DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE AHORRO EN UN PARQUE DE DIVERSIONES A PARTIR DE LA

IMPLEMENTACIÓN DE FRENOS ELÉCTRICOS EN ALGUNAS ATRACCIONES MECÁNICAS

PROYECTO FINAL DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Introducción a la Ingeniería Eléctrica

PRESENTADO PORMiguel Ángel Pulido García

Johana Alejandra Chávez HuertasIván Alejandro Hidalgo Troncoso

Erick Ricardo Ospina GonzalesPaulo Cesar Bautista Piñeros

Wilder Fitzgerald Guzmán Patiño

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIASEDE BOGOTÁ

FACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Bogotá D.C.Junio de 2012

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TABLA DE CONTENIDO

1. RESUMEN...............................................................................................3

2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA..........................................................3

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo general............................................................................3

3.2. Objetivos específicos.....................................................................4

4. CONTEXTUALIZACIÓN

4.1. Antecedentes.................................................................................4

4.2. Marco teórico................................................................................5

4.3. Contexto aplicativo........................................................................7

5. JUSTIFICACIÓN.....................................................................................7 5.1. Tabla comparativa.........................................................................7

6. ALCANCE...............................................................................................8

7. METODOLOGÍA....................................................................................8

8. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA IDENTIFICADO.............9

9. EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL..............................................9

10. RECURSOS..........................................................................................11

11. REFERENCIAS......................................................................................13

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1. RESUMEN

El presente documento intentará determinar que tan factible es la aplicación de frenos eléctricos (presentes en motores híbridos) en algunas atracciones mecánicas de los parques de diversiones, proporcionando información de un posible ahorro de energía en dichos sistemas.

La siguiente propuesta centra su atención en el funcionamiento y por consiguiente en el aprovechamiento de energía “perdida” en una montaña rusa en el momento de frenado. Se opto por esta opción, debido a que existen algunos estudios que han demostrado la viabilidad de su aplicación; dichos dispositivos transformarían un tipo de energía en otra, en este caso especifico, energía cinética del movimiento en energía eléctrica. Para la medición cuantitativa de este proceso de transformación energética se hicieron algunos cálculos matemáticos muy sencillos y algunos análisis físicos igual de simples; todo esto, con el fin de dar una idea al lector (contando con un amplio margen de error) de cuanta energía hay disponible para reutilizar en el proceso dicho proceso de detención.

2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

Actualmente, algunos centros recreativos como parques mecánicos son anfitriones de una gran cantidad de público en busca de diversión. Luego, para satisfacer la demanda recreativa de ese número de personas se necesita una inmensa cantidad de energía que después de ser utilizada en las atracciones se “pierde”. Por este motivo, dicho lugares de convierten en grandes derrochadores de energía. Así pues, el problema identificado en estos sitios es el desperdicio y malgasto de dicho recurso[1]. Se pretende entonces determinar que tan factible es la aplicación de sistemas como frenos eléctricos en estos juegos. La información que se extraiga por medio de mediciones teóricas será la base para la implementación del sistema como tal. Se hará hincapié en la cuantificación de la posible cantidad de energía disponible para reutilizar, pero no se ahondara en la utilización de dicha magnitud, es decir, no se tendrá en cuenta en qué y para qué se utilice esta energía. Se debe tener en cuenta (y se hace la aclaración) que aquí solo se hablara desde una perspectiva especulativa e hipotética.

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3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo GeneralDeterminar y cuantificar la factibilidad del aprovechamiento de la energía no utilizada en el proceso de frenado de las atracciones mecánicas en un parque de diversiones.

3.2. Objetivos Específicos

Determinar el potencial de ahorro en las montañas rusas principalmente. Cuantificar ese posible ahorro energético. Presentar la propuesta a entidades interesadas en el tema. Crear conciencia en la aplicación de la eficiencia energética.

4. CONTEXTUALIZACIÓN

4.1 Antecedentes

La determinación del posible ahorro energético en parques de diversiones es una iniciativa entrelazada a una prioridad del siglo XXI: la eficiencia energética. El propósito de esta concepción busca la reducción del consumo de energía con el fin de contribuir a la protección del medio ambiente y la utilización optima de los servicios y sistemas energéticos. Por lo anterior, se relaciona este proyecto como una innovación tecnológica de contribución a esta primacía, teniendo en cuenta que debido a que dicho concepto es bastante nuevo, las fuentes bibliográficas son escasas y limitadas.

Sin embargo, algunas empresas y entidades privadas están investigando recientemente la manera de hacer que la energía que no se aprovecha en los parques mecánicos sea de alguna manera reutilizada.

Una noticia bastante revolucionaria en el tema ha sido publicada por la empresa japonesa Toyota, la cual ha dado a conocer algunas investigaciones sobre dicha cuestión. La entidad emplea el motor híbrido de unos de sus autos (el Toyota Prius)1 en una furgoneta de una montaña rusa, estableciendo que:

1 El Toyota Prius es el coche híbrido, que dotado con la tecnología Hybrid Synergy Drive (HSD) es el vehículo híbrido más vendido del mundo.

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“Los desarrolladores y tecnólogos de la compañía, usaron el experimento para determinar si la sinergia del sistema de manejo híbrido podría ser usada para generar electricidad extra en algún otro lugar en el caso de la montaña rusa, para proveer de energía a otros consumidores de energía en un parque de diversiones” [2].

El resultado de este ingenioso proyecto fue la generación 60 amperios a 200 voltios, lo que equivale a 12.000 Watts de potencia [3].

Por otro lado, el Grupo Parques Reunidos S.A. (empresa Europea propietaria de muchos de los parques mecánicos que funcionan en ese continente) anunció la implementación e implantación de sistemas más eficientes en algunas de sus instalaciones. Con ello, la entidad busca crear conciencia para utilizar mejor la energía y lograr un ahorro energético considerable.

“En una primera fase, se abordarán 6 de los parques temáticos de la compañía, entre los que se encuentran el Parque de Atracciones de Madrid, el Zoo de Madrid o el Aquópolis de Sevilla. No obstante, Grupo Parques pretende a medio plazo hacer extensivo el proyecto a todos sus parques del territorio nacional e internacional” [4] aseguró la organización.

4.2. Marco teórico

Los parques mecánicos abarcan muchos sistemas complejos, en los que la física teórica se aplica a la realidad. Dentro de dichos sistemas, hay algunas que se basan en movimientos:

Circulares Pendulares De caída libre Parabólicos y semi-parabolicos (como lo es la montaña rusa)

En este último de las montañas rusas, la energía se transforma constantemente, así como las fuerzas y aceleraciones varían y actúan sobre el dispositivo que transporta los pasajeros. En tal artefacto, el propósito del ascenso inicial es proporcionarle una energía potencial gravitatoria que

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luego se transforma en energía cinética del movimiento cuando los vagones inician su descenso y aumenta su velocidad debido a la aceleración de la gravedad [5]. Cuando esta transformación constante de energía esta próxima a culminar (momento de frenado) la disminución abrupta de velocidad genera una inercia que según la propuesta planteada sería aprovechada por un freno eléctrico. Este freno eléctrico transforma la energía cinética en una corriente eléctrica, la cual se sabría aprovechar después en alguna otra actividad demandante de este recurso.

Para darse una idea de cuanta energía se puede reutilizar cuando una montaña rusa se detiene, se ha hecho un simple cálculo matemático:

Se considera una montaña rusa con 2 vagones, cada uno con capacidad de transportar a 4 pasajeros. Se asigna un valor de masa a cada vagón de aproximadamente 200 kilogramos y una masa promedio a cada persona de 60 kilogramos. También se define la velocidad máxima del dispositivo en 25 metros por segundo.

Para resolver este pequeño problema, se utiliza la formula de energía cinética:

Ec=mv2

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En donde m es la masa y v la velocidad del móvil.

Entonces, la masa total es la suma de la masa de todos los 4 vagones junto con las personas allí situadas.

Es decir:

mtota l=2(4 (mpersona ))+2(mvagón )

mtotal=2(4 (60kg))+2 (200kg)

mtotal=800 kg

Así:

Ec=(800kg )(25 m

s)2

2

Ec=250000 julios

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Expresado en unidades comerciales (Kilovatios-hora), sería:

Ec=0.0694KWh

Esta energía está disponible cada vez que la atracción frene, de modo que si ésta se utilizara 20 veces al día, serian 20 detenciones, o lo que es lo mismo 20 veces la energía de un solo frenado (aquí se está obviando muchos factores que alterarían el valor de esa posible energía reutilizable, como lo son: rozamientos dinámicos, resistencias de conductores de corriente, déficit y perdida de calor, entre otros).

Análogamente, se hicieron otras conjeturas como la ya explicada para diferentes montañas rusas de todo el mundo (se tiene en cuenta que los cálculos se hacen considerando que todos los asientos esta ocupados, es decir, tomando la masa máxima). Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Montaña rusa (ubicación)

Velocidad máxima(m/seg)

Cantidad de pasajeros

Masa total del

juego (kg)

Posible energía reutilizable

(KWH)Salitre Mágico(Bogotá) 22.2 24

1500 0.201

Dragon Khan (España) 30.5 28

2200 0.501

Top Thrill Dragster (Ohio) 53.6 18

1000 0.829

Kingda ka (EEUU) 57.2 18 1090 0.986 Boomerang(Chile) 20.8 28 2350 0.242

Tabla 1 Matriz de cuantificación*

Estas estimaciones, aunque carecen de cierta veracidad, proporcionan una idealización un tanto torpe para aspectos cuantitativos.

4.3. Contexto aplicativo

El punto inicial para la implementación de estos sistemas “reutilizadores” de energía está centrado principalmente en grandes ciudades como lo es Bogotá, ya que dichos centros urbanos poseen en sus infraestructuras estos tipos de lugares: parques mecánicos. Pero a pesar de que la iniciación de la propuesta este centrada allí, no se excluye la posibilidad de ser aplicada en cualquier otra ciudad e incluso en otro país. Ahora bien, la

** Datos tomados Enciclopedia libre, Montaña Rusa [en línea]. Obtenido de:http://es.wikipedia.org/wiki/Monta%C3%B1a_rusa

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propuesta se enfoca en parques de diversiones que tengan montañas rusas en su oferta de productos.

La aceptación que las empresas dueñas de estos centros de atracciones le den a la alternativa de ahorro aquí planteada definirá su difusión y acogida.

5. JUSTIFICACIÓN

Como se dijo anteriormente, la actualidad de estos parques está ligada inevitablemente al malgasto de energía (eléctrica para ser más específicos) la cual proviene de centrales hidroeléctricas, térmicas (gas natural y carbón) y en una cantidad muy mínima, de parques eólicos. De modo que fuentes energéticas como centrales térmicas e hidroeléctricas tienen una vida útil limitada, es decir, una producción de energía acotada. Además, su explotación de recursos no renovables (carbón y gas natural) trae consigo deterioro para el medio ambiente. Por lo tanto, el planteamiento del grupo busca que estas áreas de recreación tengan la capacidad de reutilizar una parte de la energía que consumen, logrando de cierta manera disminuir la demanda de recurso energético y por consiguiente mitigar el impacto negativo al medio ambiente. Ésto también traería beneficios económicos para las corporaciones que decidan involucrase, siendo conscientes que para su implementación se necesitaría una inversión inicial bastante grande.

5.1. Tabla comparativa

Con el fin de hacer una estimación ahorrativa de capital si se llegase a implementar el sistema que se propone, se ha hecho una averiguación en un parque específico. La zona tomada fue el salitre mágico (Bogotá). Allí, se indagó por la cantidad de energía consumida diariamente, con el objetivo de hacer una comparación entre la cantidad de gastos de dinero (en materia de electricidad) antes del aplicar el sistema, y después de implementar el mismo.

Las deducciones finales se presentan en la siguiente tabla:

Aplicación del sistema de ahorro en Ahorro

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montañas rusas porcentual Antes Después

Consumo diario de energía (expresado en KWh)

57.95 50.0513.28%

Gasto diario de capital de electricidad (en pesos)

20547 17817

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………

6. ALCANCE

La aplicación de estos sistemas ahorradores en zonas recreativas está anclada a presupuestos iniciales otorgados por los mismos propietarios de dichos establecimientos. Por tal motivo, el alcance del proyecto es limitado a corto plazo. Aun así, según lo investigado, se ha llegado a la conclusión de que cualquier parque de diversiones puede acceder a este tipo de alternativas de ahorro, contando con que el tiempo de implementación de un parque a otro varía. Esta variación de tiempos tiene su umbral en los diferentes ingresos que cada entidad posee.

Por otro lado, al considerar el proyecto como una búsqueda de factibilidad del aprovechamiento de la energía “pérdida” en el frenado de algunas atracciones, el alcance abarca lo que es la estimación de lo anterior en montañas rusas, con una breve investigación de avances en el tema y una búsqueda de propuesta de viabilidad aplicativa. Todo ello con el fin de presentar los resultados a empresas interesadas en el tema de eficiencia energética, tales como Grupo Parques Reunidos S.A., la cual como se ha dicho está implementando sistemas más eficientes en sus atracciones.

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7. METODOLOGÍA

En la siguiente sección, se explicarán una seria de pasos lógicos y secuenciales a seguir al momento de implementar este sistema.

Hacer un inventario inicial. Esto hace referencia a la cantidad de energía que consume el parque de diversiones, la cantidad y calidad de las atracciones pertenecientes el establecimiento y por último las propiedades físicas y mecánicas de la montaña rusa.

Determinar qué tipo de freno eléctrico se debe aplicar en la atracción dada (en este caso, en la montaña rusa).

Evaluar y realizar estadísticas de eficiencia que presenta la técnica de obtención de energía en la atracción.

Hacer una estimación del ahorro económico a mediano y largo plazo. Comparar los resultados de consumo energético antes de la aplicación del

sistema y después de la utilización del mismo. Presentar a las empresas competentes relacionadas con parques de

diversiones propuestas viables de convencimiento a la contribución de la eficiencia energética.

Pasar a la implementación de métodos de modificación del sistema completo de frenado (a mediano plazo) para la reutilización de la energía de “perdida” en el proceso de detención. Aquí se incluye, la posibilidad de acoplar baterías a las furgonetas.

8. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA IDENTIFICADO

La solución al problema establecido tiene distintas alternativas que apuntan a la observación y análisis del sistema físico funcional de cada atracción. Ésto con el fin de comprobar en cual juego será más viable el aprovechamiento de esa energía “perdida”. También, se presentan posibilidades en cuanto a cuál freno eléctrico será más eficiente y ahorrador. Se adopta ese punto de vista, pues en algunos juegos esta aplicación sería completamente inoportuna. Teniendo en cuenta lo anterior, se tomó como opción principal la cuantificación del sistema físico en una montaña rusa, puesto que allí se puede aprovechar la fórmula de energía cinética (algo que para nuestra preparación resulta bastante apropiado, pues las atracciones que involucren movimientos circulares y pendulares requieren de cálculos más precisos). La utilización de formulas físicas tiene como objetivo hacer

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una aproximación cuantitativa de su viabilidad y eficacia. A este argumento técnico se le suma que son en las montañas rusas en donde más estudios e investigaciones se han hecho respecto al tema.

9. EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL

Aunque nuestra propuesta está dirigida hacia el estudio teórico y no experimental, se ha tratado de hacer una breve matriz de evaluación de impacto ambiental con los pocos datos empíricos que se tienen del tema.

Los valores otorgados a cada impacto socioeconómico-ambiental, están definidos en la siguiente tabla:

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Figura 1Matriz de impacto ambiental

Acciones

Ambiente

Subt

otal

Signo IntensidadBueno Muy bueno Excelente

Signo e

importancia

del impacto

Positivo 1 2 3Neutro/Nulo 0

Moderado Malo Muy maloNegativo -1 -2 -3

Como se puede ver claramente en la figura 1, el medio físico resultará afectado especialmente en la etapa de desecho de materiales dañados. Esta última en general, afectará a la mayoría de los elementos del ambiente, puesto que por experiencia se sabe que el manejo de desechos aquí en Colombia no es el apropiado. En contraste, la generación de empleo toma muchos puntos positivos en todas las etapas de la aplicación de este sistema, pues para todas las fases se necesita recurso humano disponible.

10. RECURSOS

Los principales recursos son las fuentes de información que explican los sistemas físicos de las atracciones de los parques de diversiones, los cuales servirán de orientación para el estudio de la mejor viabilidad de la propuesta en ciertas atracciones. Aun así, se ha tratado de hacer una estimación de recursos y de capital para la implementación del proyecto en caso tal de que se tenga éxito.

La estimación de los recursos se divide en dos partes: requerimientos materiales y capital humano. En lo que respecta a requerimientos materiales se ha hecho una pequeña tabla, en donde se muestran los principales instrumentos demandados.

Material y/o sistema Intervalo de precios estimados ($)Freno eléctrico (motor híbrido) 10’500.000-25’000.0002

Adecuación de la furgoneta completaUnión a la red eléctrica del parque

Por otra parte, en capital humano esta sintetizado en el siguiente cuadro:

2 Se hizo la estimación de este precio, basados en el precio total del vehículo hibrido. Se investigó y se llegó a la conclusión de que el precio de un motor hibrido equivale al 40%-45% del costo total del automotor.Se sustrajeron los precios de los automóviles de la siguiente dirección:http://www.bacanalnica.com/foros/viewtopic.php?t=30264

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Figura 2Basada en “Obra de saneamiento del cañón del Atuel provincia de Mendoza” Página 51 [en línea].Obtenido de: http://idbdocs.iadb.org/wsdocs/getdocument.aspx?docnum=497826

Tipo de trabajador Tiempo de ocupación

Precio considerado por su labor ($)

IngenierosElectricistas

Mecánicos

Técnicos (en)3

Funcionamiento e instalación de maquinas eléctricas rotativasServicios de instalaciones eléctricasMedición y control en las actividades de un proyectoElementos de maquinas

11. REFERENCIAS3 Se tomaron algunos conocedores que se consideraron necesarios para la implementación y operación de la propuesta.Se tuvo como referencia los cursos ofertados por el SENA obtenidos mediante la siguiente URL:http://www.senavirtual.edu.co/oferta.php?areaid=ALL

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[1] Los parques de atracciones ahorraran energía. Publicado por R. Gutiérrez el 28 de abril de 2011. Obtenido de: http://www.efikosnews.com/eenergetica/2430-los-parques-de-atracciones- ahorraran-energia.html

[2] Toyota crea una montaña rusa hibrida.Obtenido de: http://ventacarros.com/videos/toyota-crea-una-montana-rusa-híbrida

[3] La montaña rusa construida con piezas de Prii. Publicado el 27 de abril de 2011

por alvy. Obtenido de: http://eco.microsiervos.com/tecnologia/montana-rusa-piezas-prii.html

[4] Los parques de atracciones ahorrarán energía. Publicado por redaccion@ambientum.com el 10 de mayo de 2011. Obtenido de: http://www.ambientum.com/boletino/noticias/Los-parques-de-atracciones-ahorraran-energia.asp

[5] La inercia física en las montañas rusas. Publicado por electrónica-basica.com.Obtenido de: http://www.electronica-basica.com/inercia-fisica.html

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