巴塞隆納的 100Mbps 家庭連線和標準消費者路由器連接到網路。 為其保留靜態IP 位址。 幾乎任何人都可以在自己的公寓中設定這樣的站點；您需要稍微更改防火牆設定以將連接埠轉發到本地 IP：
連接埠 80 至 80（適用於 HTTP） 連接埠 443 至 443（適用於 HTTPS） 連接埠 22 至 22（適用於 SSH）
操作系統 基於 Debian 發行版和內核 ，專為採用 AllWinner 晶片的單板設計。
作者公寓中用於網路伺服器的 50 瓦太陽能電池板和用於客廳照明的 10 瓦太陽能電池板
系統產生的靜態站點 （Python 中的站點產生器）。 靜態網站載入速度更快，CPU 消耗更少，因此它們比動態產生的頁面更節能。 請參閱主題的原始碼。 .
非常重要的一點是圖片壓縮，因為如果沒有這種優化，幾乎不可能使網頁小於 1 MB。 為了優化，決定將照片轉換為半色調影像。 例如，這是上世紀總機上女接線生的照片， .
這是尺寸優化的灰階影像 有三種顏色（黑、白、灰）。 由於視錯覺，觀看者看起來似乎不只三種顏色。
選擇半色調照片不僅是為了優化尺寸（這是一個相當可疑的決定），而且也是出於美學原因。 這種古老的圖像處理技術具有一定的風格特徵，因此該網站的設計有些獨特。
優化後，《低科技》雜誌網站上的623張插圖大小從194,2MB減少到21,3MB，減少了89%。
所有舊文章都轉換為 Markdown，以便於撰寫新文章，也方便通過 。 所有腳本和追蹤器以及徽標均已從網站上刪除。 使用客戶端瀏覽器中的預設字體。 作為「標誌」－雜誌的名稱用大寫字母和向左的箭頭：LOW←TECH MAGAZINE。 只有16個位元組而不是一張圖片。
在停機的情況下，「離線閱讀」的可能性已經組織起來：文字和圖片匯出到 RSS 來源。 啟用 100% 內容緩存，包括 HTML。
另一個最佳化是在 nginx 中啟用 HTTP2 設置，與 HTTP/1.1 相比，這會稍微減少流量並減少頁面載入時間。 表格比較了五個不同頁面的結果。
| | FP | 我們| HS | 韌體 | 連續波 | |----------|-----|--------|--------|--------|----- --- -| | 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 | | 圖片 | 9 | 21 | 11 19 | 23 11 | 21 0 | 4 | 儲蓄| 18% | XNUMX% | XNUMX% | XNUMX% | XNUMX% |
完整的 nginx 設定：
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個月工作成果
12年2018月28日至2019年XNUMX月XNUMX日期間，伺服器顯示 。 這意味著，由於惡劣天氣，全年的停機時間為 399 小時。
但開發人員寫道，如果不考慮最近兩個月的情況，正常運作時間為 98,2%，停機時間僅為 152 小時。 過去兩個月，由於軟體更新導致功耗增加，正常運作時間下降至 80%。 每天晚上網站都會癱瘓幾個小時。
根據統計，全年（3年2018月24日至2019年9,53月18,10日），伺服器用電量為50千瓦時。 根據記錄，光電系統因電壓轉換和電池放電而造成重大損失。 太陽能控制器的年消耗量為XNUMX kWh，這意味著系統效率約為XNUMX%。
簡圖。 它沒有顯示 12 至 5 伏特電壓轉換器和電池安時計
在研究期間，有 865 名獨立訪客造訪了該網站。 包括太陽能裝置中的所有能源損失，每位訪客的能源消耗為 000 Wh。 因此，產生的一千瓦時太陽能足以為近 0,021 名不同的遊客提供服務。
實驗過程中，測試了不同尺寸的太陽能板。 表格顯示了使用不同尺寸的太陽能板時，對不同容量的電池充電所需時間的計算。
第一年 Web 伺服器的平均功耗（包括所有能量損耗）為 1,97 瓦。 計算表明，在一年中最短的夜晚（8 月50 日，21 小時17,40 分鐘）過夜運行網站需要14 瓦時的存儲電量，而在最長的夜晚（49 月21 日，29,19 小時XNUMX 分鐘）則需要XNUMX 瓦時的儲存電量。 .XNUMX 瓦時。
由於鉛酸電池的放電不應低於一半容量，因此伺服器需要 60 Wh 電池才能在最佳日光照明下度過最長的夜晚 (2x29,19 Wh)。 在一年的大部分時間裡，該系統都使用 86,4 Wh 電池和 50 瓦太陽能電池板運行，然後實現了上述 95-98% 的正常運行時間。
正常運轉時間 100%
為了 100% 的正常運作時間，有必要增加電池容量。 為了補償一天非常惡劣的天氣（沒有大量發電），需要 47,28 瓦時（24 小時 × 1,97 瓦）的儲存。
1年2019月12日至2020年168月84日，系統中安裝了100瓦電池，實際儲存容量為XNUMX瓦時。 這足以讓網站運作一天兩晚。 該配置是在一年中最黑暗的時期進行測試的，但天氣相對較好 - 在指定時間內正常運行時間為 XNUMX%。
但為了確保數年 100% 的正常運作時間，您必須應對最壞的情況，即惡劣天氣持續數天。 計算表明，要使網站在低能量或無能量產生的情況下保持在線四天，您需要容量為 440 瓦時的鉛酸電池，相當於汽車電池的大小。
實際上，在良好的天氣條件下，48 Wh 鉛酸電池將使服務器從 24 月到 6 月保持過夜運行。 XNUMX Wh 電池將使伺服器持續長達 XNUMX 小時，這意味著伺服器每天晚上都會關閉，但具體時間因月份而異。
Low-tech 雜誌的工作人員表示，總的來說，有些網站不需要在夜間訪問，因為此時訪客數量很少。 例如，如果這是一份區域城市出版物，則不會來自其他時區的訪客，而只有當地居民。
即針對不同流量、不同正常運作時間的站點，需要不同容量的電池和不同尺寸的太陽能板。
作者計算了需要多少能量 生產 太陽能電池板本身（體現的能量），以及將該數量除以 10 年的預期使用壽命後的結果。
透過這種方式，可以計算出電池板生產和運作過程中消耗的化石燃料當量。 Low-tech 雜誌發現，在運行的第一年，他們的系統（50 W 面板、86,4 Wh 電池）「產生」了大約9 公斤的排放量，相當於燃燒3 公升汽油：大約相當於50 輛汽車的排放量。歲客車行駛公里數。
如果伺服器不是由太陽能板供電，而是由通用電網供電，那麼等效排放量似乎會低六倍：1,54公斤（西班牙能源部門的替代能源和核電廠比例很高）。 但這並不是一個完全正確的比較，作者寫道，因為它考慮了太陽能基礎設施的具體能源，但沒有考慮到一般能源網路的這個指標，即其建設和支持的成本。
進一步改進
過去一段時間，我們進行了多項優化，降低了伺服器功耗。 例如，開發人員曾注意到，總 6,63 TB 流量中的 11,15 TB 是由一個不正確的 RSS 來源實作產生的，該實作每隔幾分鐘提取內容。 修復此錯誤後，伺服器的功耗（不包括能量損失）從 1,14 W 降低至約 0,95 W。 增益看似很小，但 0,19 W 的差異意味著每天 4,56 瓦時，相當於伺服器的電池壽命超過 2,5 小時。
第一年，效率僅 50%。 在電池充電和放電 (22%) 以及將電壓從 12 V（太陽能光電系統）轉換為 5 V (USB) 時，觀察到損耗，其中損耗高達 28%。 開發人員承認他有一個次優的電壓轉換器（沒有內建USB的控制器），因此您可以優化這一點或切換到5V太陽能安裝。
為了提高儲能效率，可以用更昂貴的鋰離子電池取代鉛酸電池，鋰離子電池具有更低的充放電損耗（<10%）。 現在設計師正在考慮一個緊湊的 (CAES)，其使用壽命長達數十年，這意味著其生產的碳足跡更小。
緊湊型壓縮空氣蓄能器，
正在考慮安裝額外的風力渦輪機（可以是 ）並安裝太陽能追蹤器將電池板轉向太陽。 此追蹤器可讓您將發電量提高 30%。
提高系統效率的另一種方法是擴展系統。 在伺服器上建立更多網站並啟動更多伺服器。 那麼每個站點的能源消耗將會減少。
太陽能託管公司。 圖：迭戈·馬爾莫萊霍
如果您用太陽能電池板覆蓋整個公寓陽台並開設太陽能網路託管公司，則每位客戶的成本將明顯低於單一網站：規模經濟。
總體而言，該實驗表明，鑑於某些限制，電腦基礎設施完全有可能依靠再生能源運作。
理論上，如果在世界其他地方進行鏡像，這樣的伺服器甚至可以在沒有電池的情況下運作。 例如，在新西蘭和智利安裝鏡像。 巴塞隆納晚上的時候太陽能板就會工作。
來源： www.habr.com