Introduction et historique du développement des lentilles de Fresnel
Le principe de conception des lentilles de Fresnel repose sur le fait que, lors de leur fabrication, la lentille n'est plus considérée comme un bloc monolithique, mais comme une entité composée de nombreuses microstructures. Ces microstructures préservent le rayon de courbure de la lentille convexe d'origine et éliminent les déviations lumineuses intermédiaires, qui sont négligeables ou n'affectent qu'une petite partie de la zone étudiée. Le processus de conception d'une lentille de Fresnel est illustré sur la figure 1, et la figure 2 représente un schéma physique d'une lentille de Fresnel plane. À l'origine, en raison des limitations des matériaux, toutes les lentilles étaient en verre, et les lentilles de Fresnel ne faisaient pas exception. Cependant, la méthode traditionnelle de meulage et de polissage utilisée pour fabriquer les lentilles de Fresnel était non seulement longue, mais aussi gourmande en main-d'œuvre, ce qui engendrait des coûts trop élevés. Par la suite, d'autres techniques ont été inventées…
Principe de conception du Fresnel
On ne considère plus la lentille comme un tout lors de sa fabrication, mais comme une entité composée de nombreuses microstructures. Ces microstructures conservent le rayon de courbure de la lentille convexe d'origine, tout en éliminant la partie n'ayant aucun effet ou peu d'influence sur la déviation de la lumière. Le processus de conception d'une lentille de Fresnel est illustré à la figure 1.
Schéma physique d'une lentille de Fresnel plane
Développement de la lentille de Fresnel au XIXe siècle
À l'origine, en raison des limitations des matériaux, toutes les lentilles étaient en verre, y compris les lentilles de Fresnel. Cependant, la méthode traditionnelle de meulage et de polissage était non seulement longue, mais aussi très gourmande en main-d'œuvre, ce qui engendrait des coûts prohibitifs. Plus tard, l'invention du procédé de pressage à chaud dans un moule métallique s'est avérée problématique. Toutefois, les contraintes superficielles trop importantes du verre empêchaient le pressage correct de certains détails, et les lentilles de Fresnel ne pouvaient donc pas atteindre les performances escomptées. Ces raisons ont freiné la diffusion des premières lentilles de Fresnel.
À partir de 1950 environ, un nouveau matériau, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), a été largement utilisé dans la fabrication de lentilles en raison de ses caractéristiques optiques très proches de celles du verre et de sa légèreté. En 1951, Miller et ses collaborateurs ont utilisé le PMMA pour produire avec succès des lentilles de Fresnel. Grâce à son faible coût et à sa stabilité, le PMMA a rapidement remplacé le verre dans la fabrication de ces lentilles.
Avec les progrès scientifiques et technologiques, les techniques de fabrication des lentilles n'ont cessé de s'améliorer, et les performances optiques des lentilles de Fresnel sont devenues de plus en plus performantes, ce qui leur a valu une reconnaissance croissante dans de nombreux domaines. La faible épaisseur, la qualité, le faible coût et le bon pouvoir de condensation des lentilles de Fresnel ont suscité un intérêt grandissant pour leurs applications. Parmi celles-ci, l'industrie photovoltaïque à concentration a déjà adopté les lentilles de Fresnel. Le développement scientifique et technologique se poursuit, et les chercheurs et techniciens continuent de mener des recherches et des expérimentations qui ont déjà permis d'obtenir des résultats prometteurs.
Depuis 1970, la NASA a entrepris des recherches approfondies sur les lentilles de Fresnel. Les nombreux résultats obtenus ont guidé les scientifiques dans leurs travaux ultérieurs sur ce sujet. En 1979, Kritchman a mis au point une lentille de Fresnel à focalisation par faisceau courbe et à forte puissance. Son principal avantage réside dans l'amélioration significative de ses performances de concentration. En 2006, le Coréen Kwang Sun Ryu a proposé une méthode de conception consistant à diviser la surface de la lentille de Fresnel en petits modules. Cette méthode utilise un logiciel pour traiter ces modules, permettant ainsi à la lumière solaire incidente d'illuminer uniformément une cellule photoélectrique en silicium. Elle résout ainsi le problème de la concentration excessive de la lumière solaire sur une petite surface, qui endommageait la batterie.
Par la suite, l'Américain Daniel a mené une analyse approfondie de la lentille de Fresnel de Kwang Sun Ryu et a conçu une lentille de Fresnel à focalisation multipoint offrant un éclairage encore plus intense. Cette lentille optimise le filetage de la lentille de Fresnel traditionnelle et remplace la focalisation monopoint d'origine par une focalisation multipoint, ce qui permet de ne plus limiter le point focal à une position précise et d'améliorer ainsi l'uniformité de l'éclairage.
En 2002, lors d'une étude sur une lentille de Fresnel à focalisation linéaire cylindrique, il a été constaté que lorsque le nombre F est d'environ 1,3 et que le rapport de concentration est de 5 ou 6, l'efficacité optique peut atteindre plus de 85 %.
En 2007, une lentille de Fresnel abandonnant la structure traditionnelle à anneaux concentriques au profit de rainures en spirale d'Archimède a été conçue. Bien que son application soit identique à celle d'une lentille de Fresnel concentrique, elle introduit une nouvelle forme structurelle.
Des recherches menées en 2009 ont permis de découvrir que l'efficacité de focalisation d'une lentille de Fresnel est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente. Parallèlement, en raison de la réflexion de la lumière à sa surface, sa transmittance est inversement proportionnelle à l'angle d'incidence de la lumière.
En 2011, les performances de la lentille de Fresnel ont été étudiées en intérieur et en extérieur. Les résultats ont montré que l'erreur de transmission lumineuse restait inchangée entre les deux conditions de test. Cependant, l'erreur de mesure de l'efficacité de concentration était plus faible en intérieur qu'en extérieur. L'analyse de cette différence permettra d'orienter les futurs tests et la fabrication des lentilles de Fresnel .