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 numerose microstrutture. Queste microstrutture mantengono il raggio di curvatura della lente convessa originale e rimuovono la luce intermedia. La deflessione non funziona o interessa solo una piccola parte. Il processo di progettazione della lente di Fresnel è mostrato in Figura 1, mentre la Figura 2 è uno schema fisico di una lente di Fresnel piana. Inizialmente, a causa delle limitazioni dei materiali, le lenti erano tutte realizzate in vetro e le lenti di Fresnel non facevano eccezione. Tuttavia, se si utilizza il metodo tradizionale di molatura e lucidatura per la lavorazione delle lenti di Fresnel, non solo richiede molto tempo, ma consuma anche manodopera, il che si traduce in costi troppo elevati. In seguito, si è arrivati a...
Il principio di progettazione del Fresnel
Durante la lavorazione, la lente non viene più considerata come un tutt'uno. Piuttosto, viene considerata come un'entità composta da numerose microstrutture. Queste microstrutture mantengono il raggio di curvatura della lente convessa originale, rimuovendo al contempo la parte che non ha alcun effetto o ha poca influenza sulla deflessione della luce. Il processo di progettazione della lente di Fresnel è illustrato in Figura 1.
Diagramma fisico di una lente di Fresnel piatta
Sviluppo della lente di Fresnel nel XIX secolo
All'inizio, a causa delle limitazioni dei materiali, le lenti erano tutte realizzate in vetro e le lenti di Fresnel non facevano eccezione. Tuttavia, se si utilizzava il metodo tradizionale di molatura e lucidatura per la lavorazione delle lenti di Fresnel, non solo richiedeva molto tempo, ma consumava anche manodopera, il che si traduceva in costi eccessivi. Successivamente, si ideò il metodo di lavorazione a caldo con stampi metallici, ma la sollecitazione superficiale del vetro era troppo elevata, il che impediva la pressatura di alcuni dettagli durante la pressatura a caldo, impedendo alla lente di Fresnel di ottenere l'effetto d'uso previsto. Per questi motivi, le prime lenti di Fresnel non potevano essere promosse.
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 ai vantaggi di una maggiore leggerezza. Nel 1951, Miller e altri utilizzarono il PMMA per produrre con successo lenti di Fresnel. Poiché il PMMA è economico e stabile in natura, da allora si iniziò a utilizzarlo per sostituire il vetro nella produzione di lenti di Fresnel.
Con il progresso della scienza e della tecnologia, la tecnologia di lavorazione delle lenti continua a migliorare e le prestazioni ottiche della lente di Fresnel stanno migliorando sempre di più, venendo gradualmente apprezzata in molti settori. Poiché la lente di Fresnel presenta uno spessore sottile, una bassa qualità, un basso costo e un buon effetto condensante, oltre ad altri vantaggi, molti settori hanno iniziato a prestare attenzione all'applicazione della lente di Fresnel. Tra questi, l'industria fotovoltaica a concentrazione solare ha introdotto la lente di Fresnel. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il personale scientifico e tecnico continua a svolgere ulteriori ricerche ed esperimenti, che hanno anche prodotto molti risultati gratificanti.
Dal 1970, la National Aeronautics and Space Administration ha iniziato a condurre ricerche approfondite sulle lenti di Fresnel e i numerosi risultati ottenuti sono serviti da guida per i futuri scienziati sul percorso di ricerca sulle lenti di Fresnel. Nel 1979, Kritchman ha sviluppato una lente di Fresnel a condensazione ad alta potenza con messa a fuoco a linea curva. Il principale vantaggio di questa lente è un salto di qualità nelle prestazioni di concentrazione. Nel 2006, il coreano Kwang Sun Ryu ha proposto un metodo di progettazione per dividere la 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 della facile concentrazione della luce solare in una piccola area e del conseguente consumo della batteria in passato.
Successivamente, l'americano Daniel condusse un'analisi approfondita della lente di Fresnel di Kwang Sun Ryu e progettò una lente di Fresnel con messa a fuoco multi-punto con un'illuminazione ancora più elevata rispetto a prima. Questa lente ottimizza la filettatura della lente di Fresnel tradizionale e trasforma la modalità di messa a fuoco a punto singolo originale in una messa a fuoco multi-punto, in modo che il punto di messa a fuoco della lente di Fresnel non sia più limitato a una posizione specifica e l'uniformità dell'illuminazione venga quindi migliorata.
Nel 2002, nello studio della 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 abbandonava la tradizionale struttura ad anelli concentrici e adottava le scanalature a spirale di Archimede. Sebbene questa lente non presenti differenze sostanziali nell'applicazione rispetto alla lente di Fresnel concentrica, ha creato una nuova forma strutturale.
Nel 2009, una ricerca ha scoperto che l'efficienza di messa a fuoco della lente di Fresnel è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente. Allo stesso tempo, a causa della riflessione della luce sulla superficie della lente di Fresnel, la sua trasmittanza luminosa è inversamente proporzionale all'angolo di incidenza della luce.
Nel 2011, le prestazioni della lente di Fresnel sono state studiate in ambienti interni ed esterni. I risultati hanno mostrato che l'errore di trasmissione della luce è rimasto invariato nei test interni ed esterni, ma l'errore di efficienza di concentrazione è risultato inferiore rispetto al test esterno nel test interno, e la ragione di questa differenza sarà un riferimento per coloro che in futuro si occuperanno di test e lavorazione delle lenti di Fresnel .