一種景觀式靜態(tài)水域水面垃圾自動收集器的設(shè)計

張育豪

（西北師范大學附屬中學，甘肅 蘭州 730070）

1 靜態(tài)水域懸浮垃圾污染及清理現(xiàn)狀

景區(qū)人工湖、池塘、城市靜態(tài)河流等水域表面常會有落葉、枯枝、一次性食品包裝袋、飲料瓶等漂浮垃圾，這些垃圾不僅影響美觀，還對我們的環(huán)境造成了污染。針對這些水面懸浮垃圾，目前采用的清理方式主要有人工打撈、機械打撈及水面機器人清理等三種方式。人工打撈效率低下，清潔度不高，并存在一定的安全隱患；機械打撈以垃圾打撈船為主，工作效率高但結(jié)構(gòu)復雜，形體大，使用成本高，船體受地形限制大，不適合較淺水域作業(yè)；水面機器人清理自動化、智能化程度高，但機器人造價成本也高，經(jīng)濟性不佳。基于此背景，本論文闡述了一種以太陽能為能源、環(huán)保、穩(wěn)定，適合于小型靜態(tài)水域使用的水面垃圾自動收集器。

2 靜態(tài)水域垃圾自動收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該水面垃圾自動收集器主要包括垃圾收集裝置、能量收集和轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動及渦流生成裝置和懸浮固定裝置四大部分。主要以太陽能光伏板收集能量轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，懸浮垃圾由水流帶入渦流中心收集于網(wǎng)狀內(nèi)膽，成本底廉，使用方便，易于實現(xiàn)。

垃圾收集裝置主要包括桶狀外膽和網(wǎng)狀內(nèi)膽，外膽上大下小，類似于普通垃圾桶形狀，整個收集器以外膽為核心基礎(chǔ)件設(shè)計而成，外膽上邊緣設(shè)計一卡槽，用于裝配網(wǎng)狀內(nèi)膽，內(nèi)膽主要用于收集垃圾，可更換。能量收集和轉(zhuǎn)換裝置主要以太陽能光伏板和集成的能量轉(zhuǎn)換電路為主，太陽能光伏板通過外膽外緣的支架固定于收集器上方，只要天氣晴朗均可接收到陽光并持續(xù)轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動潛水泵運轉(zhuǎn)，太陽能光伏板可根據(jù)需要設(shè)計為不同形狀，既能收集能量，同時兼具景觀裝飾作用。潛水泵和其電機為驅(qū)動及渦流生成裝置，潛水泵安裝于外膽底部，泵的入水口與膽內(nèi)相通，出水口位于膽外水中，也可以通過固定水管伸于水面上方，設(shè)計潛水泵的泵水量及外膽尺寸能夠使膽內(nèi)水面與膽外水面保持一定的水位差，并在膽內(nèi)形成微旋渦對周邊水面產(chǎn)生吸力。為保證收集器正常工作，水面垃圾能夠順利流入收集器，收集器外膽的上邊緣必須略低于水面1-2cm 且位置相對固定,因此還設(shè)計了懸浮固定裝置。懸浮固定裝置由真空浮倉、錨式固定桿以及連接繩索等組成，真空浮倉圍繞于外膽外周，錨式固定桿固定于近岸較淺水域，桿上連接繩索，繩索另一端連接于收集器外殼。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 景觀式靜態(tài)水域垃圾自動收集器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

能量收集和轉(zhuǎn)換裝置的太陽能光伏板收集太陽能后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茯?qū)動電機運轉(zhuǎn)，電機帶動水泵運轉(zhuǎn)。水泵工作將膽內(nèi)的水不斷排出，在膽內(nèi)形成微漩渦產(chǎn)生吸力，周邊水面的水自動流向膽內(nèi)漩渦，由此不斷循環(huán)，使得水面垃圾隨水流進入內(nèi)膽，聚集在一起，人工定期清理垃圾或更換內(nèi)膽即可保證收集器正常工作。

該收集器的關(guān)鍵在于1-2cm 水位差的控制，根據(jù)阿基米德物體浮沉定律，作用于水中物體的浮力的大小等于物體所排開的水的質(zhì)量，該收集器形狀為倒錐狀，其底部和外膽都會受到水的浮力，錐體以其圓心為中心，整個外膽周圍法向所受壓力大小相等，方向相反，故可以相互抵消。因此，控制水位差的關(guān)鍵就在于控制水泵的排水量和排水速度以及收集器的吃水深度。因為收集器正常工作時是懸浮于水面的，其膽內(nèi)充滿水，故其浮力可忽略不計，懸浮主要依賴于真空浮倉提供的浮力來實現(xiàn)。

3 創(chuàng)新點分析

該收集器的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在：

（1）收集器由太陽能光伏板供能，無需外接電源，安全環(huán)保。太陽能為一次清潔能源，屬于可再生能源，符合目前的能源環(huán)保理念。

（2）利用水流微漩渦原理自動收集垃圾，節(jié)約人力，提升效率。相較于目前最為常見的人工打撈方式，微漩渦使得水面垃圾自動聚攏，實現(xiàn)了垃圾清理的自動化，解放了人力。

（3）太陽能光伏板可設(shè)計組合為不同形狀，兼具湖面景觀裝飾效果。

4 應(yīng)用前景分析

目前，景區(qū)人工湖等靜態(tài)水域水面垃圾主要靠人力清除，工人作業(yè)強度大，工作危險性高且清潔效率不理想，該水面垃圾自動收集器機動靈活，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，兼具清潔和景觀雙重功用，可廣泛應(yīng)用于湖面等小型靜態(tài)水域水面清潔，特別適合于景區(qū)人工湖、靜態(tài)河流、水庫、魚塘等的水面清潔與景觀裝飾，取代傳統(tǒng)人工作業(yè)。該收集器普及應(yīng)用后，將能夠大力改善景區(qū)水域的清潔度，提高水域環(huán)境治理的自動化程度，降低清潔工人的勞動強度，節(jié)約人力，保障作業(yè)人員的安全性，同時，設(shè)計組合成不同形狀的太陽能光伏板在水面上方形成的獨特的景觀，可提高靜態(tài)水域的觀賞性。收集器只利用太陽能保障其工作，無需外電源，符合節(jié)能、環(huán)保的理念，因此，該收集器具有很好的發(fā)展前景，具有廣闊的市場需求和應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

該水面垃圾自動收集器主要由垃圾收集裝置、能量收集和轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動及渦流生成裝置和懸浮固定裝置等四大部分組成，收集器懸浮于水面工作，主要利用太陽能供能驅(qū)動水泵泵水，在水域局部產(chǎn)生微旋渦促使水面懸浮垃圾自動聚集收入收集器。下一步研究可根據(jù)水域面積大小計算設(shè)計不同型號的收集器供不同用戶選擇。隨著人工智能的持續(xù)發(fā)展和太陽能光伏技術(shù)的不斷成熟，該收集器還可做進一步的改進：一是置入人工智能控制系統(tǒng)，使得收集器內(nèi)膽中集滿垃圾后能夠發(fā)出智能提示信號，對垃圾進行智能分類處理；二是改進設(shè)計太陽能光伏板及其電路，增設(shè)蓄電池，使其晴天時在蓄電池內(nèi)儲存電能，保證夜晚及陰天均能持續(xù)工作。