Введение и история развития линз Френеля
Принцип проектирования линзы Френеля заключается в том, что в процессе обработки линза рассматривается не как единое целое, а как совокупность множества микроструктур. Эти микроструктуры сохраняют радиус кривизны исходной выпуклой линзы и устраняют промежуточные искажения света, которые либо не работают, либо затрагивают лишь небольшую часть. Процесс проектирования линзы Френеля показан на рисунке 1, а на рисунке 2 представлена физическая схема плоской линзы Френеля. На заре своего существования, из-за ограничений в материалах, все линзы изготавливались из стекла, и линзы Френеля не были исключением. Однако, если для обработки линз Френеля используется традиционный метод шлифовки и полировки, это не только занимает много времени, но и требует больших трудозатрат, что приводит к слишком высокой стоимости. Позже были изобретены...
Принцип проектирования линзы Френеля
В процессе обработки линза больше не рассматривается как единое целое. Вместо этого она рассматривается как совокупность множества микроструктур. Эти микроструктуры сохраняют радиус кривизны исходной выпуклой линзы, удаляя при этом часть, которая не оказывает или оказывает незначительное влияние на отклонение света. Процесс проектирования линзы Френеля показан на рис. 1.
Физическая схема плоской линзы Френеля
Разработка линзы Френеля в XIX веке
На заре своего существования, из-за ограниченности материалов, линзы изготавливались исключительно из стекла, и линзы Френеля не были исключением. Однако, если для обработки линз Френеля использовался традиционный метод шлифовки и полировки, это не только занимало много времени, но и требовало больших трудозатрат, что приводило к чрезмерно высокой стоимости. Позже был изобретен метод горячего прессования в металлических формах, но поверхностное напряжение стекла было слишком большим, из-за чего некоторые детали не удавалось отпрессовать во время горячего прессования, и линзы Френеля не достигали ожидаемого эффекта. Эти причины помешали развитию ранних линз Френеля.
Примерно с 1950 года новый материал, полиметилметакрилат (ПММА), широко используется в производстве линз благодаря своим оптическим характеристикам, очень похожим на стекло, и преимуществам меньшего веса. В 1951 году Миллер и другие успешно использовали ПММА для производства линз Френеля. Благодаря низкой стоимости и стабильности ПММА, его стали использовать вместо стекла при изготовлении линз Френеля.
С развитием науки и техники технология обработки линз постоянно совершенствуется, оптические характеристики линз Френеля улучшаются, и они постепенно получают признание во многих областях. Благодаря малой толщине, низкому качеству, низкой стоимости и хорошему эффекту конденсации, линзы Френеля стали востребованы во многих отраслях. Среди них – солнечная концентрирующая фотоэлектрическая промышленность. С развитием науки и техники научные и технические специалисты продолжают исследования и эксперименты, достигнув многих впечатляющих результатов.
С 1970 года Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) начало проводить детальные исследования линз Френеля, и многие полученные результаты послужили ориентирами для будущих ученых на пути исследования линз Френеля. В 1979 году Кричман разработал мощную конденсирующую линзу Френеля с изогнутой линией фокусировки. Самым большим преимуществом этой линзы является качественный скачок в эффективности концентрации света. В 2006 году корейский инженер Кванг Сун Рю предложил метод проектирования, разделяющий поверхность линзы Френеля на небольшие модули. Этот метод использует программное обеспечение для обработки небольших модулей линзы Френеля, чтобы падающий солнечный свет равномерно освещал кремниевый фотоэлемент. Вышеуказанное решает проблему концентрации солнечного света на небольшой площади, что приводило к перегреву батареи в прошлом.
Позже американец Дэниел провел углубленный анализ линзы Френеля Кванг Сун Рю и разработал многоточечную фокусирующую линзу Френеля с еще более высокой освещенностью, чем раньше. Эта линза оптимизирует резьбу традиционной линзы Френеля и изменяет исходный режим одноточечной фокусировки на многоточечную, благодаря чему фокусное пятно линзы Френеля больше не ограничено определенным положением, и, таким образом, улучшается равномерность освещения.
В 2002 году при исследовании цилиндрической линейной фокусирующей линзы Френеля было установлено, что при числе F около 1,3 и коэффициенте концентрации 5 или 6 оптическая эффективность может достигать более 85%.
В 2007 году была разработана линза Френеля, в которой отказались от традиционной концентрической кольцевой структуры и использовали канавки архимедовой спирали. Хотя эта линза по сути не отличается от концентрической линзы Френеля в применении, она представляет собой новую структурную форму.
В 2009 году в ходе исследований было обнаружено, что эффективность фокусировки линзы Френеля прямо пропорциональна интенсивности падающего света. В то же время, из-за определенного отражения света на поверхности линзы Френеля, её светопропускание обратно пропорционально углу падения света.
В 2011 году были проведены исследования характеристик линзы Френеля в помещении и на открытом воздухе. Результаты показали, что погрешность светопропускания оставалась неизменной как в помещении, так и на открытом воздухе, однако погрешность измерения эффективности концентрации была ниже, чем при испытаниях на открытом воздухе, что послужит ориентиром для специалистов в будущем при тестировании и обработке линз Френеля .