diseño conceptual 2

7/25/2019 Diseo Conceptual 2

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Diseo conceptual de un generador de energamediante reductores de velocidad vehicular:parte mecnica

ARTICLENOVEMBER 2013

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7 AUTHORS, INCLUDING:

lvaro Snchez Rodrguez

Instituto Tecnolgico de Celaya

1PUBLICATION 0CITATIONS

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Ral Lesso Arroyo


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Ramon Rodriguez



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Karla A. Camarillo-Gmez



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Availablefrom: Karla A. Camarillo-Gmez

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Pistas Educativas, No. 103, Noviembre 2013. Mxico, Instituto Tecnolgico de Celaya.

Pistas Educativas Ao XXXIII - ISSN 1405-1249Certificado de Licitud de Ttulo 6216; Certificado de Licitud de Contenido 4777; Expediente de Reserva 6 98 62

http://pistaseducativas.itc.mx

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Diseo conceptual de un generador de energamediante reductores de velocidad vehicular:

parte mecnica

lvaro Snchez RodrguezInstituto Tecnolgico de [email protected]

Alejandro Jerusaln Muoz GarcaInstituto Tecnolgico de Celaya

[email protected]

Ral Lesso ArroyoInstituto Tecnolgico de Celaya

[email protected]

Ramn Rodrguez CastroInstituto Tecnolgico de [email protected]

Karla Anhel Camarillo GmezInstituto Tecnolgico de [email protected]

Carlos Rafael Aguilar NjeraInstituto Tecnolgico de Celaya

[email protected]

RESUMEN

Se presenta el diseo conceptual de un dispositivo electromecnico para captar la

energa disponible en el flujo vehicular y transformarla en energa elctrica. Como inicio

se consider una metodologa de diseo general para obtener la propia a este trabajo,

en la etapa del anlisis de las alternativas se utiliz la metodologa TRIZ que considera

los requerimientos establecidos, posteriormente se diseo el dispositivo mecnico

auxiliados por ingeniera asistida por computadora CAD-CAE, seguido de la simulacin

de las partes con el propsito de reducir tiempos de implementacin y la posibilidad de


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evitar errores en la construccin del prototipo y para estimar la potencia elctrica a

generar. Se logr obtener un prototipo virtual que satisface el principio de

funcionamiento del sistema.

INTRODUCCIN

Uno de los temas referentes de la actualidad mundial durante los ltimos aos ha sido

el mercado energtico. La generacin, distribucin y consumo de energa son asuntos

de suma importancia, econmica y social, abarcando desde el entorno local hasta el

mundial. Lo anterior plantea un gran desafo para la sociedad y crea una excelente

base para generar investigacin y desarrollo de tecnologas en el rea de las energas

renovables no convencionales (ERNC), ya que abren una puerta hacia nuevas

soluciones, que en su conjunto, pueden ayudar a satisfacer la creciente demanda de

energa, aprovechando de manera eficiente y limpia el potencial energtico de la zona

en que se sita la necesidad (el mar, elico, solar, etc.).

La generacin de electricidad a partir del flujo vehicular es escasa comparada con otras

fuentes de energa renovable no convencional (ERNC), tales como la energa solar y la

elica. El desarrollo de esta tecnologa ha estado limitado a prototipos y proyectos que

se encuentran an en etapa de diseo. Por lo tanto, lo que se propone a travs de este

trabajo es el desarrollo de un reductor de velocidad (tope) que aproveche el peso de

los vehculos y lo transforme en energa elctrica.

La metodologa a desarrollar tendr que ver con romper la linealidad del pensamiento

con el cual se ha venido trabajando y desarrollando el proyecto, para esto se plantea la


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posibilidad de obtener soluciones aplicables al dispositivo a travs del uso del mtodo

TRIZ y su matriz de contradiccin, el cual es un mtodo que trabaja netamente con las

variables tpicas que surgen al momento de iniciar y desarrollar una invencin. Por otro

lado, el diseo y la ingeniera asistidos por computadora permiten reducir los tiempos

de implementacin y las posibilidades de error en la construccin del prototipo fsico.

REVISIN

A travs de los aos se han propuesto mtodos y aparatos para generar energa

elctrica. Por lo general, las formas convencionales de energa, por ejemplo, el viento,

el agua, la energa solar, nuclear, o la fuerza del vapor producido por la quema de

combustibles convencionales como el carbn, petrleo y gas, se han utilizado para

mover los generadores que producen energa elctrica. La mayora de estas fuentes de

energa sufren de desventajas: requieren de elevadas inversiones de capital, algunas

se limitan en cuanto a las cantidades disponibles y otras han creado problemas

ecolgicos, adems se desconoce cmo manejar determinadas fuentes de energa y

disponer de sus desechos en forma segura.

Esto ha provocado un gran inters en la extraccin de energa procedente de diversas

fuentes. Un tema apasionante est en relacin a la posibilidad de obtener energa a

partir del flujo vehicular, pues da paso a la siempre cautivante imaginacin del hombre y

a la audacia del ingenio ante este desafo, que sin dudad, supone una enorme

importancia para el futuro energtico de la humanidad.


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Existen varias patentes de dispositivos utilizados para captar este tipo de energa y

actualmente est siendo probado uno de ellos en Inglaterra [1]. Estos dispositivos

tienen como principal concepto el hecho de captar el peso de los vehculos en

movimiento, convertirlo en energa cintica rotacional y posteriormente en energa

elctrica [2]-[5]. Algunos utilizan un sistema hidrulico [6] y otros un sistema neumtico

[7,8].

Adems para conocer estas patentes relacionadas con este tipo de tecnologa se

utilizaron los distintos motores de bsqueda de las oficinas de patentes ms

importantes del mundo, las cuales se detallan a continuacin:

Bases de datos Oficina Europea de patentes [9].

Base de datos Oficina de patentes de los Estados Unidos [10].

Base de datos de la oficina de propiedad industrial del Reino Unido [11].

En varios de los sistemas, desde hace tiempo se reconoce que la energa potencial

contenida en los vehculos en movimiento se puede convertir en energa cintica para

generar energa elctrica, por medio de sistemas que implican medios neumticos,

hidrulicos o mecanismos que requieren de muchas partes complicadas, adems la

eficiencia de la mayora de estos sistemas ha resultado ser relativamente baja debido a

las prdidas por friccin.

En 1976 Le Van propone un aparato para generar energa elctrica mediante la

utilizacin del peso de los vehculos en movimiento. Esto se lograba mediante la

construccin de una plataforma mvil sobre la calzada, la cual se desplazaba

verticalmente con el peso de los vehculos que transitaban sobre ella, luego mediante


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un mecanismo de engranes este desplazamiento se converta en movimiento giratorio,

el cual se aprovechaba para impulsar un generador elctrico [2].

En este mismo ao Arthur B. Chiappetti propone un dispositivo que consista de un

tambor que se extenda ligeramente por encima de la superficie de la carretera, el

tambor era impulsado debido a la friccin que se generaba entre los neumticos y el

tambor al paso de los vehculos. El tambor estaba conectado al volante inercial y a un

generador, produciendo de esta forma energa elctrica [3].

En 1990 Asim K. propone un sistema que utilizaba un conjunto de ruedas, las cuales se

hacan girar bajo tierra, cada una de ellas estaba equipada con un mecanismo para

recibir y transmitir impulsos gravitacionales de par por el paso de vehculos, los cuales

mantenan las ruedas en movimiento. El mecanismo utilizado para aplicar los pulsos de

torsin consista en una plataforma inclinada, una varilla cilndrica hueca dispuesta

verticalmente y una zapata fijada al extremo inferior de la barra vertical por una bisagra.

Adems, un eslabonamiento de acero que conectaba la plataforma y la parte inferior de

la zapata se usaba para el posicionamiento inicial de la misma. La plataforma se

mantena en su posicin inicial por medio de un muelle. La electricidad se generaba

aprovechando el giro de cada rueda en combinacin con un sistema de engranaje

adecuado, los cuales actuaban como fuerza motriz de un alternador [4].

Posteriormente en 1977 Le Van incorpora una cmara flexible en la carretera, la cual

poda ser fcilmente deformada con los vehculos que transitaban sobre la misma.

Dentro de esta cmara se encontraba confinado un fluido incompresible.

Operativamente asociado a la cmara se encontraba un pistn. La disposicin era tal


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que el desplazamiento del fluido confinado dentro de la cmara le produca un

desplazamiento correspondiente al mbolo del pistn. Conectado con el pistn estaba

un eje de transmisin, el cual a su vez estaba conectado a un embrague unidireccional

y a un generador elctrico. De esta manera, el paso peridico de vehculos sobre la

cmara flexible mantena el giro de un generador elctrico [6].

En 2001 Juan Runner propone un dispositivo para generar aire a presin, el cual se

utilizaba para impulsar una turbina acoplada a un generador y de esta manera producir

energa elctrica. El dispositivo consista en una plataforma inclinada, pivotada en uno

de sus extremos y del lado opuesto contaba con una cremallera, la cual impulsaba a un

engrane que estaba acoplado a un motor neumtico, as mediante el paso sucesivo de

vehculos sobre la plataforma se generaba aire, el cual se almacenaba en un tanque.

Finalmente este are almacenado era liberado controladamente para mover a una

turbina, la cual impulsaba al generador elctrico.

Finalmente en 2010 Chang propone un sistema en el cual el peso de los vehculos en

movimiento se utilizaba para comprimir a un fluido dentro de una cmara. Este fluido

comprimido se liberaba para mover a una turbina, la que a su vez impulsaba a un

generador, y de esta manera producir energa elctrica [8].

En 1980 Santiago Martnez propone un sistema compuesto por una plataforma pivotada

en un extremo y del lado opuesto contena una estructura semicircular con balancines,

los cuales servan para impulsar a una turbina. La turbina era colocada en un eje comn

al de un generador. As mediante esta disposicin de elementos se generaba energa

elctrica con el paso sucesivo de vehculos [13].


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METODOLOGA

Para el desarrollo del proyecto fue necesario utilizar una gran variedad de herramientas,

todas ellas se resumen en la metodologa aplicada, la cual sirvi como gua durante la

investigacin y facilit el proceso de diseo. El diagrama que se muestra en la figura 1,

representa una secuencia de procesos por niveles, cada nivel signific la realizacin de

tareas distintas, partiendo de la identificacin de una necesidad hasta llegar a los

resultados.

Diseo Conceptual

Dimensionamiento

Fabricacin de Prototipo

Pruebas de Funcionalidad

Anlisis de Costos

Bsqueda de Informacin

Necesidad

Resultados

Anlisis de Informacin

Figura 1. Metodologa para el di seo conceptual


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Necesidad

El punto de partida de este proyecto fue la necesidad de desarrollar un sistema de

alimentacin elctrica para el elevador de un puente peatonal que funcionara mediante

energas alternativas.

Bsqueda de informacin

Se consultaron diferentes fuentes de informacin para la documentacin entre las ms

comunes estn los libros de consulta en bibliotecas, tesis, pginas Web, revistas de

divulgacin cientfica, memorias de congresos, instituciones, etc. La documentacin

respectiva de ste proyecto se presenta en los primeros dos captulos de este trabajo.

Anlisis de informacin

Posteriormente, el anlisis de las referencias da como resultado datos cualitativos y

cuantitativos relacionados con los requerimientos y necesidades del diseo conceptual.

Esta es una actividad primordial en la metodologa, ya que depende del siguiente punto

dentro del desarrollo de las alternativas. Una vez reconocida la necesidad se

establecen los requerimientos, que consisten en una lista de los que se desea lograr.

En esta fase no importante si las ideas propuestas son o no factibles, solo reflejan una

manera de resolver el problema por parte del diseador. Para el diseo se tienen los

siguientes requerimientos:

Simplicidad.

Resistencia a distintos tipos de cargas.


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Alta capacidad de generacin de energa.

Mantenimiento accesible.

Diseo conceptual del mecanismo

Para el diseo conceptual se uso la metodologa TRIZ y los requerimientos obtenidos

del anlisis de la informacin, se propusieron alternativas del mecanismo de manera

fundamentada e inicialmente se elige una de ellas mediante la aplicacin de la matriz

de decisin.

La primera alternativa consta de un reductor de velocidad soportado mediante un

sistema de resortes, los cuales sirven para almacenar en forma de energa potencial el

peso de los vehculos, la cual luego se liberar y se transformar en energa cintica

rotacional por medio del mecanismo de cremallera pin colocado al centro del reductor

de velocidad, el movimiento se amplifica mediante un sistema de engranes e impulsa al

generador elctrico, acoplado a un volante inercial, ver figura 2.

Figura 2. Alternativa 1 del mecanismo Figura 3. Alternativa 2 del mecanismo


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La segunda opcin coloca conjuntamente el sistema de engranes con un resorte de

fuerza constante. La energa obtenida de los vehculos mediante el paso sucesivo por el

reductor de velocidad, se almacena en forma de energa potencial por medio del

resorte. La energa almacenada se ir liberando controladamente y de esta manera

impulsar un generador elctrico, ver figura 3.

La tercera alternativa, es un mecanismo cremallera-pin y el sistema de engranes es

activado por un cilindro neumtico. La energa del peso vehicular se almacena en forma

de energa potencial por medio de aire comprimido dentro de un depsito, el cual luego

mediante un sistema de vlvulas y tuberas se utiliza para impulsar una turbina o un

motor neumtico y estos a su vez impulsarn al generador elctrico, ver figura 4.

Seleccin de alternativa

Las tres alternativas se evaluaron con una matriz de decisin, para ello se consideraron

los siguientes parmetros: costos de fabricacin, tiempo de construccin, capacidad de

generacin de, facilidad de mantenimiento, tamao, materiales. La alternativa con

mayor puntuacin fue la 1, vase tabla 1.

Tabla 1. Matriz de decisin para seleccin de alternativa


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Figura 4. Alternativa 3 del mecanismo Figura 5. Alternativa 1 seleccionada

Descripc in de alternativa seleccionadaEl mecanismo de transformacin del movimiento (transforma el movimiento lineal en rotacional),

permite la captura del peso del vehculo y su conversin en energa elctrica, ver figura 5. Para

la captura de la energa potencial, se dispone de un reductor de velocidad (6) sobre una

plataforma (5) la cual se encuentra soportada mediante resortes helicoidales de compresin (1)

y guas (3), los cuales sirven tambin para la restitucin de la plataforma a su posicin original.

En el centro, se encuentra conectada con una cremallera (2). Est configuracin permitir

capturar el peso del vehculo y transformarlo en un movimiento circular. Para la amplificacin

del movimiento y transmisin de potencia se utiliza un sistema de engranajes, en el cual la

cremallera (2) impulsa al pin (7), este se encuentra compartiendo el mismo eje (12) con el

engrane (8) al que tambin se le transmite la rotacin. Este engrane (8) a su vez le transmite el

movimiento al pin (9) que se encuentra sobre el eje (13), tenindose as la etapa de

amplificacin de movimiento. En este eje (13) se encuentra un volante inercial (10), el cual es

impulsado por el movimiento impartido a este eje (13). El volante (10) permitir que el

generador contine girando durante un tiempo mayor an cuando el sistema no se encuentre


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en funcionamiento. Para permitir el giro en un solo sentido, se cuenta con un rodamiento con

embrague (14) colocado en el engrane (8). Los ejes (12) y (13) se encuentran soportados

mediante rodamientos de bolas (11). Todo el dispositivo se encuentra soportado mediante

placas base (4) dentro de un alojamiento.

DISEO Y DESARROLLO DE PROTOTIPO

El proceso de diseo del prototipo se dividi en cuatro sistemas: sistema de captacin

de la energa, sistema de transmisin de la energa, sistema de conversin mecnica y

sistema de almacenamiento de energa, para facilitar la construccin de ensamble y

desensamble, de una manera rpida y segura.

Sistema de captacin de energa

El sistema de captacin de energa se compone de un reductor de velocidad,

plataforma base y plataforma soporte. Para el diseo del dispositivo se consider una

carga de 1 307 Kg debida al peso de un vehculo ms el de cuatro pasajeros con un

peso promedio de 80 Kg dando un total de 1 627 Kg.

Sistema de transmis in de energa

En esta etapa se consider el diseo de los resortes, se analizaron por elementos

finitos, considerando la parte superior como su gua y modelado como un sistema

masa-resorte.

Sistema de conversin mecnica

Se consideraron los mecanismos de cremallera-pion, amplificador de velocidad,

rodamientos para el eje principal y secundario y diseo de eje secundario.


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Sistema elctrico

El sistema de conversin mecnica elctrica para el dispositivo cuenta con un

generador elctrico que permite la obtencin de energa a tensin continua y constante

a partir de un eje que gira a una velocidad variable. Dados estos requerimientos y las

condiciones de tamao (debe ser relativamente fcil de transportar) y ambientales de

funcionamiento (humedad, corrosin, temperaturas altas) se debe optar por un sistema

que no necesite de continua mantencin. Dada su simplicidad y la posibilidad de un

control relativamente fcil sobre la magnitud de tensin generada, el generador

sincrnico trifsico.

Prototipo virtual de mecanismo generador de energa

Finalmente el modelo de prototipo virtual obtenido en CAD se muestra en la figura 6, la

tabla 2 presenta cada una de sus partes en el modelo. El dispositivo permite la captura

del peso del vehculo y su conversin en energa elctrica. Para la captura de la energa

potencial, se dispone de una plataforma (2) articulada en uno de sus extremos, la cual

se encuentra soportada mediante resortes de torsin (7), los cuales sirven tambin para

la restitucin de la plataforma a su posicin original. Por el extremo opuesto se

encuentra conectada con una cremallera semicircular (1). Est configuracin permitir

capturar el peso del vehculo y transformarlo en un movimiento circular.


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Figura 6. Modelo CAD de protot ipo

Para la amplificacin del movimiento y transmisin de potencia se utiliza un sistema de

engranajes, en el cual la cremallera (1) impulsa al engrane (3) por medio de un pin

(10) que se encuentra justo detrs de este y que se encuentra compartiendo el mismo

eje. Este engrane (3) a su vez le transmite el movimiento al mecanismo de trinquete (4)

por medio de un pin (9) acoplado al mismo. Detrs del trinquete (4) se encuentra

acoplado un generador (6) compuesto por un imn permanente y una bobina, el cual

esta rgidamente acoplado a la estructura de soporte. Todos los ejes (8) se encuentran

sobre rodamientos (5). El dispositivo se encuentra dentro de un alojamiento soportado

mediante una estructura.


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CONCLUSIONES

El prototipo virtual satisface el principio de funcionamiento del sistema propuesto, ya

que efectivamente al paso de los vehculos sobre el dispositivo se aprovechar su peso

para generar energa elctrica, adems conserva las caractersticas principales del

diseo que se propuso en primera instancia. Se disearon y seleccionaron todos los

componentes del dispositivo que permite aprovechar las presiones generadas por el

flujo vehicular para generar energa elctrica, de tal forma que se pueda llevar a cabo

su construccin, con materiales y tecnologa existente en el pas. El principal

inconveniente de este tipo de generacin es la variabilidad del recurso, que se traduce

en una velocidad de rotacin variable sobre el rotor de un generador elctrico.

Las herramientas computacionales CAD fueron de gran importancia al momento de

evaluar cada una de las soluciones que se plantearon dentro del desarrollo de este

trabajo. El apoyo en la teora de diseo mecnico y las modelaciones 3D, resultaron

importantes al momento de tomar decisiones en la seleccin de piezas, materiales,

mecanismos y dems elementos constituyentes del modelo puesto en consideracin en

este escrito. Estas herramientas con las que cuentan los ingenieros en la actualidad son

de gran ayuda para el diseo, ya que permiten predecir de manera muy cercana a la

realidad el comportamiento de los materiales, permitiendo un ahorro de tiempo, dinero y

brindando mayor confiabilidad a los diseos.

Se realiz una revisin de las manifestaciones de energa y los mtodos de extraccin

de aquellas aplicables en la generacin de energa elctrica. Particularmente ha sido

estudiada la energa debido al flujo vehicular y las tecnologas existentes.


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Para el desarrollo de este trabajo se utilizaron diferentes herramientas, de estas se

destacan la metodologa TRIZ, el diseo mecnico y el diseo asistido por

computadora, estas tres herramientas principalmente facilitaron el desarrollo del

proyecto puesto que la primera ayud a generar ideas con un sentido amplio a

resolucin de problemas inventivos, la segunda fue indispensable para el

dimensionamiento del dispositivo y en la seleccin de los materiales y la tercera

permiti plasmar dichas ideas en una realidad virtual, lo cual en la actualidad se

considera casi indispensable para el ahorro de tiempo en el proceso de diseo.

La matriz de decisin fue una herramienta fundamental para seleccionar la alternativa

ms, fcil, metdica e imparcial. Adems, la alternativa seleccionada cumpli con las

caractersticas bsicas para aprovechar el peso de los vehculos que transitan sobre el

dispositivo y transformarlo en energa elctrica.

A partir del movimiento mecnico obtenido por este dispositivo, el cual a la vez est

determinado por el flujo vehicular, se han propuesto y dimensionado los elementos

mecnicos necesarios para obtener un movimiento rotatorio sin grandes fluctuaciones

en un eje que puede ser acoplado a un generador elctrico.

Finalmente se obtuvo un prototipo virtual las cuales permitieron visualizar el principio de

funcionamiento de este dispositivo, pero debe contemplarse la construccin del

mecanismo real para etapas futuras, con el fin de observar su comportamiento en

condiciones reales de trabajo.


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REFERENCIAS

[1] Peter Huges, Electro-Kinetic Road Ramp, http://www.hughesresearch.co.uk/.

[2] Le Van Wayne P., Method and Apparatus for Generating Electricity by Vehicle

and Pedestrian Weight Force, 1976, patent USA 3944855.

[3] Chiappetti Arthur B., Energy Producing System, 1980, patent USA 4239975.

[4] Sen, Asim K., Generation of Electricity Using Gravitational Energy, 1990, patent

USA 4980572.

[5] McGee, Terrill A., Vehicle Actuated, Roadway Electrical Generator, 1986, patent

USA 4614875.

[6] Le Van Wayne P., Method and Apparatus for Utilizing Moving Traffic for

Generating Electricity and to Produce Other Useful Work, 1977, patent USA

4004422.

[7] Chang Hung-Wei, On-Road Energy Conversion and Vibration Absorber

Apparatus, 2010, patent USA 2010/0072758 A1.

[8] Runner John, Traffic-Based Energy Conversion System, 2001, patent USA

6204568 B1.

[9] http://ep.espacenet.com/

[10] http://patft.uspto.gov/

[11] http://www.ipo.gov.uk/


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[12] Crdoba, Ames Wilmer, TRIZ, la herramienta del pensamiento e innovacin

sistemtica. Power Lines Group Per S.A.C., 2008.

[13] Martnez Santiago. 4238687: Highway Turbine. US Patent, December 9, 1980.

diseño conceptual 2

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