Propuesta de Diseño; Generación de Ideas

A continuación, se hace uso de varias técnicas de creatividad para generar tantas ideas como sea posible, sobre la principales funciones a un nivel genérico haciendo hincapié en los principios de funcionamiento.

Para esto, nuestro equipo decidió utilizar la técnica llamada "Brainstorming", la cuál consiste en: 

1) Plantear un tema y los participantes del grupo aportan sus ideas durante el periodo de tiempo que establezca el moderador. En nuestro caso, se decidió hacer 2 sesiones de 5 minutos con descansos. 

2) El moderador debe organizar las ideas por escrito a la vista de todos, e inducir a los participantes a generar ideas en base a algunas de las previamente dichas. 

La norma general es no criticar ninguna opinión y tomar nota de todo.

Los resultados se mostrarán en la tabla siguiente:

1° Round; “Acumuladores de Energía Mecánica”
·      Resortes de tracción / compresión / torsión ·      Volante de inercia ·      Un sistema equivalente al principio de la fuerza undimotriz (Mareas) ·      Utilizar la energía mecánica para bombear agua y llene un tanque	·      Energía potencial elástica ·      Transmisión de potencia ·      Dosificador de la energía ·      Regulador de salida de energía ·      Energía potencial gravitatoria ·      Energía cinética ·      Comprensión de algún fluido ·      Uso de embragues	·    Sistema que almacena por levantamiento de masas y dejándolas caer. ·   Sistema de cilindro pistón para comprimir aire ·  Tanque aislado, que el piloto caliente el agua dentro para convertirla en vapor y aumente la presión para aprovechar esa energía
2° Round; “Detalles de las Ideas Previas”
·      Hacer el acumulador de energía potencial haciendo uso de un sistema de resortes que se va enrollando en su propio eje. Y se dosifica la energía por medio de engranajes (Como el principio del motor de cuerda) ·      Acumulador de energía potencial-cinética; El eje bombea el agua la cual se acumula en un tanque y al liberar el agua hace girar una turbina para generar electricidad. ·      Acumulador de energía potencial; un sistema de masas y poleas, que van girando por acción de la bicicleta. ·      Una Batería Inercial que utiliza el principio del Volante de Inercia.	·      Energía potencial de deformación almacenada en resortes (tanto en compresión como en tracción) ·      Sistema de poleas, embragues y engranajes que eleven una o varias masas a una cierta altura y las mantenga estáticas (Variación del Principio Pila Mecánica Idelati) ·      Pistón que comprima un gas encerrado en un cilindro acumulando energía en forma de presión.	·      Energía Cinética almacenada en un Volante de Inercia ·      Comprimir cilindros-pistones llenos de aire para aprovechar la energía de aire comprimido. ·      Caldera aislada (Tecnología de termos “Contigo”) llena de agua para calentarse y aprovechar la energía de la presión de vapor ·      Mecanismos de levantar masas para aprovechar la energía potencial, para luego dejarlas caer y hacer girar un eje de salida.

Para una mejor visualización de las Ideas anteriormente expuestas, presentamos un mapa mental realizado gracias a la página de spiderscribe. Las cuales siguen un orden de jerarquía que cumple con:

1) Problema de Estudio: Acumulador de Energía Mecánico
2) ¿Qué formas se puede acumular la energía? (Excluyendo baterías)
3) ¿Qué instrumentos o equipos existen para acumular ese tipo de Energía?

Para observar con más detalle ver:
http://www.spiderscribe.net/app/?bb39fc614b249b94608e84c93de344aa

"Brainwritting"

A continuación mostramos los bosquejos de las ideas que nos parecieron más interesantes:

Analisis Funcional

Ya una vez, entendido el problema y acotado a través de las especificaciones. ¿Cómo lo atacamos para resolverlo? Para resolver esto, haremos uso del Análisis Funcional el cuál consiste en desglosar e identificar las distintas "funciones" que debe cumplir nuestro producto. Muchas de estas funciones serán activas, es decir, el producto debe realizarlas a través de acciones, mientras que otras son pasivas, que son condiciones que debe cumplir el producto (como por ejemplo resistencia mecánica, estabilidad ante cargas medioambientales, etc.) 

Para identificar mejor este desglose de funciones, existen 3 diagramas que nos permiten una mejor visualización y entendimiento del sistema, las cuales mostraremos a continuación:

Diagrama de Caja Negra

Árbol de Funciones 

Normas Relacionadas

No encontramos normas específicas establecidas en COVENIN, para acumuladores de energía mecánica. Sin embargo, complementamos la investigación en normas de elementos que posiblemente sirvan para la construcción de uno de los modelos como posible solución a nuestro problema.

¿Cómo calcular la Potencia en un motor?

• Potencia Bruta: 

SAE J 1995:  es una norma de ensayo en la que la potencia se mide en el motor practicamente sin accesorios, ya que faltan filtro de aire, silenciador, de escape, alternador y ventilador, por lo que el valor de potencia obtenido es más alto del que se puede obtener con el motor puesto en el vehículo; esta potencia se define como bruta.

ISO 14396: Documento elaborado para evaluar las emisiones contaminantes de los motores. Al motor se le retiran, durante los ensayos, tanto el radiador como el ventilador , por lo que permite ofrecer una potencia más elevada; asimismo se utiliza una presión atmosférica de referencia de 0.99 bar. Los valores obtenidos son la potencia bruta.

• Potencia Neta: 

DIN 70020 Potencia neta en utilización continua

SAE J 1349: Incluye todos los elementos necesarios en el motor, como ventilador y el radiador, ofreciendo por tanto un valor de potencia "neta". 

ECE-R-24: Controlar las emisiones de humos en el escape, contiene un procedimiento para medir la potencia Neta o potencia DIN.

Otras Normas: ISO 2208 ///    80 / 1296 CEE   ////      CEE 74 / 150

• Potencia útil:

OCDE; Exige que el motor esté situado en el trator (o máquina) y en condiciones normales de funcionamiento, contando con la pérdidas de potencia debidas al funcionamiento del sistema hidráulico, de las derivadas de las cajas de transmisión, que aparecen por el paso del movimiento hasta la toma de fuerza.

Otras Normas: 
UNE 68 - 005-86 / 1
ISO 780 
1 DIR 2001 / 3 CE

Analogías

Las analogías permiten expandir la gama de soluciones, observando problemas parecidos al que estamos estudiando, tanto en productos como a nivel funcional. 

Algunas de estas pueden ser:

Reloj wind-up

Un motor a cuerda; es un dispositivo de relojería accionado mecánicamente por un resorte. La energía se almacena manualmente en el resorte, (un muelle de torsión con forma de espiral y hecho de cinta metálica), por un bobinado hacia arriba, girando una llave colocada en un trinquete que tuerce el resorte más fuerte. Entonces la fuerza del resorte principal gira los engranajes del reloj, hasta que la energía almacenada se utiliza en las manillas. El adjetivo "de cuerda" se refiere a dispositivos mecánicos donde la principal propulsión es el muelle, los cuales podemos mencionar; los relojes, los temporizadores de cocina, las cajas de música y los juguetes de cuerda .

Batería inercial 

Es un sistema que:

• Almacena mucha energía utilizando un disco con mucha masa (Volante de Inercia), de gran diámetro o que gira a gran velocidad.
• No pierde su energía con rapidez, se consigue eliminando los rozamientos. Para reducir la fricción se utilizan cojinetes magnéticos, que evitaban todo contacto, y se hace el vacío en la cámara que contiene el disco.

El material más adecuado para fabricar el disco es la fibra de carbono. Aunque tiene menor densidad que el acero, es más resistente y puede girar a mayor velocidad, hasta 100.000 rpm.

Sólo falta que un eje o motor eléctrico acelere el disco para cargarlo de energía y lo desacelere para hacerle devolver su energía.

Este sistema es muy útil para vehículos, ya que puede suministrar una gran cantidad de potencia en aceleraciones, y absorberla también de manera casi instantánea, en frenadas o retenciones. Tampoco tienen efecto memoria y almacenan mucha más energía en relación a su peso, comparado con las baterías químicas.

Un problema de este sistema es el efecto giroscópico que produce un disco girando a altas revoluciones. Para paliarlo se prevé utilizar dos discos girando uno en sentido contrario al otro.

Almacenamiento por Aire comprimido:

Es un método eficiente limpio y económico. Se basa en aprovechar la energía eléctrica sobrante (de bajo costo) fuera de las horas punta, para comprimir el aire en un almacenamiento subterráneo, y más tarde utilizarlo para alimentar una turbina generadora para alimentar a la red eléctrica durante los periodos de alta demanda energética. El Compresor es el mecanismo que transforma una energía exterior, generalmente eléctrica o termodinámica, en energía neumática.

En su funcionamiento, aspira aire atmosférico y lo traslada a mayor presión al interior de un depósito, para su posterior utilización en las instalaciones neumáticas.

Según el principio de funcionamiento se pueden clasificar en tres grandes grupos:

- De embolo

- Centrífugos

- Rotativos

Referencias Bibliográficas;

• http://en.wikipedia.org/wiki/Clockwork
• http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_inercial
• http://www.ecointeligencia.com/2013/07/almacenar-energia-comprimiendo-aire/
• 
  

Patentes

US 20120280515 A1;
Método de almacenamiento de energía mecánica y el dispositivo

El sistema mostrado, se trata de un dispositivo configurado para almacenar energía para su posterior descarga. El sistema funciona como una serie de mecanismos acoplados, que obtiene su energía a partir de una fuente no especificada (Para nuestro estudio se puede afirmar que esa fuente será a partir de propulsión humana). La energía se almacena en primera instancia en forma de energía potencial (Al levantar una masa) que luego se deja caer para accionar otros mecanismo.

Para más detalles ver: http://www.google.com/patents/US20120280515

US 20120111142 A1; Volante 

La patente se refiere al dispositivo y un método de construirlo. Se trata de un volante de inercia para el almacenamiento de energía , el volante tiene un elemento de transferencia (60) y una llanta (50) que comprende una masa acoplada a ella. El elemento de transferencia está acoplado a la llanta por un devanado alrededor de cada elemento, y el volante incorpora un anillo indicador que funciona proporcionando información acerca el estrés excesivo en el volante.

Para más detalles: http://www.google.com.ar/patents/US20120111142

US 20050275360 A1;
Motor con un acumulador de energía mecánica para aplicaciones portátiles 

La patente, trata de un motor mecánico que tiene el objetivo de alimentar un enfriador. El motor funciona con un acumulador de energía mecánica proveniente de una fuente de humana. El mismo, está construido para tener un interruptor (switch) que permita decidir cuándo utilizar la energía almacenada.

Ver: http://www.google.com.ar/patents/US20050275360

US 20110260471 A1; 

Sistemas y métodos para almacenar y generar energía

La patente, trata sobre un dispositivo utilizado en agua,  para almacenar energía potencial para su posterior uso. El dispositivo utiliza  un sistema capaz de cambiar su posición dentro del agua, entre dos posiciones de referencia, de ésta forma es capaz de almacenar energía potencial para su posterior uso. 

Ver: http://www.google.com/patents/US20110260471

Productos Existentes

Volante de inercia. 

Es un sistema de almacenamiento de energía mecánica. Su principal característica frente a otros sistemas es la capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo. Consiste en una rueda bastante pesada, generalmente de fundición o acero, que es colocada en el extremo del cigüeñal más próximo a la caja de cambios, montada utilizando tornillos autofrenables descentrados . Cuenta con el Entrante, que funciona como una especie de soporte para el embrague, lo que supone como una especie de control de la caja de cambios. Y en toda su periferia, para poder engranar el piñón del motor de arranque (también conocido como “automático”) esta pieza lleva un aro completamente dentado. 

Es adecuado para sistemas mecánicos de ciclo energético discontinuo donde el periodo de tiempo sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alternativos, prensas y troqueladoras, etc.

Acumulador Hidráulico

Es un tubo de acero con tapas toriesféricas, con un separador de fases (nitrógeno-aceite hidráulico), capaz de almacenar una cierta cantidad de fluido a presión para auxiliar al circuito hidráulico, normalmente se comprime un gas inerte como el nitrógeno (nunca aire u oxígeno), el cuál transferirá la presión y el caudal acumulado al circuito hidráulico, cuando el circuito lo requiera.

El fluido al entrar dentro de un acumulador, comprime un gas, por este motivo, el acumulador puede almacenar el fluido a una determinada  presión, existen varios tipos de acumuladores. Los más usados son los de membrana y de vejiga.

Las aplicaciones son:

1. Restituir. Compensar pequeñas pérdidas de fluido en el circuito.

2. Contra dilatación. Los fluidos por cambios de temperaturas pueden dilatarse y perder presión.

3. Reserva. Al poder mantener una presión, pueden servir de reserva de energía.

4. Contra golpes de ariete. El golpe de ariete es un concepto hidráulico que engloba diferentes causas de pérdida de caudal, como podrían ser el cierre de válvulas, parada de bombas, puesta en marcha de bombas, etc.

5. Amortiguador. Puede utilizarse para amortiguar las pulsaciones de una bomba.

6. Seguridad. Para evitar accidentes por interrupciones súbitas del generador de potencia hidráulica.

 Disponemos de los siguientes:

- Acumulador a membrana descartable

Presión max.  210 bar , volumen   de 0,15  hasta 1,4 lts

Cuerpo de acero forjado , tapas y conexiones soldadas con argón.

- Acumulador a membrana

Cuerpo de acero forjado , construido en dos partes.

Resorte o Muelle:

Es un operador elástico capaz de almacenar energía y desprenderse de ella, sin sufrir deformación permanente cuando cesan las fuerzas o la tensión a las que es sometido, en la mecánica son conocidos erróneamente como "la muelle", varían así de la región o cultura. Son fabricados con materiales muy diversos, tales como acero al carbono, acero inoxidable, acero al cromo-silicio, cromo-vanadio, bronces, plástico, entre otros, que presentan propiedades elásticas y con una gran diversidad de formas y dimensiones. Por ejemplo, existen los muelles de compresión, extensión, torsión, planos y las ballestas. 

Hay dos aspectos básicos en el comportamiento de un muelle:

•  Disipación de energía: Cuando una fuerza actúa sobre un muelle, acumula energía potencial de deformación pero una parte se transforma en calor. Cuando cesa la fuerza, el muelle cede la energía restante.
• Resonancia: Se presenta cuando los impulsos que se le dan a un muelle coinciden con la frecuencia del muelle, es decir si la amplitud de las vibraciones van aumentado pueden llegar a romperse. Para evitarlo, se usan amortiguadores.

Se les emplean en una gran cantidad de aplicaciones, desde cables de conexión hasta disquetes, productos de uso cotidiano, herramientas especiales o suspensiones de vehículos. Su propósito, con frecuencia, se adapta a las situaciones en las que se requiere aplicar una fuerza y que esta sea retornada en forma de energía. Siempre están diseñados para ofrecer resistencia o amortiguar las solicitaciones externas.

Pila Mecánica; por ingenieros colombianos de Idelati,

Transforma cualquier energía alterna en potencial gravitarotio. “Su funcionamiento tiene un principio parecido al de las hidroeléctricas las cuales funcionan dejando caer grandes masas de agua para extraer su energía la cual esta definida en física como energía potencial”. El sistema consiste en almacenar la energía sobrante de algún tipo de energía renovable fluctuante como la energía solar o la energía eólica, y aplicarla a un motogenerador y a un engranaje mecánico, este último hará subir una masa de una tonelada de agua. Esa masa que está en suspensión es energía almacenada, ya que cuando se necesite electricidad, se deja caer esa masa con una velocidad controlada, y entonces puede utilizarse para movilizar una turbina generadora de electricidad.

En el diseño de Idelati se proponen diferentes variantes, una es que se utilicen tubos de acero llenos de agua para manejar las grandes masas, así se evita tener que subir el agua a mucha altura, a la vez que se valen de engranajes con rotaciones de velocidad muy alta, que tienen pérdidas mínimas.

Referencias Bibliográficas:

• http://www.ecured.cu/index.php/Volante_de_inercia
• https://es.scribd.com/doc/78789130/Acumulador-Hidraulico-y-depositos
• http://www.cordinsa.com/glosario-resortes-compresion-extesion-torsion-formas-de-alambre/
• http://tecno-trenesmirobriga.weebly.com/acumuladores-de-energiacutea-mecaacutenica.html
• http://sustentator.com/blog-es/blog/2011/09/28/acumulador-de-energia-eficiente-y-simple/

Búsqueda de Información

Definición:

Un acumulador de energía mecánica: es un dispositivo capaz de almacenar energía mecánica y devolverla en el momento necesario. Por ejemplo, cuando no se le suministra energía de forma continua a un sistema o en como en nuestro caso de estudio, la energía que se produce no es suficiente y por tanto, ésta se debe acumular para aumentar su capacidad. 

Para esto, a veces se recurre a la conversión de energía a formas que son más fáciles o convenientes de almacenar, ya sea por espacio o por ser económicamente más rentables. Algunas tecnologías sólo proporcionan almacenamiento de energía a corto plazo, y otros pueden ser muy largo plazo.

Cabe destacar que esta energía mecánica entra en el sistema en forma de esfuerzo, los tipos de esfuerzos son:

     A continuación, se realiza una recopilación de soluciones existentes que puedan aplicar a nuestro problema. 

1) Productos Existentes

2)Patentes; registro legal en medio escrito y gráfico de invenciones que representan alguna porción o la totalidad de los productos que existen o han existido, dado por ser el método donde sus inventores o propietarios resguardan sus innovaciones de ser copiadas libremente.
3) Analogías
4) Normas relacionadas

Especificaciones

Especificaciones Obligatorias

Funcional	ü  Acumulador de energía mecánica ü  Potencia de Entrada: 70w/10min. (Ejercida por una sola persona con un dispositivo cuya salida es a través de la rotación de un eje) ü  Potencia acumulada: 600w/15min (Una vez día) ü  Autonomía del Sistema ü  Mínima intervención humana (Activar y desactivar, únicamente) û  Se excluyen soluciones tipo eléctrico (Con baterías)
Condiciones Ambientales y Entorno	ü  Resista intemperie ü  Temperatura: 15°C - 40°C ü  Humedad: 60% - 90% ü  Sin servicios secundarios. ü  Ubicar en zona aislada de los animales terrestres de la zona.
Vida Útil de Servicio	ü  No menor de 2 Años.
Transporte	ü  Peñero o Curiara
Lote de Producción	ü  Individual (Un solo prototipo)
Plazo de Entrega	ü  12 de Febrero (Jueves, Semana 8)
Modos de uso	ü  Tiempo de Operación: 15 min por día, los 365 días del año.

Otras posibles especificaciones (Opcionales)

Usuario	ü  Cualquier hombre o mujer con buenas condiciones físicas, de edades comprendidas entre 20 y 40 años.
Interfaces	ü  Debe permitir el acople de un mecanismo de tracción humana, que tiene una salida a través de la rotación de un eje, para la recepción de la energía de entrada. ü  Interruptor de On/Off. Manipulación lo más sencilla posible. ü  Pantalla o dispositivo que indique hasta qué instante el acumulador está en capacidad de otorgar la energía requerida.
Mantenimiento	ü  Inspección cada 2 años ü  Mantenimiento cada 5 años por un especialista que se traslade al lugar. ü  El dispositivo debe permitir el desarme y la inspección sin muchas complicaciones, con el uso de herramientas de fácil acceso y empleo. ü  Posibles rutinas de lubricación y limpieza durante el periodo de uso. ü  Permitir el uso y fácil cambio de repuestos de piezas pequeñas.
Costos	ü  Procurar bajo costo de instalación y mantenimiento. ü  Accesibilidad de construcción de prototipo acorde a los recursos disponibles. ü  Menor o igual a Bs.F. 15.000 aprox.
Dimensiones y Peso	Las dimensiones y peso del acumulador no deben superar las capacidades del transporte: ü  El peñero logra la propulsión por medio de uno o dos motores a gasolina fuera de borda y sus dimensiones oscilan entre: o   4 - 10m de eslora o   1 - 2,5m de manga o   0,5 m de puntal. ü  El empaque no debe superar: o   La mitad de largo del peñero (Permitir espacio de tripulación) o   No muy alto o centro de gravedad bajo. (Evitar volcamiento)