Introduzione e storia dello sviluppo della lente di Fresnel
Il principio di progettazione della lente di Fresnel è che la lente non viene più considerata come un tutt'uno durante la lavorazione, ma come un'entità composta da molte microstrutture. Queste microstrutture mantengono il raggio di curvatura della lente convessa originale ed eliminano la deflessione della luce intermedia che non funziona o influenza solo una piccola parte. Il processo di progettazione della lente di Fresnel è mostrato nella Figura 1, mentre la Figura 2 è uno schema fisico di una lente di Fresnel piana. In passato, a causa delle limitazioni dei materiali, tutte le lenti erano realizzate in vetro, e le lenti di Fresnel non facevano eccezione. Tuttavia, se si utilizzava il metodo tradizionale di molatura e lucidatura per lavorare le lenti di Fresnel, non solo richiedeva molto tempo, ma consumava anche molta manodopera, il che portava a costi eccessivi. Successivamente, si inventò...
Il principio di progettazione della lente di Fresnel
Durante la lavorazione, la lente non viene più considerata come un tutt'uno, bensì come un'entità composta da numerose microstrutture. Queste microstrutture mantengono il raggio di curvatura della lente convessa originale, eliminando al contempo la parte che non ha alcun effetto o ha una scarsa influenza sulla deflessione della luce. Il processo di progettazione della lente di Fresnel è illustrato nella Figura 1.
Schema fisico di una lente di Fresnel piatta
Sviluppo della lente di Fresnel nel XIX secolo
Agli albori, a causa delle limitazioni dei materiali, tutte le lenti erano realizzate in vetro, e le lenti di Fresnel non facevano eccezione. Tuttavia, il tradizionale metodo di molatura e lucidatura per la lavorazione delle lenti di Fresnel non solo richiedeva molto tempo, ma anche molta manodopera, con conseguenti costi eccessivi. Successivamente, venne inventato il metodo di pressatura a caldo con stampo metallico, ma la tensione superficiale del vetro era troppo elevata, il che impediva ad alcuni dettagli di essere pressati correttamente durante il processo, compromettendo l'efficacia delle lenti di Fresnel. Questi fattori impedirono la diffusione delle prime lenti di Fresnel.
A partire dal 1950 circa, un nuovo materiale, il polimetilmetacrilato (PMMA), è stato ampiamente utilizzato nella produzione di lenti grazie alle sue caratteristiche ottiche molto simili al vetro e al vantaggio di un peso inferiore. Nel 1951, Miller e altri utilizzarono il PMMA per produrre con successo lenti di Fresnel. Poiché il PMMA è economico e stabile, da allora si è iniziato a utilizzarlo in sostituzione del vetro per la produzione di lenti di Fresnel.
Con il progresso della scienza e della tecnologia, la tecnologia di lavorazione delle lenti ha continuato a migliorare e le prestazioni ottiche delle lenti di Fresnel sono diventate sempre migliori, guadagnandosi gradualmente il valore di numerosi settori. Grazie al suo spessore ridotto, al basso costo e all'ottimo effetto di concentrazione, le lenti di Fresnel hanno iniziato a interessarsi alle loro applicazioni. Tra queste, l'industria fotovoltaica a concentrazione solare ha già iniziato a utilizzare le lenti di Fresnel. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il personale scientifico e tecnico continua a condurre ulteriori ricerche e sperimentazioni, ottenendo numerosi risultati promettenti.
Dal 1970, la NASA ha iniziato a condurre ricerche approfondite sulle lenti di Fresnel, e i numerosi risultati ottenuti sono serviti da guida per gli scienziati futuri nel campo della ricerca sulle lenti di Fresnel. Nel 1979, Kritchman ha sviluppato una lente di Fresnel a focalizzazione a linea curva ad alta potenza e a condensazione. Il vantaggio principale di questa lente è stato un salto qualitativo nelle prestazioni di concentrazione. Nel 2006, il coreano Kwang-sun Ryu ha proposto un metodo di progettazione che prevede la suddivisione della superficie della lente di Fresnel in piccoli moduli. Questo metodo utilizza un software per elaborare i piccoli moduli della lente di Fresnel in modo che la luce solare incidente possa illuminare uniformemente la fotocellula al silicio. Ciò risolve il problema, riscontrato in passato, della facile concentrazione della luce solare in una piccola area e del conseguente surriscaldamento della batteria.
In seguito, l'americano Daniel ha condotto un'analisi approfondita della lente di Fresnel di Kwang Sun Ryu e ha progettato una lente di Fresnel a messa a fuoco multipunto con un'illuminazione ancora maggiore rispetto alla precedente. Questa lente ottimizza la filettatura della tradizionale lente di Fresnel e trasforma la modalità di messa a fuoco a punto singolo originale in una messa a fuoco multipunto, in modo che il punto focale della lente di Fresnel non sia più limitato a una determinata posizione, migliorando così l'uniformità dell'illuminazione.
Nel 2002, nello studio di una lente di Fresnel a focalizzazione lineare cilindrica, si è scoperto che quando il numero F è intorno a 1,3 e il rapporto di concentrazione è 5 o 6, l'efficienza ottica può raggiungere oltre l'85%.
Nel 2007 è stata progettata una lente di Fresnel che ha abbandonato la tradizionale struttura ad anelli concentrici adottando scanalature a spirale di Archimede. Sebbene questa lente non presenti differenze sostanziali nell'applicazione rispetto alla lente di Fresnel concentrica, essa ha creato una nuova forma strutturale.
Nel 2009, la ricerca ha rivelato che l'efficienza di focalizzazione della lente di Fresnel è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente. Allo stesso tempo, a causa di una certa riflessione della luce sulla superficie della lente di Fresnel, la sua trasmittanza luminosa è inversamente proporzionale all'angolo di incidenza della luce.
Nel 2011, sono state studiate le prestazioni della lente di Fresnel sia in ambienti interni che esterni. I risultati hanno mostrato che l'errore di trasmissione della luce è rimasto invariato nei test in ambienti interni ed esterni, ma l'errore di misurazione dell'efficienza di concentrazione è risultato inferiore nei test in ambienti interni rispetto a quelli in ambienti esterni. L'analisi delle ragioni di questa differenza fornirà un utile riferimento per chi si occuperà in futuro di testare e lavorare le lenti di Fresnel .