7. Жуков Ю. Н. АМАК-система в исторической перспективе //

                 Материалы XXIII международной научно-практической конференции /                   Академическая наука - проблемы и достижения / 1-2 июня 2020 г. /

                 North Charleston, USA / - C. 62 - 67.

              8. Жуков Ю. Н. Затраты энергии в заводской и тракторной системах 

                  производства зерновых. Материалы XXXIII международной научно-

                  практической конференции / Академическая наука - проблемы и                              достижения / 23-24 октября 2023 г. / Bengaluru, India / - С. 82 - 89.

                                                                                   Жуков Ю. Н.

доцент, канд. технич. наук, профессор Томского университета

систем управления и радиожлектроники (на пенсии)

yunzh@mail.ru

Затраты энергии в заводской и тракторной системах

производства зерновых

Под «Тракторной системой производства зерновых» в данной статье будем иметь в виду систему, включающую: активное угодье 1000 га, минимальный набор тракторов, комбайнов, зерновозов и другой техники, обеспечивающих среднюю урожайность зерновых 4,154 т/га (средняя урожайность зерновых в мире, Всемирный банк, 2021).

Под «Заводской системой производства зерновых» имеем в виду АМАК-систему, включающую: активное угодье 1000 га, один АМАК (автоматизированный мостовой агротехнический комплекс), один канал-хранилище, пять линеек навесных агрегатов, один ангар, рельсовые колеи под всеми опорами АМАК и одну водорегулирующую станцию.

В тракторной системе затраты энергии произведём, используя исходные данные: 4,154 т/га; 50 кг моторного топлива на производство одной тонны зерновых (Белоруссия – 51,3 кг; США – 114,3 кг; Россия – 37,5 кг).

В указанной выше тракторной системе будет произведено зерновых:

4,154 т/га · 1000 га = 4 154 т и будет сожжено в двигателях внутреннего сгорания тракторов, комбайна и зерновоза 4 154 т · 50 кг/т = 207 700 кг = 207,7 т моторного топлива.

Тепловой эквивалент сгоревшей одной тонны моторного топлива известен: 1 кг эквивалентен 46 МДж. При сгорании 207,7 т моторного топлива выделится: 207 700 кг х 46 МДж/кг = 9 554 200 МДж.

Вывод первый. Тракторная система производства зерновых, имея среднемировую урожайность в 4,154 т/га на площади в 1000 га в год произведёт 4 154 т зерновых, затратив при этом энергии 9 554 200 МДж.

В заводской системе производства зерновых используем АМАК-систему по проекту Ю. Жукова (см. www.amak-sistema.ru). Затраты энергии в АМАК-системе будут складываться из следующих составляющих: 1) на многократные передвижения АМАК по рельсовым колеям активного угодья в челночном режиме. 2) на подъём 5 линеек навесных агрегатов на АМАК и перенос их по активному угодью. 3) на работу исполнительных механизмов при предпосевной обработке почвы, внесении удобрений, севе, борьбе с вредителями растений и уборке урожая. 4). На орошение. 5) на транспортировку зерновых при уборке урожая от навесных агрегатов до канала-хранилища. 6) на транспортировку семян. 7) на транспортировку удобрений. 8) на передвижение ангара. 9) на очистку солнечных панелей. 10) на сканирование активного угодья для составления карты его влажности. Произведём расчёт затрат энергии для всех 10 пунктов.

1. Затраты энергии на передвижение АМАК (без навесных агрегатов) по рельсовым колеям за один проход по активному угодью рассчитаем по формуле (1).

                                                             E = m‧ g ‧ k ‧ L ,  где:                                                                                    (1)

                                                  Е – энергия, Дж

                                                  m – масса АМАК, кг

                                                   g – ускорение свободного падения, м/сек²

                                                   k – коэффициент сопротивления движению (безразмерный)

                                                   L – пройденный (горизонтальный) путь, м

В предложенной заводской системе используется АМАК длиной

1028 м (20 рабочих пролётов по 50 м каждый, 20 м в зонах опор, один управляющий пролёт длиной 8 м). При удельной массе АМАК равной 0,8 т/пог. м, вся масса АМАК составит 1028 м ⸱ 0,8 т/пог. м = 822,4 т.

Коэффициент сопротивления движению k = 0.003, так как АМАК передвигается по стальным рельсам и имеет стальные колёса. L = 10 000 м, так как при этой длине АМАК обслуживает 1000 га (ширина захвата 20 рабочих пролётов составляет 1000 м).

Подставляем в формулу (1) указанные выше значения и получаем энергию, которую АМАК затрачивает на один проход по активному угодью, 822 400 кг ⸳ 9,8 м/сек² ⸳ 0.003 ⸳ 10 000 м = 241 785 600 Дж = 241,8 МДж. За годовой цикл АМАК совершает 20 проходов по активному угодью

(два прохода на предпосевную обработку почвы, два на внесение удобрений, два – на сев, два на борьбу с вредителями растений, два на уборку урожая и 10 – на орошение), тогда искомая величина Е = 241,8 МДж ⸳ 20 ( проходов) = 4 836 МДж.

2. Затраты энергии на подъём 5 линеек навесных агрегатов (кроме поливочных — будут рассмотрены ниже) на АМАК и перенос их по активному угодью. В АМАК-системе в течение года выполняется 6 видов полевых работ: предпосевная обработка почвы, внесение минеральных удобрений (подкормка), сев, полив, уничтожение вредителей растений и уборка урожая. Для каждого вида полевой работы имеется своя линейка навесных агрегатов. Каждая линейка имеет по 200 одинаковых навесных агрегатов. Таким образом, на технологической площадке стоит 6 линеек навесных агрегатов. Каждая линейка имеет свои конструктивные особенности. Каждый навесной агрегат в любой линейке имеет стандартизированные размеры 1 х 1 х 4,8 м и массу (в среднем) 250 кг. Таким образом, одна линейка навесных агрегатов имеет массу 250 кг/агрегат · 200 агрегатов = 50 000 кг = 50 т.

Затраты энергии на подъём одной линейки навесных агрегатов рассчитаем по формуле (2).

                                                                       E = m ‧ g ‧ h ,  где:                                                                                    (2)

                                                               E - затраченная энергия, Дж

                                                               m - масса поднимаемого объекта, кг

                                                                g - ускорение свободного падения, м/с²

                                                                h - высота подъёма объекта, м

Подставим найденные значения в формулу (2) и при h = 3 м получим затраты энергии на подъём одной линейки навесных агрегатов на АМАК: 50 000 кг · 9,8 м/с² · 3 м = 1 470 000 Дж = 1,47 МДж. Для подъёма пяти линеек (без поливочной линейки) потребуется: 1,47 МДж · 5 (линеек) = 7,35 МДж.

Для переноса с помощью АМАК одной линейки навесных агрегатов на расстояние в 20 000 м (в один конец поля и обратно) потребуется энергия, которую определим по формуле (1): 50 000 кг · 9,8 м/сек² · 0,003 · 20 000 м = 29 400 000 Дж = 29,4 МДж.

Для поднятия одной линейки навесных агрегатов на АМАК и перенос этой линейки в один конец поля и обратно потребуется: 1,47 МДж + 29,4 МДж = 30,87 МДж.

Для поднятия пяти линеек навесных агрегатов на АМАК и перенос их в один конец поля и обратно потребуется: 30,87 МДж х 5 = 154,35 МДж.

3. Все навесные агрегаты всех пяти линеек навесных агрегатов не имеют автономных электродвигателей, а используют электродвигатели, установленные на каждой вертикально перемещаемой площадке АМАК. На каждой вертикально перемещаемой площадке установлен один электродвигатель мощностью 5 кВт. В АМАК 200 вертикально перемещаемых площадок, следовательно общая установленная мощность этих электродвигателей составит: 5 кВт · 200 (верт. перемещ. площадок) = 1000 кВт.

Затраты энергии на работу механизмов одной линейки навесных агрегатов за 10 часов работы (среднее время полевой работы) составит 10 000 кВт · ч. Затраты энергии на работу механизмов пяти линеек навесных агрегатов составят 50 000 кВт · ч. Учитывая, что 1 кВт · ч эквивалентен 3,6 МДж, то затраты энергии на работу всех механизмов всех линеек навесных агрегатов составят 180 000 МДж.

4. Затраты на орошение складываются из затрат энергии на подъём воды и перемещения её по каналу-хранилищу и АМАК, а также подъём и перенос поливочной линейки навесных агрегатов.

Предполагается, что урожайность зерновых такая же, как в тракторной системе, а именно 4,154 т/га (средняя мировая); подземный источник воды находится на глубине 5 м и норма полива зерновых составляет 1000 т воды на производство одной тонны зерновых. За год АМАК-система произведёт 4 154 т зерновых, используя 4 154 000 т воды для полива.

Затраты энергии на подъём воды из подземного источника (на глубине 5 м) и подъём на АМАК (3,5 м) определим по формуле (2).

4 154 000 000 кг · 9,8 м/с² · (5 + 3,5) м = 346 028 МДж.

Затраты энергии на перемещение воды по каналу-хранилищу (5 000 м) и по АМАК (500 м) определим по формуле (1), полагая k = 0,001.

4 154 000 000 кг · 9,8 м/с² · 0,001 · 5500 м = 223 901 МДж.

Общие затраты энергии на подъём 4,154 млн т воды на высоту 8,5 м и перемещение её на расстояние 5500 м составит: 346 028 МДж + 223 901 МДж = 549 929 МДж.

На 5-кратное поднятие линейки поливочных навесных агрегатов будет затрачено 1,47 МДж х 5 = 7,36 МДж (за лето полив осуществят 5 раз). На перенос линейки поливочных навесных агрегатов по угодью (10 переносов, 5 в одну сторону, 5 обратно) затрачено 14,7 МДж х 10 (проходов) = 147 МДж. На подъёмы и переносы затрачено энергии 7,36 МДж + 147 МДж = 154,35 МДж.

Всего на поднятие и транспортировку воды, на поднятие и перенос линейки поливочных навесных агрегатов потрачено 549 929 МДж + 154,35 МДж = 550 083,35 МДж

5. Затраты энергии на транспортировку зерна при уборке урожа от навесных агрегатов до канала-хранилища.Эти затраты складываются из затрат энергии на подъём 4 154 т зерна (всего урожая) на высоту 4 м (от навесного агрегата до транспортёра АМАК) и перемещение всего урожая на расстояние 564 м (половина длины АМАК).

Затраты энергии на подъём зерна 4 154 т на высоту 4 м найдём по формуле (2) 4 154 000 кг · 9,8 м/с² · 4 м = 163 МДж.

Затраты энергии на перемещение 4 154 т зерна на расстояние 564 м найдём по формуле (1) при коэффициенте сопротивления ленты транспортёра 0,02.

4 154 000 кг х 9,8 м/с² х 0,02 х 564 м = 459,2 МДж.

Затраты энергии на перемещение всего зерна урожая от уборочных навесных агрегатов до канала-хранилища составят: 163 МДж + 459,2 МДж = 622,2 МДж.

6. Затраты энергии на транспортировку семян. При норме высева в 0,25 т/га всего семян 250 т, которые сначала необходимо поднять на 4 м (из канала-хранилища или внешнего транспортного средства), затем переместить вдоль АМАК на расстояние в 564 метра (среднее расстояние) и рассыпать по посевным агрегатам. На основании формулы (2) для подъёма 250 т семян потребуется 250 000м х 9,8 м/с² х 4 м = 9,8 МДж. Для перемещения 250 т зерна вдоль АМАК к навесным посевным агрегатам потребуется затратить энергии по формуле (1)

250 000 кг х 9,8 м/с² х 0.02 х 564 м = 27,64 МДж. На подъём и перемещение семян по АМАК к посевным навесным агрегатам потребуется энергии 9,8 МДж + 27,64 МДж = 37,44 МДж.

7. Затраты энергии на транспортировку удобрений из внешнего транспортного средства к навесным агрегатам для внесения удобрений. При норме внесения удобрений 0,5 т/га вносится 500 т удобрений. Эти удобрения проделывают тот же путь, что и семена (см. п. 6), поэтому затраты энергии будут такими же, но в 2 раза больше, а именно 74,88 МДж.

8. Затраты энергии на передвижение ангара. При массе ангара в 100 т и перемещении его на расстояние в 100 м, согласно формуле (1), потребуется энергии 100 000 кг х 9,8 м/с² х 0,003 х 100 м = 0,3 МДж. При 10-кратном передвижении ангара потребуется затратить 3 МДж.

9. Затраты энергии на очистку солнечных панелей. В АМАК-системе три устройства для очистки панелей. При массе всех трёх устройств в 500 кг и общей длине их пробегов по крышам АМАК и ангара в 10 км, определённые по формуле (1) затраты энергии составят 500 кг х 9,8 м/с² х 0,003 х 10 000 м = 0,15 МДж. С учётом работы электродвигателей устройств очистки, на два порядка увеличивает расход энергии, который в итоге составит 15 МДж.

10. Затраты энергиина сканирование активного угодья для составления карты его влажности складываются из затрат энергии на передвижение АМАК на всю дину поля (10 км) и работу электронных датчиков влажности. На передвижение АМАК требуется 241,8 МДж (см. п. 1). Датчики влажности установлены на вертикально перемещаемых шторах АМАК в количестве 1000 штук с шагом по фронту в 1м. На поднятие и опускание штор, на работу всех датчиков ориентировочно затрачивается 50 МДж. С учётом затрат на передвижение АМАК в одну сторону затраты энергии составят 291,8 МДж.

Полученные результаты сведены в Таблицу 1.

Затраты энергии в АМАК-системе, обслуживающей 1000 га,

при урожайности зерна в 4,154 т/га производящей 4 154 т зерна в год,

при нормах: сева 0,25 т/га, удобрений 0,50 т/га, 1000 т воды

на тонну произведённого зерна

Таблица 1

* с учётом КПД = 0,9 электродвигателей АМАК

Итак, имеем основные характеристики двух систем производства зерновых. У них одинаковые площади активных угодий (по 1000 га) и одинаковая продукция (4 154 т зерновых а год) при одинаковой урожайности (4,154 т/га). А вот затраты энергии отличаются существенно. Для удобства сравнения джоули тракторной системы переведём в киловатт часы, используя равенство: 1 кВт·ч эквивалентен 3,6 МДж.

2 653 944,4 кВт·ч -- затраты тракторной системы

227 196,9 кВт·ч -- затраты заводской системы.

В заводской системе затраты энергии в 11,7 раза меньше, чем в тракторной.

Затраты энергии на производство одной тонны зерна составляют:

638,9 кВт·ч/т -- в тракторной системе,

54,7 кВт·ч -- в заводской системе (так же в 11,7 раза меньше тракторной).

Вывод второй. При одинаковых площадях активных угодий по 1000 га и средне мировой урожайности зерновых, заводская система потребляет в 11,7 раза меньше энергии, чем тракторная система.

На каждой тонне произведённого зерна заводская система даёт экономию энергии 584,2 кВт·ч. (584 хозяйки могут пользоваться своими электроплитками каждая мощностью по 1 кВт в течение часа).

При использовании заводской системы вместо тракторной в нашем примере будет сэкономлено 2 426 747,5 кВт·ч энергии. Если в квартире установить электрообогреватель мощностью 1 кВт и включить его на 5 зимних месяцев (150 часов), то таких квартир окажется 16 178 -- большое сибирское село.

В 2023 году проекту "АМАК-система" (автор Жуков Ю. Н., Россия, Томск, 1977) исполнилось 46 лет. В течение этих лет автор, с помощью научных статей [1 - 7], научно-популярных статей в интернете (76 статей) и 13 авторских свидетельств СССР на изобретения (все по АМАК-системе) активно пытался заинтересовать Правительство СССР, а позже и Правительство новой России, однако, АМАК-система до сих пор остаётся проектом. Теплится надежда на инвесторов, молодых инженеров и фермеров, которые сдвинут с мёртвой точки этот красивый и эффективный проект заводской системы, за которыми будущее зернового производства. Заводское земледелие на основе АМАК-систем сможет не только увеличить зерновое производство, электрифицировать и автоматизировать его, сделать комфортным и привлекательным для молодёжи, но и экономить энергию – важнейший ресурс человечества.

Литература

1. Жуков Ю. Н. Телевизионно-управляющее устройство для сельскохозяйственного производства // Межвуз. сб. Телевизионно-вычислительные устр. – Томск, 1981. – Вып. 4. С. 117 – 126.

2. Жуков Ю. Н. Некоторые проблемы сельского хозяйства Сибирского региона и АМАК-система // Сб. научн. тр. СО ВАСХНИЛ. Повышение эффективности эксплуатации сельскохозяйственной техники. – Новосибирск, 1984. – С. 121 – 125.

3. Жуков Ю. Н. Автоматизированный мостовой агротехнический комплекс // Механизация и электрификац. сельск. хоз. – 1984. – №2. – С. 11 – 15.

4. Жуков Ю. Н. Автоматизированный мостовой агротехнический комплекс и возможности его электрификации // Механиз. и электрификац. сельск. хоз. – 1985. – №4. – С. 11 – 12.

5. Жуков Ю. Н. АМАК-система [Электронный ресурс] / Ю. Н. Жуков. – М.: Инфра-М, 2014. –104 с.. – Режим доступа: http: www.znanium.com/

6. Жуков Ю. Н. АМАК-система и технологическая революция в земледелии // Актуальные вопросы современной науки. – Научн. журн. – Научн.-изд. Центр «Открытие». – 2018. – №3. – С. 23 – 28.

7. Жуков Ю. Н. АМАК-система в исторической перспективе // Матер. XXIII международной научно-практич. конференции Академич. наука – проблемы и достижения. – 2020. – NorthCharleston, USA. – С. 66 – 71.

Вставил 20.01.2024

Сайт Юрия Жукова

АМАК-система

Предлагается новая технология земледелия - "Заводская".