Introducción e historia del desarrollo de la lente de Fresnel
El principio de diseño de la lente Fresnel consiste en que, durante su procesamiento, la lente ya no se considera un todo, sino una entidad compuesta por numerosas microestructuras. Estas microestructuras conservan el radio de curvatura de la lente convexa original y eliminan la luz intermedia. La desviación no funciona o afecta solo a una pequeña parte. El proceso de diseño de la lente Fresnel se muestra en la Figura 1, y la Figura 2 es un diagrama físico de una lente Fresnel plana. Inicialmente, debido a las limitaciones de material, las lentes se fabricaban exclusivamente con vidrio, y las lentes Fresnel no eran la excepción. Sin embargo, si se utiliza el método tradicional de esmerilado y pulido para procesar las lentes Fresnel, no solo requiere mucho tiempo, sino que también requiere mano de obra, lo que resulta en un costo excesivo. Posteriormente, se inventaron...
El principio de diseño de Fresnel
Durante el procesamiento, ya no se considera la lente como un todo. En cambio, se considera una entidad compuesta por múltiples microestructuras. Estas microestructuras conservan el radio de curvatura de la lente convexa original, eliminando la parte que no tiene efecto o tiene poca influencia en la desviación de la luz. El proceso de diseño de la lente de Fresnel se muestra en la Fig. 1.
Diagrama físico de una lente de Fresnel plana
Desarrollo de la lente de Fresnel en el siglo XIX
En sus inicios, debido a las limitaciones de material, las lentes se fabricaban exclusivamente de vidrio, y las lentes Fresnel no eran la excepción. Sin embargo, el proceso tradicional de esmerilado y pulido de las lentes Fresnel no solo requería mucho tiempo, sino también mano de obra, lo que resultaba en un alto costo. Posteriormente, se inventó el método de prensado en caliente con molde metálico, pero la tensión superficial del vidrio era excesiva, lo que impedía el prensado de algunas piezas durante el prensado en caliente, impidiendo que las lentes Fresnel alcanzaran el rendimiento esperado. Estas razones impidieron la promoción de las primeras lentes Fresnel.
A partir de 1950, un nuevo material, el polimetilmetacrilato (PMMA), se ha utilizado ampliamente en la producción de lentes debido a sus características ópticas muy similares a las del vidrio y a sus ventajas de menor peso. En 1951, Miller y otros utilizaron PMMA para producir con éxito lentes Fresnel. Debido a su bajo costo y estabilidad, el PMMA se comenzó a utilizar para reemplazar el vidrio en la fabricación de lentes Fresnel.
Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología de procesamiento de lentes continúa mejorando, y el rendimiento óptico de las lentes Fresnel es cada vez mejor, siendo valoradas gradualmente en diversos sectores. Gracias a su espesor reducido, baja calidad, bajo costo, buen efecto de condensación y otras ventajas, muchos sectores han comenzado a prestar atención a su aplicación. Entre ellos, la industria de la energía solar fotovoltaica de concentración ha comenzado a utilizar las lentes Fresnel. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, el personal científico y técnico continúa realizando investigaciones y experimentos que han logrado resultados satisfactorios.
Desde 1970, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio comenzó a realizar investigaciones detalladas sobre las lentes Fresnel, y los numerosos resultados de investigación obtenidos han servido como guías para futuros científicos en el camino de la investigación de las lentes Fresnel. En 1979, Kritchman desarrolló una lente Fresnel de enfoque de línea curva de condensación de alta potencia. La mayor ventaja de esta lente es un salto cualitativo en el rendimiento de concentración. En 2006, el coreano Kwang sun Ryu propuso un método de diseño para dividir la superficie de la lente Fresnel en pequeños módulos. Este método utiliza software para procesar los pequeños módulos de la lente Fresnel de modo que la luz solar incidente pueda iluminar uniformemente la fotocélula de silicio. Lo anterior resuelve el problema de que la luz solar es fácil de concentrar en un área pequeña y quemar la batería en el pasado.
Posteriormente, el estadounidense Daniel realizó un análisis exhaustivo de la lente Fresnel de Kwang Sun Ryu y diseñó una lente Fresnel de enfoque multipunto con una iluminación aún mayor. Esta lente optimiza la rosca de la lente Fresnel tradicional y cambia el modo original de enfoque de un solo punto a enfoque multipunto, de modo que el punto de enfoque de la lente Fresnel ya no está limitado a una posición específica, mejorando así la uniformidad de la iluminación.
En 2002, en el estudio de la lente Fresnel de enfoque lineal cilíndrico, se descubrió que cuando el número F es alrededor de 1,3 y la relación de concentración es 5 o 6, la eficiencia óptica puede alcanzar más del 85%.
En 2007, se diseñó una lente de Fresnel que abandonó la estructura tradicional de anillos concéntricos y adoptó las ranuras espirales de Arquímedes. Si bien esta lente no presenta diferencias esenciales en su aplicación con respecto a la lente de Fresnel concéntrica, esta lente creó una nueva forma estructural.
En 2009, se descubrió mediante investigaciones que la eficiencia de enfoque de la lente Fresnel es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Al mismo tiempo, debido a la reflexión de la luz en la superficie de la lente Fresnel, su transmitancia luminosa es inversamente proporcional al ángulo de la luz incidente.
En 2011, se estudió el rendimiento de la lente Fresnel en interiores y exteriores. Los resultados mostraron que el error de transmitancia de luz se mantuvo sin cambios en las pruebas en interiores y exteriores, pero el error de eficiencia de concentración fue menor que en la prueba en interiores. El análisis de esta diferencia servirá de referencia para futuras pruebas y procesamiento de lentes Fresnel .
