Soczewki Fresnela – nowoczesne elementy optyczne

Jednym z zasadniczych postulatów związanych z wykorzystaniem energii jest redukcja wpływu jej konwencjonalnych źródeł na środowisko. Wszystko wskazuje na to, że w obliczu wyczerpywania się złóż paliw kopalnych to właśnie technologie solarne będą w przyszłości stanowiły istotny element systemów energetycznych.

Promieniowanie słoneczne to praktycznie niewyczerpane źródło energii, mogące zaspokoić wszystkie potrzeby ludzkości. Jednak wciąż trudno ją pozyskać i zamienić w odpowiednią, użyteczną postać. Dlatego wszelkie rozwiązania dążące do efektywnego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego budzą duże zainteresowanie.

Przed twórcami innowacyjnych rozwiązań z zakresu wykorzystania energii słonecznej jako źródła ciepła i elektryczności stoi wiele wyzwań. Należą do nich: względnie niska gęstość promieniowania (maksymalnie ok. 1 kW/m² w warunkach polskich), sezonowość i uzależnienie od położenia geograficznego.

W celu osiągnięcia wysokiej sprawności konwersji energii promieniowania słonecznego wymagane będzie stosowanie technologii jego koncentracji. Najwyższe sprawności systemów fotowoltaicznych osiągają obecnie ogniwa współpracujące z koncentratorami promieniowania. Skupianie promieniowania słonecznego nie jest jednak proste, na przeszkodzie stoi m.in. masa układów optycznych, ich delikatność (szklane soczewki), a co za tym idzie konieczność stosowania odpowiednio mocnych konstrukcji systemów śledzących położenie słońca, z czym wiążą się duże koszty układów współpracujących.

Obecnie obserwuje się jednak istotną zmianę sytuacji – skupiające układy optyczne przestają być ciężkie, nieporęczne, delikatne i bardzo kosztowne, a to za sprawą dwóch czynników – znanych od ponad 100 lat tzw. soczewek Fresnela oraz nowych materiałów optycznych, wytworzonych stosunkowo niedawno.

Soczewki Fresnela to proste elementy optyczne, mające jednak wiele zalet: małą objętość, niewielką wagę, możliwość produkcji masowej przy niskich kosztach, a także zdolność do istotnego zwiększania gęstości pozyskiwanej energii. Na dynamiczny rozwój tej technologii wpłynęły osiągnięcia współczesnej inżynierii materiałowej oraz techniki formowania tworzyw sztucznych i rozwój komputerowego sterowania procesami obróbki materiałów.

Idea działania soczewki Fresnela

Soczewkę Fresnela można otrzymać, modyfikując klasyczną soczewkę. Rys. 1 unaocznia również, że do budowy tej soczewki potrzeba dużo mniej materiału niż w rozwiązaniach tradycyjnych.

Problem pojawia się wtedy, kiedy przy użyciu soczewek Fresnela chcemy uzyskać wierny obraz obserwowanych przedmiotów (tzw. obrazowanie). Jest on gorszy niż w przypadku klasycznych soczewek, dlatego np. w aparatach fotograficznych ciągle stosuje się te ostatnie. Brak właściwości obrazujących nie jest jednak problemem w przypadku zastosowań energetycznych. Soczewki nieobrazujące mają w porównaniu z obrazującymi wyższy stopień koncentracji przy mniejszej objętości i krótszej ogniskowej, mogą też być budowane jako bardzo duże elementy.

Soczewki Fresnela popularność zawdzięczają także zdolności do wytwarzania wysokiej gęstości strumienia skupionego promieniowania, przetwarzania całości widma promieniowania czy odporności na niedokładność śledzenia położenia słońca. Wszystko to osiągane jest przy niskiej wadze i dużej trwałości mechanicznej.

Materiały stosowane do wytwarzania soczewek

Rozwój soczewek Fresnela nie byłby możliwy bez nowych materiałów optycznych. Dla zakresu światła widzialnego istnieje grupa standardowo stosowanych materiałów, a należą do niej: akryl, poliwęglan oraz sztywny winyl. Są to tworzywa użyteczne także w bliskiej podczerwieni. Na rys. 2 pokazano użyteczny zakres transmitancji (przepuszczalności promieniowania) dla różnych tworzyw sztucznych. Można na jego podstawie określić, które materiały będą odpowiednie do budowy soczewek pracujących na danym zakresie widma promieniowania. Czynnikiem decydującym jest tu zdolność transmitancji promieniowania o określonej długości fali.

Innymi istotnymi cechami materiału na soczewkę są: wymagana wielkość (w tym grubość), sztywność, temperatura pracy, środowisko pracy i inne parametry fizyczne. Z perspektywy tych wymagań odpowiednie są:

• akryl (współczynnik załamania światła – 1,49) – najczęściej stosowany materiał o wysokiej transmitancji, przepuszczający lub filtrujący promieniowanie UV,
• sztywny winyl (1,54) – niedrogi, może być poddawany cięciu, naturalnie ognioodporny,
• poliwęglan (1,59) – stosowany w wyższych temperaturach niż akryl, o bardzo wysokiej wytrzymałości mechanicznej.

Gęstość wymienionych substancji jest około dwukrotnie mniejsza niż szkła. Wartość współczynnika transmitancji promieniowania dla tych materiałów można prześledzić dokładnie na rys. 3. Dla zakresu optycznego prym wiedzie niewątpliwie akryl, a dla podczerwieni sztywny winyl. Akryl może być ponadto wykonany w odmianie przepuszczającej promieniowanie ultrafioletowe.

Zastosowanie soczewek Fresnela

Doskonałym zastosowaniem dla fresnelowskiej optyki jest fotowoltaika. Dzięki soczewkom Fresnela uzyskuje się najwyższe sprawności konwersji energii słonecznej w elektryczną. W 2010 r. ogłoszono rekord sprawności modułu fotowoltaicznego – 42,4%. Osiągnięto to przy stopniu koncentracji ponad czterysta razy. Sprawność ogniw fotowoltaicznych pracujących na nieskoncentrowanym promieniowaniu nie przekracza 30%.

Soczewki Fresnela znalazły ponadto zastosowanie m.in. przy wytwarzaniu wodoru, w foto-bioreaktorach, podczas przeprowadzania reakcji fotochemicznych, przy obróbce powierzchniowej materiałów metalicznych, w oświetleniu słonecznym i laserach „pompowanych” energią słoneczną (rys. 4). Jednak niewątpliwie z największym sukcesem stosuje się je jako koncentratory w komercyjnych, podłączonych do sieci elektroenergetycznej elektrowniach prototypowych.

Obecnie skala zastosowań omawianych systemów jest niewielka. Współcześnie prowadzone badania i prace rozwojowe wskazują jednak, iż koncentratory słoneczne z soczewkami Fresnela, szczególnie nieobrazującymi, spowodują przełom w komercyjnych zastosowaniach koncentracji energii słonecznej już w niedalekiej przyszłości.

Przykłady zastosowania soczewek Fresnela – w RI 6/2012

Literatura

1. Xie W.T., Dai Y.J., Wang R.Z., Sumathy K., Concentrated solar energy Applications Using Fresnel lenses: A review, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” No. 15/2011
2. http://pvlab.ioffe.ru/pdf/Paper-17.pdf.
3. http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/linear_concentrator.html.
4. http://www.novatecsolar.com/8-1-Projects.html.
5. http://www.areva.com/EN/operations-3641/compact-linear-fresnel-reflector-technology.html.
6. Adeff J.A., Hofler T.J., Design and construction of a solar powered, thermoacoustically driven, thermoacou­stic refrigerator, „Journal of the Acoustical Society of America” Vol. 107, Issue 6, 2000.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!