Einführung und Entwicklungsgeschichte der Fresnel-Linse
Das Konstruktionsprinzip der Fresnel-Linse besteht darin, dass die Linse während der Verarbeitung nicht mehr als Ganzes betrachtet wird, sondern als eine Einheit, die aus vielen Mikrostrukturen besteht. Diese Mikrostrukturen behalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse bei und entfernen das Zwischenlicht. Die Ablenkung funktioniert nicht oder betrifft einen kleinen Teil. Der Konstruktionsprozess der Fresnel-Linse ist in Abbildung 1 dargestellt, und Abbildung 2 ist ein physikalisches Diagramm einer flachen Fresnel-Linse. Früher bestanden aufgrund von Materialbeschränkungen alle Linsen aus Glas, und Fresnel-Linsen bildeten da keine Ausnahme. Wenn jedoch die traditionelle Schleif- und Poliermethode zur Verarbeitung von Fresnel-Linsen verwendet wird, dauert dies nicht nur lange, sondern verbraucht auch Arbeitskräfte, was zu hohen Kosten führt. Später erfanden die Leute ...
Das Konstruktionsprinzip der Fresnel-Reflektorlinse
Bei der Verarbeitung wird die Linse nicht mehr als Ganzes betrachtet. Vielmehr wird sie als eine Einheit betrachtet, die aus vielen Mikrostrukturen besteht. Diese Mikrostrukturen behalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse bei, während der Teil entfernt wird, der keine oder nur geringe Auswirkungen auf die Lichtablenkung hat. Der Designprozess der Fresnel-Linse ist in Abb. 1 dargestellt.
Physikalisches Diagramm einer flachen Fresnellinse
Entwicklung der Fresnel-Linse im 19. Jahrhundert
Früher bestanden Linsen aufgrund von Materialbeschränkungen alle aus Glas, und Fresnel-Linsen bildeten da keine Ausnahme. Wenn jedoch die herkömmliche Schleif- und Poliermethode zur Bearbeitung von Fresnel-Linsen verwendet wurde, dauerte dies nicht nur lange, sondern erforderte auch Arbeitskräfte, was zu hohen Kosten führte. Später erfanden die Menschen die Heißpressverarbeitungsmethode für Metallformen, aber die Oberflächenspannung des Glases war zu groß, was dazu führte, dass einige Details während des Heißpressens nicht gepresst werden konnten, sodass die Fresnel-Linse nicht den erwarteten Nutzungseffekt erzielen konnte. Aus diesen Gründen konnten die frühen Fresnel-Linsen nicht beworben werden.
Ab etwa 1950 wurde ein neues Material, Polymethylmethacrylat (PMMA), aufgrund seiner sehr ähnlichen optischen Eigenschaften wie Glas und der Vorteile des geringeren Gewichts häufig bei der Linsenherstellung verwendet. 1951 verwendeten Miller und andere erfolgreich PMMA zur Herstellung von Fresnel-Linsen. Da PMMA kostengünstig und von Natur aus stabil ist, wurde es von da an als Ersatz für Glas zur Herstellung von Fresnel-Linsen verwendet.
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie verbessert sich die Linsenverarbeitungstechnologie ständig, und die optische Leistung der Fresnel-Linse wird immer besser, sodass sie in vielen Bereichen zunehmend geschätzt wird. Da die Fresnel-Linse dünn, von geringer Qualität, kostengünstig und mit einer guten Kondensorwirkung ausgestattet ist und weitere Vorteile bietet, wird der Anwendung von Fresnel-Linsen in vielen Bereichen zunehmend Beachtung geschenkt. Unter ihnen wurden Fresnel-Linsen auch in der solarkonzentrierenden Photovoltaikindustrie eingesetzt. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie führen wissenschaftliches und technisches Personal weiterhin weitere Forschungen und Experimente durch und haben auch viele erfreuliche Ergebnisse erzielt.
Seit 1970 betreibt die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde (NAA) eingehende Forschungen zu Fresnel-Linsen. Die zahlreichen dabei erzielten Ergebnisse dienen zukünftigen Wissenschaftlern als Wegweiser für die Fresnel-Linsenforschung. 1979 entwickelte Kritchman eine hochleistungsfähige, kondensierende Fresnel-Linse mit gekrümmter Linienfokussierung. Der größte Vorteil dieser Linse ist ein qualitativer Sprung in der Konzentrationsleistung. 2006 schlug der Koreaner Kwang Sun Ryu eine Designmethode vor, bei der die Oberfläche der Fresnel-Linse in kleine Module unterteilt wird. Bei dieser Methode werden die kleinen Module der Fresnel-Linse mithilfe von Software so verarbeitet, dass das einfallende Sonnenlicht die Silizium-Fotozelle gleichmäßig beleuchten kann. Auf diese Weise wird das Problem gelöst, dass sich das Sonnenlicht leicht auf einem kleinen Bereich konzentriert und die Batterie durchbrennt, wie es früher der Fall war.
Später führte der Amerikaner Daniel eine eingehende Analyse der Fresnel-Linse von Kwang Sun Ryu durch und entwarf eine Fresnel-Linse mit Mehrpunktfokussierung und noch höherer Beleuchtungsstärke als zuvor. Diese Linse optimiert das Gewinde der herkömmlichen Fresnel-Linse und ändert den ursprünglichen Einzelpunktfokusmodus in einen Mehrpunktfokus, sodass der Fokuspunkt der Fresnel-Linse nicht mehr auf eine bestimmte Position beschränkt ist und die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung somit verbessert wird.
Im Jahr 2002 wurde bei einer Untersuchung zylindrischer linienfokussierender Fresnel-Linsen festgestellt, dass die optische Effizienz bei einer Blendenzahl von etwa 1,3 und einem Konzentrationsverhältnis von 5 oder 6 über 85 % erreichen kann.
Im Jahr 2007 wurde eine Fresnellinse entwickelt, die die traditionelle konzentrische Ringstruktur aufgab und stattdessen archimedische Spiralrillen verwendete. Obwohl sich diese Linse in der Anwendung nicht wesentlich von der konzentrischen Fresnellinse unterscheidet, wurde mit der Fresnellinse eine neue Strukturform geschaffen.
Im Jahr 2009 wurde durch Forschungen festgestellt, dass die Fokussierungseffizienz der Fresnel-Linse direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. Gleichzeitig ist ihre Lichtdurchlässigkeit aufgrund der bestimmten Lichtreflexion auf der Oberfläche der Fresnel-Linse umgekehrt proportional zum Winkel des einfallenden Lichts.
Im Jahr 2011 wurde die Leistung der Fresnel-Linse im Innen- und Außenbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der Fehler der Lichtdurchlässigkeit im Innen- und im Außenbereich unverändert blieb, der Testfehler der Konzentrationseffizienz jedoch im Innenbereich geringer war als im Außenbereich. Die Analyse des Grundes für diesen Unterschied wird künftig als Referenz für Personen dienen, die Fresnel-Linsen testen und verarbeiten.