Solar Energy Basics
Solar Dryer Design Concepts
Wood Drying Concepts
Solar Lumber Dry Kiln Designs
Solar Energy Basics
La energía solar es una fuente de energía abundante en la mayor parte del mundo. Sin embargo, el costo de su recolección y el hecho de que se trate de una forma de energía de baja intensidad hacen que la energía solar pueda no ser adecuada para todas las aplicaciones energéticas. En el siguiente análisis se señalan algunos de los aspectos teóricos y prácticos de la recolección y el uso de la energía solar en relación con las aplicaciones en el secado de madera.
Solar Intensity
Una superficie plana y horizontal recibirá un promedio de 1000 a 1200 BTU de energía solar por día en la mayoría de los lugares dentro de una amplia banda de 45 grados de latitud a ambos lados del ecuador. En días soleados, la energía recibida será mayor que el promedio y en días nublados será menor. Asimismo, hay algunos lugares que, debido a que están frecuentemente nublados, recibirán menos que este promedio; hay algunos lugares excepcionalmente soleados que recibirán más. La mayor parte de la energía parece provenir del disco solar. Pero a medida que la energía solar pasa a través de la atmósfera, se dispersa de modo que cantidades significativas de energía provienen de otras áreas del cielo además del área alrededor del disco solar.
Collector Orientation
Una superficie recibirá la mayor cantidad de energía si apunta directamente hacia el sol (es decir, es perpendicular al sol), siguiendo al sol desde su salida hasta su puesta. Como tal, el equipo para seguir con precisión el sol (generalmente dentro de los 5 grados) es costoso. Una disposición más simple es ajustar la superficie colectora plana de modo que mire hacia el sur en el hemisferio norte (o viceversa para el sur) y esté inclinada en un ángulo de modo que al mediodía solar la superficie apunte directamente hacia el sol. Tal disposición tendría varios ajustes que van desde + a 23 grados (invierno a verano) alrededor del ángulo base. El ángulo base se mide desde la horizontal y es igual a la latitud de la ubicación del colector. Por ejemplo, un colector ubicado a 18 grados Norte estaría inclinado hacia el sur 41 grados el 21 de diciembre, 18 grados hacia el sur el 21 de marzo y el 21 de septiembre, y 5 grados hacia el norte el 21 de junio. Los días intermedios tendrían ángulos intermedios correspondientes.
Los colectores que no son móviles ni ajustables se pueden colocar, para un mejor rendimiento durante todo el año, en un ángulo (con respecto a la horizontal) igual a la latitud del colector. Se sugiere un ángulo de (latitud +10) grados (es decir, más inclinado) para un mejor rendimiento en invierno; se sugiere un ángulo de (latitud 10) grados (es decir, más plano) para un mejor rendimiento en verano.
En todos los colectores, el área de la parte superior del colector que es perpendicular al sol (es decir, el área de la sombra producida) es el área crítica. No es el área del absorbedor debajo de la parte superior del colector.
Collector Design
La parte superior de un colector normalmente estará cubierta con una o más capas de material transparente o casi transparente. Esta cubierta se llama acristalamiento. Una capa suele ser bastante eficaz, pero una segunda capa puede reducir sustancialmente las pérdidas de calor mientras que la transparencia disminuye solo ligeramente. El rendimiento del colector se puede mejorar en un 35% aproximadamente, dependiendo del diseño, cuando se utiliza una segunda capa. El beneficio de una tercera capa de acristalamiento es mucho menor; cuando se considera el costo, el beneficio suele ser antieconómico para una tercera capa de acristalamiento. Los materiales de acristalamiento típicos incluyen vidrio, láminas rígidas de paneles de poliéster reforzado con fibra de vidrio (corrugados o planos) y películas de plástico polimérico como Mylar, Tedlar, Kalwall y otros, que han sido tratados para evitar el rápido deterioro debido a la luz ultravioleta.
Debajo del acristalamiento habrá un absorbedor cuyo propósito es absorber casi toda la energía solar incidente (es decir, mínima reflexión y transmisión). Normalmente, el absorbedor es una superficie de madera o metal pintada de negro mate. Como el color es el factor principal en la absorción, no hay mucha diferencia si el material del absorbedor es madera o metal. Una vez que se absorbe la energía, debe transferirse en forma de calor al aire circundante. (En el caso de los colectores de líquido, la energía debe transferirse al líquido circulante).
El espacio entre el vidrio y el absorbedor proporciona una cámara para hacer circular el aire más allá del absorbedor y transferir este calor.
Como la superficie del absorbedor está caliente, emitirá radiación de onda larga (infrarroja). Los materiales de acristalamiento se eligen de manera que sean opacos a esta radiación, minimizando así las pérdidas de energía infrarroja a través del acristalamiento.
La superficie de un absorbedor puede superar fácilmente los 100 grados C (212 grados F) durante su uso. Cuando la circulación de aire o líquido es nula, las temperaturas pueden superar los 150 grados C. Los diseños de colectores deben incluir la posibilidad de expansión térmica de los materiales del colector y deben incluir los posibles efectos de degradación térmica (como fallas del pegamento en la madera contrachapada).
Solar Dryer Design Concepts
Basic Designs Hot Air Collectors
Una vez que la energía solar ha sido absorbida por las superficies absorbentes negras y transferida al aire, esta energía debe transferirse a la pila de madera. Al mismo tiempo, no se pueden perder cantidades excesivas de la energía absorbida de la secadora antes de realizar la tarea principal de evaporación. Para lograr estos objetivos, se hace pasar aire sobre las superficies absorbentes negras y luego se sopla a través de la pila de madera. Para ayudar en esta tarea, la madera se apila en capas, cada capa está separada por espaciadores, llamados pegatinas, que facilitan el movimiento del aire más allá de las superficies de la madera y, además, ayudan a mantener la madera plana. El flujo de aire debe ser bastante uniforme en toda la secadora para facilitar un calentamiento uniforme y un secado uniforme.
Existen tres diseños básicos de secadores de aire caliente:
invernadero, semiinvernadero y paredes opacas con un colector separado. (Los sistemas de agua caliente solar funcionarían dentro del secador de la misma manera que cualquier secador de agua caliente; es decir, el agua calentada por energía solar es igual que el agua calentada por otros medios. Por lo tanto, no es necesario analizar el diseño del secador de agua caliente en esta sección).
La energía se pierde de una secadora de cuatro maneras:
energía perdida por conducción a través de las paredes, el techo y el piso (incluidas las superficies vidriadas); energía perdida por ventilación (al extraer el aire cálido y húmedo de la secadora y hacer entrar el aire exterior más frío y seco); energía perdida (o utilizada) para suministrar el calor de la evaporación; y energía perdida por transmisión a través del vidriado, tanto de energía visible como de energía infrarroja. Por lo general, predominan las tres primeras pérdidas.
En casi cualquier clima, el diseño de la secadora debe desarrollar temperaturas lo más altas posibles. Las temperaturas más altas dan como resultado un secado más rápido debido al movimiento más rápido del agua y a las humedades relativas más bajas. Diseños de invernaderos. A greenhouse dryer typically is a frame structure with transparent or translucent glazing on the roof and 3 walls east, west, and south. The glazing is usually plastic. The collector then is an integral part of the dryer. Because the thermal insulation properties of most glazing materials are poor, the heat losses by conduction through the walls are quite high. Likewise, there typically is a considerable loss of solar energy passing through the dryer without being incident on an absorber, unless special care is taken. To reduce conduction heat losses, greenhouse dryers will often use two layers of glazing. In sunny locations where solar energy is abundant, it may not be cost effective to save solar energy through improved designs. A solid north wall with a door facilitates loading and unloading. Drying may be slower than other designs and final moisture contents may be higher because of the generally lower average temperatures in the dryer. Diseños de semi-invernaderos. The semi-greenhouse design usually has only the roof or the roof and south wall glazed; the other surfaces are opaque and insulated. This design reduces the conduction heat losses substantially, thereby resulting in higher dryer temperatures and faster drying (i.e., there is more energy available for evaporation). In addition, with this design there is very little opportunity for solar transmission losses. As before, two layers of glazing will reduce conduction losses through the collector. The semi-greenhouse dryer design is typically a wood frame structure with plywood or lumber sheathing. The collector is an integral part of the dryer. These designs will generally achieve lower final moisture contents than the greenhouse designs. Diseño de pared opaca. In this design, the lumber is placed in a solid, opaque walled and roofed chamber that is usually insulated, much like a standard lumber dry kiln. The solar collector is separate from the dryer, with hot air or hot water being ducted or piped into the kiln from the collector. The dryer can be well insulated, minimizing heat losses. This design lends itself to using supplemental heat, as collector losses at night or during cloudy weather have no effect if the connection between the dryer and collector is closed off. Final moisture contents can be extremely low with these designs.
Basic Design Considerations Almacenamiento. In all designs there is the question of storage of energy for use at night or during cloudy weather. Although storage is technically feasible, it must be remembered that the glazing area admits only a finite amount of solar energy. There are two options: 1) this energy can be used immediately when it is received, thereby making the dryer very hot at midday but with very little temperature difference in the nighttime; or, 2) the energy can be stored and used throughout a 24-hour period, thereby keeping temperatures more uniform. From a wood technology standpoint, too much heat and too rapid drying can be detrimental for some species such as oak (Quercus spp.), but will not harm others such as pine (Pinus spp.) or poplar (Populus spp.) Most solar dryers are designed to provide as rapid drying as possible for the species being dried and with no energy storage capabilities.
Si el almacenamiento fuera beneficioso, probablemente habría que aumentar el tamaño del colector para suministrar energía adicional que no se podría utilizar inmediatamente. Si no se aumentara el tamaño del colector, la entrada solar por día y, por lo tanto, la entrada de energía a la madera por día serían las mismas con y sin almacenamiento, por lo que el almacenamiento no sería beneficioso en este caso. Asimismo, sin almacenamiento, las temperaturas de secado tenderían a ser más altas, acompañadas de humedades más bajas; esto significa un secado más rápido. De hecho, sin almacenamiento, los ventiladores de circulación solo tendrían que funcionar durante las horas del día, lo que ahorraría en el uso de electricidad. Circulación. Air is circulated in the dryers to facilitate heat transfer from the absorber and to assure uniform drying. A typical air velocity through the lumber pile is 150 feet per minute. When this value is multiplied by the total sticker space openings, the result is the average cubic volume of air required. For example, with 16-foot long lumber stacked in 20 layers with -inch (=3/48-foot) high stickers, the air flow is (16 x 20 x 3/48 x 150) 3000 cfm (cubic feet per minute). The fans are usually located in the hottest part of the collector to provide the best heat transfer; the risk of such a location is, however, that if the fans are shut-off on a sunny day, the excessive temperatures in the collector could cause damage to the fans. Due to the poor drying rates at higher humidities (and therefore potential inefficient use of electricity), fans would be run only when humidities are low. Low humidities would be typical during daylight hours; high humidities at night. Ventilación. The drying rate in the dryer can be controlled directly by varying the relative humidity in the dryer. Low humidities result in faster drying and lower final moisture contents than high humidities. Humidity is controlled by venting that is, controlled by exhausting some of the heated, moist air from inside the solar dryer and simultaneously bringing in cooler air from outside. When the cooler outside air is subsequently heated, its relative humidity is lowered, thereby assisting drying.
Al mismo tiempo que se expulsa el aire húmedo, también se produce una pérdida de energía (es decir, el aire de salida es más caliente que el aire entrante). Esta pérdida de energía y el beneficio de la ventilación deben considerarse en conjunto. Una ventilación excesiva será un desperdicio y dará como resultado temperaturas de secado bajas y, por lo tanto, un secado lento. Por otro lado, una ventilación inadecuada puede dar como resultado humedades muy altas, lo que también dará como resultado un secado lento. En general, entonces, la ventilación debería ser suficiente para reducir las humedades internas, pero no para reducir sustancialmente las temperaturas internas. En muchos diseños de secadoras, las ventilaciones son varias veces más grandes de lo necesario y, por lo tanto, nunca se abrirían por completo.
En la práctica, con madera húmeda propensa a agrietarse y agrietarse, las aberturas se mantienen casi completamente cerradas durante los primeros días para mantener la humedad alta y evitar que el secado avance demasiado rápido. A medida que la madera se seca o en el caso de especies que no son propensas a agrietarse, las aberturas se abren ligeramente para lograr velocidades de secado moderadas. En el caso de madera casi seca, las aberturas se vuelven a cerrar casi por completo para maximizar el calentamiento y desarrollar humedades relativas bajas necesarias para lograr contenidos de humedad finales bajos. Materiales de acristalamiento. There are many commercial materials sold for glazing. Glass is one of the best materials from an energy efficiency standpoint, but severe weather (e.g., hail) or vandalism may make glass impractical. Plastic films with ultraviolet absorbers or stabilizers area easy to install, have a moderate cost, and can last for several years before turning cloudy or brittle. Translucent fiberglass reinforced polyester panels are often the lowest cost and most durable materials available. (One solar kiln near Va. Tech has used the same corrugated panels for 16 years!) The fiberglass panels do not transmit as much solar energy into the dryer as the films or as glass, but taking a few days longer to dry or making the collector a little larger may be a small price to pay for the increased service life and lower material cost. Using fiberglass glazing outside with a plastic film glazing inside as a second layer of glazing can provide good performance (that is, low heat loss and high solar gain) at a lost cost.
Si se utiliza almacenamiento, las pérdidas a través del colector durante la noche, a menos que el colector esté cubierto, podrían superar fácilmente la ganancia solar durante el día. En Virginia, esta pérdida neta por funcionamiento las 24 horas del día existe durante los cuatro meses fríos del invierno; en lugares tropicales, la pérdida neta puede no existir nunca. Paredes Aisladas. Heat is lost from the dryer by conduction through the walls and floor. Limiting these heat losses, even in warm climates, will result in better performance of a solar dryer, with more energy available for the main task of evaporation. In general the solar gain achieved from transparent walls is not large enough to offset the heat losses through these walls. Therefore, in most cases the walls should be insulated to reduce heat losses. The dryer construction should be tight enough on the inside so as to prevent the insulation from getting wet. A plastic sheet on the inside of the walls or coating the inside of the dryer with a vapor resistant coating such as aluminum paint is recommended. The use of preservative treated wood for the walls and floor would be a good practice to avoid insect and decay damage.
Collector Size
Como se explica a continuación, la cantidad de energía que recibe el secador controla la cantidad de agua que se puede evaporar. Por lo tanto, para controlar las tasas de secado y evitar defectos de secado, se puede especificar el tamaño del colector. Considere los siguientes ejemplos.
Para las maderas propensas a agrietarse y partirse, una tasa de secado segura típica podría ser una pérdida de contenido de humedad (CM) del 3,5 % por día. Esto equivale a una pérdida por evaporación de 100 libras de agua por día por cada 1000 pies tablares de madera. La energía necesaria para esta evaporación es (1000 Btu s por libra x 100 libras =) 100 000 Btu s. Dado que la entrada solar promedio es de 1000 Btu s por pie cuadrado de colector, el tamaño de colector necesario es de 100 pies cuadrados por cada 1000 pies tablares de madera. Para las especies que se pueden secar más rápido, la relación colector-pie tablar se puede aumentar de manera segura, mientras que para las especies más propensas a degradarse (o piezas más gruesas de especies moderadamente propensas a degradarse) la relación puede ser menor. La relación requerida para una especie (como se calculó anteriormente) no se debe exceder en el diseño debido al riesgo de pérdida de calidad en el secado. Sin embargo, se pueden utilizar proporciones más pequeñas con el único inconveniente de que los tiempos de secado serán más largos.
Supplemental Heat
Si se va a utilizar calor adicional, como un deshumidificador o una estufa de leña, se debe considerar cuidadosamente la conveniencia de incluir energía solar debido a las altas pérdidas de calor que probablemente existan en el colector. El calor adicional probablemente creará tensiones de secado (endurecimiento superficial) que serán lo suficientemente grandes al final del secado como para requerir un tratamiento de alivio de tensiones con vapor o rociado con agua.
