ZUSAMMENFASSUNG. 1. Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen.

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1 ZUSAMMENFASSUNG 1. Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen Die mechanische Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen war bisher nur für wenige Funktionstypen möglich. Diese Einschränkung wird nun aufgehoben. Erfindungsgemäß kann jede stetige Kraft-Weg-Funktion realisiert werden Das an einem festen Punkt 202 befestigte Seil 204 wird über eine bewegliche Rolle 203 und über eine feste Rolle 205 zu einem beweglichen Punkt 201 geführt. Hierbei ist die Rolle 203 mit einem oder mehreren Gewichten 206a und 206b versehen und wird auf einer Bahn 208 derart zwangsgeführt, dass sich durch die Variation der Bahnsteigung die gewünschten Seilkräfte, die durch das Seil 204 auf den beweglichen Punkt 201 übertragen werden, einstellen lassen. 2.3 Die Erfindung kann als Sturmsicherung einer Windkraftanlage verwendet werden. Hierbei steuert sie die wegabhängigen Rückstellkräfte für die Steuerfahne. Insbesondere lässt sich durch diese Erfindung eine optimale Sturmsicherung einer Windkraftanlage bis zu Orkanwindstärken realisieren. Hierbei wird der Rotor der Windkraftanlage bei großen Windgeschwindigkeiten aus dem Wind gedreht, bis die Windkraftanlage die Maximalleistung abgibt, ohne dabei beschädigt zu werden.

2 ZEICHNUNG ZUR ZUSAMMENFASSUNG

3 BESCHREIBUNG Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass einige Kraft-Weg-Funktionen mithilfe der in Figur 1 bis 4 ersichtlichen Vorrichtungen, deren Kombinationen und weiteren Flaschenzügen realisiert werden können. Figur 1 zeigt die simpelste Möglichkeit, eine konstante Kraft-Weg-Funktion zu realisieren. Hierbei wird ein Gewicht 104 vom beweglichen Punkt 101 über eine feste Rolle 103 durch das Seil 102 horizontal nach oben gezogen. In Figur 2 wird dargestellt, wie man eine konstante Kraft-Weg-Funktion durch eine zusätzliche schiefe Ebene 109 verwirklichen kann. Das Gewicht 108 wird dabei zusätzlich gelagert. Figur 3 zeigt eine Realisierung von linearen Kraft-Weg-Funktionen. Hierbei wird eine Feder 112 an einem festen Punkt 113 angebracht und mit einem horizontal beweglichen Punkt 110 über ein Seil 111 verbunden. Durch die Auslenkung der Feder 112 erhöht sich nach dem Hook schen Gesetz die von Feder 112 erzeugte Spannkraft. In Figur 4 wird ein bestimmter Typ von nicht-linearen Kraft-Weg-Funktionen über ein v-förmig aufgehängtes Gewicht 118 realisiert. Das Seil 115 wird vom beweglichen Punkt 114 über eine feste Rolle 116 und eine vertikal verschiebbare Rolle 117, welche mit dem Gewicht 118 versehen ist, zum festen Punkt 119 geführt. Wird der Weg nun verändert, wird Rolle 117 nach oben gezogen, wodurch sich die durch das Gewicht 118 verursachte Rückstellkraft vergrößert. Eine spezielle Variante dieser Vorrichtung wird bereits in der US A zur Höhenregulierung von elektrischen Lampen vorgeschlagen. Hierbei wird die Situation betrachtet, dass Rolle 116 und Befestigungspunkt 119 soweit zusammengeschoben werden, bis die Seilabschnitte zwischen 116 und 117 bzw. 116 und 119 parallel zueinander stehen. Dieser Spezialfall stellt damit einen Flaschenzug dar, was eine konstante Kraft-Weg- Funktion impliziert. Eine solche v-förmige Vorrichtung wird auch schon zur Steuerung von Windkraftanlagen verwendet, wie dies z. B. in dem Buch von Horst Crome Handbuch Windenergie-Technik, 1. Auflage (Staufen bei Freiburg: ökobuch Verlag `2000 ISBN ), S gezeigt und beschrieben ist. Der DD A3 ist eine Seilzugvorrichtung mit einem auf einer Schräge geführten Gewicht entnehmbar, mit deren Hilfe eine Untersuchungsliege einfach in der Höhe verstellt werden kann. Mit dieser Vorrichtung erhält man eine näherungsweise lineare Kraft-Weg-Funktion. Die Lösungen nach dem Stand der Technik, wie sie in Figur 1 und 2 beschrieben werden, erlauben nur konstante Seilkräfte. Mit einer Vorrichtung wie in Figur 3 können im Allgemeinen nur lineare Kraft-Weg-Funktionen realisiert werden. Des Weiteren altert eine Feder ziemlich schnell, wodurch die Kraft-Weg-Funktion verfälscht wird. Der in Figur 4 dargestellte Lösungsansatz erlaubt nur spezielle nichtlineare Kraft-Weg-Funktionen. Diese sind progressiv und damit streng monoton -1-

4 steigend. Des Weiteren können durch Kombinationen dieser Lösungsansätze nur eine geringe Anzahl von Kraft-Weg-Funktionen realisiert werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätze die Parameter und Variabilität einer gewünschten Kraft- Weg-Funktion stark einschränken, beziehungsweise nicht jede gewünschte Kraft- Weg-Funktion verwirklicht werden kann. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass jede stetige Kraft-Weg-Funktion beliebig genau umgesetzt und die Kraft in alle Richtungen weitergeleitet werden kann. Des Weiteren ist unsere Konstruktion sehr robust. Die Anlage ist außerdem sehr einfach zu justieren und für die Umsetzung einer neuen Funktion werden lediglich eine neue Kulisse mit der modifizierten Bahn und gegebenenfalls neue Gewichte benötigt. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen wird im Folgenden anhand der Figuren 5 und 6 beschrieben. Hierbei zeigt Figur 5 die Erfindung von der Seite, während in Figur 6 die Vorrichtung von oben dargestellt ist. (Aus Gründen der Übersicht sind der Bolzen 209 und die Gewichte 206a und 206b in Figur 5 nicht eingezeichnet.) Wie Figur 5 zeigt, ist das Seil 204 am festen Punkt 202 und beweglichen Punkt 201 befestigt. Dazwischen wird es über eine bewegliche Rolle 203 und eine feste Rolle 205 geführt. Letztere kann als Umlenkrolle für die Seilkräfte in eine beliebige Richtung dienen. Die bewegliche Rolle 203 ist mit den Gewichten 206a und 206b versehen und wird durch den zylinderförmigen Bolzen 209 in einer die Kraft-Weg- Funktion bestimmenden Bahn 208, die durch die Kulisse 207 erzeugt wird, zwangsgeführt. Die Kulisse 207 besteht aus zwei Metallplatten 207a und 207b, in welche die gewünschte Bahn beim Herstellungsprozess zuvor gefräst wurde. Die deckungsgleichen Platten 207a und 207b sind durch Abstandshülsen 210 in einem bestimmten Abstand miteinander verschraubt. Die Abstandshülsen 210 sind dabei so platziert, dass sie den Verlauf des Seils 204 nicht blockieren. Wie in Figur 6 zu erkennen ist, wird die Rolle 203 mittig über eine Übermaßpassung auf dem Bolzen 209 zwischen den Kulisseteilen 207a und 207b angebracht. Des Weiteren werden außerhalb von den Kulissenteilen 207a und 207b zwei Ringe mit Madenschrauben 212a und 212b befestigt. Es folgen dann wie in Figur 6 zu erkennen ist jeweils die Scheiben 213a und 213b, die Gewichte 206a und 206b und die Scheiben 214a und 214b. Die Gewichte 206a und 206b sind zylinderförmig beschaffen und besitzen in der Mitte eine Bohrung mit dem Durchmesser des Bolzens 209 (Spielpassung). Die Enden des Bolzens 209 müssen mit Gewinden versehen werden, damit die Gewichte 206a und 206b durch die Sicherungsmuttern 215a und 215b fixiert werden können. Beide Gewichte 206a und 206b sollten die gleiche Masse haben, um einem Verkanten des Bolzens 209 vorzubeugen. Aus diesem Grund sollten auch auf beiden Seiten der Kulissenteile 207a und 207b die Bauteile 212, 213, 206, 214 und 215 symmetrisch zur Rolle 203 angebracht werden. -2-

5 Nachdem der Aufbau der Vorrichtung in den vorherigen Abschnitten beschrieben wurde, soll im Folgenden die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen erläutert werden. Durch die Gewichtskräfte der Gewichte 206a und 206b und die Stützkraft der Bahn 208 muss eine bestimmte Kraft am Punkt 201 aufgebracht werden, um die Rolle 203 an der momentanen Position zu halten. Durch eine Positionsänderung von Punkt 201 (und damit einer Wegänderung) verändert sich auch die Position von Rolle 203, wodurch sich die Stützkraft und damit auch die Rückstellkraft ändern. Durch eine geeignete Wahl der Bahnsteigungen kann für jede Position des Punkts 201 jede Rückstellkraft erzielt werden. Der letzte Teil der Beschreibung beschäftigt sich mit einem Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich um die Steuerung für eine kleine, selbstregelnde Windkraftanlage handelt. Hierbei soll sich die Anlage (und damit der Rotor 326) bei zunehmender Windbelastung automatisch aus dem Wind herausdrehen, optimal jedoch nur soviel, dass immer noch eine maximale Leistungsausbeute erreicht werden kann. Der schematische Aufbau einer Windkraftanlage, die sich automatisch aus dem Wind dreht, ist in Figur 7 und Figur 8 dargestellt. Eine solche Windkraftanlage besteht aus zwei starren Systemen. In einem System lässt sich die Steuerfahne 323 um das Gelenk 324 frei drehen. Das zweite System besteht aus der Querfahne 325, dem Rotor 326, der Generatorplatte 327 und dem Generator 328. Letztgenannte Bauteile sind miteinander verschraubt und können sich um das Lager 329 frei drehen. Beide Systeme werden durch das Seil 304, welches in einem System am Holepunkt 301 der Steuerfahne befestigt ist und im anderen System über die Umlenkrolle 317 geführt wird, miteinander gekoppelt. Figur 9 soll nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen Windkraftanlage verdeutlichen. Dabei soll die Pfeilrichtung stets die Windrichtung darstellen. Figur 9a bis 9c veranschaulichen den Mechanismus bei einer Windzunahme. Sobald sich die Windgeschwindigkeit vergrößert, wird die Kraft auf die Steuerfahne 323 und auf das Seil 304 größer. Somit dreht sich die Steuerfahne 323 im Uhrzeigersinn aus dem Wind heraus, gleichzeitig verlängert sich das Seil 304 zwischen der Umlenkrolle 317 und dem Holepunkt 301. Dabei nimmt die effektive Windquerschnittsfläche der Steuerfahne 323 ab und das Drehmoment auf die Querfahne überwiegt, wodurch sich letztgenannte und damit auch die ganze Anlage gegen den Uhrzeigersinn aus dem Wind herausdreht. Sobald aber der Wind wieder abschwächt (Figur 9d bis 9f), wird auch die Seilkraft geringer, wodurch sich das Seil 304 durch die Rückstellkräfte wieder zu verkürzen beginnt und die Steuerfahne 323 sich wieder in den Wind dreht. Ihre effektive Windquerschnittsfläche nimmt wieder zu und deren Drehmoment beginnt zu dominieren. Die Anlage dreht sich wieder im Uhrzeigersinn in den Wind hinein. -3-

6 Diese Sturmsicherung ist einfach und robust, erfordert aber eine gute Steuerung für die Seilkräfte, sodass zu jeder Seillänge die gewünschte Rückstellkraft wirkt, um die Windkräfte auszugleichen. Vor der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen gab es keine mechanische Realisierung der optimalen Kaft-Weg-Funktion zur Steuerung einer solchen Windkraftanlage. Optimal bedeutet hier, dass die Windkraftanlage auch bei sehr großen Windgeschwindigkeiten noch mit maximaler Leistung betrieben werden kann, ohne dass sie dabei beschädigt wird. Erfindungsgemäß kann die zuvor beschriebene Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen als optimale Steuerung einer solchen Windkraftanlage eingesetzt werden. -4-

7 Anlage 5: PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Realisierung von Kraft-Weg-Funktionen, die gleichzeitig folgende zwei Merkmale erfüllt: a) ein Seil (204) wird ausgehend von einem festen Befestigungspunkt (202) über eine bewegliche Rolle (203), welche mit Gewichten (206a, 206b) versehen ist, und über eine feste Rolle (205) zu einem beweglichen Punkt (201) geführt, b) der Mittelpunkt der beweglichen Rolle (203) wird durch einen zylinderförmigen Bolzen auf einer Bahn (208) derart zwangsgeführt, dass sich durch Variation der Bahnsteigung die gewünschten Seilkräfte, die durch das Seil (204) übertragen werden, einstellen lassen. 2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn (208) durch eine Kulisse (207) erzeugt wird. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorrichtung die Steuerfahne (323) einer Windkraftanlage gesteuert wird, indem die durch die Vorrichtung erzeugten Seilkräfte über das Seil (304) derart auf die Steuerfahne (323) wirken, dass die Windkraftanlage bei Windzunahme aus der Windrichtung herausgedreht und bei Windabnahme wieder in die Windrichtung hineingedreht wird. -1-

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