Nghiên cứu Khoa học

Thách Thức Năng Lượng Trên UAV và Giải Pháp

1. Giới Thiệu

Máy bay không người lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giao thông, nông nghiệp, và giám sát môi trường. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất mà UAV phải đối mặt là vấn đề năng lượng. Nguồn năng lượng hạn chế ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian bay, khả năng mang tải và hiệu suất hoạt động của UAV.

                                             

                                                 Hình 1. Ứng dụng của UAV

2. Thách Thức Năng Lượng

a. Dung lượng pin giới hạn

Phần lớn UAV sử dụng pin lithium-ion hoặc lithium-polymer làm nguồn năng lượng chính. Mặc dù các loại pin này có mật độ năng lượng cao, nhưng vẫn không đủ để cung cấp năng lượng dài hạn, đặc biệt đối với các UAV cỡ lớn hoặc thực hiện nhiệm vụ dài.

b. Trọng lượng và hiệu suất

Tăng dung lượng pin đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng UAV, dẫn đến tiêu tốn năng lượng lớn hơn để duy trì chuyến bay, làm giảm hiệu quả tổng thể.

c. Khí động học và tải trong

Thiết kế khí động học không tối ưu hoặc tải trọng nặng cũng làm UAV tiêu hao năng lượng nhanh chóng. Các UAV hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (gió lớn, nhiệt độ cao/thấp) càng gặp nhiều khó khăn trong việc tối ưu hóa năng lượng.

d. Thời gian sạc và chu trình pin

Pin cần thời gian sạc lâu và số lần sạc giới hạn làm giảm tuổi thọ của UAV trong các nhiệm vụ kéo dài hoặc cần triển khai liên tục.

3. Giải Pháp Kỹ Thuật

Một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề năng lượng là sạc không dây qua laser.

                Hình 2. Nguồn cung cấp năng lượng cho UAV

a. Nguyên lý hoạt động

Công nghệ này sử dụng một hệ thống laser mặt đất phát ra chùm tia năng lượng tập trung đến một bộ thu đặt trên UAV. Bộ thu chuyển đổi năng lượng laser thành điện năng để sạc trực tiếp cho pin hoặc cung cấp năng lượng tức thời cho động cơ.

b. Chi tiết kỹ thuật

Hệ thống phát laser: Thường sử dụng laser diode hoặc sợi quang với bước sóng hồng ngoại (ví dụ: 980 nm) để tối ưu hóa truyền năng lượng mà không gây hại cho cảm biến hoặc con người.

Bộ thu năng lượng: Sử dụng các tế bào quang điện đặc biệt để hấp thụ năng lượng laser và chuyển đổi thành dòng điện. Những tế bào này phải có hiệu suất cao (trên 50%) để giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Theo dõi và điều hướng chùm laser: Hệ thống theo dõi thời gian thực sử dụng cảm biến quang học và AI để giữ tia laser luôn nhắm chính xác vào UAV, ngay cả khi nó di chuyển nhanh hoặc thay đổi hướng.

Bộ lưu trữ năng lượng: Ngoài việc cấp nguồn trực tiếp, năng lượng laser còn có thể được lưu vào siêu tụ điện hoặc pin phụ, đảm bảo UAV hoạt động ổn định khi mất tín hiệu laser trong thời gian ngắn.

c. Điểm mạnh

Gia tăng thời gian bay: UAV có thể bay liên tục trong nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày mà không cần hạ cánh.

Giảm tần suất thay pin: Giảm thiểu sự phụ thuộc vào dung lượng pin truyền thống.

Ứng dụng linh hoạt: Có thể triển khai cho nhiều loại UAV khác nhau, từ cỡ nhỏ đến cỡ lớn.

d. Thách thức khi triển khai

Tầm bắn laser: Hạn chế bởi khoảng cách và điều kiện thời tiết (mây, sương mù).

Hiệu suất chuyển đổi: Công nghệ chuyển đổi năng lượng laser thành điện năng chưa đạt hiệu suất tối đa.

An toàn: Cần đảm bảo laser không gây nguy hiểm cho con người và môi trường xung quanh.

4. So sánh với Giải Pháp Năng Lượng Mặt Trời

Một giải pháp khác cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng là sử dụng pin mặt trời.

a. Nguyên lý hoạt động

UAV được trang bị các tấm pin quang điện trên cánh hoặc thân máy để thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng cấp cho động cơ và các hệ thống điều khiển.

b. Ưu điểm

Nguồn năng lượng dồi dào: Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên, miễn phí và không giới hạn.

Thiết kế đơn giản: Hệ thống pin mặt trời nhẹ, không cần các bộ phát laser hay hệ thống theo dõi phức tạp.

Thân thiện với môi trường: Hoàn toàn không phát thải khí nhà kính hay ảnh hưởng tiêu cực đến sinh thái.

c. Nhược điểm

Phụ thuộc vào thời tiết: UAV không thể sạc khi bay ban đêm hoặc trong điều kiện mây dày đặc.

Diện tích giới hạn: Diện tích cánh UAV nhỏ, khó trang bị đủ số lượng tấm pin để đáp ứng nhu cầu năng lượng lớn.

Hiệu suất thấp: Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời (~20-25%) thấp hơn nhiều so với hệ thống laser.

d. So sánh tổng quan

5. Kết Luận

Cả sạc không dây bằng laser và năng lượng mặt trời đều là những giải pháp hứa hẹn để khắc phục bài toán năng lượng cho UAV. Mỗi công nghệ có thế mạnh và hạn chế riêng, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng thực tế. Việc kết hợp cả hai công nghệ hoặc phát triển thêm các phương thức lưu trữ và quản lý năng lượng thông minh sẽ là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài thời gian hoạt động của UAV trong tương lai.

 

 

Các tin khác

• Ứng dụng IOT xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu điện nước hộ gia đình thông minh
• Phát hiện và tách bóng dựa trên biên bóng trong video giám sát giao thông
• THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ NPU TRÊN FPGA
• Thiết kế giao thức truyền thông tích hợp VLC-RF cho môi trường trong nhà
• Trí tuệ nhân tạo AI trong Quản lý Năng lượng và Phát triển Bền vững