周翔 楊婕 牛玉寧 于宗洋 滕叔同 彭肖葦

摘? 要? 綜合利用清潔能源的水域垃圾回收裝置是一種節(jié)能無污染的垃圾回收裝置，由船體、垃圾聚攏裝置、垃圾吸取裝置、垃圾粉碎和收集裝置以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)等五部分組成。在工作海面，垃圾聚攏裝置中的導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)，漂浮垃圾往渦流方向聚集；同時(shí)，海上的風(fēng)力氣流進(jìn)一步帶動(dòng)吸氣扇進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，垃圾吸取裝置將渦流處的漂浮垃圾吸入排料管內(nèi)，將漂浮垃圾輸送至粉碎箱內(nèi)，垃圾粉碎裝置對(duì)粉碎箱內(nèi)的漂浮垃圾進(jìn)行粉碎，粉碎后的垃圾通過接料盒落入垃圾收集盒。太陽能發(fā)電系統(tǒng)為電機(jī)工作提供電能。

關(guān)鍵詞? 水域垃圾回收裝置；清潔能源；海洋垃圾

中圖分類號(hào)：G644? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）21-0046-04

0? 引言

隨著海岸帶工業(yè)的發(fā)展以及各種海上活動(dòng)的加劇，不可避免地產(chǎn)生大量的海洋垃圾，這對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)及循環(huán)造成不可逆的損害，使海洋生態(tài)環(huán)境惡化[1]。每年流入海洋的垃圾有數(shù)百萬噸，僅太平洋上的海洋漂浮垃圾就已達(dá)300多萬平方公里[2-3]，盡管相關(guān)海洋環(huán)境保護(hù)的法律法規(guī)、條例以及水污染防治行動(dòng)計(jì)劃等都要求加強(qiáng)塑料陸源入海污染防控，但國家層面針對(duì)海洋垃圾的政策安排和制度體系尚未形成[4]。目前對(duì)于垃圾清理裝置的研究還處于初步發(fā)展階段，一般都是參考國外現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，缺少原創(chuàng)性設(shè)計(jì)[5]；垃圾清理裝置也存在吸附效果差、作業(yè)范圍窄、靈活性差等缺點(diǎn)，這使清理具有很大的局限性；同時(shí)用于船體供能的大量燃油燃燒會(huì)污染大氣環(huán)境。設(shè)計(jì)一種利用清潔能源的多功能水域垃圾清理裝置，該裝置節(jié)能無污染、成本低廉，適用于多種水域且回收效率高，將在水域環(huán)境治理方面產(chǎn)生較大影響。

1? 水域垃圾回收裝置的功能和原理設(shè)計(jì)

1.1? 功能介紹

一種綜合利用清潔能源的水域垃圾回收裝置具有聚攏、吸取、粉碎、濾水和沉淀的功能。垃圾聚攏裝置產(chǎn)生渦流，則漂浮垃圾往渦流方向聚集；垃圾吸取裝置中的吸料管收集漂浮垃圾，并利用吸料管上的孔道濾除垃圾中一部分水分；垃圾粉碎裝置內(nèi)部齒輪采用交錯(cuò)的刀架高速旋轉(zhuǎn)以快速粉碎收集的垃圾；沉淀裝置內(nèi)用到的垃圾儲(chǔ)存箱底部的密集小孔三級(jí)分離海水，抽屜式設(shè)計(jì)方便垃圾的傾倒；太陽能發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料為電機(jī)供能。

1.2? 原理設(shè)計(jì)

該水域垃圾回收裝置的工作原理是：在工作使用時(shí)，操控船體移動(dòng)至垃圾較多的海面處，當(dāng)感應(yīng)器接觸到海水的壓力，通過控制器可控制第二電機(jī)開始工作；第二電機(jī)通過導(dǎo)桿可帶動(dòng)導(dǎo)流板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)動(dòng)可使得船體周邊的水流產(chǎn)生渦流，使漂浮的垃圾往渦流方向聚集；同時(shí)，海上的風(fēng)力氣流可使風(fēng)力扇轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力扇上轉(zhuǎn)動(dòng)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可通過蝸桿套筒帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可使活動(dòng)桿帶動(dòng)吸氣扇轉(zhuǎn)動(dòng)，吸氣扇周邊會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的吸入風(fēng)流；通過吸氣管可將渦流處的漂浮垃圾吸入排料管內(nèi)，再通過排料管將漂浮垃圾輸送至粉碎箱內(nèi)；啟動(dòng)外部開關(guān)，使得第一電機(jī)開始工作，第一電機(jī)帶動(dòng)第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，豎桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可使粉碎刀頭對(duì)粉碎裝置內(nèi)的漂浮垃圾進(jìn)行粉碎，粉碎過程中的水通過分隔板上的瀝水孔以及接料盒內(nèi)通孔進(jìn)入海水儲(chǔ)存盒內(nèi)進(jìn)行收集；粉碎結(jié)束后，粉碎后的垃圾通過接料盒落入垃圾收集盒內(nèi)，最后將收集盒以及儲(chǔ)水盒分別從第一通槽以及第二通槽內(nèi)部取出清理即可。該裝置能快速將海洋垃圾進(jìn)行回收處理，整個(gè)垃圾收集過程沒有任何能耗，防止海洋垃圾對(duì)海岸環(huán)境的污染，同時(shí)減輕管理人員的工作強(qiáng)度。具體如圖1所示。

2? 水域垃圾回收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? 總體結(jié)構(gòu)

該裝置是由船體、聚攏裝置、吸取裝置、粉碎和收集裝置以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)等五部分組成。垃圾聚攏裝置包括過濾板、固定套筒、第二電機(jī)、感應(yīng)器、控制器、支撐板、導(dǎo)桿；垃圾吸取裝置包括吸料管、固定箱風(fēng)力扇、固定箱殼體、支撐桿、蝸桿套筒、轉(zhuǎn)動(dòng)桿、吸氣扇；垃圾粉碎和收集裝置包括進(jìn)料管、粉碎箱體、配電箱、第一電機(jī)、齒輪、粉碎刀架、支撐柱、接料盒、垃圾收集箱、海水儲(chǔ)存箱；太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、蓄電池組、控制器；實(shí)驗(yàn)船體選擇長(zhǎng)2米、寬0.5米的小型船體作為研究船型。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2? 重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1? 垃圾聚攏裝置? 垃圾聚攏裝置由過濾板、固定套筒、第二電機(jī)、感應(yīng)器、控制器支撐板、導(dǎo)桿、導(dǎo)流板組成。固定套筒內(nèi)壁連接有支撐板，電機(jī)固定于支撐板的頂部，電機(jī)輸出軸連接的是導(dǎo)桿，導(dǎo)桿與導(dǎo)流板連接，導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生渦流，漂浮垃圾向渦流方向聚集。該設(shè)置一方面可以避免在工作時(shí)有水生物靠近（影響垃圾收集效率及裝置運(yùn)作的穩(wěn)定性），另一方面有利于垃圾的收集，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2? 垃圾吸取裝置? 垃圾吸取裝置由吸料管和固定箱組成。固定箱的底部連通有吸氣管，吸氣管的底端與排料管頂部相連通，兩個(gè)支撐桿表面相對(duì)的一側(cè)之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接有轉(zhuǎn)動(dòng)桿，轉(zhuǎn)動(dòng)桿與兩側(cè)風(fēng)力扇相連，在轉(zhuǎn)動(dòng)桿表面的中部裝有蝸桿套筒，當(dāng)風(fēng)力扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)活動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生吸入風(fēng)流，對(duì)船周邊漂浮垃圾進(jìn)行收集，防止海洋垃圾對(duì)海岸環(huán)境的污染，同時(shí)減輕管理人員的工作強(qiáng)度。具體結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

2.2.3? 垃圾粉碎收集裝置? 垃圾粉碎和收集裝置內(nèi)壁頂部中部固定連接有第一電機(jī)，齒輪帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)吸收的垃圾進(jìn)行粉碎處理。粉碎后的垃圾通過接料盒進(jìn)入垃圾收集裝置，收集裝置下部接有海水儲(chǔ)存箱。粉碎裝置一側(cè)的底部開設(shè)有與收集裝置相適配的第一通槽，粉碎裝置的一側(cè)且位于第一通槽的底部開設(shè)有第二通槽，可實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾瀝下來的水分進(jìn)行收集。同時(shí)，垃圾收集裝置可對(duì)粉碎下來的垃圾進(jìn)行收集，且垃圾和海水的收集裝置均采用抽屜式設(shè)計(jì)，可方便后續(xù)人員的統(tǒng)一清理以及回收，防止產(chǎn)生二次污染。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2.4? 太陽能供電系統(tǒng)? 太陽能供電系統(tǒng)在裝置箱體頂部設(shè)置太陽能電池板，選用高效的多晶組件（72片串）。太陽板結(jié)構(gòu)邊框采用鋁合金材質(zhì)，采用陽極氧化技術(shù)改變其表面狀態(tài)和性能，太陽能板耐腐蝕、耐磨損，提高硬度，延長(zhǎng)太陽能板的使用壽命。采用單路MPPT逆變器獨(dú)立接入，降低逆變器電能損耗，將直流轉(zhuǎn)變成交流。逆變器自帶防過壓過流保護(hù)、防雷保護(hù)，系統(tǒng)自檢自查保護(hù)等，直接用于電動(dòng)機(jī)供電使用。

2.2.5? 控制系統(tǒng)? 控制系統(tǒng)包括支撐板頂部的一側(cè)固定連接的控制器，導(dǎo)流板底部的中部固定連接有感應(yīng)器。當(dāng)感應(yīng)器收到海面的壓力信號(hào)后，控制電路中的開關(guān)SB2，此時(shí)熱繼電器線圈KM1得電，輔助觸點(diǎn)KM1閉合，第二電機(jī)（M1）開始工作，第二電機(jī)通過導(dǎo)桿可帶動(dòng)導(dǎo)流板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生渦流。當(dāng)排料管將漂浮垃圾輸送至粉碎箱后，啟動(dòng)外部開關(guān)SB4，此時(shí)熱繼電器線圈KM2得電，輔助觸點(diǎn)KM2閉合，第一電機(jī)（M2）開始工作，帶動(dòng)第一齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)第二齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的控制電路屬于連鎖控制電路，如圖7所示。

2.3? 創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置在工作過程中以電機(jī)為動(dòng)力源，解決了舊式垃圾清理船耗油量巨大的弊??；固定套筒和粉碎箱頂部電機(jī)連接處鋪設(shè)的硅晶片能夠吸收較多的太陽能，從而利用太陽能發(fā)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)約大量的電能，對(duì)建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)發(fā)揮重大作用，實(shí)現(xiàn)清理供能一體化；垃圾吸取裝置中固定安裝箱兩側(cè)風(fēng)力扇借助海面外界風(fēng)力帶動(dòng)吸氣扇轉(zhuǎn)動(dòng)吸收海面垃圾，充分利用清潔能源，減少能源消耗，節(jié)約了大量資源。

3? 結(jié)論

綜合利用清潔能源的水域垃圾回收裝置，從海洋漂浮垃圾清理所面臨的迫切問題出發(fā)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理入手，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品存在的問題，借鑒相關(guān)裝置設(shè)計(jì)思路，通過對(duì)比分析、實(shí)地調(diào)研，制訂合理的解決方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能無污染，利用清潔能源工作，工作成本低廉且回收效率高，不但可以防止海洋垃圾對(duì)海岸環(huán)境的污染，而且能夠減輕管理人員的工作強(qiáng)度。在以后工作設(shè)計(jì)中應(yīng)注重回收垃圾的充分利用，在功能上更加完善，在實(shí)用中更加便捷，可以用于河道垃圾清理，實(shí)現(xiàn)多種水域共同工作。船用供電系統(tǒng)盡可能一體化，使供電蓄電更加方便快捷，盡可能地節(jié)約資源、創(chuàng)造能源。

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“一種綜合利用清潔能源的水域垃圾回收裝置”（39號(hào)）；2021年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：S202111066036）；

煙臺(tái)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“突發(fā)性公共衛(wèi)生事件啟示下的高校開放實(shí)驗(yàn)室管理模式探究”（編號(hào)：jyxm2020007）；

2020年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“高校開放實(shí)驗(yàn)室智能信息化管理系統(tǒng)建設(shè)”（編號(hào)：202002176016）和“高校開放實(shí)驗(yàn)室智能信息化管理系統(tǒng)建設(shè)”（編號(hào)：202002187047）。

作者：周翔、牛玉寧、于宗洋、滕叔同、彭肖葦，煙臺(tái)大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)本科生；楊婕，通信作者，煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院實(shí)驗(yàn)室管理辦公室主任，講師，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室裝備設(shè)計(jì)（264005）。