CN111879689B - 一种多场景环境模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

一种多场景环境模拟实验系统，其特征在于：本发明在方舱内分别安装有风电叶片模拟装置、风速模拟装置、输电线模拟装置以及造雾装置，实现了在多场景环境模拟环境中风力发电设备及输电线路在不同气象因素作用下的覆冰形态、覆冰面积、覆冰厚度、强度等特征数据，有利于进行定量分析，本发明结构合理，集成度高，操作方便，能够在实验方舱内进行多场景环境模拟实验，现实中的很多气象条件都能够随时重现，并且能够精确控制气候特征参数，能够方便的进行针对特定实验条件的定量分析，多场景环境模拟效果逼真，能够很好的模拟出自然条件下不同地区、季节下温度变化时的覆冰情况。

Description

一种多场景环境模拟实验系统

技术领域

本发明涉及一种实验系统，尤其涉及一种多场景环境模拟实验系统，属于环境模拟实验设备技术领域。

背景技术

冻雨、雾凇、覆冰作为特殊的气候条件曾造成巨大的自然灾害，如输电线路覆冰造成塔杆倒塌、输电线断裂、闪络跳闸、绝缘子损坏等事故，使电网遭受严重破坏，造成大面积停电。另外，风电机组覆冰严重影响风电发电效率和运行安全，因此开展覆冰相关课题研究具有重要的现实意义。

在进行防灾减灾相关课题研究的过程中，由于现实中的很多气象条件无法随时重现，而且气候特征参数也无法控制，针对特定实验条件的定量分析难以实现，这给相关研究工作带来很大困难。现有技术中也有一些模拟单一自然气候环境的实验装置，比如冰冻实验装置，功能单一，只能实现单一场景的环境模拟。一直以来没能实现多场景环境的模拟，特别是雨雾雨量等的环境模拟存在很大的技术障碍，无法真实的模拟自然界中的多种气候因素，且无法实现人工干预和精准控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有的风力发电设备及输电线路进行防灾减灾相关课题研究时只能实现单一场景的环境模拟，一直存在难以进行多场景环境模拟实验的问题，现实中的很多气象条件无法随时重现，而且气候特征参数也无法控制，针对特定实验条件的定量分析难以进行的缺陷和不足，现提供一种结构合理，集成度高，操作方便，能够在实验方舱内进行多场景环境模拟实验，现实中的很多气象条件都能够随时重现，并且能够精确控制气候特征参数，能够方便的进行针对特定实验条件的定量分析，多场景环境模拟效果逼真的一种多场景环境模拟实验系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种多场景环境模拟实验系统，包括保温隔热方舱，其特征在于：所述保温隔热方舱的外壳体上设置有密封隔热门，保温隔热方舱的内部安装有制冷系统，保温隔热方舱的舱内底部设置有循环水槽，保温隔热方舱的舱内上部通过水箱支架安装有水箱，水箱与循环水槽之间通过循环水管相连通，循环水管上安装有水泵，水箱的底部安装有滑动滚轮，滑动滚轮搁置在水箱支架上的横向导轨内，水箱与水箱支架之间或者保温隔热方舱之间安装有往复移动机构，水箱的底部均匀设置有与水箱的内腔相连通的多个滴雨管或滴雨孔，水箱的底部还安装有雨雾喷头，水箱上安装有雨量调节机构，雨量调节机构包括水箱横梁、雨量调节板、雨量调节执行机构以及雨量调节针，水箱横梁安装在水箱的上端或上方，水箱横梁上安装有伸缩调节机构，伸缩调节机构的下部伸缩端上水平安装有雨量调节板，雨量调节板的底部垂直固定有与滴雨管相对应的雨量调节针，雨量调节针的轴心线与滴雨管的轴心线相重合，并且雨量调节针的直径小于滴雨管的孔径，保温隔热方舱的舱内安装有风电叶片动态模拟装置，保温隔热方舱的舱内安装有与风电叶片动态模拟装置相对应的风速模拟装置，保温隔热方舱的舱内且位于水箱的正下方安装有输电线动态模拟装置，风电叶片动态模拟装置包括风车叶片、调速电机以及基座，基座固定在保温隔热方舱的内部，基座上安装有调速电机，调速电机的转轴上安装有风车叶片，风速模拟装置包括风向调节格栅、风箱以及鼓风电机，风箱安装在保温隔热方舱的内部，风箱的后方进风端上安装有鼓风电机，风箱的前方出风端上设置有风向调节格栅，风箱的前方出风端朝向风电叶片动态模拟装置，输电线动态模拟装置包括左固定板、传动皮带、传动轮、导线舞动电机、输电线、转动卡销以及右固定板，左固定板固定在保温隔热方舱的内壁一侧，右固定板固定在保温隔热方舱的内壁另一侧，左固定板上分别安装有多个传动轮，各传动轮之间安装有传动皮带，其中一个传动轮上同轴上安装有导线舞动电机，传动轮上分别与输电线的一端相连接，输电线的另一端通过转动卡销安装在右固定板上。

进一步地，所述伸缩调节机构为微型气缸结构或电动推杆结构。

进一步地，所述保温隔热方舱的内部安装有造雾装置，造雾装置包括造雾机箱体、超声雾化器、储水箱以及排雾管，造雾机箱体设置在保温隔热方舱的内部，造雾机箱体内分别设置有超声雾化器和储水箱，超声雾化器的进水端与储水箱相连通，超声雾化器的排雾口与排雾管的下端相连接。

进一步地，所述保温隔热方舱的内部安装有置物架梁，置物架梁上搁置有实验样品，置物架梁上通过挂绳悬挂有绝缘子。

进一步地，所述保温隔热方舱的外壁上设置有控制面板，控制面板分别与制冷系统、风电叶片动态模拟装置、风速模拟装置、输电线动态模拟装置、超声雾化器以及造雨装置相连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用了具有良好保温隔热以及防水功能的实验方舱结构，通过操作控制面板就能够模拟出低温、高湿、冻雨、雾凇、寒风等现实中的各种气象条件，并且能够根据需要进行调节控制，能够很好的模拟出自然条件下不同地区、季节下温度变化时的覆冰情况。

2、本发明在方舱内安装有造雨装置，能够模拟出不同的降雨量，并能够通过往复移动机构来控制雨滴落点位置的随机分布，同时通过雨量调节针能够对对雨滴的滴速进行调节，雨量调节针在滴雨管内进行上下往复运动能够避免滴雨管内的水在低温环境下结冰。

3、本发明在方舱内分别安装有风电叶片动态模拟装置、风速模拟装置、输电线动态模拟装置以及造雾装置，实现了在多场景环境模拟环境中风力发电设备及输电线路在不同气象因素作用下的覆冰形态、覆冰面积、覆冰厚度、强度等特征数据，有利于进行定量分析。

4、本发明结构合理，集成度高，操作方便，能够在实验方舱内进行多场景环境模拟实验，现实中的很多气象条件都能够随时重现，并且能够精确控制气候特征参数，能够方便的进行针对特定实验条件的定量分析，多场景环境模拟效果逼真，有效解决了一直以来存在的针对风力发电设备及输电线路多场景环境模拟实验的技术难题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明密封隔热门关闭后的示意图。

图3是本发明造雨装置的结构示意图。

图4是本发明滴雨管和雨量调节针的结构示意图。

图5是本发明风电叶片动态模拟装置的结构示意图。

图6是本发明风速模拟装置的结构示意图。

图7是本发明输电线动态模拟装置的结构示意图。

图8是本发明造雾装置的结构示意图。

图9是本发明置物架的结构示意图。

图中：保温隔热方舱1，密封隔热门2，控制面板3，制冷系统4，循环水槽5，水箱6，水箱支架7，水箱横梁8，雨量调节板9，伸缩调节机构10，滑动滚轮11，循环水管12，雨雾喷头13，滴雨管14，雨量调节针15，往复移动机构16，风电叶片动态模拟装置17，风车叶片18，调速电机19，基座20，风速模拟装置21，风向调节格栅22，风箱23，鼓风电机24，输电线动态模拟装置25，左固定板26，传动皮带27，传动轮28，导线舞动电机29，输电线30，转动卡销31，右固定板32，造雾机箱体33，超声雾化器34，储水箱35，排雾管36，置物架梁37，实验样品38，挂绳39，绝缘子40。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1至图9，本发明的一种多场景环境模拟实验系统，包括保温隔热方舱1，其特征在于：所述保温隔热方舱1的外壳体上设置有密封隔热门2，保温隔热方舱1的内部安装有制冷系统4，保温隔热方舱1的舱内底部设置有循环水槽5，保温隔热方舱1的舱内上部通过水箱支架7安装有水箱6，水箱6与循环水槽5之间通过循环水管12相连通，循环水管12上安装有水泵，水箱6的底部安装有滑动滚轮11，滑动滚轮11搁置在水箱支架7上的横向导轨内，水箱6与水箱支架7之间或者保温隔热方舱1之间安装有往复移动机构15，水箱6的底部均匀设置有与水箱6的内腔相连通的多个滴雨管14或滴雨孔，水箱6的底部还安装有雨雾喷头13，水箱6上安装有雨量调节机构，雨量调节机构包括水箱横梁8、雨量调节板9、雨量调节执行机构10以及雨量调节针15，水箱横梁8安装在水箱6的上端或上方，水箱横梁8上安装有伸缩调节机构10，伸缩调节机构10的下部伸缩端上水平安装有雨量调节板9，雨量调节板9的底部垂直固定有与滴雨管14相对应的雨量调节针15，雨量调节针15的轴心线与滴雨管14的轴心线相重合，并且雨量调节针15的直径小于滴雨管14的孔径，保温隔热方舱1的舱内安装有风电叶片动态模拟装置17，保温隔热方舱1的舱内安装有与风电叶片动态模拟装置17相对应的风速模拟装置21，保温隔热方舱1的舱内且位于水箱6的正下方安装有输电线动态模拟装置25，风电叶片动态模拟装置17包括风车叶片18、调速电机19以及基座20，基座20固定在保温隔热方舱1的内部，基座20上安装有调速电机19，调速电机19的转轴上安装有风车叶片18，风速模拟装置21包括风向调节格栅22、风箱23以及鼓风电机24，风箱23安装在保温隔热方舱1的内部，风箱23的后方进风端上安装有鼓风电机24，风箱23的前方出风端上设置有风向调节格栅22，风箱23的前方出风端朝向风电叶片动态模拟装置17，输电线动态模拟装置25包括左固定板26、传动皮带27、传动轮28、导线舞动电机29、输电线30、转动卡销31以及右固定板32，左固定板26固定在保温隔热方舱1的内壁一侧，右固定板32固定在保温隔热方舱1的内壁另一侧，左固定板26上分别安装有多个传动轮28，各传动轮28之间安装有传动皮带27，其中一个传动轮28上同轴上安装有导线舞动电机29，传动轮28上分别与输电线30的一端相连接，输电线30的另一端通过转动卡销31安装在右固定板32上。

所述伸缩调节机构10为微型气缸结构或电动推杆结构。

所述保温隔热方舱1的内部安装有造雾装置，造雾装置包括造雾机箱体33、超声雾化器34、储水箱35以及排雾管36，造雾机箱体33设置在保温隔热方舱1的内部，造雾机箱体33内分别设置有超声雾化器34和储水箱35，超声雾化器34的进水端与储水箱35相连通，超声雾化器34的排雾口与排雾管36的下端相连接。

所述保温隔热方舱1的内部安装有置物架梁37，置物架梁37上搁置有实验样品38，置物架梁37上通过挂绳39悬挂有绝缘子40。

所述保温隔热方舱1的外壁上设置有控制面板3，控制面板3分别与制冷系统4、风电叶片动态模拟装置17、风速模拟装置21、输电线动态模拟装置25、超声雾化器34以及造雨装置相连接。

参见图1至图4，本发明采用了实验方舱结构，即保温隔热方舱1，保温隔热方舱1具有良好的保温隔热以及防水功能。保温隔热方舱1的外壳体上设置有密封隔热门2，密封隔热门2由隔热材料制成，能有效隔绝内外热量传导，打开密封隔热门2后便于实验器材的加载、设备维护和检修。保温隔热方舱1的外壁上设置有控制面板3，控制面板3与本实验系统所有的执行部件相连接，通过操作控制面板3就能够模拟出低温、高湿、冻雨、雾凇、寒风等现实中的各种气象条件，并且能够根据需要进行调节。操作控制面板3采用了触摸式人机交互操作界面，可根据实验需求设定实验参数，灵活控制多种环境因素。控制面板3所采用的控制操作系统是一个控制集成系统，可对覆冰实验室内的运动、模拟因素进行定量控制。保温隔热方舱1的内部安装有制冷系统4，用于对方舱进行降温制冷，制冷系统4能够设置降温速率，在可控温度范围内可设定目标温度，这样便可模拟自然条件下不同地区、季节下温度变化时的覆冰情况。

为了模拟出自然条件下的下雨环境，本发明采用了造雨装置，具体结构如下：在保温隔热方舱1的舱内上部通过水箱支架7，水箱6的底部安装有滑动滚轮11，滑动滚轮11搁置在水箱支架7上的横向导轨内，水箱6能够沿着横向导轨进行来回移动。水箱6与水箱支架7之间或者保温隔热方舱1之间安装有往复移动机构15，通过往复移动机构15来带动水箱6沿着横向导轨进行来回移动，从而调节控制雨滴落点位置的随机分布。往复移动机构15可以采用多种结构形式，例如伺服电机和丝杠的结构形式、连杆往复运动机构等，参见图3，采用了连杆往复运动机构的结构形式，连杆往复运动机构包括电机、转动件以及连杆，电机的转动轴上固定有转动件，转动件为杆件或轮盘，杆件或轮盘上与连杆的一端相铰接，连杆的另一端与水箱6相连接，电机转动就会通过转动件和连杆带动水箱6进行直线往复运动，通过调节电机的转速就能够调节直线往复运动的频率。

水箱6的底部均匀设置有与水箱6的内腔相连通的多个滴雨管14或滴雨孔，滴雨管14可以采用注射器针头，水箱6内的水在重力的作用下通过滴雨管14或滴雨孔落下，模拟雨滴，滴雨管14的管径根据所需要模拟的雨滴粒径进行选定。水箱6上安装有雨量调节机构，用于调节雨量大小，雨量调节机构包括水箱横梁8、雨量调节板9、雨量调节执行机构10以及雨量调节针15，水箱横梁8安装在水箱6的上端或上方，水箱横梁8上安装有伸缩调节机构10，伸缩调节机构10为微型气缸结构或电动推杆结构，伸缩调节机构10的下部伸缩端上水平安装有雨量调节板9，雨量调节板9能够在伸缩调节机构10的带动下进行一定距离的升降移动。雨量调节板9的底部垂直固定有与滴雨管14相对应的雨量调节针15，雨量调节针15为实心的针状结构，可以采用针灸针。雨量调节针15的轴心线与滴雨管14的轴心线相重合，并且雨量调节针15的直径小于滴雨管14的孔径，便于雨量调节针15插入到滴雨管14内，通过调节雨量调节针15插入到滴雨管14的深度来调节水的进入量，也就实现了对雨滴滴速的调节。另外，雨量调节针15在滴雨管14内进行上下往复运动能够避免滴雨管14内的水在低温环境下结冰，实现了滴雨管14的自动疏通。保温隔热方舱1的舱内底部设置有循环水槽5，循环水槽5可将造雨过程所产生的雨水通过循环水管12进行汇集回收，并通过循环水管12和水泵将水输送回水箱6，实现了水的循环利用。

为了模拟出细雨，本发明在水箱6的底部还安装有雨雾喷头13，雨雾喷头13内安装有微型水泵，可以模拟小粒径雾状细雨，还可以通过更换喷头和水泵压力来控制所造雨雾的粒径大小及浓度。本发明还通过造雾装置来模拟产生更真实的雾，造雾装置安装在保温隔热方舱1的内部，造雾装置包括造雾机箱体33、超声雾化器34、储水箱35以及排雾管36，造雾机箱体33设置在保温隔热方舱1的内部，造雾机箱体33内分别设置有超声雾化器34和储水箱35，超声雾化器34的进水端与储水箱35相连通，超声雾化器34的排雾口与排雾管36的下端相连接，超声雾化器34产生的雾通过排雾管36散发出来。

保温隔热方舱1的舱内安装有风电叶片动态模拟装置17，风电叶片动态模拟装置17相当于现实中风力发电设备的缩小版。风电叶片动态模拟装置17包括风车叶片18、调速电机19以及基座20，基座20固定在保温隔热方舱1的内部，基座20上安装有调速电机19，调速电机19的转轴上安装有风车叶片18。通过风电叶片动态模拟装置17可模拟叶片覆冰情景过程，进行覆冰形态、面积、厚度、重量等数据的定量分析。保温隔热方舱1的舱内安装有风速模拟装置21，风速模拟装置21用于模拟自然环境下的风，风速模拟装置21可以与造雨装置、风电叶片动态模拟装置17以及输电线动态模拟装置25配合使用。风速模拟装置21包括风向调节格栅22、风箱23以及鼓风电机24，风箱23安装在保温隔热方舱1的内部，风箱23的后方进风端上安装有鼓风电机24，风箱23的前方出风端上设置有风向调节格栅22，风箱23的前方出风端朝向风电叶片动态模拟装置17。

保温隔热方舱1的舱内且位于水箱6的正下方安装有输电线动态模拟装置25，输电线动态模拟装置25用于模拟输电线缆的滚动舞动等动作。输电线动态模拟装置25包括左固定板26、传动皮带27、传动轮28、导线舞动电机29、输电线30、转动卡销31以及右固定板32，左固定板26固定在保温隔热方舱1的内壁一侧，右固定板32固定在保温隔热方舱1的内壁另一侧，左固定板26上分别安装有多个传动轮28，各传动轮28之间安装有传动皮带27，其中一个传动轮28上同轴上安装有导线舞动电机29，传动轮28上分别与输电线30的一端相连接，输电线30的另一端通过转动卡销31安装在右固定板32上。导线舞动电机29带动传动轮28及传动皮带27转动，使得输电线30舞动，可模拟自然界中输电线在风力作用下的舞动，同时在制冷系统4和造雨装置的作用下，可研究不同气象因素作用下输电线路覆冰形态、强度等特征数据，进行定量分析。

另外，为了模拟出绝缘子或其它实验样品的应用场景，本发明在保温隔热方舱1的内部安装有置物架梁37，置物架梁37上搁置有实验样品38，置物架梁37上通过挂绳39悬挂有绝缘子40。将整个部分置于造雨装置之下，实验样品38上可涂覆不同实验材料，进行覆冰实验；绝缘子上可涂覆实验材料，进行绝缘子覆冰实验。

以输电线覆冰实验为例，实验条件为：外部温度由5℃在30分钟内匀速下降到-5℃，雨量充足，空气湿度60%-70%，自然风3级。实验开始前，先布设输电线30到转动卡销31的两端，完成后关闭密封隔热门2。先通过操作控制面板3启动制冷系统4，将保温隔热方舱1内温度降至5℃，此时，先保持温度恒定。开始设定降温时间30分钟，最低温度-5℃，风速模拟装置9出风3级，造雨装置开始造雨，调节雨量调节板9至雨量适中，可选择使用雨雾喷头13用于细雨模拟，选择使用造雾机构模拟产生更真实的雾，开启导线舞动电机29，使输电线30滚动、舞动，模拟在风吹下的动作。实验完成后，保持-5℃温度恒定一定时间，再操作控制面板3关闭制冷系统4和所有运动部件，打开密封隔热门2，取出输电线30，进行定量覆冰实验研究。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还会有各种简单替换、改进和变化，所做出的各种简单替换、改进和变化，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多场景环境模拟实验系统，包括保温隔热方舱（1），其特征在于：所述保温隔热方舱（1）的外壳体上设置有密封隔热门（2），保温隔热方舱（1）的内部安装有制冷系统（4），保温隔热方舱（1）的舱内底部设置有循环水槽（5），保温隔热方舱（1）的舱内上部通过水箱支架（7）安装有水箱（6），水箱（6）与循环水槽（5）之间通过循环水管（12）相连通，循环水管（12）上安装有水泵，水箱（6）的底部安装有滑动滚轮（11），滑动滚轮（11）搁置在水箱支架（7）上的横向导轨内，水箱（6）与水箱支架（7）之间或者保温隔热方舱（1）之间安装有往复移动机构（15），水箱（6）的底部均匀设置有与水箱（6）的内腔相连通的多个滴雨管（14）或滴雨孔，水箱（6）的底部还安装有雨雾喷头（13），水箱（6）上安装有雨量调节机构，雨量调节机构包括水箱横梁（8）、雨量调节板（9）、雨量调节执行机构（10）以及雨量调节针（15），水箱横梁（8）安装在水箱（6）的上端或上方，水箱横梁（8）上安装有伸缩调节机构（10），伸缩调节机构（10）的下部伸缩端上水平安装有雨量调节板（9），雨量调节板（9）的底部垂直固定有与滴雨管（14）相对应的雨量调节针（15），雨量调节针（15）的轴心线与滴雨管（14）的轴心线相重合，并且雨量调节针（15）的直径小于滴雨管（14）的孔径，保温隔热方舱（1）的舱内安装有风电叶片动态模拟装置（17），保温隔热方舱（1）的舱内安装有与风电叶片动态模拟装置（17）相对应的风速模拟装置（21），保温隔热方舱（1）的舱内且位于水箱（6）的正下方安装有输电线动态模拟装置（25），风电叶片动态模拟装置（17）包括风车叶片（18）、调速电机（19）以及基座（20），基座（20）固定在保温隔热方舱（1）的内部，基座（20）上安装有调速电机（19），调速电机（19）的转轴上安装有风车叶片（18），风速模拟装置（21）包括风向调节格栅（22）、风箱（23）以及鼓风电机（24），风箱（23）安装在保温隔热方舱（1）的内部，风箱（23）的后方进风端上安装有鼓风电机（24），风箱（23）的前方出风端上设置有风向调节格栅（22），风箱（23）的前方出风端朝向风电叶片动态模拟装置（17），输电线动态模拟装置（25）包括左固定板（26）、传动皮带（27）、传动轮（28）、导线舞动电机（29）、输电线（30）、转动卡销（31）以及右固定板（32），左固定板（26）固定在保温隔热方舱（1）的内壁一侧，右固定板（32）固定在保温隔热方舱（1）的内壁另一侧，左固定板（26）上分别安装有多个传动轮（28），各传动轮（28）之间安装有传动皮带（27），其中一个传动轮（28）上同轴上安装有导线舞动电机（29），传动轮（28）上分别与输电线（30）的一端相连接，输电线（30）的另一端通过转动卡销（31）安装在右固定板（32）上。

2.根据权利要求1所述的一种多场景环境模拟实验系统，其特征在于：所述伸缩调节机构（10）为微型气缸结构或电动推杆结构。

3.根据权利要求1所述的一种多场景环境模拟实验系统，其特征在于：所述保温隔热方舱（1）的内部安装有造雾装置，造雾装置包括造雾机箱体（33）、超声雾化器（34）、储水箱（35）以及排雾管（36），造雾机箱体（33）设置在保温隔热方舱（1）的内部，造雾机箱体（33）内分别设置有超声雾化器（34）和储水箱（35），超声雾化器（34）的进水端与储水箱（35）相连通，超声雾化器（34）的排雾口与排雾管（36）的下端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种多场景环境模拟实验系统，其特征在于：所述保温隔热方舱（1）的内部安装有置物架梁（37），置物架梁（37）上搁置有实验样品（38），置物架梁（37）上通过挂绳（39）悬挂有绝缘子（40）。

5.根据权利要求1所述的一种多场景环境模拟实验系统，其特征在于：所述保温隔热方舱（1）的外壁上设置有控制面板（3），控制面板（3）分别与制冷系统（4）、风电叶片动态模拟装置（17）、风速模拟装置（21）、输电线动态模拟装置（25）、超声雾化器（34）以及造雨装置相连接。

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