Introducción e historia del desarrollo de la lente de Fresnel
El principio de diseño de la lente de Fresnel se basa en que, durante su procesamiento, la lente ya no se considera un todo, sino una entidad compuesta por numerosas microestructuras. Estas microestructuras conservan el radio de curvatura de la lente convexa original y eliminan la luz intermedia. La desviación no funciona o afecta solo a una pequeña parte. El proceso de diseño de la lente de Fresnel se muestra en la Figura 1, y la Figura 2 es un diagrama físico de una lente de Fresnel plana. En sus inicios, debido a las limitaciones de los materiales, todas las lentes se fabricaban de vidrio, y las lentes de Fresnel no eran una excepción. Sin embargo, si se utiliza el método tradicional de pulido y rectificado para procesar las lentes de Fresnel, no solo se requiere mucho tiempo, sino también mucha mano de obra, lo que resulta en un costo demasiado elevado. Posteriormente, se inventaron...
Principio de diseño de la lente Fresnel
Durante el procesamiento, ya no se considera la lente como un todo, sino como una entidad compuesta por numerosas microestructuras. Estas microestructuras conservan el radio de curvatura de la lente convexa original, eliminando la parte que no tiene efecto o tiene poca influencia en la desviación de la luz. El proceso de diseño de la lente de Fresnel se muestra en la figura 1.
Diagrama físico de una lente de Fresnel plana
Desarrollo de la lente de Fresnel en el siglo XIX.
En sus inicios, debido a las limitaciones de materiales, todas las lentes se fabricaban de vidrio, incluidas las de Fresnel. Sin embargo, el método tradicional de pulido y rectificado para su procesamiento resultaba laborioso y requería mucha mano de obra, lo que elevaba considerablemente los costos. Posteriormente, se inventó el método de prensado en caliente con moldes metálicos, pero la tensión superficial del vidrio era excesiva, lo que impedía que algunos detalles se prensaran correctamente durante el proceso, impidiendo así que las lentes de Fresnel alcanzaran el efecto deseado. Estas razones limitaron la popularidad de las primeras lentes de Fresnel.
A partir de 1950, un nuevo material, el polimetilmetacrilato (PMMA), se ha utilizado ampliamente en la producción de lentes debido a sus características ópticas muy similares al vidrio y a la ventaja de su menor peso. En 1951, Miller y otros utilizaron PMMA para producir con éxito lentes de Fresnel. Debido a que el PMMA es económico y estable, desde entonces se empezó a utilizar como sustituto del vidrio en la fabricación de lentes de Fresnel.
Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología de procesamiento de lentes continúa mejorando, y el rendimiento óptico de las lentes de Fresnel es cada vez mejor, siendo gradualmente valoradas en muchos campos. Debido a que las lentes de Fresnel tienen un grosor reducido, baja calidad, bajo costo y un buen efecto de condensación, entre otras ventajas, muchos campos han comenzado a prestar atención a su aplicación. Entre ellos, la industria fotovoltaica de concentración solar ha comenzado a utilizar lentes de Fresnel. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, el personal científico y técnico continúa realizando investigaciones y experimentos que también han logrado muchos resultados satisfactorios.
Desde 1970, la NASA comenzó a realizar investigaciones detalladas sobre lentes de Fresnel, y los numerosos resultados obtenidos han servido de guía para futuros científicos en la investigación de este campo. En 1979, Kritchman desarrolló una lente de Fresnel de enfoque de línea curva de alta potencia y condensación. La principal ventaja de esta lente es un salto cualitativo en su capacidad de concentración. En 2006, el coreano Kwang Sun Ryu propuso un método de diseño para dividir la superficie de la lente de Fresnel en pequeños módulos. Este método utiliza software para procesar dichos módulos, de modo que la luz solar incidente ilumine uniformemente la fotocélula de silicio. Esto resuelve el problema de la concentración de la luz solar en un área pequeña, que provocaba el agotamiento de la batería.
Posteriormente, el estadounidense Daniel realizó un análisis exhaustivo de la lente de Fresnel de Kwang Sun Ryu y diseñó una lente de Fresnel de enfoque multipunto con una iluminación aún mayor que la anterior. Esta lente optimiza la rosca de la lente de Fresnel tradicional y cambia el modo de enfoque de un solo punto a enfoque multipunto, de modo que el punto de enfoque de la lente de Fresnel ya no se limita a una posición determinada, mejorando así la uniformidad de la iluminación.
En 2002, en un estudio sobre lentes de Fresnel de enfoque de línea cilíndrica, se descubrió que cuando el número F ronda 1,3 y la relación de concentración es de 5 o 6, la eficiencia óptica puede alcanzar más del 85%.
En 2007, se diseñó una lente de Fresnel que abandonaba la estructura tradicional de anillos concéntricos y adoptaba ranuras en espiral de Arquímedes. Si bien esta lente no presenta diferencias esenciales en su aplicación con respecto a la lente de Fresnel concéntrica, sí creó una nueva forma estructural.
En 2009, se descubrió mediante investigaciones que la eficiencia de enfoque de la lente de Fresnel es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Asimismo, debido a la reflexión de la luz en la superficie de la lente de Fresnel, su transmitancia luminosa es inversamente proporcional al ángulo de incidencia de la luz.
En 2011, se estudió el rendimiento de la lente de Fresnel en interiores y exteriores. Los resultados mostraron que el error de la transmitancia de la luz no varió entre las pruebas en interiores y exteriores, pero el error de la eficiencia de concentración fue menor en las pruebas en interiores que en las pruebas en exteriores. El análisis de la razón de esta diferencia proporcionará una referencia para quienes realicen pruebas y procesamiento de lentes de Fresnel en el futuro.