عمل خادم المنزل بالطاقة الشمسية لمدة 15 شهرًا: وقت التشغيل 95.26٪


أول خادم للطاقة الشمسية النموذجي مع وحدة تحكم المسؤول. الصورة: solar.lowtechmagazine.com

في سبتمبر 2018 ، أطلق متحمس من مجلة Low-tech Magazine مشروع خادم ويب "منخفض التقنية" . كان الهدف هو تقليل استهلاك الطاقة بحيث تكون لوحة شمسية واحدة كافية للخادم المنزلي المستضاف ذاتيًا. هذا ليس سهلاً ، لأن الموقع يجب أن يعمل 24 ساعة في اليوم. دعونا نرى ما حدث في النهاية.

يمكنك الذهاب إلى الخادم solar.lowtechmagazine.com، تحقق من استهلاك الطاقة الحالية ومستوى البطارية. تم تحسين الموقع للحد الأدنى من الطلبات من الصفحة والحد الأدنى من حركة المرور ، لذلك يجب أن يتحمل القفزة في حركة المرور من هبر. وفقًا لحسابات المطور ، يبلغ استهلاك الطاقة لكل زائر فريد 0.021 واط في الساعة.

قبل الفجر بقليل ، في 31 يناير 2020 ، كان لديه 42 ٪ من البطارية المتبقية. فجر في برشلونة في الساعة 8:04 بالتوقيت المحلي ، وبعد ذلك يجب أن ينتقل التيار من الألواح الشمسية.



لماذا؟


قبل عشر سنوات ، تنبأ الخبراء بأن تطوير الإنترنت يساهم في "إزالة الطابع المادي" للمجتمع ، والرقمنة العالمية - ونتيجة لذلك ، انخفاض في إجمالي استهلاك الطاقة. لقد أخطأوا. في الواقع ، تطلب الإنترنت نفسه كميات هائلة من الطاقة ، ولا تزال هذه الأحجام تنمو.

أطلقت شركات تكنولوجيا المعلومات مبادرات للتحول إلى مصادر الطاقة البديلة ، لكن هذا مستحيل الآن. تستهلك جميع مراكز البيانات طاقة أكبر بثلاث مرات من جميع منشآت الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في العالم. والأسوأ من ذلك أن إنتاج الألواح الشمسية وطواحين الهواء واستبدالها بانتظام يتطلب طاقة أيضًالذلك ، فإن التخلي عن الأحافير الأحفورية (النفط والغاز واليورانيوم) اليوم أمر مستحيل. لكن هذه الاحتياطيات لن تكون كافية لفترة طويلة ، لذلك سيكون علينا حتمًا التفكير في كيفية العيش على مصادر متجددة. بما في ذلك تشغيل البنية التحتية للكمبيوتر ، بما في ذلك خوادم الويب.

مجلة منخفضة التقنية تعتبر مشكلة تضخيم صفحات الويب بسرعة كبيرة. من عام 2010 إلى 2018 ، زاد متوسط ​​حجم الصفحة من 0.45 ميجا بايت إلى 1.7 ميجا بايت ، وبالنسبة لمواقع الجوال - من 0.15 ميجا بايت إلى 1.6 ميجا بايت ، وفقًا لتقدير متحفظ.

زيادة حركة المرور قبل التقدم في كفاءة الطاقة(الطاقة المطلوبة لنقل 1 ميغا بايت من المعلومات) ، مما يسبب زيادة مستمرة في استهلاك الطاقة للإنترنت. لا تزيد المواقع الأثقل والأثقل من الحمل على البنية التحتية للشبكة فحسب ، بل تقصر أيضًا "دورة حياة" أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية ، والتي غالبًا ما يجب التخلص منها وجعلها جديدة ، وهي أيضًا عملية تستهلك الكثير من الطاقة .

وبالطبع ، فإن زيادة الحمل ناتجة عن نمط الحياة نفسه: يقضي الناس كل الوقت تقريبًا على الإنترنت ويعتمدون بشكل كبير على خدمات الويب المختلفة. من الصعب بالفعل تخيل مجتمع حديث بدون بنية تحتية لتكنولوجيا المعلومات السحابية (الشبكات الاجتماعية والمراسلات الفورية والبريد وما إلى ذلك)

تكوين الخادم والموقع


في هذه المقالة الموصوفة بالتفصيل تكوين الأجهزة وخادم ويب مكدس البرامج.

تم اختيار كمبيوتر Olimex Olinuxino A20 Lime 2 Single Board لاستهلاكه المنخفض للطاقة وميزات إضافية مفيدة مثل شريحة إدارة الطاقة AXP209 . يسمح لك بطلب إحصائيات حول الجهد الحالي وقوة التيار من اللوحة ومن البطارية. تقوم الرقاقة تلقائيًا بتحويل الطاقة بين البطارية وموصل التيار المستمر ، حيث يتدفق التيار من اللوحة الشمسية. وبالتالي ، من الممكن توفير مصدر طاقة غير متقطع للخادم مع دعم البطارية.


Olimex Olinuxino A20 Lime 2

في البداية ، تم اختيار بطارية ليثيوم بوليمر بسعة 6600 مللي أمبير (حوالي 24 واط في الساعة) كبطارية ، ثم تم تركيب بطارية حمض الرصاص عند 84.4 واط.

يتم تشغيل نظام التشغيل من بطاقة SD. على الرغم من أن نظام التشغيل لا يستهلك أكثر من 1 جيجابايت وموقع ويب ثابت بحوالي 30 ميجابايت ، لم يكن هناك سبب اقتصادي لشراء بطاقة أصغر من الفئة 10 16 جيجابايت.

يتصل الخادم بالشبكة من خلال اتصال منزلي بسعة 100 ميغابايت في برشلونة وجهاز توجيه للمستهلكين القياسي. تم حجز عنوان IP ثابت له. يمكن للجميع تقريبًا رفع مثل هذا الموقع في شقتهم ، تحتاج إلى تغيير إعداد جدار الحماية قليلاً لإعادة توجيه المنفذ إلى IP المحلي:

المنفذ 80 إلى 80 لـ HTTP
المنفذ 443 إلى 443 لـ HTTPS
المنفذ 22 إلى 22 لـ SSH

نظام التشغيل Armbian Stretch القائم على توزيع دبيان ونواة SUNXI ، المصممة للبطاقات ذات اللوحة الفردية مع رقائق AllWinner.


لوحة شمسية بقدرة 50 وات لخادم الويب ولوحة 10 وات لإضاءة غرفة المعيشة في شقة المؤلف.

يتم إنشاء موقع ثابت بواسطة نظام Pelican (منشئ موقع Python). يتم تحميل المواقع الثابتة بشكل أسرع ولا تنشئ حملًا على وحدة المعالجة المركزية ، لذلك فهي أكثر كفاءة بكثير من الصفحات التي يتم إنشاؤها ديناميكيًا من نقطة استهلاك الطاقة. انظر كود المصدر للسمة هنا .

نقطة مهمة جدًا هي ضغط الصورة ، لأنه بدون هذا التحسين يكاد يكون من المستحيل جعل صفحات الويب أقل من 1 ميغابايت. للتحسين ، تقرر تحويل الصور إلى صور ذات درجات رمادية. على سبيل المثال ، إليك صورة لمشغل هاتف يعمل على مفتاح في القرن الماضي ، يبلغ حجمه 253 كيلوبايت .



لكن الصورة الرمادية المحسنة بحجم 36.5 كيلوبايت مع ثلاثة ألوان (أسود ، أبيض ، رمادي). بسبب الوهم البصري ، يبدو أن المشاهد لديه أكثر من ثلاثة ألوان.



تم اختيار صور الألوان النصفية ليس فقط لتحسين الحجم (الحل مشبوه إلى حد ما) ، ولكن أيضًا لأسباب جمالية. تتميز تقنية معالجة الصور القديمة هذه بميزات نمطية معينة ، لذلك فقد ظهر الموقع بطريقة فريدة من نوعها.

623 رسمًا توضيحيًا على موقع مجلة Low-tech Magazine بعد انخفاض حجم التحسين من 194.2 ميغابايت إلى 21.3 ميغابايت ، أي 89٪.

تم تحويل جميع المقالات القديمة إلى Markdown لسهولة كتابة المقالات الجديدة ، وكذلك لسهولة النسخ الاحتياطي من خلال git . تمت إزالة جميع البرامج النصية والمتتبعات ، بالإضافة إلى الشعارات ، من الموقع. يتم استخدام الخط الافتراضي في متصفح العميل. كـ "شعار" - اسم المجلة بحروف كبيرة مع سهم لليسار: LOW ← TECH MAGAZINE. فقط 16 بايت بدلاً من صورة.

في حالة التوقف عن العمل ، يتم تنظيم إمكانية "القراءة في وضع عدم الاتصال": يتم تصدير النصوص والصور إلى موجز RSS. يتم تضمين التخزين المؤقت لمحتوى 100٪ ، بما في ذلك HTML.

تحسين آخر هو تضمين إعدادات HTTP2 في nginx ، مما يقلل بشكل طفيف حركة المرور ويقصر وقت تحميل الصفحة ، مقارنة بـ HTTP / 1.1. يقارن الجدول نتائج خمس صفحات مختلفة.

| | FP | نحن | Hs | مهاجم | CW |
| ---------- | ------- | ------- | ------- | ------- | ------ - |
| HTTP / 1.1 | 1.46 ث | 1.87 ثانية | 1.54 ثانية | 1.86 ثانية | 1.89 ثانية |
| HTTP2 | 1.30 ثانية | 1.49 ثانية | 1.54 ثانية | 1.79 ثانية | 1.55 ثانية |
| صور | 9 | 21 | 11 | 19 | 23 |
| المدخرات | 11٪ | 21٪ | 0٪ | 4٪ | 18٪ |


تكوين nginx الكامل:

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;
}

نتائج 15 شهر عمل


بالنسبة للفترة من 12 ديسمبر 2018 إلى 28 نوفمبر 2019 ، أظهر الخادم وقت تشغيل بنسبة 95.26٪ . هذا يعني أنه بسبب سوء الأحوال الجوية ، كان وقت التوقف عن العمل للسنة 399 ساعة.

ولكن إذا لم تأخذ في الاعتبار الشهرين الماضيين ، فإن وقت التشغيل هو 98.2 ٪ ، ووقت التوقف 152 ساعة فقط ، يكتب المطورون. انخفض وقت التشغيل إلى 80٪ خلال الشهرين الماضيين ، عندما زاد استهلاك الطاقة بسبب تحديثات البرامج. كل ليلة كان الموقع معطلاً لعدة ساعات.

وفقًا للإحصاءات ، بالنسبة للسنة (من 3 ديسمبر 2018 إلى 24 نوفمبر 2019) ، كان استهلاك الطاقة للخادم 9.53 كيلووات في الساعة. تم تسجيل خسائر كبيرة في النظام الكهروضوئي بسبب تحويل الجهد وتفريغ البطارية. أظهر جهاز التحكم بالطاقة الشمسية استهلاكًا سنويًا يبلغ 18.10 كيلو واط ساعة ، مما يعني كفاءة نظام تبلغ حوالي 50 ٪.


مخطط مبسط. لا يظهر محول جهد من 12 إلى 5 فولت وعداد بطارية ساعة أمبير ،

خلال فترة الدراسة ، زار 865000 زائر فريد الموقع. بما في ذلك جميع خسائر الطاقة في التركيب الشمسي ، كان استهلاك الطاقة لكل زائر فريد 0.021 واط في الساعة. وبالتالي ، فإن كيلو وات ساعة واحدة من الطاقة الشمسية المولدة تكفي لخدمة ما يقرب من 50000 زائر فريد.

خلال التجربة ، تم اختبار الألواح الشمسية بأحجام مختلفة. يوضح الجدول الحسابات الخاصة بطول شحن البطاريات ذات السعات المختلفة عند استخدام الألواح الشمسية بأحجام مختلفة.



كان متوسط ​​استهلاك الطاقة لخادم الويب خلال السنة الأولى ، بما في ذلك جميع خسائر الطاقة ، 1.97 واط. يظهر الحساب أنه للحفاظ على موقع ويب ليلاً في أقصر ليلة من العام (8 ساعات و 50 دقيقة ، 21 يونيو) ، تحتاج إلى 17.40 واط في الساعة من سعة التخزين ، وفي أطول ليلة (14 ساعة و 49 دقيقة ، 21 ديسمبر) ، 19 واط في الساعة



نظرًا لأنه لا يجب تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية إلى أقل من نصف السعة ، يحتاج الخادم إلى بطارية 60 وات في الساعة من أجل البقاء أطول ليلة في ظل ظروف ضوء النهار المثالية (2 × 29.19 واط). بالنسبة لمعظم العام ، عمل النظام ببطارية 86.4 واط / ساعة ولوحة شمسية بقدرة 50 واط ، ثم تم تحقيق وقت التشغيل المذكور بنسبة 95-98٪.

وقت التشغيل 100٪


لوقت التشغيل ، يتطلب 100٪ زيادة في سعة البطارية. للتعويض عن يوم واحد من الطقس السيئ جدًا (بدون توليد طاقة كبير) ، تحتاج إلى 47.28 واط / ساعة (24 ساعة × 1.97 واط) من التخزين.

من 1 ديسمبر 2019 إلى 12 يناير 2020 ، تم تركيب بطارية 168 واط في النظام ، والتي تبلغ سعتها التخزينية العملية 84 واط / ساعة. هذا التخزين يكفي للحفاظ على الموقع لمدة ليلتين ويوم واحد. تم اختبار التكوين في أحلك فترة من العام ، لكن الطقس كان جيدًا نسبيًا - وخلال هذه الفترة ، كان وقت التشغيل 100٪.

ولكن من أجل ضمان وقت تشغيل بنسبة 100 ٪ لعدة سنوات ، من الضروري توقع أسوأ سيناريو ، عندما يستمر الطقس السيئ لعدة أيام. يظهر الحساب: من أجل الحفاظ على الموقع عبر الإنترنت لمدة أربعة أيام بتوليد طاقة منخفض أو معدوم ، ستحتاج إلى بطارية حمض الرصاص بسعة 440 وات في الساعة ، أي حجم بطارية السيارة.

من الناحية العملية ، في الطقس الجيد ، ستدعم بطارية حمض الرصاص 48 واط في الساعة الخادم خلال الليل من مارس إلى سبتمبر. ستحتفظ البطارية التي تعمل بقدرة 24 واط في الساعة بالخادم لمدة أقصاها 6 ساعات ، أي أنها ستغلق كل ليلة ، وإن كان ذلك في أوقات مختلفة ، اعتمادًا على الشهر.

بشكل عام ، لا يتعين على بعض المواقع العمل ليلاً ، عندما يكون عدد الزوار ضئيلًا ، وفقًا لشباب مجلة Low-tech. على سبيل المثال ، إذا كان منشورًا إقليميًا لمدينة ، حيث لا يذهب الزوار من مناطق زمنية أخرى ، ولكن فقط السكان المحليين.

أي بالنسبة للمواقع ذات حركة المرور المختلفة ووقت التشغيل المختلف ، هناك حاجة إلى بطاريات ذات قدرات مختلفة وألواح شمسية بأحجام مختلفة.





يحسب المؤلف مقدار الطاقة المطلوبة لإنتاج الألواح الشمسية نفسها (الطاقة المحققة) وكم يتم الحصول عليه إذا قسمت هذه الكمية على عمر الخدمة المتوقع لمدة 10 سنوات.



وبالتالي ، من الممكن حساب نظير للوقود الأحفوري ، يتم إنفاقه على إنتاج وتشغيل الألواح. اتضح في مجلة Low-tech Magazine أنه في السنة الأولى من التشغيل ، أنتج نظامهم (لوحة 50 وات ، بطارية 86.4 واط في الساعة) حوالي 9 كجم من الانبعاثات أو ما يعادل حرق 3 لترات من البنزين: تقريبًا نفس سيارة الركاب مقابل 50 كم من التقدم.



إذا كان الخادم لا يعمل بالطاقة من الألواح الشمسية ، ولكن من شبكة الطاقة العامة ، فيبدو أن مكافئ الانبعاثات أقل ست مرات: 1.54 كجم (حصة الطاقة البديلة ومحطات الطاقة النووية عالية في الطاقة الإسبانية). لكن المؤلف ليس هذه مقارنة صحيحة تمامًا ، لأنه يأخذ في الاعتبار الطاقة المنفذة للبنية التحتية الشمسية ، ولكنه لا يأخذ هذا المؤشر في الاعتبار لشبكة الطاقة الإجمالية ، أي تكاليف بنائها ودعمها.

مزيد من التحسينات


على مدار الماضي ، تم تنفيذ عدد من التحسينات التي خفضت استهلاك الطاقة للخادم. على سبيل المثال ، في مرحلة ما ، لاحظ المطور أن 6.63 تيرابايت من إجمالي 11.15 تيرابايت من الحركة الناتجة عن تنفيذ واحد غير صحيح لخلاصة RSS ، والتي تسحب المحتوى كل بضع دقائق. بعد إصلاح هذا الخطأ ، انخفض استهلاك الطاقة للخادم (باستثناء خسائر الطاقة) من 1.14 واط إلى حوالي 0.95 واط. قد يبدو المكسب صغيرًا ، ولكن الفرق 0.19 واط يعني 4.56 واط / ساعة في اليوم ، وهو ما يتوافق مع أكثر من 2.5 ساعة من عمر البطارية.

في السنة الأولى ، كانت الكفاءة 50٪ فقط. وقد لوحظت خسائر عند شحن وتفريغ البطارية (22٪) ، وكذلك عند تحويل الجهد من 12 فولت (نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية) إلى 5 فولت (USB) ، حيث تصل الخسائر إلى 28٪. يعترف المطور أنه ليس لديه محول جهد مثالي (وحدة تحكم بدون USB مدمج) ، حتى تتمكن من تحسين هذه اللحظة أو التبديل إلى تركيب طاقة شمسية 5 فولت.

لزيادة كفاءة تخزين الطاقة ، يمكن استبدال بطاريات الرصاص الحمضية ببطاريات ليثيوم أيون أكثر تكلفة ، والتي لديها فقدان أقل في الشحن / التفريغ (<10٪). يفكر المصمم الآن في نظام مدمج لتخزين الكهرباء على شكل هواء مضغوط(CAES) ، الذي يتميز بعمر خدمة لمدة عشر سنوات ، مما يعني تقليل انبعاثات الكربون.


تراكم طاقة مدمجة في الهواء المضغوط ، المصدر

نحن نفكر في تركيب توربين رياح إضافي (يمكن أن يكون مصنوعًا من الخشب ) وتركيب متعقب شمسي لتحويل الألواح إلى الشمس. يتيح لك جهاز التتبع زيادة توليد الكهرباء بنسبة 30٪.



طريقة أخرى لزيادة كفاءة النظام هي توسيع نطاقه. رفع المزيد من المواقع على الخادم وتشغيل المزيد من الخوادم. ثم ينخفض ​​استهلاك الطاقة لكل موقع.


شركة استضافة للطاقة الشمسية. توضيح: دييغو مارموليجو

إذا قمت بتغطية الشرفة بأكملها في الشقة بألواح شمسية وفتحت شركة استضافة ويب تعمل بالطاقة الشمسية ، فستكون التكاليف لكل عميل أقل بكثير من تكلفة موقع ويب واحد: وفورات الحجم.

بشكل عام ، توضح هذه التجربة أنه ، في ظل قيود معينة ، قد تعمل البنية التحتية للكمبيوتر بشكل جيد على مصادر الطاقة المتجددة.

من الناحية النظرية ، يمكن لهذا الخادم حتى الاستغناء عن البطارية إذا كنت تعكسه في أجزاء أخرى من العالم. على سبيل المثال ، ضع المرايا في نيوزيلندا وشيلي. هناك ، ستعمل الألواح الشمسية عندما يكون الليل في برشلونة.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/


All Articles