CC BY
19
research and development for implementation in the agro-industrial complex: mater. all-Russian student scientific-practical. conf. Molodezhnyy, 2022, pp. 466-473.
9. Filatov D.A. The use of renewable energy sources to improve the efficiency of power supply to agricultural enterprises: abstract Dis. ... Cand. Tech. Sci. Nizhny Novgorod, 2016.
10. Renewable energy sources and hydrogen in the energy system: problems and advantages / G.A. Gukhman, S.S. Beloborodov, E.G. Gasho, A.V. Nenashev. Energy: economics, technology, ecology. 2022; 453(9): 60-66.
11. Boihonov Z.U.O., Shukuraliyev A.Sh. Electricity supply systems based on renewable energy sources. Modern scientific research and innovation. 2019; 103(11): 14.
12. Molyakova A.O. The use of autonomous vehicles and technologies in the logistics activities of an agro-industrial enterprise // Logistics: foresight research, profession, practice: mater. II National. scientific-educational conf. S.-Pb., 2021. P. 403-408.
13. Shaporev V.A., Dargel R.S. Economic efficiency of using biogas as an alternative fuel. Bulletin of the Belarusian State Agricultural Academy. 2020; 4: 127-130.
14. Ivanov A.S., Anisimov I.A. Prospects for the use of gas motor fuel and electric traction in agricultural machinery // Engineering technologies in agriculture and forestry: mater. Vseros. national scientific-practical. conf. Tyumen, 2020. P. 43-49.
Андрей Сергеевич Иванов, кандидат технических наук, доцент, ivanovas@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0001-5991-3902
Andrey S. Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, ivanovas@gausz.ru, https://orcid. org/0000-0001-5991-3902
Статья поступила в редакцию 10.11.2022; одобрена после рецензирования 01.12.2022; принята к публикации 10.01.2023.
The article was submitted 10.11.2022; approved after reviewing 01.12.2022; accepted for publication 10.01.2023. -♦-
Научная статья УДК 631.12
Анализ эксплуатационных затрат на беспилотные электротракторы в сельскохозяйственном производстве
Андрей Сергеевич Иванов
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Дана оценка эксплуатационных затрат на беспилотные электротракторы в сельскохозяйственном производстве. Для оценки можно использовать математическую модель получения основных данных с последующим расчётом, а также проводить анализ чувствительности для нескольких соответствующих переменных, включая стоимость комплектующих, мощность зарядного устройства, степень автономности и размер батареи, срок службы и её стоимость. Смоделирован процесс износа батареи в зависимости от количества циклов при различных скоростях зарядки. Показано, что высокая скорость зарядки батареи приводит к меньшему времени зарядки и повышению производительности, но к более быстрому износу батареи. По результатам моделирования установлено, что годовые затраты на содержание и обслуживание беспилотных электротракторов сопоставимы или более низкие, чем аналогичные варианты дизельных тракторов, управляемых механизаторами. Сокращение общих затрат в течение года при использовании беспилотного электротрактора будет достигнуто благодаря снижению эксплуатационных расходов на топливо, техническое обслуживание, а также заработной платы механизаторов.
Ключевые слова: электротрактор, беспилотный трактор, эксплуатационные затраты.
Для цитирования: Иванов А.С. Анализ эксплуатационных затрат на беспилотные электротракторы в сельскохозяйственном производстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 159 - 163.
Original article
Analysis of operating costs for autonomous electric tractors in agricultural production
Andrey S. Ivanov
Northern Trans-Ural State Agricultural University, Tyumen, Russia
Abstract. An estimate of the operating costs for unmanned electric tractors in agricultural production is given. For evaluation, a mathematical model can be used to obtain basic data and then calculated, as well as sensitivity analysis for several relevant variables, including the cost of components, the power of the charger, the degree of autonomy and size of the battery, the service life and its cost. The process of battery wear is simulated depending on the number of cycles at different charging rates. High battery charging rates have been shown to
result in faster charging times and better performance, but faster battery wear. Based on the simulation results, it was found that the annual costs of maintaining and maintaining unmanned electric tractors are comparable or lower than similar options for diesel tractors controlled by machine operators. The reduction in total costs during the year when using an unmanned electric tractor will be achieved due to lower operating costs for fuel, maintenance, as well as the wages of machine operators.
Keywords: electric tractor, autonomous tractor, operating costs.
For citation: Ivanov A.S. Analysis of operating costs for autonomous electric tractors in agricultural production. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 99(1): 159-163. (In Russ.).
Беспилотные сельскохозяйственные технологии могут стать важным компонентом повышения производительности в сельском хозяйстве, обеспечения продовольственной безопасности и достижения устойчивого производства продуктов питания [1]. Электрификация транспортных средств рассматривается как один из основных методов сокращения вредных выбросов в окружающую среду и зависимости от ископаемого топлива [2, 3].
Для массового внедрения таких технологий важно понимать их стоимость и сроки окупаемости вложений для сельскохозяйственного производства. Поэтому исследования, направленные на оценку затрат на беспилотные электротракторы и аккумуляторные электрические системы, являются актуальными. Некоторыми авторами изучались вопросы стоимости таких систем, проводился анализ затрат на выращивание пропашных и других культур с использованием беспилотных технологий, но в них в меньшей степени отражены вопросы по затратам на беспилотные электротракторы в условиях полевых работ [4, 5].
Высокая стоимость урожая или снижение качества уборочного процесса, а также стоимость и ограничения аккумуляторов относятся к основным недостаткам беспилотных электрифицированных сельскохозяйственных тракторов. Поэтому при анализе затрат важно учитывать эти недостатки и их системные эффекты. В сельском хозяйстве вопросы влияния циклов нагрузки на батареи электротракторов недостаточно изучены. Проблема применения электротракторов в полевых условиях заключается в том, что интенсивное их использование приводит к быстрому износу аккумуляторов и, следовательно, делает систему экономически неконкурентоспособной.
Цель исследования - оценить эксплуатационные затраты на беспилотные электротракторы в сельскохозяйственном производстве. Для оценки можно использовать математическую модель для получения основных данных с последующим расчётом, а также проводить анализ чувствительности для нескольких соответствующих переменных, включая стоимость комплектующих, мощность зарядного устройства, степень автономности и размер батареи, срок службы и её стоимость [6].
Материал и методы. Процесс моделирования с использованием моделей для определения износа батареи и своевременности обслуживания,
а также методика оценки технико-экономических затрат отражены на рисунке 1. В статью общих годовых затрат включаются затраты на содержание техники и эксплуатационные расходы, в том числе расходы на батарею.
Частота поломок представляет собой комбинированные факторы для системы транспортных средств, и предполагается, что каждая поломка выводит транспортное средство из строя, что приводит к 12-часовому простою. Стоимость ремонта включена в стоимость технического обслуживания, поэтому единственным экономическим эффектом поломки будет являться задержка технологических операций. Предполагается, что из-за менее развитой системы обслуживания беспилотных электрических тракторов частота поломок будет вдвое выше, чем у дизельных тракторов. Срок службы батарей оценивался за период до их замены, что повлияло на увеличение годовых или цикловых затрат.
Износ (старение) батареи - это электрохимический процесс, который зависит от различных факторов, включая режим использования, глубину разряда, температуру батареи, скорость зарядки/ разрядки и т.д. [7]. Зачастую это приводит к тому, что батареи электротранспортных средств имеют более короткий срок службы, чем сами транспортные средства, которые они питают. В итоге требуется замена батареи, стоимость которой весьма значительна. Поэтому важно оценивать и учитывать эффект износа батареи в экономическом анализе электротракторов, особенно если работа трактора включает использование большой мощности батареи в течение более длительного периода, как в случае сельскохозяйственных полевых работ. Износ батареи можно оценить ёмкостью батареи в зависимости от количества циклов и скорости заряда зарядной станции.
Результаты и обсуждение. На рисунке 2 представлен смоделированный процесс износа батареи в зависимости от количества циклов при различных скоростях зарядки. Высокая скорость зарядки батареи приводит к меньшему времени зарядки и повышению производительности, но износ батареи происходит быстрее.
В среднем время до замены для данной системы при режиме зарядки 4 (в четыре раза быстрее от номинального времени, равного 1) составит 2 года, тогда как при режиме 1 (номинальном) будет составлять 7 лет. Для скорости зарядки 1/10 (в десять раз медленнее номинального времени)
выбранная система не достигнет точки замены батареи за смоделированные 11 лет (рис. 3). Окончание срока службы батареи установлено на уровне 80 % от начальной ёмкости, и разные
скорости зарядки достигают его за разное количество циклов: 4 - за 1200 циклов, 1 - за 4240 циклов и 1/10 - за 7760 циклов. Моделирование системы произведено для четырёх аккумуляторов
/ -\
Данные
о хозяйстве
и технике
\ У
Модель износа (старения) батареи
Дискретно-событийная динамическая модель
Выходные данные модели
Модель согласованности операций
Затраты от потерь урожая
Затраты на батареи
Эксплуатационные расходы
Затраты на содержание
1
Общие годовые затраты
Рис. 1 - Схема процесса моделирования и анализа затрат на электротракторы (пунктирными линиями показано, какие входные данные системы использовались для расчёта затрат)
0,7 +
о,е
0,5
скорость зарядки - 1/10
F скорость зарядки - 1
--------------------------------------------
> скорость зарядки — 4
h скорость зарядки — 4
500 1000 1 500 2000 2500
Количество циклов заряда
3000
3500
4С00
«2 т
скорость зарядки - 1/10
4 ?апппвопаппссвпавопппппоииппоапсо[1ппяооаооаповвеопп
3.5
3.6 ■■
г л -
3,2 3
♦ *
скорость зарядки - 1
# * * *
♦ * ♦ ♦ <
скорость зарядки — 4
* • * * ♦
• **
Я» 1005 1WQ 3000 гин
Количество циклов заряда
3000
знга
-1000
Рис. 2 - Уменьшение состояния заряда батареи (А) и напряжения (Б) в зависимости от количества циклов, смоделированных для трёх различных скоростей зарядки
о. «.а
I
о
> скорость зарядки - 1/10
- Ч _ _
срок службы батареи
Годы
Рис. 3 - Снижение ёмкости батареи (в долях) для трёх различных режимов зарядки в течение 11 лет
с энергоёмкостью 50 кВт-ч при равномерной нагрузке на аккумуляторы. Срок службы батареи был установлен на уровне состояния заряда 0,8 (пунктирная линия), и замена аккумуляторов выполняется при достижении этого значения.
Общие затраты на приобретение беспилотного электротрактора составят 13280 тыс. руб., а затраты на ежегодное содержание - 2040 тыс. руб. (рис. 4). Затраты на приобретение дизельного аналога с мощностью двигателя 250 кВт составят 11760 тыс. руб., затраты на ежегодное содержание - 2120 тыс. руб. Наибольшая часть затрат по беспилотному электротрактору приходится на покупку самого трактора (около 45 %), а также систему зарядки (порядка 20 %) и беспилотную систему (15 %). Для дизельного трактора затраты включают только покупку самого трактора.
ю
о.
о 2
13000
13000 -
12000
с
с 9000
га
.
га п
бооо
Дизельный трактор
Беспилотная система
¡Замена батареи|
Зарядное устройство
| Батарея
Беспилотный трактор
Рис. 4 - Сравнительные затраты на покупку беспилотного электротрактора мощностью двигателя 50 кВт и дизельного аналога с мощностью двигателя 250 кВт
Основными статьями годовых эксплуатационных затрат для дизельного трактора являются затраты на содержание машины, на оплату труда механизатора и топливо, на которые приходится 75 % от общих эксплуатационных затрат (рис. 5). В случае беспилотного электротрактора - это затраты на годовое обслуживание, содержание и на оплату оператора, что в сумме составляет также 75 %. Своевременное обслуживание является важной составляющей годовых эксплуатационных затрат для обоих типов тракторов; на эту статью приходится примерно 650 тыс. руб. (30 %) для электротрактора и 380 тыс. руб. - для дизельного аналога.
ш 2
О (О га
£ о
о .а
* I-
п га
.о га
Ш (0
о ч .о
2100
18(10
1500
1200
900
600
300
Содержание Содержание
Снижение
Батареи
потерь I
я
урожая
Техническое обслуживание
Топливо
потерь урожая
Техническое обслуживание
Топливо
Механизатор ^^В Оператор
Дизельный трактор
Беспилотный трактор
Рис. 5 - Сравнительные эксплуатационные
затраты на беспилотный электротрактор с мощностью двигателя 50 кВт и дизельный аналог с мощностью двигателя 250 кВт
Даже с учётом того, что размещение новой инфраструктуры для беспилотных тракторов приведёт к наибольшим капиталовложениям по сравнению с дизельными аналогами, общие годовые затраты для электротрактора будут меньше благодаря снижению эксплуатационных расходов в первую очередь на топливо и техническое обслуживание. Современные технологии уже позволяют изготавливать высокотехнологичные беспилотные тракторы по цене, аналогичной цене трактора, управляемого механизатором. Полевые работы являются операцией, для которой наиболее важна высокая степень автоматизации и независимости от внешних факторов, за которой уже должен поспевать технологический автомобильный транспорт. Самая трудоёмкая операция должна иметь высокий уровень автономности, чтобы обеспечить её низкую стоимость.
Навигационные системы и технологии позиционирования и контроля, используемые в традиционных дизельных тракторах, управляемых механизаторами, в ряде случаев увеличивают годовые затраты на технологические операции в составе таких машин до 70 %, что является экономически неприемлемым в развитии данного направления. Это указывает на то, что таким системам будет сложно конкурировать по стоимости с традиционными вариантами выполнения технологических процессов, тогда как даже частично автономные системы могут быть конкурентоспособными.
Вывод. Результат моделирования показал, что беспилотные электротракторы имеют сопоставимые или более низкие годовые затраты, чем аналогичные варианты дизельных тракторов, управляемых механизаторами. Для обеспечения равной или сопоставимой рабочей скорости выполнения технологического процесса с современными дизельными аналогами для электротракторов необходимы беспилотные системы.
Список источников
1. Разработка моделей и алгоритмов для беспилотного управления сельскохозяйственной техникой с применением технологий виртуальной и дополненной реальности / А.Н. Аверкин, М.В. Лишилин, В.А. Дорохин, Л.Н. Теряев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2020. Т. 26. № 4. С. 581 - 597.
2. Грушников В.А. Реализации мероприятий по совершенствованию экологической безопасности авто-
мобильного транспорта // Вестник транспорта. 2020. № 12. С. 17 - 21.
3. Проблемы электрификации автомобильного транспорта России / С.Н. Девянин, В.А. Марков, А.А. Са-вастенко, Э.А. Савастенко // Двигателестроение. 2022. № 1 (287). С. 21 - 31.
4. Малютин М.С. Беспилотные тракторы для сельского хозяйства // В мире научных открытий: матер. V Междунар. студенч. науч. конф. Ульяновск, 2021. С. 327 - 331.
5. Хоцоян А.Г., Чиркин С.О. Качественные показатели работы беспилотных технических средств в аграрном секторе // Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК: сб. матер. Междунар. науч.-практич. конф. / под общ. ред. В.А. Солопова. Мичуринск, 2018. С. 298 - 300.
6. Performance comparison of charging systems for autonomous electric field tractors using dynamic simulation / O. Lagnelov, G. Larsson, D. Nilsson et al. Biosystems Engineering. 2020; 194: 121-137.
7. Иванов А.С., Анисимов И.А. Перспективы применения газомоторного топлива и электротяги в сельскохозяйственной технике // Инженерные технологии в сельском и лесном хозяйстве: матер. Всерос. национал. науч.-практич. конф. Тюмень, 2020. С. 43 - 49.
References
1. Development of models and algorithms for unmanned control of agricultural machinery using virtual and augmented reality technologies / A.N. Averkin, M.V. Lishilin, V.A. Dorokhin, L.N. Teryaev. Bulletin of the Tambov State Technical University. 2020; 26(4): 581-597.
2. Grushnikov V.A. Implementation of measures to improve the environmental safety of road transport. Transport Messenger. 2020; 12: 17-21.
3. Problems of electrification of motor transport in Russia / S.N. Devyanin, V.A. Markov, A.A. Savastenko, E.A. Savastenko. Dvigatelestroyeniye. 2022; 287 (1). P. 21-31.
4. Malyutin M.S. Unmanned tractors for agriculture // In the world of scientific discoveries: mater. V Intern. student scientific conf. Ulyanovsk, 2021. Р. 327-331.
5. Khotsoyan A.G., Chirkin S.O. Qualitative indicators of the work of unmanned technical means in the agricultural sector // Engineering support of innovative technologies in the agro-industrial complex: coll. mater. International scientific-practical. conf. / under total ed. V.A. Solopova. Michurinsk, 2018. Р. 298-300.
6. Performance comparison of charging systems for autonomous electric field tractors using dynamic simulation / O. Lagnelov, G. Larsson, D. Nilsson et al. Biosystems Engineering. 2020; 194: 121-137.
7. Ivanov A.S., Anisimov I.A. Prospects for the use of gas motor fuel and electric traction in agricultural machinery // Engineering technologies in agriculture and forestry: mater. Vseros. national scientific-practical. conf. Tyumen, 2020. S. 43-49.
Андрей Сергеевич Иванов, кандидат технических наук, доцент, ivanovas@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0001-5991-3902
Andrey S. Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, ivanovas@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0001-5991-3902
Статья поступила в редакцию 10.11.2022; одобрена после рецензирования 01.12.2022; принята к публикации 10.01.2023.
The article was submitted 10.11.2022; approved after reviewing 01.12.2022; accepted for publication 10.01.2023. -♦-
