Солнечный микро-трактор для фермеров: двойная выгода — урожай и электричество

В данной статье описывается инновационный метод создания микро-электрического трактора, разработанный в рамках инициативы, направленной на предоставление социально инклюзивных и доступных «зелёных» энергетических решений для мелких фермеров в странах Африки к югу от Сахары.

В нём используется солнечная батарея мощностью 15,0 кВт и аккумуляторная система для питания микро-электрических тракторов, применяемых в сельскохозяйственной практике, называемой глубокогрядным земледелием, в Малави. Глубокогрядное земледелие увеличивает урожайность мелких фермерских хозяйств примерно в 2,5 раза, что повышает доход до 12 раз. Полученный дополнительный доход можно затем использовать для постоянной покупки бытовой электроэнергии от солнечной батареи, создавая самоподдерживающуюся модель децентрализованного доступа к энергии. Однако требования к подготовке почвы являются трудоёмкими, и для преодоления барьеров входа необходима механизация. В данной статье описываются технические требования к солнечной базовой станции и микро-трактору для использования в технологии глубокогрядного земледелия. В статье рассматривается модульная солнечная конструкция мощностью 5,9 кВт·пик и микро-трактор номинальной мощностью 10,0 кВт·ч. Испытания проводились на изолированной электросети в Лафборо в качестве подготовительного этапа перед масштабными испытаниями в Малави.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), более 800 миллионов человек не имеют надежного доступа к электроэнергии, в основном в странах Африки к югу от Сахары и в сельских районах развивающихся стран Азии (IEA, 2023). Однако, несмотря на множество существующих инициатив, искоренение энергетической бедности остается сложной задачей и требует новых стратегий для достижения амбициозных целей (Hakiri et al., 2016; Longe, 2020; Bacar et al., 2022). К числу препятствий относятся высокие капитальные затраты (Buchana and Ustun, 2015), трудности с прогнозированием спроса на энергию (Asiegbu et al., 2023), экологические факторы (Kolokotsa and Santamouris, 2014), а также кражи и повреждения (Wabukala et al., 2023).

Развертывание сетевых или микросетевых подключений в сельских общинах часто ограничено тем, что располагаемый доход общины слишком низок для покупки достаточного объема энергии, чтобы быть привлекательным для инфраструктурного инвестора.

В Малави большинство сельского населения составляют фермеры-субсистенщики, объединенные в мелкие домохозяйства. Среднегодовое производство кукурузы на одного взрослого человека в мелких домохозяйствах составляет 175,0 кг, что не достигает минимального уровня subsistence в 200,0 кг. Они не имеют внешнего денежного дохода, и сезонная внешняя работа в значительной степени оплачивается натурой — кукурузой. Культура, способная поддерживать самофинансируемую и прибыльную электрическую сетевую/микросетевую инфраструктуру, отсутствует (Eales et al., 2020a).

Малави — небольшая страна с ориентировочной площадью 11,8 миллионов гектаров, из которых озеро Малави занимает одну пятую часть. В Малави земли с уклоном менее 6,0% составляют примерно 63,0% от общей площади, а земли с умеренно/сильно наклонными территориями с уклоном 6,0–30,0% составляют 31,5% (Guiying et al., 2017). Из 9,4 миллионов гектаров земли примерно 5,3 миллиона гектаров, или 56,0 процентов, были обработаны в 2010 году. Большая часть пригодных земель уже освоена под выращивание, а расширение сельскохозяйственных угодий ограничено (Guiying et al., 2017). Малави имеет субтропический климат с выраженными влажным и сухим сезонами: сезон дождей длится с ноября по апрель следующего года, принося 90,0%–95,0% годовых осадков, при этом средняя температура поверхности составляет от 22,0 до 23,0°C (World Bank Group, 2024). Сельское хозяйство играет ключевую роль в экономике Малави, составляя более четверти ее ВВП и значительно влияя на занятость и экспортные поступления. Сектор доминирует за счет кукурузы и табака, и, как цитируется в различных публикациях, кукуруза обеспечивает более 40,0% экспортных доходов (Trade, 2024).

Существует несколько опубликованных работ, рассматривающих микросети в Африке и их успешность или ее отсутствие, в том числе в Малави (Ikejemba et al., 2017; Eales et al., 2020b; Eales et al., 2022). Выводы большинства опубликованных работ сводятся к тому, что они терпят неудачу из-за отсутствия управления после установки, а оборудование приходит в негодность (Ikejemba et al., 2017). Необходим достаточный доход для обеспечения постоянного управления. Стоимость оборудования для микросетевой солнечной и аккумуляторной установки составляет примерно 9,0–10,0 тыс. долл. США за кВт (Eales et al., 2022), при этом эксплуатационные расходы на постоянное управление оцениваются в 3,8 тыс. долл. США в год. Внедрение солнечных микросетей обошлось бы примерно в 210,00 долл. США на человека, а средние эксплуатационные расходы — в 17,00 долл. США на человека в год (Eales et al., 2020b).

На больших территориях Малави на глубине нескольких дюймов под верхним слоем почвы находится сильно уплотненный слой твердой как камень земли. Это в значительной степени является результатом длительного использования ручных мотыг, человеческого и животного воздействия, а иногда и тяжелой техники. Корни растений обычно не могут проникнуть через этот твердый слой, как и воздух или вода, необходимые для здоровой живой почвы, поддерживающей хорошее сельское хозяйство (Mvula, 2021). Данные ПРООН по потерям почвы за 2014 год оценивали, что средний национальный уровень потерь почвы в Малави составлял 29,0 тонн на гектар в год. Однако это устаревшая статистика, и новые национальные данные отсутствуют (Vargas and Omuto, 2024). Статистика потерь почвы объясняет, почему Малави является одной из беднейших стран мира и почему голод там так распространен.

Чтобы генерировать богатство для оплаты электрификации, целесообразно также решать сельскохозяйственные проблемы, что поможет создать сельский доход для финансирования электроэнергии. Предыдущие работы по совместным проектам в области сельского хозяйства и электрификации были сосредоточены на холодильном хранении (Yan et al., 2023) и затенении посевов (Aroca-Delgado et al., 2018).

Опубликованные работы по использованию механических силовых устройств для сельского хозяйства в странах Африки к югу от Сахары включают (Mrema et al., 2018):

• Тракторы с использованием традиционных двухосных четырехколесных тракторов (4 W T).

• Специально разработанные для развивающегося мира четырехколесные маломощные тракторы, такие как Kabanyolo и Tinkabi.

• Мотоблок или двухколесный трактор (2 W T), первоначально разработанный для орошаемых районов Азии.

• Гусеничные тракторы для расчистки земель.

• Моторизованные насосы и другие водоподъемные устройства.

• Моторизованное оборудование для уборки урожая, послеуборочной обработки и переработки на ферме.

• Оборудование для помола зерна.

Были объявлены некоторые работы по электрификации тракторов, но они, вероятно, на несколько порядков дороже, чем может позволить себе малавийское домохозяйство (Dezeen, 2023).

Глубокогрядное земледелие (DBF) — это инновационная сельскохозяйственная методология, разработанная организацией Tiyeni. DBF переосмысливает традиционный малавийский сельскохозяйственный цикл, и методология получила одобрение Министерства сельского хозяйства Малави. DBF демонстрирует значительное увеличение урожайности.

Этапы этого процесса следующие (Tiyeni, 2023):

• Разрушение плужной подошвы: разрушение плужной подошвы дает немедленные выгоды, позволяя корням, воде и воздуху проникать в почву, сдерживая эрозию почвы.

• Создание контурных гряд и глубоких гряд: они предназначены для минимизации стока воды, максимизации удержания влаги и предотвращения образования нового твердого уплотненного слоя под землей, что позволяет корням, воде и воздуху проникать вглубь на долгосрочной основе. Маркерные гребни создаются вдоль линий контура местности с интервалами по склону. Гребень затем стабилизируется посадкой ветивера — неинвазивной, но глубоко укореняющейся травы, которая укрепляет гребень. Между расположенными с интервалами маркерными гребнями создаются глубокие гряды почвы, приподнятые над уровнем окружающей местности. Эти глубокие гряды имеют ширину в метр, достаточную для посадки двух рядов кукурузы или трех рядов более мелких культур.

• Посадка: глубокие гряды засаживаются культурами. Кукуруза, основная культура Малави, обычно высаживается совместно с фасолью, тыквой, капустой, соей, арахисом и другими местными культурами. Эти азотфиксирующие «сидеральные культуры» повышают плодородие почвы и создают тень, которая сохраняет почву прохладнее и влажнее, уменьшая испарение. Они также помогают рассеивать силу крупных дождевых капель, защищая почву от прямого воздействия дождя.

• Уборка урожая.

• Обслуживание и подготовка: в последующие годы.

DBF — это не только создание и поддержание глубоких гряд, но также включает изменение других сельскохозяйственных практик, таких как улучшение здоровья и плодородия почвы с помощью внесения навоза и компоста, возвращение растительных остатков, мульчирование, покровные сидеральные культуры, агролесоводство и севооборот с бобовыми. Это направлено на то, чтобы побудить фермеров сократить использование удобрений.

DBF требует значительного увеличения объема подготовленной земли в первый год до получения прибавки урожая. Это создает барьер для входа, особенно для тех домохозяйств, которые испытывают недостаток семейной рабочей силы (домохозяйства с преобладанием детей, женщин и пожилых людей).

В данной статье предлагается новое решение этих проблем. Предлагается солнечный электрический мотоблок (AfTrak), разработанный для подготовки и обслуживания полей по концепции DBF Tiyeni, показанный на Рисунке 1.

Устройство также обеспечивает доступ к нулевой углеродной солнечной электроэнергии, которая надежна круглый год. В Малави годовая вариативность генерации солнечной энергии составляет всего 25,0% (Madhlopa, 2006). AfTrak напрямую решает задачу Цели устойчивого развития ООН 7, ЦУР 7, то есть доступ к недорогой и чистой энергии, по двум ключевым направлениям:

1. Глубокогрядное земледелие, как было показано, увеличивает доход мелких фермеров до 12 раз, потенциально создавая самоподдерживающуюся модель.

2. Прямое обеспечение бытовой энергией для маломощных применений, таких как освещение, зарядка телефонов и чистая электрическая готовка.

РИСУНОК 1 Концептуальный чертеж системы AfTrak.

Эта энергия может заменить высокоуглеродные процессы, такие как производство древесного угля, приготовление пищи на открытом огне и освещение.

Данная статья является новой, поскольку в ней описывается и детализируется новое сельскохозяйственное устройство AfTrak, способное как к подготовке почвы для DBF, так и к обеспечению электроэнергией. Остальная часть статьи организована следующим образом: Раздел 2 выделяет технические характеристики, Раздел 3 описывает задействованные материалы, Раздел 4 описывает методы, а Разделы 5 и 6 подробно описывают результаты и обсуждение соответственно.

Система AfTrak должна обеспечить более быструю и менее трудоемкую подготовку глубоких гряд. Она должна приносить пользу в первую очередь тем членам общин, которые живут в домохозяйствах с ограниченными ресурсами для выполнения ручного труда, таким как домохозяйства, возглавляемые пожилыми людьми, инвалидами, детьми или женщинами, и в то же время обеспечивать доступ к доступной электроэнергии для местной общины. Требования к системе AfTrak разделены на четыре части.

• Производительность базовой станции (солнечная зарядка и хранение энергии).

• Производительность блока Aftrak (солнечный микро-электрический тракторный блок).

• Воздействие на окружающую среду и сельское хозяйство.

• Социально-экономические выгоды и вовлечение общины.

В данной статье основное внимание уделяется первым двум требованиям, касающимся технической производительности. В Таблице 1 показаны требования к блоку AfTrak и требования к производительности базовой станции.

ТАБЛИЦА 1 Ключевые требования.

3.1 Аппаратная конструкция: базовая станция

Блок AfTrak требует зарядки от базовой станции для обеспечения достаточной энергии для подготовки земли. Солнечная монтажная рама спроектирована как модульная, с двумя панелями на каждой солнечной монтажной раме. Блок AfTrak спроектирован так, чтобы помещаться под солнечную монтажную раму, и имеет контейнер для аккумуляторов емкостью до 5,0 кВт·ч, защищенный от непогоды солнечной панелью.

Рама имеет плоскую упаковку и была спроектирована для легкой сборки в стране с использованием молотка и заклепочного пистолета, как показано на Рисунке 2. Это минимизирует пространство, необходимое для транспортировки. Рама в основном изготовлена по технологии сгибания и шипов. Шипы совмещаются с пазами, а затем забиваются молотком для завершения и создания жесткого соединения. Готовая рама с блоком AfTrak показана на Рисунке 3. Рама спроектирована так, чтобы блок AfTrak находился под ней и заряжался через разъемы Anderson, полученные от блока силовой электроники и хранения энергии.

РИСУНОК 2 Компоненты плоской упаковки солнечной монтажной рамы базового блока в чертеже и в поставленном виде.

РИСУНОК 3 Изготовление базового блока и окончательный собранный блок.

Каждая солнечная монтажная рама имеет место для аккумуляторов емкостью 5,0 кВт·ч, а также контроллера отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и сетевого инвертора. Есть два возможных способа настройки:

Настройка 1: С одним разъемом, так что каждый набор фотоэлектрических панелей либо заряжает аккумуляторы базовой станции, либо блок AfTrak, и для переключения используются разъемы Anderson. Аккумуляторы базовой станции не используются для зарядки блока AfTrak, а обеспечивают энергию для других применений.

Настройка 2: Как полностью управляемая система, где фотоэлектрические каналы заряжают аккумуляторы базовой станции, а затем блок AfTrak может заряжаться либо от солнечных панелей, либо от аккумуляторов базовой станции (требуется дополнительный преобразователь вместе с защитой и изоляторами).

В Таблице 2 показана стоимость материалов для созданной прототипной системы на основе Настройки 1.

ТАБЛИЦА 2 Стоимость прототипа системы базовой станции.

3.2 Аппаратная конструкция: блок AfTrak

Блок AfTrak — это микро-электрический трактор. Он имеет четыре электропривода, которые необходимы для привода колес (по одному на каждое заднее колесо), привода линейного двигателя для опускания исполнительного механизма и привода траншейной цепи для прорезания твердого слоя почвы. Электроприводы расположены в основании блока. Четыре аккумулятора VARTA напряжением 12,0 В установлены на базовом блоке для обеспечения веса, помогающего разрушать твердый слой. Сверху аккумуляторов установлена крышка и небольшой инвертор для выработки переменного тока для потребителей. Базовая опорная рама вмещает всю кабельную проводку и силовую электронику в отсеке и одновременно служит подставкой для аккумуляторов. Она должна выдерживать вес около 400,0 кг для обеспечения достаточного давления для выполнения DBF. На Рисунке 4 показана концепция продукта и расположение ключевых компонентов.

РИСУНОК 4 Концепция блока AfTrak и расположение частей.

Основная сборка сваривается вместе, затем блок переворачивается вверх дном для установки двигателей (двигатель Lynch для привода цепи, линейный исполнительный механизм для опускания цепи в землю и бесщеточные двигатели постоянного тока для привода двух задних колес), приводов силовой электроники (для двигателя Lynch и колес) и жгутов проводов. Цепь устанавливается и добавляется защитная пластина.

Аккумуляторы расположены в верхней сборке, которая прикручивается к базовой сборке, как показано на Рисунке 5. Они имеют небольшую распределительную цепь с подключениями к инвертору мощностью 1200,0 ВА для обеспечения местного напряжения 240,0 В и питания через универсальную последовательную шину (USB) для зарядки телефонов через водонепроницаемую розетку на боковой стороне блока.

РИСУНОК 5 Чертеж базовой опоры и монтаж нижнего привода, верхняя сборка и установка аккумуляторов.

Рукоятка спроектирована как прочная, чтобы она могла нести кабели между основным корпусом блока AfTrak и контроллером через каналы в конструкции. Ручки управления спроектированы как интуитивно понятные в использовании с кнопочным дросселем и двумя рычагами для подъема и опускания цепи и управления ее скоростью. На рукоятке установлен тормоз, аналогичный велосипедному, который может отключать функцию привода.

Имеются три основных двигательных узла. Важнейшим из них является двигатель Lynch, который приводит в движение цепь DBF. На Рисунке 5 показан чертеж механической сборки двигателя Lynch и готовый аппаратный узел. Двигатель Lynch и колесные двигатели питаются от аккумуляторной системы на 48,0 В. Линейный двигатель (который работает на подъем и опускание рычага цепи) имеет напряжение 24,0 В, и питание для него берется от средней точки последовательной аккумуляторной батареи. Это создает небольшой дисбаланс в потребляемой мощности. Однако это считается незначительным с точки зрения общей энергии.

В Таблице 3 показана стоимость материалов для созданной прототипной системы. При переходе к производству блок AfTrak будет включать специализированные контроллеры на печатных платах (PCB) и использовать снижение затрат при закупке компонентов и производстве, связанное с оптовыми цепочками поставок. Это значительно снизит общую стоимость единицы системы, а также создаст цепочку поставок запасных частей и обслуживания.

ТАБЛИЦА 3 Стоимость прототипа системы AfTrak.

На данный момент затраты превышают целевые; однако будут сбережения за счет масштаба производства. Все затраты основаны на ценах апреля 2023 года.

Для тестирования системы и обеспечения ее работы в соответствии с расчетными характеристиками в Университете Лафборо была организована проверка от рассвета до заката, как показано на Рисунке 6. Конфигурация системы AfTrak включала:

РИСУНОК 6 Тестовая установка.

Основной солнечный массив:

• Состоит из 12 панелей по 425,0 Вт каждая.

• Подключен к главному MTTP Multi RS Solar 48/6000.

Вторичный солнечный массив:

• Две панели по 425,0 Вт, установленные на прототипной модульной раме.

• Эта конструкция адаптирована для легкой сборки в африканских условиях.

• Подключен к собственному модульному MPPT.

Аккумуляторный блок:

• Блок базовой станции, состоящий из восьми аккумуляторов VARTA 12,0 В емкостью 210,0 А·ч в конфигурации 2P4S.

• Питает инвертор, обеспечивающий нагрузку переменного тока до 5,0 кВт.

Наземная станция:

• Получает нагрузку переменного тока до 5,0 кВт от инвертора.

• Поддерживает подключенные устройства.

Блок AfTrak:

• Подключается к аккумуляторной системе базовой станции через съемный зарядный разъем Anderson.

• Обеспечивает передачу энергии от наземной станции для подзарядки.

• Способен подавать энергию переменного тока в удаленные места.

Установка была спроектирована для работы на уровне примерно одной трети полномасштабной системы мощностью 15,0 кВт·пик. Система мощностью 15,0 кВт·пик была выбрана, поскольку это пиковая мощность солнечных панелей, необходимая для достижения цели в 60 кВт·ч ежедневной поставляемой энергии, как указано в премии Milken–Motsepe за зеленую энергию для микросетей такого размера (Milken-Motsepe prize, 2024).

Система измерений для тестовой установки показана на Рисунке 7. Она состояла из коммерческих счетчиков переменного тока Fdit, интеллектуальной мини-вилки измерителя мощности (точность не указана), Victron Cerbo GX (точность не указана) и Victron DC SmartShunt (±0,01 А и ±0,01 В по паспорту) для контроля потребления энергии. Солнечная радиация измерялась с помощью термопильного пиранометра Kipp & Zonen CMP11 (чувствительность 5,0–32,0 мкВ/Вт/м² по паспорту) и регистратора Campbell Scientific CR800.

РИСУНОК 7 Схема расположения точек измерения.

Набор нагрузок, показанных в Таблице 4, включался и выключался в течение дня на разных устройствах, а показания энергии на каждом приборе регистрировались в начале, середине и конце дня.

ТАБЛИЦА 4 Испытание нагрузки микросети.

Расчетная энергия от солнечной радиации в сочетании с площадью солнечных панелей и генерацией энергии, зарегистрированной Victron Cerbo GX, показана на Рисунке 8; последняя разделена на две части: малая солнечная модульная рама с двумя панелями и более стандартный солнечный массив с 12 панелями для понимания влияния конструкции рамы на генерацию. Следует отметить, что:

• Все измерения проведены на незатененном месте.

• Модель S29 (Юг — наклон 29,0°) основана на стандартной модели «плоскостного переноса» с измеренными глобальными горизонтальными измерениями и расчетом положения Солнца в качестве входных данных.

• Временные метки указаны по Гринвичу (т.е. без корректировки на британское летнее время).

• Временные метки для усредненных данных с более низким временным разрешением соответствуют началу периода.

РИСУНОК 8 Солнечная радиация и измеренная генерируемая солнечная мощность.

Сдвиг на 1 час между расчетной и измеренной энергией по времени связан с разницей в отчетности GMT/BST.

Генерация, зарегистрированная на двух блоках MPPT в течение дня, составила:

• RS 48/6000 MPPT: 29,4 кВт·ч (5100,0 кВт·пик).

• Модульный MPPT: 4,98 кВт·ч (850,0 кВт·пик).

• Общая генерация за день составила 34,38 кВт·ч.

Сгенерированная фотоэлектрическая энергия превысила ожидаемые целевые показатели для массива. Это связано с несколькими факторами, включая немного более длинные дни на широте места испытаний по сравнению с целевым рынком и, как правило, ясное небо. Команда оптимизировала установку, используя оптимальный наклон и угол для максимальной освещенности; эти значения могут быть оптимизированы в любом географическом месте, а инструкции и ссылка на подходящее мобильное приложение помогут при установке в стране. К негативным факторам относятся высокая температура панелей (выше пиковой сезонной генерации в Малави).

Для оценки производительности новой модульной солнечной рамы результаты были нормализованы с использованием общей установленной мощности, что позволило провести прямое сравнение.

Данные показывают, что модульная рама стабильно генерирует больше энергии, чем стандартная рама, и за 24 ч выработала 102,0% от массива.

Эти улучшения объясняются двумя ключевыми факторами:

• Затенение: увеличенная высота рамы предотвращает низкое затенение от травы и насекомых.

• Оптимизация MPPT: использование меньших дешевых модульных MPPT позволяет устройствам оптимизировать выработку для каждого модуля, а не пытаться найти оптимальную точку для нескольких панелей.

Было показано, что конструкция модульной рамы обеспечивает хорошее место для парковки и зарядную станцию для блоков AfTrak, в некоторой степени защищая трактор от постоянного теплового излучения, что продлит срок службы устройств.

Стальной каркас показал себя прочным и, вероятно, выдержит штормы, но это потребует проверки в стране.

Блоки трактора AfTrak успешно заряжались от массива базовой станции, используя солнечную генерацию и дополнительный ввод от аккумуляторов базовой станции. Было экстраполировано, что полная зарядка после вспашки займет 1–3 часа в зависимости от солнечной радиации.

Зарядный разъем спроектирован так, чтобы отключать рабочий инструмент во время зарядки для предотвращения случайного включения. Эта функциональность была протестирована и подтверждена. Система была протестирована как изолированная сеть. Однако наш выбор силовой электроники означает, что работа микросети возможна, если потребуется на любом этапе.

В течение испытательного периода был протестирован ряд нагрузок, подключенных как к базовой станции, так и к тракторному блоку; они показаны в Таблице 4. Присутствовали две значительные базовые нагрузки от зарядной станции для электромобилей и водонагревателя, которые в сумме создавали непрерывную нагрузку 4,5 кВт с дополнительной мгновенной мощностью 500,0 Вт от меньших нагрузок, что давало пиковую нагрузку инвертора 5,0 кВт. За день было продемонстрировано общее потребление 34,2 кВт·ч. Зарегистрированные данные в течение дня показаны в Таблице 5.

ТАБЛИЦА 5 Измеренные значения в контрольных точках.

Блок AfTrak использовал 3,0 кВт·ч нагрузки в течение дня для питания устройств и работы траншейного механизма глубокогрядного земледелия. Затем он был подзаряжен с помощью солнечных панелей к концу дня. Аккумуляторный блок базовой станции закончил день с зарядом на 2,08 кВт·ч ниже, чем в начале, в то время как аккумуляторный блок AfTrak был на 0,02 кВт·ч ниже. Это объясняется потерями эффективности внутри системы.

Хотя разделить потери сложно, заявленная эффективность производственного оборудования составляет:

• Инвертор Victron при 30,0°C: 96,0%

• КПД свинцово-кислотных аккумуляторов при полном цикле при 30,0°C: 85,0%

• MPPT Victron при 30,0°C: 96,0%–98,0%

Эффективность системы = выходная мощность/входная мощность = 34,2/(34,2 + 2,08 + 0,02) = 94,2%

Общая эффективность системы 94,2% является разумным показателем, учитывая, что значительная часть энергии потребляется непосредственно нагрузкой, а не идет на зарядку аккумуляторов. В сценарии, где аккумуляторы используются как краткосрочное хранилище, ожидается эффективность 80,0%, поскольку потери энергии происходят как при зарядке, так и при разрядке.

С точки зрения трудозатрат, основным требованием DBF является глубина проникновения в почву при обработке. Было продемонстрировано, что блок AfTrak способен успешно механизировать процесс DBF, обеспечивая глубину реза 400,0 мм при одновременном разрыхлении почвы до мелких частиц, что обеспечивает лучшее проникновение корней культур по сравнению с использованием традиционных ручных инструментов, как показано на Рисунке 9.

РИСУНОК 9 Траншея и частицы почвы.

Трактор AfTrak оснащен интеллектуальным шунтом контроля тока, передающим данные о мощности в реальном времени через Bluetooth. Во время подготовки почвы был зарегистрирован пиковый ток 152,99 А. Этот показатель будет варьироваться в зависимости от состояния почвы, но, как ожидается, будет ниже на более сухих почвах.

Было измерено, что технология копания AfTrak обеспечивает глубину 400,0 мм с временем работы от аккумулятора, эквивалентным 50,0 м² за 2 часа работы на один блок. В сочетании с солнечной базовой станцией каждый блок AfTrak должен быть способен выполнять по крайней мере две операции в день, что дает 100,0 м² в день на блок при двух циклах и 150,0 м² при трех циклах. Средняя площадь фермы в Малави составляет 0,47 га (FAO, 2024). Для подготовки половины земли под DBF потребуется около 2 недель работы одного блока AfTrak в первый год, и этот процесс значительно быстрее, чем использование кирки.

Данная работа направлена на помощь сообществам в Африке к югу от Сахары во внедрении DBF как сельскохозяйственной практики для повышения урожайности, улучшения удержания влаги и снижения эрозии почвы. В данной статье описан микро-электрический трактор, спроектированный как для выполнения DBF, так и для обеспечения сообществ источником статической и мобильной микросетевой энергии.

Работа включала разработку новой конструкции базовой станции для размещения блока AfTrak и обеспечения места для аккумуляторов и силовой электроники, необходимой для зарядки и микросетевых применений. Как базовая станция, так и блок AfTrak работали с различными нагрузками, и блок AfTrak способен прорезать твердый слой на глубину до 40,0 см.

Система AfTrak спроектирована так, чтобы иметь очень низкие эксплуатационные расходы и обслуживаться силами сообщества. Это обеспечивает чрезвычайно низкие эксплуатационные расходы для системы AfTrak. Стоимость демонстрационной системы из Таблиц 2 и 3: базовый блок — 9 086,00 фунтов стерлингов или 11 377,26 долл. США (чуть более 1/3 размера) и AfTrak — 7 409,84 фунтов стерлингов или 9 275,64 долл. США (каждый). Аппаратные затраты на солнечный массив мощностью 5,9 кВт·пик и один микро-тракторный блок на 10,0 кВт·ч составляют примерно 20 000,00 долл. США в сумме. Это дешевле, чем обычно цитируемые цены на микросети в размере 9,0–10,0 тыс. долл. США за кВт, но не включает затраты на рабочую силу, установку и землю. Некоторые затраты типичной микросети включают прокладку кабелей к домам. Это не было включено в стоимость, поскольку микро-трактор является переносным. Мы предполагаем, что деревни будут иметь несколько микро-тракторов на одну базовую станцию с масштабируемыми размерами.

Используя солнечное моделирование, количество энергии, которое может быть сгенерировано базовой станцией в год, составляет около 10,0 МВт·ч. Это эквивалентно капитальным затратам в размере 0,06 долл. США/кВт·ч. Для полномасштабной базовой станции это снижается до 0,02 долл. США/кВт·ч с одним трактором и 0,03 долл. США/кВт·ч с тремя тракторами. Текущая цена электроэнергии в Малави указана как 173,70 K/кВт·ч (Mhone, 2023), что эквивалентно примерно 0,10 долл. США/кВт·ч.

Эта оценка капитальных затрат на единицу была основана на заявленном 30-летнем сроке службы панелей. Ожидается, что блоки AfTrak будут иметь срок службы не менее 10 лет, но учитывая, что им нужно только один раз перевести каждое поле на DBF, они могут быть выведены из эксплуатации после этого и использоваться исключительно как энергетические векторы.

Данная работа не завершена, так как необходимо провести детальные испытания в Малави. Кроме того, были выявлены технические улучшения. В частности, оригинальный колесный привод, хотя и работал хорошо на ровной твердой земле, не имел достаточного крутящего момента для бесперебойной работы при траншеекопании. Электроприводы пришлось заменить, и потребовалась дополнительная передача для удовлетворения высоких требований по крутящему моменту. Также необходимо провести масштабные испытания в Малави в условиях реального сообщества, чтобы глубже понять их социальные и технические требования и улучшить конструкцию на основе этого.

1.    Aroca-Delgado R., Pérez-Alonso J., Callejón-Ferre Á. J., Velázquez-Martí B. (2018). Compatibility between crops and solar panels: an overview from shading systems. Sustainability 10, 743. doi: 10.3390/su10030743. CrossRef. Google Scholar.

2.    Asiegbu A., Almaktoof A., Khalat A. (2023). Energy access assessment report focusing on energy poverty and energy demand for Rwanda, in 2023 IEEE 3rd International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (MI-STA), Benghazi, Libya, May, 2023, 820–882. Google Scholar.

3.    Bacar B., Almaktoof A., Khalat A. M., Elmezughi M. K. (2022). Smart metering and energy access programs: an approach to energy poverty reduction in sub-Saharan Africa, in 2022 IEEE 2nd International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (MI-STA), Sabratha, Libya, May, 2022, 127–132. Google Scholar.

4.    Buchana P., Ustun T. S. (2015). The role of microgrids and renewable energy in addressing Sub-Saharan Africa's current and future energy needs, in IREC2015 The Sixth International Renewable Energy Congress, Sousse, Tunisia, March, 2015, 1–6. Google Scholar.

5.    Dezeen (2023). AMO and Volkswagen propose electric tractor design for sub-Saharan Africa. Available at: https://www.dezeen.com/2020/03/02/amo-volkswagen-electric-tractor-africa/ (Accessed November 17, 2023). Google Scholar.

6.    Eales A., Alsop A., Frame D., Strachan S., Galloway S. (2020a). Assessing the market for solar photovoltaic (PV) microgrids in Malawi. Hapres, J. Sustain. energy. Google Scholar.

7.    Eales A., Alsop A., Frame D., Strachan S., Galloway S. (2020b). Assessing the market for solar photovoltaic (PV) microgrids in Malawi. Hapres J. Sustain. Res. 2 (1), e200008. Google Scholar.

8.    Eales A., Banda E., Taulo G., Coley W., Frame D. (2022). Deploying solar microgrids in Malawi: lessons learned and implications for the Malawian microgrid ecosystem. Available at: https://ease.eee.strath.ac.uk/wp-content/uploads/2022/11/Deploying-Solar-Microgrids-in-Malawi-Technical-Report.pdf (Accessed November 17, 2023). Google Scholar.

9.    FAO (2024). Family farming knowledge platform. Available at: https://www.fao.org/family-farming/data-sources/dataportrait/farm-size/en/ (Accessed February 09, 2024). Google Scholar.

10. Guiying L., Messina J. L., Peter B. G., Snapp S. S. (2017). Mapping land suitability for agriculture in Malawi. Land Degrad. Dev. 28 (7), 2001–2016. doi: 10.1002/ldr.2723. CrossRef. Google Scholar.

11. Hakiri J., Moyo A., Prasad G. (2016). Assessing the role of solar home systems in poverty alleviation: case study of Rukungiri district in Western Uganda (November 2015), in 2016 International Conference on the Domestic Use of Energy (DUE), Cape Town, South Africa, November, 2015, 1–9. Google Scholar.

12. IEA (2023). SDG7: data and projections. Available at: https://www.iea.org/reports/sdg7-data-and-projections (Accessed November 17, 2023). Google Scholar.

13. Ikejemba E. C. X., Mpuan P. B., Schuur P. C., Van Hillegersberg J. (2017). The empirical reality and sustainable management failures of renewable energy projects in Sub-Saharan Africa (part 1 of 2). Renew. Energy 102 (Part A), 234–240. ISSN 0960-1481. doi: 10.1016/j.renene.2016.10.037. CrossRef. Google Scholar.

14. Kolokotsa D., Santamouris M. (2014). Energy poverty in Europe: challenges for energy efficiency, in IISA 2014, The 5th International Conference on Information, Intelligence, Systems and Applications, Chania, Greece, 229–234. Google Scholar.

15. Longe O. M. (2020). A review of energy and gender poverty nexus in South Africa, in 2020 IEEE PES/IAS PowerAfrica, Nairobi, Kenya, August, 2020, 1–5. Google Scholar.

16. Madhlopa A. (2006). Solar radiation climate in Malawi. Sol. Energy 80 (8), 1055–1057. ISSN 0038-092X. doi: 10.1016/j.solener.2005.08.007. CrossRef. Google Scholar.

17. Mhone C. (2023). Review of ESCOM electricity tariffs. Available at: https://mera.mw/2023/11/09/review-of-escom-electricity-tariffs/ (Accessed February 09, 2024). Google Scholar.

18. Milken-Motsepe prize (2024). Milken-Motsepe prize for green energy. Available at: https://milkenmotsepeprize.org/green-energy/ (Accessed April 21, 2024). Google Scholar.

19. Mrema G. C., Kienzle J., Mpagalile J. (2018). Current status and future prospects of agricultural mechanization in sub-saharan Africa (SSA). Ama, Agric. Mech. Asia, Afr. Lat. Am. 49 (2), 13–30. Google Scholar.

20. Mvula A. (2021). The social-ecological sustainability of the Tiyeni deep-bed conservation agriculture system in Malawi. Phd thesis. Worcester, England: University of Worcester. Google Scholar.

21. Tiyeni (2023). Deep bed farming. Available at: https://www.tiyeni.org/deep-bed-farming (Accessed November 17, 2023). Google Scholar.

22. Trade (2024). Malawi – country commercial guide. Available at: https://www.trade.gov/country-commercial-guides/malawi-agricultural-sector (Accessed April 21, 2024). Google Scholar.

23. Vargas R., Omuto C. (2024). Soil loss assessment in Malawi. Available at: https://info.undp.org/docs/pdc/Documents/H21/Soil%20Loss%20Report-Final%20copy%20November%2018,%202016.pdf (Accessed April 20, 2024). Google Scholar.

24. Wabukala B. M., Mukisa N., Watundu S., Bergland O., Rudaheranwa N., Adaramola M. S. (2023). Impact of household electricity theft and unaffordability on electricity security: a case of Uganda. Energy Policy 173, 113411. ISSN 0301-4215. doi: 10.1016/j.enpol.2022.113411. CrossRef. Google Scholar.

25. World Bank Group (2024). Climate change knowledge portal. Available at: https://climateknowledgeportal.worldbank.org/country/malawi/climate-data-historical (Accessed April 21, 2024). Google Scholar.

26. Yan M., Li Z., Lai C. S., Zhao Z., Zobaa A. F., Lai L. L. et al. (2023). Energy management considering multiple power markets and microgrid storage. Front. Energy Res. Sec. Energy Storage 11. doi: 10.3389/fenrg.2023.1285270. CrossRef. Google Scholar.

Williams T, Wilson J, Partington L, Andrews C, Chavula I, Gondwe F, Betts T and Strickland D (2024) Micro-electric tractors for deep bed farming and sustainable micro-grid electricity. Front. Energy Res. 12:1384568. doi: 10.3389/fenrg.2024.1384568

Перевод статьи «Micro-electric tractors for deep bed farming and sustainable micro-grid electricity» авторов Williams T, Wilson J, Partington L, Andrews C, Chavula I, Gondwe F, Betts T and Strickland D., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык