一種景觀式靜態水域水面垃圾自動收集器的設計

張育豪

（西北師范大學附屬中學，甘肅 蘭州 730070）

1 靜態水域懸浮垃圾污染及清理現狀

景區人工湖、池塘、城市靜態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，工作效率高但結構復雜，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；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、環保、穩定，適合于小型靜態水域使用的水面垃圾自動收集器。

2 靜態水域垃圾自動收集器的結構設計及工作原理

2.1 總體結構設計

該水面垃圾自動收集器主要包括垃圾收集裝置、能量收集和轉換裝置、驅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換成電能驅動水泵運轉產生渦流，懸浮垃圾由水流帶入渦流中心收集于網狀內膽，成本底廉，使用方便，易于實現。

垃圾收集裝置主要包括桶狀外膽和網狀內膽，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件設計而成，外膽上邊緣設計一卡槽，用于裝配網狀內膽，內膽主要用于收集垃圾，可更換。能量收集和轉換裝置主要以太陽能光伏板和集成的能量轉換電路為主，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轉換為電能，驅動潛水泵運轉，太陽能光伏板可根據需要設計為不同形狀，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，設計潛水泵的泵水量及外膽尺寸能夠使膽內水面與膽外水面保持一定的水位差，并在膽內形成微旋渦對周邊水面產生吸力。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。總體結構設計如圖1 所示。

圖1 景觀式靜態水域垃圾自動收集器結構示意圖

2.2 工作原理

能量收集和轉換裝置的太陽能光伏板收集太陽能后轉變為電能驅動電機運轉，電機帶動水泵運轉。水泵工作將膽內的水不斷排出，在膽內形成微漩渦產生吸力，周邊水面的水自動流向膽內漩渦，由此不斷循環，使得水面垃圾隨水流進入內膽，聚集在一起，人工定期清理垃圾或更換內膽即可保證收集器正常工作。

該收集器的關鍵在于1-2cm 水位差的控制，根據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。

3 創新點分析

該收集器的創新之處主要體現在：

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

（2）利用水流微漩渦原理自動收集垃圾，節約人力，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，實現了垃圾清理的自動化，解放了人力。

（3）太陽能光伏板可設計組合為不同形狀，兼具湖面景觀裝飾效果。

4 應用前景分析

目前，景區人工湖等靜態水域水面垃圾主要靠人力清除，工人作業強度大，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，結構簡單，使用方便，兼具清潔和景觀雙重功用，可廣泛應用于湖面等小型靜態水域水面清潔，特別適合于景區人工湖、靜態河流、水庫、魚塘等的水面清潔與景觀裝飾，取代傳統人工作業。該收集器普及應用后，將能夠大力改善景區水域的清潔度，提高水域環境治理的自動化程度，降低清潔工人的勞動強度，節約人力，保障作業人員的安全性，同時，設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，符合節能、環保的理念，因此，該收集器具有很好的發展前景，具有廣闊的市場需求和應用價值。

5 結論

該水面垃圾自動收集器主要由垃圾收集裝置、能量收集和轉換裝置、驅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動水泵泵水，在水域局部產生微旋渦促使水面懸浮垃圾自動聚集收入收集器。下一步研究可根據水域面積大小計算設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發展和太陽能光伏技術的不斷成熟，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，使得收集器內膽中集滿垃圾后能夠發出智能提示信號，對垃圾進行智能分類處理；二是改進設計太陽能光伏板及其電路，增設蓄電池，使其晴天時在蓄電池內儲存電能，保證夜晚及陰天均能持續工作。