Solar Energy Basics
Solar Dryer Design Concepts
Wood Drying Concepts
Solar Lumber Dry Kiln Designs
Solar Energy Basics
L'énergie solaire est une source d'énergie abondante dans la plupart des régions du monde. Mais le coût de sa captation et le fait qu'il s'agisse d'une forme d'énergie de faible intensité signifient que l'énergie solaire n'est peut-être pas adaptée à toutes les applications consommatrices d'énergie. La discussion suivante met en évidence quelques-uns des aspects théoriques et pratiques de la captation et de l'utilisation de l'énergie solaire en relation avec les applications de séchage du bois.
Solar Intensity
Une surface plane et horizontale recevra en moyenne 1 000 à 1 200 BTU d'énergie solaire par jour dans la plupart des endroits situés dans une large bande de 45 degrés de latitude de chaque côté de l'équateur. Les jours ensoleillés, l'énergie reçue sera supérieure à la moyenne et les jours nuageux, elle sera inférieure. De même, certains endroits, en raison de leur couverture nuageuse fréquente, recevront moins que cette moyenne ; d'autres, exceptionnellement ensoleillés, en recevront davantage. La majeure partie de l'énergie semble provenir du disque solaire. Mais lorsque l'énergie solaire traverse l'atmosphère, elle se disperse de sorte que des quantités importantes d'énergie proviennent d'autres zones du ciel en plus de la zone autour du disque solaire.
Collector Orientation
Une surface recevra plus d'énergie si elle est orientée directement vers le soleil (c'est-à -dire perpendiculaire au soleil), en suivant le soleil de son lever à son coucher. En tant que tel, l'équipement pour suivre le soleil avec précision (généralement à 5 degrés près) est coûteux. Un arrangement plus simple consiste à ajuster la surface collectrice plate de sorte qu'elle soit orientée plein sud dans l'hémisphère nord (ou vice versa pour l'hémisphère sud) et qu'elle soit inclinée à un angle tel qu'à midi solaire, la surface soit orientée directement vers le soleil. Un tel arrangement aurait plusieurs ajustements allant de + à 23 degrés (de l'hiver à l'été) autour de l'angle de base. L'angle de base est mesuré à partir de l'horizontale et est égal à la latitude de l'emplacement du capteur. Par exemple, un capteur situé à 18 degrés Nord serait incliné vers le sud de 41 degrés le 21 décembre, de 18 degrés vers le sud les 21 mars et 21 septembre et de 5 degrés vers le nord le 21 juin. Les jours intermédiaires auraient des angles intermédiaires correspondants.
Les capteurs qui ne sont pas mobiles ou réglables peuvent être réglés, pour une performance optimale tout au long de l'année, à un angle (par rapport à l'horizontale) égal à la latitude du capteur. Un angle de (latitude +10) degrés (c'est-à -dire plus raide) est suggéré pour une meilleure performance hivernale ; un angle de (latitude 10) degrés (c'est-à -dire plus plat) est suggéré pour une meilleure performance estivale.
Dans tous les capteurs, la zone critique est la zone du haut du capteur qui est perpendiculaire au soleil (c'est-à -dire la zone de l'ombre produite). Il ne s'agit pas de la zone de l'absorbeur située sous le haut du capteur.
Collector Design
Le dessus d'un capteur est généralement recouvert d'une ou plusieurs couches de matériau clair ou presque transparent. Cette couche est appelée vitrage. Une couche est généralement assez efficace, mais une deuxième couche peut réduire considérablement les pertes de chaleur tout en diminuant légèrement la transparence. Les performances du capteur peuvent être améliorées d'environ 35 %, selon la conception, lorsqu'une deuxième couche est utilisée. L'avantage d'une troisième couche de vitrage est bien moindre ; si l'on considère le coût, l'avantage n'est généralement pas rentable pour une troisième couche de vitrage. Les matériaux de vitrage typiques comprennent le verre, les feuilles rigides de panneaux en polyester renforcé de fibre de verre (ondulés ou plats) et les films plastiques polymères tels que Mylar, Tedlar, Kalwall et autres, qui ont été traités de manière à éviter une détérioration rapide due aux rayons ultraviolets.
Sous le vitrage se trouve un absorbeur dont le but est d'absorber la quasi-totalité de l'énergie solaire incidente (c'est-à -dire une réflexion et une transmission minimales). En général, l'absorbeur est une surface en bois ou en métal peinte en noir mat. Comme la couleur est le facteur principal de l'absorption, le fait que le matériau de l'absorbeur soit en bois ou en métal n'a que peu d'importance. Une fois l'énergie absorbée, elle doit être transférée sous forme de chaleur à l'air ambiant. (Pour les capteurs liquides, l'énergie doit être transférée au liquide en circulation.)
L'espace entre le vitrage et l'absorbeur fournit une chambre pour faire circuler l'air au-delà de l'absorbeur et transférer cette chaleur.
La surface de l'absorbeur étant chaude, elle émet un rayonnement infrarouge à ondes longues. Les matériaux de vitrage sont choisis de manière à être opaques à ce rayonnement, minimisant ainsi les pertes d'énergie infrarouge à travers le vitrage.
La surface d'un absorbeur peut facilement dépasser 100 degrés C (212 degrés F) en cours d'utilisation. Lorsque la circulation d'air ou de liquide est nulle, les températures peuvent dépasser 150 degrés C. La conception des capteurs doit tenir compte de la possibilité d'une dilatation thermique des matériaux du capteur et des éventuels effets de dégradation thermique (comme la rupture de la colle dans le contreplaqué).
Solar Dryer Design Concepts
Basic Designs – Hot Air Collectors
Une fois que l'énergie solaire a été absorbée par les surfaces absorbantes noires et transférée à l'air, cette énergie doit être transférée à la pile de bois. En même temps, les quantités excessives d'énergie absorbée ne peuvent pas être perdues par le séchoir avant d'avoir accompli la tâche principale d'évaporation. Pour atteindre ces objectifs, de l'air passe sur les surfaces absorbantes noires, puis est soufflé à travers la pile de bois. Pour faciliter cette tâche, le bois est empilé en couches, chaque couche étant séparée par des entretoises, appelées autocollants, qui facilitent le mouvement de l'air sur les surfaces du bois et aident en outre à maintenir le bois à plat. Le flux d'air doit être assez uniforme dans tout le séchoir pour faciliter un chauffage et un séchage uniformes.
Il existe trois conceptions de séchoirs à air chaud de base :
serre, semi-serre et murs opaques avec un capteur séparé. (Les systèmes solaires à eau chaude fonctionneraient à l'intérieur du séchoir de la même manière que n'importe quel séchoir à eau chaude ; c'est-à -dire que l'eau chauffée par le soleil est la même que l'eau chauffée par d'autres moyens. Par conséquent, la conception du séchoir à eau chaude n'a pas besoin d'être abordée dans cette section.)
L'énergie d'un séchoir se perd de quatre manières :
l'énergie perdue par conduction à travers les murs, le toit et le sol (y compris les surfaces vitrées) ; l'énergie perdue par la ventilation (évacuation de l'air chaud et humide du séchoir et apport d'air extérieur plus frais et plus sec) ; l'énergie perdue (ou utilisée) pour fournir la chaleur d'évaporation ; et l'énergie perdue par transmission à travers le vitrage, énergie visible et infrarouge. En général, les trois premières pertes prédominent.
Dans presque tous les climats, la conception du s̩choir doit d̩velopper des temp̩ratures aussi ̩lev̩es que possible. Des temp̩ratures plus ̩lev̩es entrąnent un s̩chage plus rapide en raison d'un mouvement d'eau plus rapide et d'une humidit̩ relative plus faible. Conceptions de serres. A greenhouse dryer typically is a frame structure with transparent or translucent glazing on the roof and 3 walls Рeast, 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. Conceptions de semi-serres. 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. Conception de mur opaque. 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 Stockage. 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 le stockage devait être bénéfique, il faudrait probablement augmenter la taille du capteur afin de fournir l'énergie supplémentaire qui ne serait pas ou ne pourrait pas être utilisée immédiatement. Si la taille du capteur n'était pas augmentée, alors l'apport solaire par jour, et donc l'apport énergétique quotidien au bois, seraient les mêmes avec et sans stockage et donc le stockage ne présenterait aucun avantage dans ce cas. De même, sans stockage, les températures du séchoir auraient tendance à être plus élevées, accompagnées d'humidités plus faibles ; cela signifie un séchage plus rapide. En fait, sans stockage, les ventilateurs de circulation ne devraient fonctionner que pendant les heures de clarté, ce qui permettrait d'économiser sur la consommation d'électricité. Circulation. 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 ¾-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. Ventilation. 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.
En même temps que l'air humide est évacué, il y a aussi une perte d'énergie (c'est-à -dire que l'air évacué est plus chaud que l'air entrant). Cette perte d'énergie et l'avantage de la ventilation doivent être pris en compte ensemble. Une ventilation excessive sera un gaspillage et entraînera des températures de séchage basses et donc un séchage lent. D'un autre côté, une ventilation inadéquate peut entraîner des taux d'humidité très élevés qui entraîneront également un séchage lent. En général, la ventilation devrait donc être suffisante pour réduire l'humidité intérieure, mais pas pour réduire sensiblement les températures intérieures. Pour de nombreux modèles de sécheurs, les évents sont plusieurs fois plus grands que nécessaire et ne seront donc jamais complètement ouverts.
En pratique, dans le cas de bois humide, sujet aux fissures et aux gerces, les évents sont maintenus presque entièrement fermés pendant les premiers jours afin de maintenir un taux d'humidité élevé et d'empêcher le séchage trop rapide. Au fur et à mesure que le bois sèche ou pour les essences non sujettes aux fissures, les évents sont légèrement ouverts pour obtenir des taux de séchage modérés. Pour le bois presque sec, les évents sont à nouveau fermés en grande partie afin de maximiser le chauffage et de développer de faibles humidités relatives nécessaires pour obtenir de faibles teneurs en humidité finale. Matériaux de vitrage. 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 l'on utilise un système de stockage, les pertes par le capteur pendant la nuit, à moins que le capteur ne soit couvert, pourraient facilement dépasser le gain solaire pendant la journée. En Virginie, cette perte nette due au fonctionnement 24 heures sur 24 existe pendant les quatre mois froids de l'hiver ; dans les régions tropicales, cette perte nette peut ne jamais exister. Murs isolés. 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
Comme indiqué ci-dessous, la quantité d'énergie reçue par le sécheur contrôle la quantité d'eau qui peut être évaporée. Par conséquent, pour contrôler les taux de séchage et éviter les défauts de séchage, la taille du collecteur peut être spécifiée. Considérez les exemples suivants.
Pour les bois qui ont tendance à se fissurer et à se fendre, un taux de séchage sécuritaire typique pourrait être une perte de teneur en humidité (MC) de 3,5 % par jour. Cela équivaut à une perte par évaporation de 100 livres d'eau par jour pour 1 000 pieds-planche de bois. L'énergie requise pour cette évaporation est de (1 000 Btu·s par livre x 100 livres =) 100 000 Btu·s. Étant donné que l'apport solaire moyen est de 1 000 Btu·s par pied carré de capteur, la taille du capteur requise est de 100 pieds carrés par 1 000 pieds-planche de bois. Pour les essences qui peuvent être séchées plus rapidement, le rapport capteur/pied-planche peut être augmenté en toute sécurité, tandis que pour les essences plus sujettes à la dégradation (ou les pièces plus épaisses d'essences modérément sujettes à la dégradation), le rapport peut être plus petit. Le rapport requis pour une essence (tel que calculé ci-dessus) ne doit pas être dépassé dans la conception en raison du risque de perte de qualité lors du séchage. Cependant, des ratios plus petits peuvent être utilisés, la seule pénalité étant des temps de séchage plus longs.
Supplemental Heat
Si un chauffage d'appoint est utilisé, comme un déshumidificateur ou un poêle à bois, il convient d'évaluer soigneusement l'intérêt d'inclure l'énergie solaire en raison des pertes de chaleur importantes susceptibles d'exister dans le capteur. Une chaleur supplémentaire supplémentaire créera probablement des contraintes de séchage (cémentation) qui seront suffisamment importantes à la fin du séchage pour nécessiter un traitement de détente à la vapeur ou à l'eau pulvérisée.
