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Zusammenfassung
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Eine komplexe, um einen festen Drehpunkt rotierende Anlage mit zwei entgegengesetzt angeordneten portalartigen, gelenkig gegliederten und bewegbar unterstützten Auslegersystemen für die automatisierte Bearbeitung von Ackerflächen und gleichzeitiger Gewinnung regenerativer Energie, wobei die Bearbeitung der Ackerfläche autark mit der selbsterzeugten regenerativen Energie erfolgt. Die Bearbeitung der Ackerfläche erfolgt durch ein oder mehrere Werkzeuge zur Boden- und Pflanzenbearbeitung sowie zur Abgabe von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen und Sensoren zur Gewinnung von Daten. Die Werkzeuge und Sensoren wiederum befinden sich an einer Trägerplattform die sich an dem Auslegersystem hängend entlang bewegen kann. Auslegersystem, Trägerplattform, Werkzeuge und Sensoren werden durch intelligente Systeme gesteuert und kontrolliert.
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Stand der Technik und deren Problemstellung
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Die Digitalisierung in der Landwirtschaft kann zu einer Verbesserung der Effizienz der Produktion führen und verfolgt auch Ziele des Umwelt- und Naturschutzes. Angestrebt wird eine präzise Behandlung der Kulturen, zum Beispiel mit Nährstoffen und Pestiziden möglichst auf Einzelpflanzenbasis, um schädliche Umweltwirkungen zu reduzieren oder zu vermeiden und die Erträge zu steigern.
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Bislang wird dafür vorzugsweise herkömmliche Landtechnik mit intelligenter Steuerungs- und Datentechnik ausgerüstet. Problematisch bleibt dabei der hohe, überwiegend fossil basierte Energieaufwand für die Feldbewirtschaftung und die zyklische Befahrung der Ackerflächen mit einhergehender Bodenverdichtung. Auch der Einsatz von Drohnen oder mobilen Feldrobotem kann das Problem nur bedingt auflösen. Eine räumliche Auflösung der Behandlung auf Einzelpflanzenebene ist dabei aus technischen Gründen kaum möglich oder ökonomisch nicht tragfähig.
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Eine Anlagenkombination aus regenerativer Energiegewinnung und automatisierter intelligenter Feldbearbeitung ist bisher nicht bekannt geworden. In verschiedenen Schutzrechtsanmeldungen werden Feldbearbeitungsanlagen und -systeme detailliert beschrieben jedoch meist nur allgemein auf eine oder mehrere Energiequellen verwiesen. Eine konkrete Aussage, dass die für die Feldbearbeitung aufgewendete Energie ausschließlich aus erneuerbaren Quellen der Anlage oder des Systems selbst stammen soll, konnte nicht gefunden werden.
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Andererseits gestatten übliche Freiflächen-Anlagen zur Gewinnung solarer Energie keine oder nur eine sehr eingeschränkte landwirtschaftliche Nutzung. Durch die dauerhafte Verschattung fehlt den Kulturen die notwendige Energie für eine reguläre Vegetation. Außerdem behindern Stütz- und Tragelemente die effiziente Bearbeitung des Bodens und der Kulturen. Der erzeugte Strom wird überwiegend volatil ins Netz eingespeist. Diese Flächen gehen für die landwirtschaftliche oder gärtnerische Nutzung damit weitestgehend verloren, können jedoch zweckmäßigerweise dem Naturschutz dienen.
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Ausführungsbeispiel SAFe
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SAFe ist nach dem Prinzip eines Karussell- oder Kreis-Beregnungssystem (center pivot irrigation) konstruiert. Jedoch dient SAFe nicht primär der Kulturenbewässerung allein sondern implementiert verstellbare Rahmen mit montierten PV-Modulen oder kleinen Windkraftanlagen und Laufschienen für Roboter zur Bearbeitung des Bodens und der Kulturen ( ). Dadurch können Feldbearbeitung und Energiegewinnung parallel verlaufen und die überstrichene landwirtschaftliche Nutzfläche wirtschaftlich enorm aufwerten. Durch die permanente Verfügbarkeit der Funktionalität von SAFe auf der überstrichenen Fläche kann eine hohe Bearbeitungs- und Datendichte erreicht werden, die eine räumlich und zeitlich sehr präzise Pflanzen- und Bodenbearbeitung ermöglicht. Außerdem kann die auf der Anlage gewonnene überschüssige Energie zusätzlich vermarktet werden.
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Implementierte Funktionen und Prozesse können zum Beispiel sein:
- • Optimierte Saat- und Pflanzgutablage auf Einzelpflanzenebene unter besonderer Beachtung von Ablagetiefe und Abstand zwischen den Pflanzen
- • Regelmäßige Nährstoffanalyse zur Verbesserung der Nährstoffeffizienz
- • pflanzenbedarfsgerechte und umweltschonende Nährstoffausbringung
- • Präzise, weitestgehend pestizidfreie Regulierung der Ackerbegleitflora unter besonderer Beachtung des Insektenschutzes
- • Verbesserter Bodenschutz und Steinabsammlung
- • Präzise, bedarfsorientierte Bodenfeuchtenachführung
- • Bestands- und Boden-Monitoring, Scoring
- • Direkte regenerative Energiegewinnung, -eigennutzung und -vermarktung
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Durch geeignete Speicher steht die solar erzeugte Energie für die gesamte Bearbeitung zur Verfügung. Die Vermarktung des nicht selbst benötigten Stroms durch Netzeinspeisung, mobile Ladesäulen oder Umwandlung in andere Energieträger, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Methan, können den Flächenertrag wirtschaftlich komplementieren. Je Hektar und SAFe können zum Beispiel Fotovoltaik Module mit einer Leistung bis ca. 200 kWp installiert werden. Durch die solare Nachführung kann der Stromertrag gegenüber stationären Anlagen bis zu 30% höher ausfallen.
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Bis auf eine schwere Bodenbearbeitung ist es möglich, alle erforderlichen Aussaat, Pflege-, Ernte- und Analysearbeiten im Pflanzenbau mit SAFe überwiegend selbständig auszuführen. Eingriffe am Standort beschränken sich auf Bodenanker und eine optionale Brunnenbohrung für die Windlastsicherung, so dass SAFe bei Nutzungsänderung der Ackerfläche keine Fremdbauwerke hinterlässt und auch leicht auf eine andere Fläche umgesetzt werden kann.
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Aufbau von SAFe:
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SAFe besteht aus drei wesentlichen Baugruppen:
- A. Dem rotierfähigen Tragsystem aus segmentierten Gitterträger-Auslegern, Fahrrahmen und Antriebsanlage, dem Laufschienensystem für die Boden- und Pflanzenbehandlungseinrichtungen, mit einer Stromgewinnungsanlage aus regenerativen Quellen und zugehöriger Baugruppen zur Umwandlung, Durchleitung und Speicherung des gewonnenen Stroms und einem zentralen Drehpunktrahmen mit horizontal verschiebbaren Behälter- und Werkzeugmagazin
- B. Einer bewegungsaktiven, laufschienengebundenen Aufnahmeplattform für Einrichtungen zur Analyse, Boden- und Pflanzenbearbeitung wie zum Beispiel Scanner, Roboter, Manipulatoren oder Werkzeuge, einschließlich deren Versorgung mit elektrischen, flüssigen und gasförmigen Medien
- C. Steuerungs- und Regelungskomponenten mit datentechnischer Verarbeitung und maschinellem Lernen, Speicherung und Übermittlung die für den reibungslosen funktionellen Betrieb und die Sicherheit von SAFe erforderlich sind
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Beschreibung zu A.
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Am zentralen Drehpunktrahmen sind zwei vorzugsweise mehrgliedrige Ausleger aus Stahlprofilen gegenüberliegend gelenkig befestigt um Geländeneigungen folgen zu können. Die Weitspannausleger sind vorzugsweise als Gitterträgersegmente mit einer Spannweite von 12 bis 24m ausgelegt, wobei der Untergurt jeweils als Laufschienenprofil, vorzugsweise HEA oder HEB, ausgebildet ist. Diese werden durch A-förmige Fahrrahmen mit jeweils zwei oder mehreren Laufrädern oder Raupenlaufwerken am Ende abgestützt, die auch mit einem selbsthemmenden Fahrantrieb ausgerüstet sind. Ein Segment besteht also aus jeweils einem Gitterträger und einem Fahrrahmen, wobei das eine Ende des Gitterträgers gelenkig am Drehpunktrahmen oder am Fahrrahmen eines Segmentes angebracht ist und das andere Ende biegesteif mit dem Fahrrahmen verbunden ist. Die Gesamtlänge der Ausleger wird durch die verfügbare Fläche und die technische Beherrschbarkeit der am Aufstellort herrschenden Flächentopologie begrenzt. Die lichte Höhe kann je nach Erfordernis und beabsichtigten Anbaukulturen variiert werden. Das Tragsystem besteht also grundsätzlich aus dem zentralen Drehpunktrahmen und den Gitterträgersegmenten mit den Fahrrahmen. Für die regenerative Erzeugung der benötigten Energie werden vorzugsweise PV- Module verwendet. Diese sind auf separaten Rahmen montiert, die wiederum gelenkig am Obergurt der Gitterträgersegmente senkrecht zur Trägerachse jeweils rechts und links ausladend angebracht sind. Hydraulikzylinder oder elektrische Linearantriebe zwischen PV-Modulrahmen und dem Untergurt der Gitterträgersegmente montiert ermöglichen die Nachführung des Anstellwinkels der Module. Werden zusätzlich oder ausschließlich kleine Windkraftanlagen, z.B. Darrieus-Rotoren, verwendet, sind diese direkt auf dem Obergurt der Gitterträger anstelle der PV-Modulrahmen montiert. Das gesamte Tragsystem dreht sich dem Sonnenstand folgend täglich um jeweils 180° wobei die Nord-Süd-Ausrichtung den Startpunkt bestimmen sollte. SAFe ist mit Einrichtungen zur Wetterdatenerfassung ausgerüstet die bei zu erwartender gefährdender Windgeschwindigkeit die Solarmodulträger eine waagerechte Position oder die gesamte Anlage eine Sicherheitsposition entlang eines zentralen Feldwegs einnehmen lässt. Dann werden die Solarflächen nach unten in eine Dachform geklappt und zusätzlich gegen Windsog und Winddruck temporär durch ausfahrbare Dorne im Boden verankert. Außerdem sind in dieser Position die Fahrrahmen durch im Boden verankerte klauenförmige Bügel über den Laufrädern beziehungsweise Raupenfahrwerken gegen ausheben gesichert. Der zentrale Drehpunktrahmen ist vornehmlich auf einer bewehrten Betonplatte montiert die wiederum allseitig waagerecht im Boden eingebaut ist. Er besteht vornehmlich aus einem rechteckigen Stahlprofilrahmen auf einem Drehkranz. Der Profilrahmen besteht aus jeweils aufgehendenden Profilen an den vier Ecken des Grundrahmens, welche am oberen Ende in Auslegerachse symmetrisch dachförmig ausgebildet sind und die Aufnahmegelenke der Gitterträgersegmente tragen. Der Drehpunktrahmen selbst ist an allen Verbindungsstellen biegesteif ausgeführt. Am Grundrahmen wird senkrecht zur Auslegerachse und waagerecht zum Gelände auf beiden Seiten jeweils ein Rollenrahmen zur Aufnahme von Behältercontainern (z.B. IBC, BigBag, Gitterbox) und Werkzeugmagazinen angebracht. Darauf abgestellte Behältercontainer und Magazine können dann linear verfahren werden, so dass jeweils ein Behältercontainer oder Magazin im Mittelpunkt positioniert werden kann. Die Behältercontainer oder Magazine sind mit Aufnahmevorrichtungen zum hängenden Transport ausgestattet. Am Drehpunktrahmen befindet sich auch die Übergabe der gewonnenen regenerativen Energie in Form von Kabeln und flexiblen Kabelverbindungen an den separat aufgestellten Speicher und die Versorgung der Aufnahmeplattform mit 48-60V Spannung durch eine Zuführung an jeweils beidseitig der Gitterträgersegmente gespannte Stromdrähte bzw. -seile.
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Ein zentraler, die Bearbeitungsfläche durchschneidender Feldweg dient einerseits als Zuwegung zum Drehpunktrahmen um Bestückungs-, Betankungs- und Wartungsarbeiten durchführen zu können und andererseits mit den Wegrändern als dauerhaftes Mikrohabitat für Blühpflanzen, Insekten, Vögel und Kleinlebewesen. Ebenso können die unmittelbaren Flächen, die sich aus der Flächendifferenz einer üblicherweise eckigen und geradlinig begrenzten Feldfläche zu der überstrichenen kreisförmigen Bearbeitungsfläche ergeben als Dauergrünland oder Holzung ausgeprägt werden ( und ).
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Beschreibung zu B.
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Der Untergurt des Weitspann-Tragsystems ist als durchgehende Laufschiene, vorzugsweise ein HEA- oder HEB-Profil, ausgebildet. Daran hängen eine oder mehrere Portal-Laufgeräte die als Grundplattform für die Aufnahme von ein oder mehreren Kultur- und Bodenbearbeitungselementen ausgebildet ist. Diese Elemente wiederum sind als gelenkige und teleskopierbare Roboterarme ausgeführt, an deren Ende austauschbare Werkzeuge und Geräte angekoppelt werden können. Dafür sind geeignete automatische Kopplungs-Systeme montiert. Die mechanische Koppeleinrichtung soll mit einer Zentriervorrichtung, einer Verdrehsicherung und einer elektrisch betätigten Verriegelung ausgestattet sein. Je nach Werkzeugfunktion und -aufgabe können für die Übertragung von Elektroenergie, Daten und Informationen, Fluide oder Druckluft zum Werkzeug übliche, selbstkuppelnde Einrichtungen montiert werden.
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Weiterhin ist diese Grundplattform mit Einrichtungen des eigenen Antriebs, der Energieversorgung, der Erzeugung von Druckluft oder einer Hydraulikanlage für den Betrieb der Roboterarme und Anbaugeräte bzw. -werkzeuge ausgestattet. Die Einheit von Portal-Laufgerät, Versorgungssystem und Roboterarme mit Anbaugeräten stellt den eigentlichen Feldarbeitsroboter dar. Durch die Erkennung von Drehwinkel des Tragsystems und Laufschienenposition kann jeder Punkt der von SAFe überstrichenen Fläche mindestens einmal pro Tag punktgenau erreicht und bearbeitet werden. Die Plattform selbst wird über Stromabnehmer vom Tragsystem aus mit Elektroenergie, vornehmlich auf einer gesundheitlich unbedenklichen Spannungsebene (48-60V), versorgt. Dafür ist beidseitig des Tragsystem-Untergurtes jeweils ein Stromdraht oder -seil gespannt.
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Die Wasserversorgung und die Bereitstellung von Saatgut, Nährstoffgranulat oder -lösungen und Pflanzenschutzmitteln erfolgt durch im Magazin am Drehpunktrahmen befüllbare und an die Plattform gekoppelte Behältercontainer, mit vorzugsweise Intermediate Bulk Container (IBC) oder BigBag, die im Zentrum des Drehpunktrahmens bereitgestellt werden. Die Behältercontainer bestehen aus einer Aufnahmepalette und dem eigentlichen Behälter bzw. BigBag. Ein an der Tragschiene hängender rollbeweglicher Aufnahme- und Kopplungsrahmen ist zur Aufnahme von Paletten des Formates 800 x 1200mm (EPAL) ausgebildet und ständig mit der Trägerplattform gekoppelt. Zur Aufnahme und Lastübergabe von Paletten mit Behältern oder BigBag wir ein Segment des Magazins im Zentrum des Drehpunktrahmens auf dem die betreffende Palette automatisch positioniert wurde etwas angehoben und nach der vollständigen Aufnahme durch den Aufnahme- und Kopplungsrahmen wieder abgesenkt. Dieser enthält auch Aufnahme- und Befestigungseinrichtungen für kleine Behälter mit z.B. Nährstoffkonzentrat oder Pflanzenschutzmittel.
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Für eine automatisierte Kopplung der Container an die Trägerplattform ist der Aufnahme- und Kopplungsrahmen als hängender Galgenrahmen mit Palettengabelzinken konstruiert und gelenkig fest mit der Trägerplattform verbunden. Im oberen Teil, unmittelbar unter der Tragschienenaufhängung befindet sich eine Vorrichtung zum Auf- und Ablassen je eines Saugrüssels für Wasser oder körniges Material. In diese Vorrichtung sind auch erforderliche und geeignete Pumpen, z.B. Schlauchpumpen oder Flügelzellpumpen, zur Förderung der Medien bis zum Werkzeug implementiert.
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Die Befüllung mit Wasser kann entweder durch Tankfahrzeuge, über eine am Drehpunktrahmen niedergebrachte Brunnenbohrung oder eine Rohrleitung erfolgen. Nährstoffe und Pflanzenschutzmittel werden üblicherweise in konzentrierter Form durch eine übliche Dosiereinrichtung aus einem Liefergebinde während der Ausbringung dem Wasser zugefügt. Die Liefergebinde werden manuell am Aufnahme- und Kopplungsrahmen befestigt und mit der Dosiereinrichtung verbunden.
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Beschreibung zu C.
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Für den funktionellen Betrieb und die Sicherheit von SAFe sind eine Reihe von Steuerungs- und Regelungskomponenten implementiert. Dies betrifft im Einzelnen die Steuerung der Komponenten für Fahrantrieb, Tragsystem, Trägerplattform, Roboterarm, PV- bzw. Windstromgenerator, Versorgungseinheit und Magazineinheit. Regelungen werden für die Versorgung mit elektrischer Energie, Druckluft oder Vakuum, Arbeitshydraulik und die Versorgung mit Wasser, Saatgut, Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln aus dem Magazin eingesetzt. Damit ergibt sich eine Struktur von insgesamt 6 Steuerungskomponenten, die durch einen System-Datenbus miteinander kommunizieren und auch eine Datenkommunikation zu externen Komponenten und in das Internet ermöglichen ( ). Die jeweiligen Steuerungskomponenten bilden eine gleiche Grundstruktur bestehend aus Spannungsversorgung, Mikrokontroller mit BUS-Schnittstellen, Sensorblock und Schaltelementen. Zusätzlich können notwendige Datenspeicher und Kommunikationselemente implementiert sein. Die Steuerung der Feldbearbeitungseinheit SAFe erfolgt unter einem Metamodell durch die einzelnen Steuerungskomponenten selbständig und weitgehend autonom. Dafür sind in den einzelnen Steuerungskomponenten wiederum spezifische Steuerungsmodelle implementiert. Diese enthalten auch die jeweiligen Regelalgorithmen und Kommunikationsroutinen. Diese Steuerungsmodelle unterscheiden nach jeweils gültigen Anforderungen zwischen den drei grundsätzlichen und sich überlappenden Betriebsweisen Feldbearbeitung, Energiegewinnung und Anlagensicherheit ( ). Innerhalb dieser Betriebsweisen werden die Betriebsintensität und der Grad der Überlappung der 6 Steuerungskomponenten durch im Datenspeicher hinterlegte Prioritäten bestimmt. Führungsgrößen werden dabei aus den implementierten Sensornetzwerken generiert. Die Sensornetzwerke der einzelnen Steuerungskomponenten werden durch busfähige Sensoren zur Ermittlung der jeweils erforderlichen Werte, Messgrößen oder fotometrische Aufnahmen gebildet. Aus den Routinen der Sensorabfragen und externen Kommunikation, den Programmen der Feldbearbeitung und Algorithmen der Datenverarbeitung und Datenspeicherung werden Muster und Szenarien erkannt, die in einem automatisierten maschinellen Lernprozess als kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP) zyklisch in die Steuerungsmodelle eingearbeitet werden ( ). Dadurch ist es möglich Anlagenfahrpläne zu generieren und damit sowohl die Feldbearbeitung als auch die Energieverwendung zu prognostizieren.
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Arbeitsweise von SAFe
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SAFe wird auf einer ausreichend großen Ackerfläche errichtet. Die Fläche sollte keine Hindernisse enthalten, die eine Höhe von 2m überschreiten. In der Laufbahn der Fahrrahmen (Drehkreis) dürfen keinerlei Hindernisse vorhanden sein. Der Drehpunktrahmen selbst ist fest im Boden verankert oder auf einer eingelassenen Stahlbetonplatte montiert. Am Drehpunktrahmen selbst befinden sich auch die Baugruppen und Einrichtungen zum Wechsel der Anbaugeräte und zur Versorgung des Systems mit Saatgut, Wasser, Nährstoffen oder Schädlingsbekämpfungsmitteln. Das Bestücken dieser Einrichtungen erfolgt über eine Zuwegung durch geeignete Fahrzeuge. Speziell für die Wasserversorgung kann am Ort des Drehpunktrahmens eine Brunnenbohrung niedergebracht werden.
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Die Steuerungs- und Regelungskomponenten mit datentechnischer Verarbeitung, Speicherung und Übermittlung die für den reibungslosen Betrieb und die Sicherheit von SAFe implementiert sind, erfassen zum Beispiel lokale Wetterdaten, Bodendaten zum Beispiel bezüglich Temperatur, Feuchte und Nährstoffsituation oder auch Insektenvorkommen, Wildaktivitäten und Anwesenheit von Personen. Diese Daten werden ständig in die Steuerung der Bewegungen und Feldbearbeitungsaktivitäten von SAFe einbezogen. Spezielle Bilderkennungswerkzeuge scannen den Bestand und können den Habitus der angebauten Kulturen über die gesamte Vegetationsperiode beobachten und bewerten. Dadurch kann die Entstehung von Fremdbesatz oder der Schädlingsbefall im Kulturbestand rechtzeitig erkannt und wirksam mit nichtchemischen Mitteln, zum Beispiel Dampf- oder Laserstrahl, punktgenau unterdrückt oder abgewehrt werden. Ähnlich kann auch eine Wildvergrämung zum Beispiel mit Schallmustern oder Geruchsstoffen praktiziert werden.
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Eigenschaften und Funktionen von SAFe
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SAFe ist eine komplexe Anlage, die Erzeugung Erneuerbarer Energie, insbesondere aus Sonne, mit einer automatisierten, permanent verfügbaren Feldbewirtschaftung auf Einzelpflanzenbasis vereint, wobei die Energieerzeugung und die Feldbearbeitung zeitgleich erfolgen können. Die gegenseitige negative Beeinflussung kann dabei gering gehalten werden. Der funktionelle Betrieb der Anlage kann durch die selbst gewonnene und gespeicherte Energie und durch implementierte Informations-, Kommunikations- und Datentechnologien überwiegend autonom erfolgen. Dadurch kann eine nachhaltige Verbesserung der Arbeitsbedingungen, der wirtschaftlichen Innovationskraft, der Wettbewerbsfähigkeit in der Landwirtschaft und im Gartenbau sowie eine Verbesserung des Boden- und Naturschutzes erreicht werden.
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Mit der permanent möglichen, präzisen, mechanisierten und automatisierten Behandlung vorzugsweise kleiner landwirtschaftlicher und gärtnerischer Flächen (bis ca. 5ha) durch SAFe können außerdem negative Umweltwirkungen soweit wie möglich vermieden, Natur und Mensch besser geschützt und Ressourcen geschont werden. SAFe ist besonders für den ökologischen Landbau oder für den Anbau von Sonderkulturen geeignet. Die für die Feldbearbeitung über die gesamte Vegetationsperiode erforderliche Energie wird ausschließlich regenerativ und CO2-neutral erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Solarstromflächenflächen (PV-Module)
- 2
- Laufschienenroboter
- 3
- Blühflächen und Gehölze
- 4
- Fahrspur der Fahrrahmen
- 5
- Aktionskreis der Laufschienenroboter
- 6
- Zuwegung mit Blühflächen
- 7
- SAFe, rotierende Ausleger mit Solarstromflächen
