Potrošnja solarnog servera

Popis opreme

Raspberry Pi računalo (3B+ i Zero W)
Ovo je popularno računalo smješteno na jednu ploču (SoC - system on a chip). Omjer performansi, kapaciteta skladištenja i memorije i cijene čine ga idealnim izborom za ovakvo testiranje zbog, u usporedbi s osobnim računalima, male potrošnje energije, ali i velikim izborom podržanog softvera.

Ovakva se računala za potreba ovog testiranja pojavljuju u ulozi servera i klijenata.

Solarni paneli

- 1 x 50 W Sole poly panel

18,2V, 2,78A
55x67 cm
- 1 X 30 W Sole poly panel

18,4,2V 1,64A
35x67 cm

- 2 X 10 W Sole poly panel

17,4V, 0,57A

26x36 cm

Solarne baterije

- Akumulator solarni Vision 12V 7 AH

- Akumulator solarni Sole 12V 55 AH

 

Prijenosne baterije

- PB 10000 mAh
- iMYMAX Notebook MM-PB 30000 mAh
- Goobay 49216 8000 mAh
- VOLTCRAFT VC-8310170

Regulatori punjenja

- 2 x solarni regulator punjenja s integriranim USB priključkom (5V)

Ostali uređaji

- podesivi silazni pretvarač LM2596S

- USB multimetar Joy-IT JT-AT34

 

Energetske potrebe Raspberry Pi uređaja

Radnja	ZeroW	3B+
Mirovanje	120	400
Učitavanje desktop sučelja	160	690
Pregledavanje 1080p videa (lokalno)	170	510
Wifi mreža pod opterećenjem	130	440

Tab 1. Energetska potrošnja Raspberry Pi uređaja prema modelu (mA)

Raspberry Pi server pogonjen prijenosnim baterijama za smartphone / mobitele

Prijenosne baterije za smartphone i mobitele nude naizgled dobar omjer cijene i kapaciteta, no rezultati testiranja pokazuju da takve baterije nisu adekvatan izvor energije za Raspberry Pi server. Server mora biti dostupan 24 sata dnevno, a mali kapaciteti, te male dimenzije solarnih panela ne nude dobar omjer punjenja i potrošnje. To rezultira nadopunjavanjem baterija iz drugih izvora el energije (el. mreže, drugih baterija, agregata...) kako bi održavale napajanje. Uz to, opcija passthrough punjenja, odnosno punjenja baterije dok se ista napaja iz drugog izvora, baterije dodatno zagrijava i oštećuje ih te im tako smanjuje kapacitet pri intenzivnom korištenju. Zato je za solarni server bolje koristiti baterije koje su dizajnirane za solarno punjenje, uz adekvatne regulatore punjenja.

Datum	Server	Napajanje	Solar	mAh	mA	Trajanje	Mreža
20-05-07	RPi 3B+	Sol P323.103	da	800	400	000:59	UTP
20-05-08	RPi 3B+	PB	ne	10000	400	015:59	UTP
20-05-08	RPi 0w	Sol P323.103	da	800	120	003:39	WiFi
20-05-09	RPi 0w	PB	da	10000	120	051:26	WiFi
20-05-19	RPi 0w	PB	da	30000	120	105:22	WiFi
20-05-28	RPi 0w	iMYMAX Notebook MM-PB	ne	30000	114	074:22	WiFi
20-06-05	RPi 0w	iMYMAX Notebook MM-PB	ne	30000	120	072:51	WiFi
20-06-26	RPi 0w	iMyMax MM-PB/006	ne	30000	114	105:27	WiFi
20-07-14	RPi 3B+	Goobay 49216	ne	8000	413	012:55	WiFi
20-07-15	RPi 3B+	Goobay 49216	da	8000	411	012:54	WiFi
20-07-16	RPi 3B+	Goobay 49216	da	8000	427	012:47	WiFi

Tab 2. Podaci iz procesa testiranja Raspberry Pi serverskih računala u odnosu na različite izvore napajanja, sa i bez dodatka obnovljivih (solarnih) izvora. (mA) Mjerenja su vršena i prije početka samog istraživanja.

Simulacija prometa lokalne bežične mreže

 

Sl. 1. Ilustracija sustava korištenog za testiranje

 

Ogledna mjerenja (bez spojenih uređaja)

- 100% naupnjena 7AH baterija
- RaspberryPi 3B+ s aktiviranim WiFi access pointom
- solarni regulator punjenja
- podesivi silazni pretvarač (5V)
- bez spojenih klijentskih uređaja

Prijenosni solarni sustav s baterijom manjeg kapaciteta (7Ah)

- 50 W solarni panel

- akumulator solarni Vision 12V 7 AH

- solarni regulator punjenja s integriranim USB priključkom (5V)

Datum	Server	Baterija	Kapacitet	mA	Početna voltaža	Završna voltaža	Trajanje (hh:mm)
21-07-12	RPi3B+	Akumulator solarni Vision 12V 7	7Ah	439	13.7	10.7	022:00
21-07-14	RPi3B+	Akumulator solarni Vision 12V 7	7Ah	439	13.7	10.7	025:00
21-07-18	RPi3B+	Akumulator solarni Vision 12V 7	7Ah	439	13.7	10.7	024:45

Tab 3. Prijenosni solarni sustav s baterijom manjeg kapaciteta (7Ah)

 

Direktno napajanje iz solarnog panela uz pomoć silaznog pretvarača

- 30 W panel ili 2 x 10W panel (spojeni u seriji)

- silazni pretvarač

 

Mjerenja ovog sustava nisu tablično prikazana jer napaja trošilo izravno iz sunčeve energije pa u potpunosti ovisi o količini sunca.

 

Vrijednosti 30W i 10W panela (vidi popis opreme) variraju tijekom dana i ovise o količini sunčeve energije. Solarni paneli prilikom zimskih mjeseci i potpuno oblačnih dana proizvode između 1/3 i 2/3 nazivne energije koja je dovoljna za mrežnu reprodukciju tijekom dana. Prilikom korištenja 10W panela mogući su i veliki padovi napona i potpun izostanak napajanja.

 

Ovakav sustav je nestabilan, ali i najmanje ovisan o opremi (nema baterije), te  najjeftiniji (potrebni su samo solarni paneli i silazni pretvarač). Prihvaljiv je za korištenje za privremene umjetničke postave, ali nije adekvatan za postave koji moraju raditi 00-24 h.

 

10W paneli nisu dovoljni za napajanje Rpi bez baterije, ali moguće ih je spojiti u seriju.

 

Statični solarni sustav s baterijom velikog kapaciteta (55Ah)

- 30 W solarni panel

- Akumulator solarni Sole 12V 55 AH

- solarni regulator punjenja s integriranim USB priključkom (5V)

 

Datum	Server	Baterija	Kapacitet	mA	Početna voltaža	Završna voltaža	Trajanje (hh:mm)
21-08-21	RPi3B+	Akumulator solarni Sole 12V 55 AH	55Ah	439	13.7	10.7	156:16
21-09-01	RPi3B+	Akumulator solarni Sole 12V 55 AH	55Ah	439	13.7	10.7	154:29

Tab 4. Statični solarni sustav s baterijom velikog kapaciteta (55Ah)

Ovakav sustav je adekvatan i održiv čak i u zimskim mjesecima, iako bi nakon šest uzastopnih 6 dana iznimno loših uvjeta u kojima se baterija ne bi mogla adekvatno napuniti sustav prestao raditi na određeno vrijeme. Ovakav sustav nije prijenosan (baterija teži cca 15 kg).

 

Mjerenja trajanja baterije simulacijom prometa s optimiziranim i neoptimiziranim vizualnim sadržajem

Softver za mjerenje

Zbog potencijalne nestabilnosti solarnih sustava (npr. uptime se ne zapisuje dobro ako često dolazi do gubitka energije), potrebno je namjestiti vanjski monitoring koji se napaja iz strujne mreže. Za to koristimo Nagios Core, sustav za nadzor serverske infrastrukture https://www.nagios.org/projects/nagios-core/ instaliran na Raspberry Pi računalo koji nadzire mrežu iz vana.

Simulacija prometa

Na 5 klijentskih Rpi uređaja koristi se Bash skriptu koja s RPi servera svake minute skida sadržaj (optimizirani ili neoptimizirani video), te tako simulira promet.

while true
do
wget -P /dev/shm/1 --delete-after --recursive --quiet 10.1.0.1
sleep 60
done &

EOS baterije 10000 mAh = 23,25h (u teoriji) - veliki load (5 uredjaja spajaju se jednom u minuti i skidaju stranicu)

Datum	Server	Baterija	Kapacitet	mA	Trajanje (hh:mm)	Opterećenje	Optimiziran sadržaj
21-07-27	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	439	015:30	Visoko	Ne
21-07-30	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	404	016:07	Nisko	Ne
21-07-31	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	404	016:15	Nisko	Ne
21-08-02	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	439	015:38	Visoko	Ne
21-08-07	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	439	015:42	Visoko	Da
21-08-08	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	439	015:50	Visoko	Da
21-08-10	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	439	015:48	Visoko	Da
21-08-11	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	404	015:54	Nisko	Da
21-08-14	RPi3B+	EOS 10000 mAh	10000 mAh	404	015:45	Nisko	Da
21-08-18	Zero W	EOS 10000 mAh	10000 mAh	123	060:42	Nisko	Da

Tab 5. Mjerenja trajanja baterije simulacijom prometa s optimiziranim i neoptimiziranim vizualnim sadržajem

Iz mjerenja možemo uočiti da:

- optimizacija samog video materijala nema znatnog učinka na potrošnju energije prilikom prijenosa preko mreže (odstupanja su jednaka kao i u mjerenjima bez opterećenja)

- opterećenje mreže (broj klijenata i spajanja) ima blagog utjecaja (5% - 10%) što ne utječe znatno na vrijeme dostupnosti servera

Zaključak

Mali solarni sustavi dostupni su i održivi izvori energije za prikaz digitalne mrežne umjetnosti. Sustavi su modularni te je moguće kombinirati razne baterije i panele prema potrebi. Uz namjenske solarne baterije, koje su većih dimenzija i težine (55Ah baterija teži oko 14 kg), u sustave je moguće ubacivati i USB baterije za mobitele koje, iako u pravilu imaju znatno manji kapacitet od nazivnog, adekvatno održavaju sustav. Baterije s integriranim malim solarnim ćelijama nisu se pokazale kao adekvatan izvor napajanja - pune se iznimno dugo te ih je potrebno nadopunjavati iz strujne mreže. Passthrough tehnologija, odnosno mogućnost da se baterija u isto vrijeme i puni i prazni, oštećuje bateriju i smanjuje kapacitet baterije ako se kontinuirano koristi - neki proizvođači u potpunosti prestali podržavati tu funkciju (Aanker), što korištenje takvih rješenja čini neodrživim.

Optimalan solarni sustav za mrežnu umjetnost je panel od 30W s baterijom kapaciteta 7Ah (težine 2.2 kg, dimenzije 35x67 cm), solarnim regulatorom punjenja od 5V te podesivim silaznim pretvaračem. Ovakav sustav pruža cca 15 sati kontinuiranog napajanja za mrežnu izložbu na javnom mjestu na kojem se klijenti spajaju na mrežu jednom u minuti. U ljetnim mjesecima to je dovoljno za dostupnost od 24 sata, iako su mogući prekidi u usluzi u slučaju dugotrajnog lošeg vremena.
Solarni paneli prilikom izostanka direktnog sunca rade na 1/3 do 2/3 kapaciteta pa točne podatke nije moguće predvidjeti.

Optimizacija vizualnog sadržaja koji se prenosi mrežom ostaje bitnom unatoč tome što metode mjerenja dostupne u ovom istraživanju (postoje puno precizniji profesionalni mjerni instrumenti za strujna i mrežna mjerenja) nisu pokazale povezanost optimizacije s trajanjem neprekidnog napajanje uređaja. Optimizacija svakako smanjuje potrošnju energije na klijentskim uređajima koji se koriste za reprodukciju sadržaja (vidi tablicu 1.).

U zimskim mjesecima potreban je veći sustav koji nadilazi ovo istraživanje, te ujedno nije mobilan zbog težine baterije.

Valja napomenuti i da hrvatsko tržište zaostaje za svjetskim pa su neka elegantnija rješenja nedostupna, odnosno znatno skuplja - npr. savitljivi paneli iil integrirani prijenosni sustavi koji sadrže i bateriju i panele. 

Sustavi bez baterije su druga opcija za prikaz digitalne mrežne umjetnosti. Iako dostupnost radova u potpunosti ovisi o sunčevoj svjetlosti, za manja pop-up događanja ovakvi su sustavi jeftini i jednostavni za izgradnju te su rješenje za prikaz umjetnosti bez potrebe za mrežnom ili strujnom infrastrukturom.