Introduction et historique du développement de la lentille de Fresnel
Le principe de conception de la lentille de Fresnel est que, lors du traitement, la lentille n'est plus considérée comme un tout, mais comme une entité composée de nombreuses microstructures. Ces microstructures conservent le rayon de courbure de la lentille convexe d'origine et suppriment la lumière intermédiaire. La déviation est inopérante ou affecte une petite partie. Le processus de conception de la lentille de Fresnel est illustré à la figure 1, et la figure 2 est un schéma physique d'une lentille de Fresnel plate. À l'origine, en raison de limitations matérielles, les lentilles étaient toutes en verre, et les lentilles de Fresnel ne faisaient pas exception. Cependant, le traitement traditionnel des lentilles de Fresnel par meulage et polissage est non seulement long, mais aussi coûteux en main-d'œuvre, ce qui entraîne des coûts trop élevés. Plus tard, on a inventé…
Le principe de conception du Fresnel
Lors du traitement, la lentille n'est plus considérée comme un tout. Elle est plutôt considérée comme une entité composée de nombreuses microstructures. Ces microstructures conservent le rayon de courbure de la lentille convexe d'origine, tout en supprimant la partie n'ayant aucun effet, ou peu d'influence, sur la déviation de la lumière. Le processus de conception d'une lentille de Fresnel est illustré à la figure 1.
Schéma physique d'une lentille de Fresnel plate
Développement de la lentille de Fresnel au XIXe siècle
À l'origine, en raison de limitations matérielles, les lentilles étaient toutes en verre, et les lentilles de Fresnel ne faisaient pas exception. Cependant, la méthode traditionnelle de meulage et de polissage pour l'usinage des lentilles de Fresnel était non seulement longue, mais aussi gourmande en main-d'œuvre, ce qui entraînait des coûts trop élevés. Plus tard, la méthode de pressage à chaud par moule métallique a été inventée, mais la contrainte superficielle du verre était trop importante, ce qui empêchait certains détails d'être pressés lors du pressage à chaud, empêchant ainsi les lentilles de Fresnel d'atteindre l'effet escompté. Ces raisons ont rendu les premières lentilles de Fresnel impropres à la commercialisation.
À partir des années 1950, un nouveau matériau, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), a été largement utilisé dans la production de lentilles en raison de ses caractéristiques optiques très proches de celles du verre et de son poids plus léger. En 1951, Miller et d'autres ont utilisé le PMMA pour produire avec succès des lentilles de Fresnel. Son faible coût et sa stabilité ont permis de remplacer le verre dans la fabrication de lentilles de Fresnel.
Grâce aux progrès scientifiques et technologiques, la technologie de traitement des lentilles continue de s'améliorer, et les performances optiques des lentilles de Fresnel s'améliorent sans cesse, les rendant progressivement valorisées dans de nombreux domaines. Grâce à leur faible épaisseur, leur faible qualité, leur faible coût et leur bon effet de condensation, entre autres avantages, de nombreux secteurs se sont intéressés à leur application. Parmi eux, l'industrie photovoltaïque à concentration solaire a adopté les lentilles de Fresnel. Avec le développement des sciences et des technologies, les scientifiques et les techniciens poursuivent leurs recherches et expérimentations, qui ont également abouti à de nombreux résultats encourageants.
Depuis 1970, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) a mené des recherches approfondies sur les lentilles de Fresnel. Les nombreux résultats obtenus ont servi de repères aux futurs scientifiques sur la voie de la recherche dans ce domaine. En 1979, Kritchman a développé une lentille de Fresnel à focalisation linéaire courbe à condensation de haute puissance. Le principal avantage de cette lentille réside dans une avancée qualitative en termes de performances de concentration. En 2006, le Coréen Kwang Sun Ryu a proposé une méthode de conception permettant de diviser la surface de la lentille de Fresnel en petits modules. Cette méthode utilise un logiciel pour traiter les petits modules de la lentille de Fresnel afin que la lumière solaire incidente puisse éclairer uniformément la cellule photoélectrique en silicium. Cette solution résout le problème précédent de la facilité avec laquelle la lumière solaire se concentrait sur une petite surface et consommait la batterie.
Par la suite, l'Américain Daniel a mené une analyse approfondie de la lentille de Fresnel de Kwang Sun Ryu et a conçu une lentille de Fresnel à focalisation multipoint offrant un éclairage encore plus puissant. Cette lentille optimise le filetage de la lentille de Fresnel traditionnelle et remplace le mode de focalisation monopoint initial par un mode de focalisation multipoint. Ainsi, le point de focalisation de la lentille de Fresnel n'est plus limité à une position précise, améliorant ainsi l'uniformité de l'éclairage.
En 2002, dans l'étude de la lentille de Fresnel à focalisation linéaire cylindrique, il a été constaté que lorsque le nombre F est d'environ 1,3 et le rapport de concentration est de 5 ou 6, l'efficacité optique peut atteindre plus de 85 %.
En 2007, une lentille de Fresnel abandonnant la structure annulaire concentrique traditionnelle au profit de rainures en spirale d'Archimède a été conçue. Bien que cette lentille ne présente pas de différence fondamentale avec la lentille de Fresnel concentrique dans son application, elle crée une nouvelle forme structurelle.
En 2009, des recherches ont montré que l'efficacité de focalisation de la lentille de Fresnel est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente. Parallèlement, en raison de la réflexion de la lumière à la surface de la lentille de Fresnel, sa transmittance lumineuse est inversement proportionnelle à l'angle de la lumière incidente.
En 2011, les performances de la lentille de Fresnel ont été étudiées en intérieur et en extérieur. Les résultats ont montré que l'erreur de transmission lumineuse était inchangée lors des tests en intérieur et en extérieur, mais que l'erreur de concentration était inférieure à celle du test en extérieur. Cette analyse servira de référence pour les futurs tests et traitements des lentilles de Fresnel .
