ES2402008A1 - Sistema de transporte lineal magneto-neumático. - Google Patents
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Abstract
Sistema de transporte lineal magneto-neumático, constituido por una banda lineal activa sobre la que se desplazan los vehículos sobre un colchón de aire, impulsados por un motor electromagnético lineal. La energía se suministra a los imanes permanentes a partir de dispositivos de captura solar térmica y fotovoltaica extendidos sobre la banda lineal de transporte que contribuyen a la sustentación e impulso durante el paso del vehículo. Una red de comunicación y proceso de datos que gestiona la captura, acumulación y transferencia de energía.
Description
ÁMBITO DE LA INVENCIÓN
El campo de nuestra invención se encuentra dentro del sector del transporte y más específicamente dentro del transporte lineal con vehículos ligeros de muy bajo rozamiento.
En los últimos años se ha producido un importante desarrollo de los distintos modos de transporte. Esto es debido, entre otras causas, al incremento de la movilidad de personas y mercancías, particularmente en las áreas más pobladas; a los desequilibrios en la accesibilidad en el conjunto del territorio, a los impactos del transporte sobre la salud y el medio ambiente, al volumen y origen de los recursos destinados a la construcción y operación de las infraestructuras. Por ello, aumentan los retos de un sistema de transporte cada vez más integrado que exige mayor competitividad y mayor atención a la seguridad, eficiencia energética y control de la contaminación e impacto sobre el terreno.
En la mayor parte de los vehículos, coches, trenes, buques, aviones, junto al elemento transportado o carga es necesario añadir el combustible y el motor que lo transforma en movimiento. Ello incrementa la masa a transportar y la energía necesaria para ello, restando
eficacia al sistema. El motor de explosión requiere el combustible a bordo e implica la limitación de eficiencia (15-30%) impuesta por el principio de Carnot.
Los tranvías o trenes eléctricos reciben el flujo de energía eléctrica a través de un conductor continuo con un contacto deslizante. A medida que crece la demanda de potencia (5-10MW para un tren de alta velocidad) y la velocidad del móvil, crecen drásticamente las exigencias de precisión dimensional y mantenimiento de la infraestructura, lo que encarece y dificulta el sistema.
Esto se consigue por soporte del trazado sobre balasto,
- frecuentemente
- reconstituido, sobre placa de hormigón de
- gran
- estabilidad y elevado coste o en viaducto sobre
- pilares.
- Este último método evita la compartimentación
- del
- terreno, localizando el ajuste dimensional en los
- puntos de
- apoyo.
El movimiento sobre ruedas requiere el peso de los elementos de rodadura y el notable coste energético por rozamiento. La rodadura en hierro sobre hierro aporta la precisión requerida por catenarias de alta velocidad pero la pendiente o aceleración máxima se limita por la baja fricción entre rueda y raíl.
El transporte por impulso lineal y la levitación surge y se desarrolla en un vehículo carente de ruedas y de motor a bordo. En los últimos años se han propuesto diversos diseños, positivos y prototipos con este objetivo.
Ya en 1971 el inglés AK.Jarvis patenta en USA, con fecha 30 de Noviembre de 1971 y número 3.623.434, un vehículo con motor lineal y transporte sobre colchón de aire. El compresor eléctrico se encuentra a bordo y adquiere la potencia en continua sobre contactos deslizantes paralelos al carril de deslizamiento.
El francés J.C.Guimbal propone en patente US 3.802.349 de Abril de 1974, un motor linear para impulso de vehículos con ruedas. El japonés Naoko Maki, desarrolla en 1975 para Hitachi un dispositivo lineal electromagnético que combina la levitación de soporte magnético con el impulso de motor lineal, aplicable en trenes de alta velocidad según patente US 3.858.522.
J.A. y T.L.Beck desarrollan en 1987 un sistema de transporte de objetos por inducción lineal y levitación magnética controlada para cadenas de producción según patente US 4.704.568. Nakamura y otros realizan para Hitachi en 1988, con patente, US4.721.892, un sistema para gestión del impulso en un motor lineal para transporte con aportación de diversas fuentes de energía a lo largo del recorrido.
Matsui y otros patentan en Agosto de 1994 para la East Japan Railway Co. con número US.5.333.553, un motor lineal para vehículos urbanos con imanes permanentes a bordo y soporte convencional por ruedas. El deslizamiento entre el elemento móvil y la estructura fija puede ser favorecido por agua, como es el caso de la patente US2007/0207867 del canadiense R.D.Hunter para transporte magnético por motor lineal en parques acuáticos y atracciones similares.
Kitamura y otros patentan para Hitachi en Agosto del 2010 y número US 7.768.158B2, un motor linear cilíndrico con
imanes permanentes en la pieza móvil para un vehículo eléctrico de estructura convencional. El artículo de Thornton y otros en los Proceedings del IEEE, Vol. 97 noll de Noviembre de 2009, compendia el papel del motor
5 lineal en el transporte.
Frente a las aplicaciones estacionarias de la energía, el transporte ofrece la dificultad de un consumo distribuido en la trayectoria del móvil. De forma que en cada punto solo se aporta energía durante los instantes de paso del
10 vehículo. El requerimiento de energía dispersa se corresponde con las aportaciones de algunas fuentes renovables, en particular la radiación solar, como recurso permanente más abundante y mejor distribuido.
La presente invención aporta un sistema para captura y acumulación de la energía solar a lo largo de un sistema de transporte lineal que se transfiere en la sustentación neumática e impulsión electromagnética del vehículo en cada punto del recorrido.
Se reivindica un sistema de transporte lineal magneto-neumático, constituido por:
- •
- Una banda lineal activa sobre la que se desplazan los vehículos
- •
- Un mecanismo de soporte neumático del vehículo sobre un colchón de aire.
- •
- Un motor electromagnético lineal para impulso y frenada.
- •
- Un conjunto de dispositivos de captura solar térmica y fotovoltaica extendidos sobre la banda lineal de transporte.
- •
- Un conjunto de elementos de acumulación de energía térmica y eléctrica que contribuyen a la sustentación e impulso durante el paso del vehículo
- •
- Una red de comunicación y proceso de datos que gestiona la captura, acumulación y transferencia de energía.
El soporte neumático se realiza mediante la inyección de aire desde la base lineal estática y por la aerodinámica del perfil del móvil en su desplazamiento. El impulso y frenada se realiza por la interacción magnética entre los
imanes permanentes ubicados en el vehículo y la secuencia
de bobinas fijas en la base estática. La energía necesaria para la sustentación y desplazamiento de los vehículos se captura, total o 5 parcialmente, de la radiación solar incidente sobre la banda o plataforma lineal de desplazamiento. La energía se acumula localmente sobre la trayectoria de forma separada, térmica para la sustentación y electroquímica para la impulsión. El incremento de velocidad o ascenso
10 del vehículo se recupera en la frenada o descenso por el acoplamiento electromagnético. La medida y control de la sustentación neumática y la
interacción electromagnética se realiza por una red digital de datos extendida por toda la trayectoria. La
15 energía necesaria para el transporte puede ser complementada localmente, tanto con fuentes térmicas o eléctricas renovables como convencionales.
Los vehículos ligeros empleados son susceptibles de acoplamiento a plataformas rodantes motorizadas, 20 flotantes u otros mecanismos de transporte.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- •
- La figura 1 muestra la banda que determina la trayectoria, el soporte y el sistema de captura y almacenamiento de energía del sistema de transporte correspondiente al ejemplo l.
- •
- La figura 2 representa un esquema en sección de la interacción entre el vehículo y el soporte.
- •
- La figura 3 visualiza en perspectiva el vehículo circulando en viaducto sobre el terreno.
- •
- La figura 4 ofrece el diagrama de bloques con el flujo de energía y control en red del sistema de transporte.
- •
- La figura 5 visualiza un elemento unitario ultra-ligero
- •
- La figura 6 contiene el esquema en perspectiva de un vehículo deslizante ultraligero de dos plazas.
- •
- La figura 7 presenta un panorama del sistema lineal ultraligero en un entorno suburbano.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación se particulariza el sistema propuesto en:
EJEMPLO 1
Como primer ejemplo de aplicación preferencial de la invención se presenta un sistema de transporte lineal ligero cuya carga máxima se estima en 300kg/m2. La vía o banda de soporte (1) se realiza en viaducto sobre pilares
(2) , según se muestra en la figura l. La superficie superior de apoyo se forma por paneles híbridos (3) termo-fotovoltaicos de 1,2*0,6m entre los que existe una ranura (4) correspondiente al motor lineal.
Se supone un vehículo ligero de envolvente (9) con carga máxima de 300kg/m2, necesita como mínimo unos O, 03 bar para levitar, que se soporta mediante incremento de presión en colchón de neumático (7) entre el suelo del vehículo (6) en panel nido de abeja de aluminio y la banda de apoyo (3), de 2,7m de ancho, según se representa en la figura 2. El aire de la cámara (5) sufre las variaciones diarias de temperatura que, en el clima español y con radiación solar directa, superan los 20°C. Por ejemplo con Tmin 20°C y Tmax 40°C, la presión generada será de P(40)=P(20)*313/293 => 0,068bar, doble de lo necesario.
Esto supone rozamiento mínimo en el desplazamiento al tiempo que la velocidad, junto al diseño del móvil contribuyen a la sustentación con la aerodinámica de efecto suelo. Así, la aportación térmica al soporte neumático del vehículo solo será precisa en las zonas de arranque, parada o movimiento lento.
El deslizamiento sobre lámina neumática supone un rozamiento mínimo por lo que la energía necesaria para el avance se debe a la aceleración o ascenso del móvil y la resistencia aerodinámica de penetración en el aire.
La carga máxima por metro lineal de vehículo será 2,7*300kg = 810kg/m lineal. Supondremos inferior la carga media real en operación, entorno a unos 500kg/m como masa real del vehículo para cálculo de la energía necesaria para su desplazamiento. Asumiendo una aceleración de O a
- 100km/h
- en 30 segundos, se requiere un impulso en este
- tiempo
- corres pondiente al esfuerzo de 500Nw/m de
- vehículo.
Esto supone una potencia de aceleración de SOOW/m de vehículo. Estimando una aportación semejante la energía para penetración aerodinámica, la aportación global de potencia al vehículo en los tramos de aceleración se puede considerar de 1kW/m, que puede reducirse a la mitad en los tramos de velocidad de crucero.
La superficie por metro lineal de banda fotovoltaica es de unos 200Wp. En función de la orientación, zona y época del año se puede promediar en el 50% de captura de energía eléctrica durante 8 horas diarias. Esto supone una disponibilidad de energía eléctrica de O, SkWh/día y metro de trayectoria para impulsión.
La energía de los acumuladores electroquímicos se transfiere como picos controlados de corriente a las bobinas fijas (4F) que forman la base estática del motor lineal en la figura 2. El acoplamiento magnético dinámico impulsa los imanes permanentes del móvil (4M) con alta
eficiencia, por lo que se supone que la energía acumulada contribuye al impulso del vehículq.
Así, un vehículo (10) de la figura 3, con 10m de longitud tiene una masa de unos 5.000kg y viajando a lOOkm/h tarda O, 3s en pasar por un punto unitario de la trayectoria. Con una energía acumulada por unidad lineal de O, 8kWh y una potencia media de impulso de unos 800W, podrían circular vehículos por un hora de cada 24. Esto supone energía solar almacenada con la capacidad de mover 1.500kg/s con un límite de transporte en la línea de
Tanto la energía cinética del vehículo como la potencial al ascender en el terreno se recuperan por el motor lineal en las zonas de frenada o descenso. Por ello existe una distribución controlada de energía en la red de acumuladores a lo largo de la trayectoria. Ello supone una aportación adicional de energía no contemplada en las estimaciones anteriores.
La necesidad local de una aportación complementaria de energía puede realizarse de fuentes externas, tanto renovables como convencionales. Por otro lado, los tramos pobres en radiación solar directa, por ejemplo en ladera norte, pueden abastecerse de forma eficaz con recursos energéticos cercanos tales como micro-hidráulicas, eólica, seguidores solares externos, etc.
El diagrama de flujo, monitorización y control de la energía se representa en la figura 4. La radiación solar directa, 1.600kWh por metro cuadrado y año, de promedio en España, incide sobre la parte superior (3) de la banda de desplazamiento. Por ausencia de radiación o exceso de demanda en determinadas zonas, de arranque, subida, tráfico intenso, etc., puede ser necesaria una aportación externa de la red eléctrica o combustible (19) o de fuentes renovables próximas (20) .
La acumulación térmica (11) puede realizarse directamente sobre el gas a ligera sobrepresión o en almacenes intermedios tales como materiales de cambio de fase a la temperatura apropiada por el clima local. Esta se prepara como una cámara o depósito de aire comprimido (12) que se inyecta en el colchón neumático (7) al paso del vehículo mediante las válvulas (13).
La energía eléctrica se acumula localmente, durante el tiempo de irradiación solar, en baterías (15). Éstas cargan los super-condensadores (16) que disparan el pulso de corriente para aceleración o frenada al paso del vehículo por interacción magnética de las espiras (4F) con los imanes a bordo (4M) en la figura 2.
El circuito (14) de la figura 4, gestiona el subsistema de sustentación neumática del vehículo (10) . Por otro lado, el dispositivo (10) supervisa y controla el flujo
- de
- energía destinado al motor lineal (4) compuesto por el
- circuito
- de electroimán estacionario (4F) y el imán
- permanente
- a bordo (4M) .
EJEMPLO 2
El segundo ejemplo de aplicación presenta un sistema ultra-ligero, orientado al transporte urbano cuya carga máxima se reduce a 150kg/m2. La figura 5 representa un esquema del vehículo cuya base de deslizamiento neumático
(3) está constituida por una cadena de captadores fotovoltaicos con una anchura de 60cm. La presión exigida para el colchón neumático de sustentación (7) es proporcional a la carga superficial y, por tanto, inferior a la considerada en el ejemplo l. La base (6) se limita al espacio imprescindible para acomodar a un pasajero y el equipaje correspondiente.
Por tanto, la superficie superior de apoyo se forma por paneles híbridos (3) termo-fotovoltaicos de 1,2*0,6m, de forma semejante al ejemplo 1; aunque con diferente ubicación entre los diferentes módulos unidos por el lado menor del rectángulo. La superficie activa para captura eléctrica en este caso será aproximadamente la cuarta parte que en el ejemplo 1, unos 50Wp por metro lineal de trayectoria. La potencia media útil para impulsión en la vía puede estimarse en unos 25W/m.
En la zona media se mantiene la ranura (4) correspondiente al motor lineal cuyos imanes permanentes
(4M) se fijan al vehículo y las bobinas de impulsión (4F) a la plataforma estacionaria. En circulación urbana se asume una velocidad menor que la interurbana del ejemplo 1, con paradas próximas, así como aceleración y frenada frecuente.
Por ello, las pérdidas de energía por resistencia aerodinámica son menos significativas; mientras que la recuperación de potencia en deceleración y la sustentación neumática en baja velocidad juegan un papel fundamental. El pasajero con su equipaje constituye el elemento unidad; cuya base (6) se agrupa en vehículos de dimensiones adecuadas al tránsito de la zona.
La figura 6 muestra el esquema de un coche ultraligero para dos pasajeros. La composición puede proceder del tráfico interurbano a alta velocidad que representa el ejemplo 1; e insertarse posteriormente en una plataforma
5 rodante sobre carretera o camino convencional. Los nodos de intercambio entre modos pueden realizarse manteniendo la unidad pasajero equipaje, al reestructuras de forma dinámica la composición de cada vehículo, el mecanismo de apoyo y la envolvente en cada tramo.
10 La vía o banda de soporte (1), en la figura 7, requiere pilares (2) de carga mínima que pueden situarse sobre el terreno o sobre los muros o cubiertas de edificios próximos. Por otro lado, la trayectoria puede recorrer zonas sombreadas, con radiación escasa que resulte
15 improcedente la captura sobre la vía. En estos tramos la captura de energía solar puede realizarse sobre los muros, cubiertas u otras superficies próximas convenientemente orientadas.
20
Claims (9)
- REIVINDICACIONESl. Sistema de transporte lineal magneto-neumático, constituido por:
- a.
- Una banda lineal activa sobre la que se desplazan los vehículos
- b.
- Un mecanismo de soporte neumático del vehículo sobre un colchón de aire.
- e.
- Un motor electromagnético lineal para impulso y frenada.
- d.
- Un conjunto de dispositivos de captura solar térmica y fotovoltaica extendidos sobre la banda lineal de transporte.
- e.
- Un conjunto de elementos de acumulación de energía térmica y eléctrica que contribuyen a la sustentación e impulso durante el paso del vehículo
- f.
- Una red de comunicación y proceso de datos que gestiona la captura, acumulación y transferencia de energía.
-
- 2.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicación 1, caracterizado porque el soporte neumático se realiza mediante la inyección de aire desde la base lineal estática y por la aerodinámica del perfil del móvil en su desplazamiento.
-
- 3.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el impulso y frenada se realiza por la interacción magnética entre
los imanes permanentes ubicados en el vehículo y la secuencia de bobinas fijas en la base estática. -
- 4.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque la energía necesaria para la sustentación y desplazamiento
-
- 5.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque la energía se acumula localmente sobre la trayectoria y de forma separada, térmica para la sustentación y electroquímica para la impulsión.
-
- 6.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque el incremento de velocidad o ascenso del vehículo se recupera en la frenada o descenso por el acoplamiento electromagnético.
-
- 7.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque la medida y control de la sustentación neumática y la interacción electromagnética se realiza por una red digital de datos extendida por toda la trayectoria.
-
- 8.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque la energía necesaria para el transporte puede ser complementada localmente, tanto con fuentes térmicas o eléctricas renovables como convencionales.
-
- 9.
- Sistema de transporte lineal magneto-neumático, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque los vehículos ligeros empleados son susceptibles de acoplamiento a plataformas rodantes motorizadas, flotantes u otros mecanismos de transporte.
- de
- los vehículos se captura, total o parcialmente,
- de
- la
- radiación solar incidente sobre la banda o
- plataforma lineal de desplazamiento.
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- 2011-09-28 ES ES201101057A patent/ES2402008B1/es not_active Expired - Fee Related
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