Ventil 5 / 2025 • Letnik 31 294 TRAJNOSTNE TEHNOLOGIJE 1 Uvod Zelene skupnosti prihodnosti predstavljajo vizijo urbanega sobivanja, ki temelji na trajnostnem delo- vanju, tehnološki naprednosti in povezanosti z na- ravo [1–5]. Njihov razvoj izhaja iz potrebe po obliko- vanju prostorov, ki poleg zmanjševanja okoljskega odtisa tudi izboljšujejo kakovost življenja prebival- cev. Ključ do takšnega sobivanja je v sodelovalnem načrtovanju, kjer lokalne oblasti, prebivalci, podje- tja in nevladne organizacije soustvarjajo strategije za trajnostni razvoj mest. S pomočjo smernic, kot jih ponuja mednarodni standard SIST EN ISO 37101 [6], se krepi odgovorno upravljanje mestnih okolij, ki upoštevajo socialne, okoljske in gospodarske vi- dike. Pomemben gradnik zelenih skupnosti je vključeva- nje naravnih elementov v urbano strukturo, saj dre- vesa, vrtovi in ostale zelene površine ne vplivajo le na estetsko vrednost, temveč tudi izboljšujejo ka- kovost zraka, uravnavajo temperaturo in prispevajo k ohranjanju biotske pestrosti. Vključevanje pame- tnih tehnologij v skupnosti omogoča optimiranje upravljanja virov predvsem z uporabo obnovljivih virov energije ter rešitev za nadzor porabe. Zanimiv izziv zelenih skupnosti prihodnosti predstavlja upo- raba flot avtomatiziranih obdelovalnih robotov, ki bi s pomočjo recikliranih baterijskih paketov obde- lovale javne površine in skrbele za njihovo vzdrže- Izr. prof. dr. Domen Šeruga, univ. dipl. inž., doc. dr. Primož Poredoš, univ. dipl. inž., doc. dr. Do- minik Kozjek, univ. dipl. inž., dr. Aleš Gosar, prof. dr. Marko Nagode, univ. dipl. inž., prof. dr. Jernej Klemenc, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo © The Authors 2025. CC-BY 4.0 https:/ /doi.org/10.5545/Ventil-31-2025-5.11 o bratovalna zmoglJivost avtomatiziranega obDelovanJ a kmetiJskih povrŠin pri spremen - lJivi razpoložlJivosti solarne energiJe v različnih časovnih obDobJih Domen Šeruga, Primož Poredoš, Dominik Kozjek, Aleš Gosar, Marko Na- gode, Jernej Klemenc Strokovni članek Izvleček: Trajnostno obdelavo urbanih kmetijskih površin bomo lahko v prihodnosti dosegli z uporabo avtomatizi- ranih flot obdelovalnih robotov, ki bodo zmožne svojo dejavnost prilagajati razpoložljivosti solarne ener- gije. Ker se ta vir energije spreminja glede na letni čas, je pri snovanju napajalnih sistemov in algoritmov za delovanje robotov ključno upoštevati več dejavnikov. V okviru študije smo analizirali vpliv razpoložljive sončne energije v Ljubljani na napajanje izbranega Li-ionskega baterijskega paketa. Ta je vseboval 7 celic s kapaciteto 20 Ah in nominalno napetostjo 24 V, kar bi zadoščalo za približno 4 ure obratovanja pri moči 100 W. Rezultati kažejo, da se v oblačnem januarskem dnevu pri izbrani velikosti fotovoltaičnih panelov lahko napolni le en baterijski paket, v jasnem januarskem dnevu pa število možnih polnjenj naraste na 20. Jasen junijski dan pri isti velikosti fotovoltaičnih panelov omogoči polnjenje kar 55 baterijskih paketov. Za uspešno avtomatizacijo je torej ključno poznavanje vseh vplivnih dejavnikov, saj nihanja razpoložljive so- larne energije neposredno vplivajo na zmogljivost flote obdelovalnih robotov.. Ključne besede: obratovanje, avtomatizacija, Li-ionske baterije, sončna energija, fotovoltaični paneli Ventil 5 / 2025 • Letnik 31 vanje. Takšna tehnološka nadgradnja bi spodbudila iskanje inovativnih rešitev za proizvodnjo, pretvor- bo in shranjevanje energije v pogojih, ki so odvisni od naravnih virov. Obstajajo že primeri dobre pra- kse, kjer je življenjska doba baterijskih paketov, pr- votno namenjenih uporabi v transportnih sredstvih, podaljšana z uporabo v stacionarnih aplikacijah za pokrivanje energijskih potreb zelenih skupnosti [7]. Zelene skupnosti prihodnosti je možno predstaviti tudi kot eksperimentalna okolja, kjer se prepleta- jo znanost, izobraževanje, civilna družba in lokalna politika [1–3]. S podporo programov partnerstev v okviru organizacije UNESCO [4] ter strategije Evropske komisije [5] se krepi pomen lokalnih re- šitev za globalne izzive. Zelene skupnosti torej niso samo možen odgovor na podnebne spremembe, temveč postajajo simbol prostorov, kjer bi tehnolo- gija lahko služila naravi ter ljudem in kjer bi prebi- valci lahko soustvarjali pogoje za zdravo, vključujo- če in odporno življenje. Študija v prispevku predstavlja nadaljevanje zače- tne analize razmer polnjenja in praznjenja baterij obdelovalnih robotov v urbanem prostoru Ljublja- ne, pri čemer smo zajeli tri ločena časovna obdobja in štiri značilne oblike njihovega delovanja [8]. Do- datno smo analizirali vpliv zamika polnjenja baterij- skih paketov, kar se izkaže za najbolj vpliven para- meter pri uporabi solarne energije. 2 Metoda Uporabili smo Li-ionski tip baterijske celice LiNiMn- CoO 2 (NMC) z nazivno kapaciteto 70 Wh ter nape- tostnim razponom med 3.0 V v izpraznjenem stanju in 4.15 V v povsem napolnjenem stanju [9–11]. Na tej osnovi je bil baterijski paket sestavljen iz sed- mih zaporedno vezanih celic B 1 –B 7 , kar proizvede nazivno napetost 24 V, čeprav se napetostni razpon nekoliko spreminja glede na napolnjenost, in kapa- citeto okrog 500 Wh (Slika 1). V analizi smo predpostavili, da ima vsak robot v obdelovalni floti nameščen tak baterijski paket, ki omogoča njegovo premikanje in izvajanje ope- rativnih nalog. Definirali smo tri tipične polnilne karakteristike fotovoltaičnih panelov glede na tri različne vremenske pogoje. Obravnavali smo obla- čen januarski dan (min januar), jasen januarski dan (max januar) in jasen junijski dan (max junij). Da bi lahko zagotovili ravno dovolj energije za polnjenje 1 paketa v najslabših polnilnih pogojih (min januar), smo dimenzionirali solarno napajanje z vzporedno vezavo 6 fotovoltaičnih panelov. V ostalih vremen- skih pogojih (max januar in max junij) se je nato glede na razpoložljivo solarno energijo čas polnje- nja ustrezno skrajšal. Najkrajši razpoložljiv čas za delovanje fotovoltaičnih panelov na izbrani lokaciji v okolici mesta Ljubljana je namreč 10 ur v januarju, junija pa je časa za polnjenje baterijskih paketov z uporabo fotovoltaičnih panelov okrog 16 ur. V vseh preostalih delih leta je časa za polnjenje med 10 in 16 urami. Če bi torej izbrali oblačen junijski dan, bi bila polnilna karakteristika fotovoltaičnih panelov med krivuljami za oblačen januarski in jasen junijski dan. Najbolj vpliven faktor sistema, ki vpliva na čas pol- njenja enako velikih baterijskih paketov, je zamik začetka polnjenja od sončnega vzhoda. Glede na zamik polnjenja z izbranim korakom dt = 1h smo torej najprej analizirali polnilne karakteristike ba- terijskega paketa. Povprečni porabi posameznega obdelovalnega robota velikosti 100 W (Slika 1), ki vključuje premikanje po obdelovalnih tleh in kori- stno delo, smo dodali še tipične praznilne karakte- ristike za 200, 400 in 700 W. 200 W moči vključuje premikanje in obdelovanje bolj zahtevnih tal. 400 W porabe zahteva obdelovalni robot pri obdelova- nju najzahtevnejšega terena brez premikanja, naj- višjo porabo pa predstavlja samo premikanje po zelo zahtevnem terenu. 3 Rezultati in diskusija Rezultati simuliranih polnilnih časov glede na različ- ne vremenske pogoje in zamike začetka polnjenja baterijskih paketov so zbrani na Slikah 2–8. Predpo- stavka simulacij je, da lahko baterijske pakete polni- TRAJNOSTNE TEHNOLOGIJE 295 Slika 1 : Solarno napajan baterijski paket B 1 –B 7 za za- gotavljanje energije flote obdelovalnih robotov M i ; i = 1,…,n [8] Ventil 5 / 2025 • Letnik 31 296 mo z maksimalnim tokom, ki ga dobimo iz fotovol- taičnega panela. Dejanska vrednost je sicer odvisna od maksimalnega polnilnega toka, ki ga dovoljuje posamezen tip baterijske celice. Na sliki 2 vidimo, da lahko v najslabših pogojih (min januar) s 6 fo- tovoltaičnimi paneli napolnimo vsaj 1 porabnika iz flote obdelovalnih robotov, ki ima paket s 7 bate- rijskimi celicami, če začnemo polniti takoj ob sonč- nem vzhodu ali z enournim zamikom. Ob štiriurnem zamiku lahko napolnimo le nekoliko več kot polovi- co baterijskega paketa, pri sedemurnem zamiku pa polnjenje skoraj nima več učinka (Slika 3). V jasnem vremenu januarja bi lahko napolnili 1 ba- terijski paket po okrog treh urah, če bi začeli polniti takoj ob sončnem vzhodu oz. po okrog pol ure, če bi polnili z zamikom treh ur (Slika 4). Polnilni čas bi se še nekoliko skrajšal pri zamiku 5 oz. 6 ur od sončnega vzhoda, z zamikom polnjenja 7 ur in več pa bi se spet začel podaljševati (Slika 5). Razlog za takšno obnašanje tiči v gostoti solarne energije, ki višek doseže sredi dneva. Podobno obnašanje kot v jasnem januarskem dne- vu opazimo tudi v jasnem junijskem dnevu (Slika 6). Zanimivo je, da je na začetku jasnega januarskega dneva (Slika 4) mogoče baterijski paket napolniti hitreje kot na začetku sončnega junijskega dneva (Slika 6). Z začetkom polnjenja ob sončnem vzho- du v jasnem junijskem dnevu bi potrebovali namreč okrog 4 ure za napolnitev 1 baterijskega paketa, s triurnim zamikom polnjenja pa okrog uro in pol. Kasneje se solarna moč v junijskem sončnem dne- vu močno poveča glede na sončen januarski dan, hkrati pa je dan junija daljši, kar omogoča večkratno polnjenje baterijskih paketov (Slika 7). Z upošteva- TRAJNOSTNE TEHNOLOGIJE Slika 2 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v oblačnem januarskem dnevu z zamiki med 0 in 3 urami od sončnega vzhoda Slika 4 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v jasnem januarskem dnevu z zami- ki med 0 in 3 urami od sončnega vzhoda Slika 3 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v oblačnem januarskem dnevu z zamiki med 4 in 7 urami od sončnega vzhoda Slika 5 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v jasnem januarskem dnevu z zami- ki med 4 in 7 urami od sončnega vzhoda Ventil 5 / 2025 • Letnik 31 njem začetka polnjenja takoj ob sončnem vzhodu bi lahko v jasnem januarskem dnevu napolnili 20 baterijskih paketov. V jasnem vremenu junija bi se ta številka lahko povzpela do 55, če bi polnili z ma- ksimalnim tokom, ki ga fotovoltaični paneli lahko proizvedejo. Analiza praznilnih časov glede na obratovalne la- stnosti flote obdelovalnih robotov pokaže, da bi se analiziran baterijski paket pri maksimalni porabi iz- praznil po približno 0,6 urah uporabe, medtem ko bi povprečna poraba obdelovalnega robota zago- tavljala približno 4 ure obdelovalne avtonomije (Sli- ka 8). Karakteristika baterijskega paketa ni linearna, zato tudi razpoložljiva kapaciteta s časom pada ne- linearno. Izvedena analiza polnjenja in praznjenja je osnova za določitev optimalnega števila obdeloval- nih robotov v floti in izbiranja posameznih robotov za polnjenje. Optimizacijski algoritem mora upošte- vati njihovo gibanje oz. trenutne pozicije glede na preostalo energijo v baterijskih paketih, vremenske pogoje polnjenja in obdelovalne razmere, ki pogo- jujejo praznjenje baterijskih paketov. 4 Zaključek V prihodnosti bo avtomatizirano obdelovanje tal kot ključen element zelenih skupnosti mogoče pri- lagajati in optimirati glede na razpoložljivost foto- voltaičnih panelov, število baterijskih paketov, ve- likost flote obdelovalnih robotov ter površino in namen obdelovalnih zemljišč. Sistemska integracija teh elementov bo omogočila razvoj modularnih in prilagodljivih platform, ki bodo tvorile osnovo za energetsko samooskrbo in lokalno krožno gospo- darstvo. Viri [1] HM Government: A Green Future: Our 25 Year Plan to Improve the Environment, OGL (2018), 1–151. [2] Costigan, S., Salmon, B.: Green Communities Canada, Strategic plan (2022), 1–12. [3] Ljubljanski urbanistični zavod: Strategija var- stva in razvoja zelene infrastrukture v Ljubljan- ski urbani regiji, Regionalna razvojna agencija Ljubljanske urbane regije (2019), 1–79. [4] Greening Education Partnership Pillar 4: Gree- ning Communities Guidance, UNESCO, 2024. [5] Evropska komisija: Industrijski načrt v okvi- ru zelenega dogovora za neto ničelno dobo, EUR-Lex (2023), 62. [6] SIST EN ISO 37101:2023, Trajnostni razvoj v skupnostih, Slovenski inštitut za standardiza- cijo, (2023). [7] Somerville, M.: How 208 Hybrid Car Batte- 297 TRAJNOSTNE TEHNOLOGIJE Slika 6 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v jasnem junijskem dnevu z zamiki med 0 in 3 urami od sončnega vzhoda Slika 8 : Praznilni pogoji obravnavanega baterijskega paketa pri upoštevanju različnih obratovalnih pogojev obdelovalnih robotov [8] Slika 7 : Polnilni pogoji baterijskega paketa pri upo- števanju polnjenja v jasnem junijskem dnevu z zamiki med 4 in 7 urami od sončnega vzhoda Ventil 5 / 2025 • Letnik 31 Zahvala Zahvala gre Javni agenciji za raziskovalno dejavnost Republi- ke Slovenije za finančno podporo raziskovalnega programa št. P2-0182 Razvojna vrednotenja in interdisciplinarnega projek- ta Univerze v Ljubljani Zelene urbane skupnosti prihodnosti (I. pripravljalna faza). Operational capacity of automated agricultural land processing under variable solar energy availability across different time periods Abstract: Sustainable cultivation of urban agricultural areas in the future can be achieved by using automated fleets of processing robots that will be able to adapt their activities to the availability of solar energy. Since this energy source varies depending on the season, it is crucial to consider several factors when designing power systems and algorithms for robot operation. As a part of the study, the impact of available solar energy in Ljubljana on the power supply of a selected Li-ion battery pack has been analysed. The pack contained 7 cells with a total capacity of 20 Ah and a nominal voltage of 24 V, which would be sufficient for approximately 4 hours of operation with 100 W of power. The results show that using the selected size of photovoltaic panels, only one battery pack can be charged on a cloudy January day, whilst the number of possible charges increases up to 20 on a clear January day. The same size of photovoltaic panels allows for the charging of as many as 55 battery packs on a clear June day. Understanding of all influencing factors is therefore key to successful automation, as fluctuations in available solar energy directly affect the performance of a fleet of processing robots. Keywords: operation, automation, Li-ion batteries, solar energy, photovol- taic panels 298 TRAJNOSTNE TEHNOLOGIJE ries Changed Yellowsto- ne National Park Forever, earth911.com (2015). [8] Šeruga, D., Poredoš, P., Kozjek, D., Gosar, A., Na- gode, M., Klemenc, J.: Upoštevanje razpoložljivo- sti solarne energije pri na- povedovanju obratovalne zmogljivosti avtomatizira- nega obdelovanja kmetij- skih površin, 16. industrijski forum IRT: zbornik foruma (2025). [9] Nagode, M., Gosar, A., Swe- eney, C.-A., Jaguemont, J., Van Mierlo, J., Šeruga, D.: Mechanistic modelling of cyclic voltage-capacity re- sponse for lithium-ion bat- teries, Energy (2019), 186, 115791. [10] Goutam, S., Timmermans, J.-M., Omar, N., Bossche, PVd., Van Mierlo, J.: Com- parative Study of Surface Temperature Behavior of Commercial Li-Ion Pouch Cells of Different Chemi- stries and Capacities by Infrared Thermography, Energies (2015), 8(8), str. 8175–8192. [11] Šeruga, D., Gosar, A., Na- gode, M., Klemenc, J.: Od- ziv baterijskih paketov na spremenljive obratovalne pogoje mehanskih siste- mov, Akademija strojništva 2024 (2024), str. 116–117. OPL avtomatizacija, d.o.o. Dobrave 2 SI-1236 Trzin, Slovenija Tel. +386 (0) 1 560 22 40 Tel. +386 (0) 1 560 22 41 Mobil. +386 (0) 41 667 999 E-mail: info@opl.si www.opl.si automation