Tecnología Química

ISSN: 0041-8420

revista.tec.quimica@fiq.uo.edu.cu

Universidad de Oriente

Cuba

Bergues Ricardo, Ciro César; Griñan Villafañe, Pedro; Martínez Reyes, Arnaldo

ALGUNOS ASPECTOS DE LOS CAMBIOS TECNOLÓGICOS EN SECADORES

SOLARES CUBANOS: REALIDADES Y TENDENCIAS

Tecnología Química, vol. XXVIII, núm. 2, mayo-agosto, 2008, pp. 35-45

Universidad de Oriente

Santiago de Cuba, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=445543756005

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TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXVIII, No. 2, 2008 35

ALGUNOS ASPECTOS DE LOS CAMBIOS TECNOLÓGICOSEN SECADORES SOLARES CUBANOS: REALIDADES Y

TENDENCIASCiro César Bergues Ricardo, Pedro Griñan Villafañe, Arnaldo Martínez Reyes

Se evalúan y comparan los cambios tecnológicos representados como vectores en el sistema desecadores solares de Santiago de Cuba. Se describen los cambios que deben realizarse en el futuroinmediato por medio de sus componentes energético, medioambiental, económico y funcional.Como resultado de estos cambios, se dan variantes de secadores solares baratos y su descripcióntécnica. El secado solar, de gran valor económico, debe ser desarrollado mediante proyectosmultisectoriales y nacionales.Palabras clave: secado solar, cambios tecnológicos, cubiertas de polietileno.

Technological canges representd as vectors at a solar drying system of Santiago de Cuba areevaluated and compared. The changes for the near future are described by means of their energetic,environmental, economic and functional components. As a result of those changes are given somesolar cheap dryers types and their technical description. Solar drying, of a great economical value,should be developed by means of multisectorial and national projects.Key words: solar drying, technological changes, poliethylenum dryers.

_____________________

Introducción

Dado el carácter estratégico del secadosolar en nuestro país, que responde a necesida-des productivas bien definidas, y cuyos princi-pales problemas distan, por su complejidad, deestar resueltos, es necesidad permanente delas entidades que lo realizan el adecuado estu-dio integral de las opciones tecnológicas pre-sentes en el mismo, a fin de realizar los cam-bios tecnológicos apropiados que permitanmayores ventajas para nuestro país.

Dado su significado medioambiental, energéti-co y social positivo como fuente de ahorro deenergía, disminución de emisiones contaminantesy conservación de productos varios, se imponevisualizarlo como un sistema integral para lograrun enfoque correcto de su aplicación y desarrollo.El presente estudio tiene por objeto, sobre la basede algunas experiencias locales realizadas enSantiago de Cuba /4 a 16/, mostrar algunas de lasdirecciones y tendencias que, a nuestro juicio,deben seguirse para incrementar los resultadosen esta rama, por demás joven y poco conocida enel país.

Tendencias generales y su representación

Las tendencias en secado solar en nuestropaís, han sido en las últimas dos décadas lautilización de materiales locales en la construc-ción de secadores y la simplificación de los dise-ños, disminuyendo el costo unitario de los mismosdesde unos 200 hasta prácticamente 1 a 2 USD/m2. Las eficiencias térmicas han disminuido des-de valores de un 50 % hasta valores cercanos al2 % en algunos prototipos de cubierta de polietileno.Es notable observar que los índices económicosasociados a la explotación de estos equipos sonaltos, como muestran algunos diagramas del VANen las figuras 4 y 5, aunque las eficiencias térmi-cas no sean altas e incida como factor de dificul-tad, en principio, la poca densidad energética dela radiación solar que en Cuba, como promedioanual es de 5 kWh/m2.d.

La drástica reducción de costos registrada esposible con la utilización en la construcción de laestructura del secador de desechos industrialescomo estructura de goma y el uso de cubiertas depolietileno transparente o negro.

A continuación se enumeran los doce secado-res solares realizados en el período señalado en el

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territorio de Santiago de Cuba con carácter expe-rimental. Se incluyen sus eficiencias térmicas pro-medio anuales (%) y sus costos unitarios (USD/m2)reducidos a valores del 2005. Éstos son:

1 y 2 Prototipos de secador solar de madera de3 y 36 metros cuadrados. Eficiencia térmica:30 al 50 %.Costo unitario:200 USD/m2

3. Secador solar doméstico con materiales de laconstrucción y una cubierta de vidrio parafrutas y vegetales de 3 m2. Eficiencia térmica:25 al 30 %.Costo unitario: 30 USD/m2.

4. Sauna solar cubana Eficiencia térmica (segúnel régimen de extracción): 30 a 50 % .Costounitario: 200 a 300 USD/m2.

5. Secador solar de granos cubierta metálica sobreplataforma. Eficiencia térmica 1 a 2 %.Costounitario: 25 USD/m2.

6. Secador solar de granos con cubierta depolietileno transparente sobre plataforma. Efi-ciencia térmica de trabajo 5 al 13. Costounitario: 15 USD/m2.

7. Secador solar de granos con cubierta depolietileno negro sobre plataforma. Eficienciatérmica 2 %. Costo unitario: 5 USD/m2 (15incluyendo plataforma).

8. Secador solar de plantas medicinales tipo navecon cubierta de polietileno transparente y 20 m2

de área. Cubierta de polietileno Durasol Eficien-cia térmica. Del 1 al 3 %. Costo: 8 a 15 USD/m2

(18 a 25 incluyendo plataforma).

9. Prototipo de secador solar tipo Thriller paragranos con cubierta de polietileno negro simplea 100 mm de la plataforma de secado. Eficien-

cia térmica: Del 1 al 3 %. Costo unitario: 8 a 15USD/m2.

10.Secador solar “Plasol”, análogo al secador 3,pero con cubierta de polietileno. Eficienciatérmica de trabajo: Del al 8 al 15 % utilizandopolietileno “Durasol” (Limitador de la radia-ción solar), o polietileno “LDT” (Utilizandoeste último es mayor). Costo unitario: 15 a 25USD/m2

11.Secador solar de goma para plantas medicinalescon cubierta de polietileno negro. Eficiencia tér-mica 2-5 % .Costo unitario:1 a 2 USD/m2.

12.Secador solar de goma para plantas medicinalesy la agricultura urbana con cubierta de polietilenotransparente. Eficiencia térmica de trabajo: 5-13 %. Costo unitario: 1 a 2 USD/m2.

La descripción técnica detallada de los mis-mos aparece en la literatura /4 al 13 /. En general,1 a 4 son estructuras prismáticas con cubierta devidrio, y en mayor o menor grado incluyen pare-des hechas con materiales de la construcción.Bajo la cubierta hay una placa negra metálicacaptadora. Trabajan con convección forzada onatural del aire. Se utilizan para el secado solarmultipropósito, y especialmente para el secadosolar de madera. En particular, en la sauna solarcubana se efectúa la deshidratación de personasdurante la realización de baños de sauna.

Cálculo de la eficiencia de los secadoressolares

Se realiza mediante la ecuación de balancetérmico global, muy utilizada en ingeniería termoenergética y mecánica para proyección y evalua-ción de sistemas termoconvertivos solares.

qWT = H (τ α) A - UAρ ( Tρ - Ta) - Mρ (Tρ - Ta) - mf Cpf ( Tf - Ta) (1)

WT: cantidad de agua evaporada por el equipo;q : consumo específico de calor pa

ra el secado KJ/kg de humedad;H: radiación solar incidente, kJ/m2;τα: producto transmisividad- absorbencia efec

tivo;U: coeficiente global de pérdidas.

Tρ, Ta: temperatura del piso y ambiente respec tivamente, K;

Mρ: masa del pisoCΡ: calor específico del piso.

En general, WT se evalúa hallando el contenidode humedad de muestras durante el proceso paraun producto concreto y secador específico y se

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despeja q. El producto q WT que llamaremos Qu

es la energía empleada para el secado como tal,por tanto la eficiencia térmica se halla por laecuación (2).

η = ∑ Qu/(Ac x ∑ Ht) (2)

Aquí la sumatoria se refiere a los valoreshorarios, que en general se hallan durante las 8h de radiación solar. En los proyectos de seca-dores realizados se calcula y se mide detalla-damente en la práctica la eficiencia, teniendoen cuenta los factores de la cinemática solar, lageometría del secador y su influencia complejasobre el producto τα.

Para su uso en el balance térmico se calculaademás, el coeficiente global de pérdidas.

Cálculo del coeficiente global de pérdidas (U)

U = UT+ UL + Uf (3)

donde:UT: coeficiente de pérdidas por cubierta, W/m2 K;UL: coeficiente de pérdidas por laterales, W/m2 K;Uf: coeficiente de pérdidas por fondo, W/m2 K.

En este trabajo se han dado valores de eficien-cia promedio calculados para situaciones concre-tas a lo largo del ano de evaluaciones prolongadas,tanto en los trabajos del autor /4, al 13 / como enevaluaciones generales de otros autores /17/.

Cálculo de las emisiones de Co2

ECO2 = [∑ (CECi x Gi)]/ S (4)

donde:ECO2: valor de las emisiones por concepto de

materiales (kg. CO2/m2);CECi: cantidad de CO2 emitida por la fabricación

de 1 kg del i ésimo producto o emisiones especificas de CO2 para producir 1 kg de producto componente (kg CO2/kg de pro ducto) de un secador;

Gi: peso en Kg. de cada producto componente de un secador;

I: numero de productos componentes del seca dor;

S: superficie del secador.

Los datos del CIE o costo de inversión energéticay del CEC son tomados de una fuente autorizada:Fuente: Curso de Postgrado “Fuentes Renovablesde Energía”. Vázquez L. et al. CIES,1995. Tomadode Análisis energético y evaluación de la emisiónpara un sistema energético de hidrógeno solar parael sistema de transportación del Japón. (Sobre labase de 10,26MJ/kWh.).

Los secadores 5 a 7 son secadores de cubierta,situados sobre la plataforma de secado tradicional,compuestos de una estructura hexagonal y achatadade cabillas provista de ruedas y cubierta por diver-sos materiales, como polietileno, destinada al secadode granos y semillas y al secado multipropósito.Trabajan con convección natural del aire. Éstepenetra por las paredes parcialmente abiertas y esevacuado por una chimenea central.

Los secadores 8 al 10 son estructuras prismá-ticas, más o menos achatadas con paredes demateriales de la construcción. Están compuestospor materiales locales, como armazón de maderarolliza, con techo y a veces también las paredesdotadas de cubierta de polietileno. Destinados al

Fig. 1: Fotos de un secador solar desemillas y granos con cubierta de

polietileno de 3 m2 y del “Saunasol”,sauna solar cubana. Ambos son

novedosos y la sauna ha sido aplicadaen el sector turístico y con fines

médicos.

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secado multipropósito de productos varios, yespecíficamente, utilizados en el secado solar deplantas medicinales y condimentos; utilizan

convección natural. La circulación es por lasparedes, aprovechando la diferencia de alturaentre orificios de entrada y salida de aire.

Fig. 2 Costo unitario térmica de prototipos de secadores solares cubanos.

Fig. 3 Costos unitarios y eficiencias térmicas de secadores solares. Diagramacronológico, incluyendo sauna solar.

Los secadores 11 y 12 consisten en estructu-ras de goma con cubiertas de polietileno yconvección natural. La utilización de gomas dedesecho en su estructura y materiales locales loshace extremadamente baratos, además de prác-ticamente inocuos y ventajosos desde el punto devista medioambiental.

En la figura 4 se observa que los cambios tecno-lógicos entre secadores han sido representados porsaetas o vectores, que muestran las diferentes eta-pas del desarrollo secuencial del sistema con arregloa las variables eficiencia y costo.

La ventaja de este tipo de representación esque puede visualizarse la dirección e intensi-dad de los cambios tecnológicos con arreglo adiferentes variables que intervienen en el mis-mo, apreciándose y cuantificándose las ten-

dencias dinámicas de los mismos de un modonuevo, por medio de un algoritmo de trabajonovedoso que incluye la evaluación y compara-ción de los cambios por medio de coeficientesnuméricos adimensionales. Todo ello está in-tegrado en una metodología cubana de análisisde cambios cualitativos en general y tecnológi-cos en particular /13/ que existe desde 1995 yes aplicable a secadores solares u otros siste-mas técnicos de diversos tipos.

En el estudio realizado en el Centro de Eficien-cia Energética de Santiago de Cuba /13,16/ seordenaron los cambios tecnológicos vistos comovectores, que parten de un secador y llegan a otrosegún la secuencia de la figura 1 del sistema desecadores solares mencionado.

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Fig. 5: Cuadrantes del diagrama eficiencia-costo y direcciones preferenciales del desarrollo del sistema de secadores en estudio.

Fig. 4 Representación de los cambiosestudiados en el diagrama eficiencia-costo.

Este ordenamiento se hizo en niveles cualita-tivos, atendiendo a su dirección, posición en el diagra-ma eficiencia-costo, al balance entre sus componen-tes positivas y negativas, y al resultado que originano con que se asocia cada uno. Es evidente, que loscambios dirigidos hacia o situados en el cuadrante Ide la figura 5, tendrán prioridad desde el punto devista de la dirección y posición. El sistema de seca-

dores ha ido evolucionando desde el cuadrante III(soluciones técnicas de alto costo y alta eficiencia)hasta el II (bajos costos y eficiencias, con utilizaciónde materiales locales) como corresponde a las ten-dencias de los países en desarrollo. Aun el grado depenetración del sistema en el cuadrante I es insufi-ciente, existiendo sólo proyectos al respecto. Obvia-mente debe evitarse el trabajo en el cuadrante 4.

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Los cambios en los niveles 1 al 3 se consideranimitables parcialmente o paradigmas en ese ordende prioridad.

El ordenamiento de los cambios tecnológi-cos se aprecia en la tabla 1, en la que aparecenlos cambios que deben ser consideradosparadigmas en este mismo orden, y en depen-dencia de la frecuencia de repetición en cadanivel. Los cambios están ordenados en relación

con su posición y sentido en el diagrama efi-ciencia-costo de las figuras 4 y 5, así como conrespecto al resultado que originan (usualmentesecadores vendidos o introducidos) y al balan-ce del número de sus componentes positivas onegativas (una componente, por ejemplo, en lavariable eficiencia es positiva si ésta aumentaen el cambio, y es negativa si disminuye. En elcaso del costo, la situación es inversa).

Tabla 1Ordenamiento de cambios tecnológicos

De estos cambios tecnológicos paradigmas, sehizo un estudio de la frecuencia de aparición delas diferentes componentes de los mismos, quellamamos también componentes de las innovacio-nes, los que tienen mayor frecuencia de ocurren-cia en los primeros niveles deberán aparecertambién en los cambios futuros.

Los secadores solares expuestos pueden seroperacionales a eficiencias muy bajas (menores queun 5 %), aunque la eficiencia de los secadores muybaratos como los secadores 11 y 12 puedeincrementarse hasta valores reales superiores a un15 % como lo muestra el sentido del vector 11-12.

Ésta debe ser precisamente la dirección porseguir, si se parte de secadores como el 11,optimizando los diseños con la utilización de ma-teriales locales y cubiertas de polietileno, y aislan-do los secadores de goma con fibras vegetales uotros productos naturales. El vector 12-13, como

cambio futuro propuesto, tiene las siguientes com-ponentes:

Energética: Incremento de la eficiencia tér-mica de operación desde el 15 a valores cerca-nos al 20 %, utilizando convección natural ohasta el 50 %, utilizando convección forzada yevacuación controlada de aire. (Esto últimodebe excluirse como regla en este tipo desecadores, ya que contradice su concepto dediseño, a menos que se trate de aplicacionesespeciales, de secado de productos cuyo altovalor añadido justifique el control).

Económica: Mantenimiento del costo unitariodel secador a un nivel de 2 USD/m2 o su ligeroaumento hasta 8 a 10 USD/m2, por utilización demateriales locales y de desecho en la estructura ycubierta de polietileno.

Medioambiental: Mantenimiento del bajo im-pacto ambiental por concepto de minimización de

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emisiones equivalentes por concepto de la cons-trucción del secador.

Funcional: Mantenimiento de la facilidad deconstrucción, de la humanización del trabajo de lainstalación del secador, facilidad y poca comple-jidad del mantenimiento, con aumento de la cali-dad y cantidad del producto seco con respecto alsecador de goma.

Si observamos detenidamente la figura 4,veremos que los secadores del tipo 1 y 2resultan relativamente costosos y altamenteeficientes dentro del sistema con cubierta devidrio y estructura de acero, y eficiencias tér-micas medias de trabajo de un 50 %. A partirde ellos el desarrollo tecnológico pudiera se-guirse por un vector cambio lo más paraleloposible al eje de los costos, que se extenderíahasta un costo aproximado de unos 8 a 10USD/m2 o incluso menor, lo cual implicaráconjuntamente con el uso de materiales másbaratos, perfeccionar el diseño térmico mini-mizando pérdidas por pared y cubierta en lasnaves de 36 m2 o más.

En la práctica, un cambio de materiales haciacubierta de polietileno LDT (Larga duración tér-mica), que en óptimas condiciones reproducebastante bien la transmisividad espectral del vi-drio, representaría en estas estructuras un creci-miento de la eficiencia hasta valores equiparablesa los registrados con el uso de vidrio, y un mante-nimiento o mejoría de los índices económicos deoperación en relación con el secador de vidrio.Esto ha sido demostrado en países como Para-guay, Argentina y Brasil, donde en forma satis-factoria y en diversidad de climas y aplicacionesfuncionan diversos tipos de secadores solares concubiertas de polietileno a eficiencias reales desdeun 25 a un 60 %.

Esta tendencia a la fabricación de naves gran-des y baratas de secado con cubierta de polietileno,sin duda favorable para la agricultura, no haexistido hasta ahora en Cuba, con la modestaexcepción del prototipo 8, que tuvo éxito en elsecado de plantas medicinales en la UBE “LaRepública” de Santiago de Cuba. Esta omisióndebe rectificarse con la introducción gradual deesta tecnología, lo que representaría cambios

futuros como el representado por el vector 1-13,con las siguientes componentes:

Energética: Mantenimiento de la eficiencia tér-mica de operación en valores cercanos al 50 %.

Económica: Disminución del costo unitario delsecador desde 150 -200 USD/m2 hasta 8 a 10USD/m2, por utilización de cubierta de polietileno(0,60 USD/m2 en comparación con el vidrio, 16USD/m2); y materiales locales.

Medioambiental: Disminución del impactoambiental por la minimización de emisionesequivalentes por concepto de la construccióndel secador.

Funcional: Aumento de la facilidad de cons-trucción, humanización del trabajo de la instala-ción del secador, mayor facilidad y menor com-plejidad del mantenimiento, con mantenimiento dela calidad y cantidad del producto seco con res-pecto al secador de vidrio. En esencia, a partir delsistema actual se pueden seguir dos tipos deconducta:

Tipo 1: Dirigida, partiendo de los prototipos 11y 12 al aumento de la eficiencia y el mantenimien-to de costos bajos, siguiendo trayectorias equiva-lentes, pero más largas que la del cambio 11-12.

Tipo 2: Dirigida, partiendo de los prototipos 1 y2 al decrecimiento de los costos y manteniendo enlo posible las eficiencias térmicas de los prototi-pos originarios del cambio (la misma no deberádisminuir hasta más allá de un 40 %). El vector osaeta representativa de la misma, tendrá unatrayectoria casi paralela al eje de los costos, yhasta cerca de 10 USD/m2.

Los cambios tecnológicos o trayectorias seña-ladas, en nuestra particular concepción de diseño,conducen a los siguientes diseños de secadoressolares:

Algunos diseños alternativos de secadoressolares baratos

Los secadores originados por cambios del gru-po uno son de geometría achatada y dimensiónvertical de unos 100 a 200 mm. Los del grupo dosson naves de hasta 2 m de alto. En ambos casos,el material de cubierta es polietileno LDT, y el

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captador debe ser de tela o pintura negra, ambascon emisividad de global 0,9; puede utilizarsecomo captador el piso de la plataforma. La cu-bierta en ambos casos es simple, de unas 125 µmicras de espesor, y el polietileno de elección esel LDT, o larga duración térmica, que abunda enel mercado latinoamericano, y es el único que, porsus características ópticas similares a las delvidrio, puede lograr que se alcancen los valoressuperiores de eficiencia térmica previstos arribapara ambos grupos. En principio, ninguno de lossecadores lleva aislamiento, aunque pueden utili-

zarse recipientes de nylon con relleno de materia-les orgánicos, como cáscara de arroz y tallo deyuca, sobre todo en los equipos del primer tipo.

Existen dos secadores propuestos origina-dos por cambios de tipo uno, obtenidos utilizan-do este método que originan dos tesis de maes-tría propuestas para su evaluación detallada. Elsecador solar para la agricultura urbana, elsecador Thriller” (tipo 2) y “Minisol” (tipo 1).Ambos están descritos en las figuras 6 y 7a ysu cálculo térmico y evaluación preliminar hansido ya realizados.

Fig. 6 Secador solar multipropósito tipo “Thriller”.

Los secadores anteriores Thriller y Minisol(figuras 6 y 7a) constituyen dos innovacionestecnológicas originales ya registradas y origi-nadas por el presente análisis utilizando elmètodo vectorial cubano de los cambios /13/.Los cambios del grupo 2 originan un secadorsolar de nave con cubierta de polietileno LDT,que por su estructura y costo es semejante alprototipo 8, pero deberá ser mucho más per-feccionado tecnológicamente para reducir laspérdidas de calor al exterior. Éste correspondea las tendencias tecnológicas observadas enLatinoamérica

En la figura 7 b se observa un secadormultipropósito de nave con cubierta de polietilenoLDT, producto de los cambios de tipo 2. Poseeestructura semejante al secador 8, pero está masperfeccionado técnicamente, siendo más eficien-te al tener menores pérdidas. Corresponde a lastendencias latinoamericanas de desarrollo delsector. Una de estas naves deberá ser disenada eintroducida en un proyecto conjunto con elMINAGRI. En las figuras 8 a y b se observan losdiagramas del valor actual neto para dos aplica-ciones concretas de un secador de granos y unasauna solar, donde se aprecian los cortos plazosde amortización de los mismos.

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Fig. 7 a Secador solar de goma multipropósito “Minisol” y nave de polietileno.

Fig. b Secador solar de goma multipropósito “Minisol” y nave de polietileno.

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Conclusiones

En el presente trabajo, se han definido y repre-sentado vectorialmente las tendencias de los cam-bios tecnológicos dentro del sistema de secadoressolares de Santiago de Cuba, no sólo en laspasadas dos décadas, sino en las que debe teneren el futuro inmediato a fin de lograr mejoresresultados para el país.

Los cambios fueron ordenados por niveles por susituación y posición en el diagrama eficiencia-costoy así como según el balance de sus componentes.

En cada uno de los tipos de cambios o vectorescambios propuestos, se han detallado sus compo-

Fig. 8a y b Diagrama de VAN para un secador solar de granos.

nentes energéticos, económicos, medioambientalesy funcionales, y se han descrito y representadolos secadores que, según nuestra concepción tec-nológica y las tendencias existentes en el mundo,deben ser paradigmas para culminar los mismos.En esencia, a partir del sistema actual se puedenseguir dos tipos de cambios:

Tipo 1: Dirigida, partiendo de los prototipos 11 y12 al aumento de la eficiencia y el mantenimientode costos bajos, siguiendo trayectorias equivalen-tes, pero más largas que la del cambio 11-12.

Tipo 2: Dirigida, partiendo de los prototipos 1 y 2al decrecimiento de los costos y manteniendo enlo posible las eficiencias térmicas de los prototi-

Fig. 8 Diagrama de VAN para una sauna solar cubana.

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pos originarios del cambio (la misma no deberádisminuir hasta más allá de un 30-40 %). El vectoro saeta representativo de la misma, tendrá unatrayectoria casi paralela al eje de los costos, yhasta cerca de 10 USD/m2.

Los cambios tecnológicos o trayectorias se-ñaladas, en nuestra particular concepción dediseño, conducen a los siguientes diseños desecadores solares:Secador solar de goma y achatado de plataforma.Secador solar de nave de cubierta de polietileno.

Por su alta eficiencia operacional y econó-mica, y por estar en consonancia con las ten-dencias tecnológicas en Latinoamérica, nues-tro país debería tomar estas direcciones detrabajo en sendos proyectos orientados a pro-ductos de gran aplicación y valor añadido,como madera y plantas medicinales, principal-mente a través de la instrumentación de gran-des proyectos multisectoriales, y no como seha hecho has ta ahora , de proyec tosinvestigativos de extensión y metas limitadas aobjetivos locales, siendo conocidas y probadaslas grandes ventajas energéticas, económicasy sociales del secado solar para Cuba.

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