При покупке сельскохозяйственных дронов, как мне сравнить плюсы и минусы электрических и гибридных моделей?

Когда мы тестируем новые прототипы на нашей сборочной линии в Сиане, самые частые споры возникают не о скорости полета, а о времени простоя. Вы можете беспокоиться, что выбор неправильной системы питания оставит ваше оборудование на земле в критический период сбора урожая, что будет стоить вам времени и денег, когда это наиболее важно.

Электрические сельскохозяйственные дроны предлагают более низкие первоначальные затраты, более простое обслуживание и нулевые выбросы, но страдают от короткого времени полета, требующего частой смены батарей. В отличие от них, гибридные модели обеспечивают значительно большую продолжительность полета и большую грузоподъемность для больших полей, хотя и сопровождаются более высоким уровнем шума, проблемами с вибрацией и сложным механическим обслуживанием.

Чтобы помочь вам сделать правильное вложение, давайте разберем конкретные технические компромиссы между этими двумя системами.

Обеспечивают ли гибридные сельскохозяйственные дроны значительно более длительное время полета, чем электрические модели, для больших полей?

По нашему опыту настройки планов полетов для клиентов на Среднем Западе США, мы видим, насколько разочаровывающей может быть тревога о дальности полета. Ничто так быстро не убивает операционную эффективность, как дрон, возвращающийся на посадочную площадку каждые 20 минут для смены, прерывая схему распыления посреди огромного поля.

Да, гибридные дроны обеспечивают значительно более длительное время полета, обычно достигая двух-четырех часов непрерывной работы по сравнению с 30-60 минутами, обычными для электрических моделей. Эта увеличенная продолжительность полета позволяет непрерывно покрывать большие площади, что делает гибриды лучшим выбором для обширного картографирования или задач по распылению больших объемов.


Разрыв в плотности энергии

Когда мы проектируем рамы дронов, мы постоянно боремся с гравитацией. Основная причина, по которой гибридные дроны летают дольше, заключается в фундаментальной разнице в плотности энергии между жидким топливом и литиевыми Литий-полимер ¹ батареями. плотность энергии ² Галлон бензина содержит гораздо больше потенциальной энергии на фунт, чем даже самые передовые батареи LiPo (литий-полимерные), которые мы используем.

Чтобы электрический дрон летал дольше, мы должны добавить больше батарей. Однако это увеличивает вес, что, в свою очередь, потребляет больше энергии для подъема, создавая точку убывающей отдачи. Большинство электрических сельскохозяйственных дронов достигают "потолка производительности" примерно через 30-45 минут полета с полезной нагрузкой. Помимо этого, дрон становится слишком тяжелым, чтобы быть эффективным.

Влияние на рабочий процесс

На большой ферме эта разница во времени меняет ваш ежедневный рабочий процесс. С электрической моделью ваш пилот фактически привязан к зарядной станции. В течение 10-часового рабочего дня электрический дрон может проводить от 3 до 4 часов на земле, меняя батареи и ожидая проверки системы.

Гибридные модели, использующие небольшой двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии для двигателей, обходят это. Они могут приземлиться, заправиться за две минуты и снова взлететь. Эта возможность "быстрого оборота" означает, что один гибридный агрегат часто может выполнять работу двух электрических агрегатов просто потому, что он дольше остается в воздухе.

Разбивка эффективности по размеру поля

Мы собрали данные из различных полевых испытаний, чтобы проиллюстрировать, где находится точка перехода.

Если вы управляете обширными монокультурными посевами, способность гибрида покрывать сотни акров за один полетный маршрут обширные монокультурные посевы ³ снижает риск пропуска рядов или перекрытия распыления из-за частых перерывов.

Является ли обслуживание двигателей гибридных дронов более сложным, чем управление электрическими аккумуляторными системами?

Наша ремонтная команда часто обрабатывает гарантийные претензии и запросы на обслуживание, что дает нам четкое представление о долговечности. Мы часто видим, как клиенты недооценивают механические знания, необходимые для поддержания миниатюрного двигателя внутреннего сгорания в рабочем состоянии в пыльной среде с высокой вибрацией в сельском хозяйстве.

Техническое обслуживание гибридных дронов намного сложнее, чем электрических систем, поскольку оно включает в себя управление двигателями внутреннего сгорания с движущимися частями, масляными фильтрами и системами зажигания. Электрические дроны полагаются на твердотельную технологию, требующую только базовой очистки и мониторинга состояния батареи, что значительно снижает технические навыки, необходимые для ежедневного обслуживания.


Реальность движущихся частей

Электрические дроны механически просты. Они состоят из полетного контроллера, электронных регуляторов скорости (ESC) и двигателей. Электронные регуляторы скорости ⁴ Эти компоненты являются "твердотельными", что означает, что у них мало движущихся частей, подверженных трению. Техническое обслуживание обычно включает протирание рамы, проверку ослабленных винтов и обеспечение балансировки пропеллеров.

Гибридные дроны отличаются. Они несут на борту миниатюрную электростанцию. Этот двигатель имеет поршни, кольца, свечи зажигания и карбюраторы или системы впрыска топлива. Эти детали работают на очень высоких оборотах (часто от 6000 до 10000 об/мин) для генерации достаточного тока. Это создает значительный износ. Необходимо проводить плановые замены масла, ежедневно чистить воздушные фильтры (особенно на пыльных полях) и настраивать двигатель для различных высот и температур.

Вибрация: Тихий убийца

Одной из проблем, с которой наши инженеры постоянно борются в гибридных конструкциях, является вибрация. Двигатель внутреннего сгорания создает высокочастотные вибрации, которые передаются через раму. высокочастотные вибрации ⁵

1. Отказ датчика: Деликатная электроника, такая как IMU (инерциальные измерительные блоки) и камеры, не любит вибрацию. Она может вызвать нестабильность полета или размытые данные картографирования.
2. Структурная усталость: Постоянная вибрация может со временем ослабить крепежные элементы и вызвать микротрещины в карбоновых рычагах.
3. Износ разъемов: Электрические разъемы могут вибрировать и ослабевать, что приводит к внезапной потере питания.

Уход за аккумулятором против настройки двигателя

Хотя электрические дроны механически проще, они требуют дисциплины в отношении химии аккумуляторов. Литиевые аккумуляторы летучи. Литиевые батареи ⁶ Если хранить их полностью заряженными неделями, они деградируют. Если разрядить их слишком сильно, они выйдут из строя. Однако это процедурная задача, а не механическая.

Напротив, гибридный двигатель может не запуститься холодным утром из-за засорения карбюратора или загрязнения свечи зажигания. Это требует пилота, который также является механиком.

Таблица сравнения технического обслуживания

Как сравниваются первоначальные затраты и эксплуатационные расходы между электрическими и гибридными вариантами?

Когда мы готовим экспортные счета для наших европейских дистрибьюторов, разница в цене видна Европейские дистрибьюторы ⁷, но общая стоимость владения (TCO) говорит о другом. Общая стоимость владения ⁸ Общая стоимость владения (TCO) ⁹ Вы можете сэкономить деньги на первоначальной покупке электрического устройства, только чтобы потратить эту экономию позже на аккумуляторные батареи большой емкости.

Электрические дроны обычно имеют более низкие первоначальные затраты, но несут высокие долгосрочные расходы из-за ограниченного срока службы и высокой цены умных аккумуляторов. Гибридные дроны имеют более высокую первоначальную цену покупки и текущие расходы на топливо, но их двигатели, как правило, предлагают более длительный срок службы до дорогостоящей замены, что уравновешивает долгосрочные инвестиции.


"Налог на батареи" на электрические модели

Цена электрического дрона обычно на 20-30% ниже, чем у сопоставимой гибридной модели. Это делает их привлекательными для покупателей с ограниченным бюджетом. Однако скрытая стоимость заключается в аккумуляторах.

Сельскохозяйственные дроны требуют высокой выходной мощности. Комплект аккумуляторов может прослужить всего 200-400 циклов зарядки, прежде чем он больше не сможет безопасно держать заряд. Если вы летаете интенсивно, вы можете израсходовать комплект аккумуляторов за несколько месяцев. Один умный аккумулятор для большого сельскохозяйственного дрона может стоить более 1000 долларов США. Если вам нужно 4 комплекта для непрерывных полетов, это повторяющиеся расходы в размере 4000 долларов США каждый сезон.

Гибридная операционная экономика

Гибридные дроны сжигают бензин, что является текущими операционными расходами (OpEx). Однако бензин дешев по сравнению с литиевыми батареями за единицу доставленной энергии.

Основная стоимость гибридов — это сам двигатель. Хотя надежные, небольшие двухтактные двигатели имеют ограниченный срок службы. Вам может потребоваться заменить весь генераторный блок после 500 часов полета. Это крупная единовременная трата, похожая на замену трансмиссии в грузовике. Однако широко доступные бензиновые двигатели часто лучше сохраняют свою остаточную стоимость, чем подержанные литиевые батареи, которые по сути бесполезны после деградации.

Расчет вашей рентабельности инвестиций

Чтобы решить, что дешевле, вы должны посмотреть на интенсивность использования.

• Низкая интенсивность (периодическое использование, небольшие поля): Электричество выигрывает. Вы не будете так часто использовать батареи, чтобы быстро их износить, и вы избежите высокой первоначальной стоимости гибрида.
• Высокая интенсивность (коммерческое опрыскивание, ежедневное использование): Гибрид часто выигрывает. Стоимость топлива ниже стоимости амортизации при замене нескольких аккумуляторных блоков по $1,000 каждые несколько месяцев.

Прогноз затрат на 5 лет

В следующей таблице приведены оценочные затраты для коммерческого оператора, летающего 500 часов в год.

Примечание: Цены являются ориентировочными, основанными на текущих рыночных тенденциях, и могут варьироваться в зависимости от бренда.

Должен ли я отдавать приоритет удобству зарядки аккумулятора или доступности топлива при выборе модели дрона?

Мы часто спрашиваем наших клиентов об инфраструктуре на их рабочих площадках, прежде чем рекомендовать модель. Нет смысла покупать высокотехнологичный электрический парк, если ваши поля находятся в двадцати милях от ближайшей розетки, а у вас нет мощных генераторов.

Вам следует отдавать приоритет доступности топлива, если вы работаете в удаленных районах с плохой электрической инфраструктурой, поскольку транспортировка жидкого топлива проще, чем управление несколькими тяжелыми генераторами. И наоборот, отдавайте приоритет удобству зарядки аккумуляторов, если вы работаете рядом с электросетью или в чувствительных зонах, где шум и выхлопные газы бензиновых двигателей были бы нарушением.


Логистика полевой зарядки

Эксплуатация парка электрических дронов в полевых условиях — это логистическая задача. Быстрая зарядка больших сельскохозяйственных аккумуляторов требует большого тока. Подключение зарядного устройства к стандартной настенной розетке (если вы ее найдете) занимает слишком много времени.

Большинство коммерческих операторов в конечном итоге привозят в поле бензиновый генератор для зарядки своих электрических аккумуляторов. Это создает ироничную ситуацию: вы сжигаете бензин для выработки электроэнергии, чтобы зарядить аккумулятор для полета "электрического" дрона. Это добавляет этап преобразования энергии, который менее эффективен, чем просто сжигание бензина в самом дроне (как в гибриде).

Однако, если у вас есть сарай или ангар с подключением к сети 220 В поблизости, электричество становится очень удобным. Вы просто меняете блоки и позволяете сети делать свою работу.

Гибкость в выборе топлива в удаленных районах

Для огромных ферм в таких регионах, как американский Средний Запад или сельская Австралия, топливо — это главное. Вы можете перевозить канистры с бензином в кузове пикапа. Он энергоемкий, портативный и мгновенный.

• Время выполнения: Заправка бензином занимает 2 минуты. Охлаждение горячей батареи и ее зарядка занимает 30-60 минут.
• Вес: Перевезти 10 галлонов бензина — это выполнимо. Перевозка 10 комплектов тяжелых резервных батарей требует серьезной транспортной установки.

Шум и воздействие на окружающую среду

Удобство — это не только мощность, но и "социальное" удобство.

• Электрический: Почти бесшумный. Вы можете летать рядом со скотом, не пугая его. Вы можете летать рано утром рядом с жилыми районами без жалоб.
• Гибридный: Громкий. Они звучат как летающая газонокосилка. Если вы работаете рядом с пригородами или чувствительными популяциями животных, шумовые "неудобства" могут привести к потере контракта или штрафу.

Матрица принятия решений по инфраструктуре

Заключение

При выборе между электрическими и гибридными сельскохозяйственными дронами решение в конечном итоге зависит от масштаба вашей деятельности и вашей терпимости к техническому обслуживанию. Электрические модели идеально подходят для небольших и средних ферм, расположенных недалеко от жилых районов, предлагая простоту и тихую работу. жилые районы ¹⁰ Гибридные модели являются рабочими лошадками для крупномасштабных удаленных операций, где продолжительность полета перевешивает головную боль от обслуживания двигателя. Мы рекомендуем сначала оценить размер вашего поля и инфраструктуру; покупайте инструмент, который подходит вашей земле, а не просто тот, у которого самая привлекательная цена.

Сноски

1. Предоставляет техническую информацию о конкретной химии батарей, используемой в сельскохозяйственных дронах. ↩︎

2. Объясняет физическую концепцию хранения энергии на единицу массы, упомянутую в тексте. ↩︎

3. Предоставляет контекст об экологических проблемах и проблемах управления крупномасштабным монокультурным земледелием. ↩︎

4. Официальная документация от ведущего производителя относительно технологии ESC в дронах. ↩︎

5. Ссылки на международные стандарты измерения и управления механическими вибрациями в оборудовании. ↩︎

6. Страница Министерства энергетики, объясняющая технологию и химию литиевых батарей. ↩︎

7. Предоставляет контекст о европейской рыночной среде для экспорта сельскохозяйственных технологий. ↩︎

8. Академический ресурс по расчету затрат на технику и совокупной стоимости владения (TCO) в сельскохозяйственных условиях. ↩︎

9. Авторитетное определение бизнес-метрики, используемой для сравнения затрат. ↩︎

10. Официальные правила FAA относительно эксплуатации дронов вблизи людей и жилых районов. ↩︎