綜合利用清潔能源的水域垃圾回收裝置設計研究

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流板轉(zhuǎn)動，漂浮垃圾往渦流方向聚集；同時，海上的風力氣流進一步帶動吸氣扇進行轉(zhuǎn)動，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)，垃圾粉碎裝置對粉碎箱內(nèi)的漂浮垃圾進行粉碎，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)為電機工作提供電能。

關鍵詞? 水域垃圾回收裝置；清潔能源；海洋垃圾

中圖分類號：G644? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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的加劇，不可避免地產(chǎn)生大量的海洋垃圾，這對整個海洋生態(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300多萬平方公里[2-3]，盡管相關海洋環(huán)境保護的法律法規(guī)、條例以及水污染防治行動計劃等都要求加強塑料陸源入海污染防控，但國家層面針對海洋垃圾的政策安排和制度體系尚未形成[4]。目前對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)進行優(yōu)化改進，缺少原創(chuàng)性設計[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，這使清理具有很大的局限性；同時用于船體供能的大量燃油燃燒會污染大氣環(huán)境。設計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計

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)用到的垃圾儲存箱底部的密集小孔三級分離海水，抽屜式設計方便垃圾的傾倒；太陽能發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料為電機供能。

1.2? 原理設計

該水域垃圾回收裝置的工作原理是：在工作使用時，操控船體移動至垃圾較多的海面處，當感應器接觸到海水的壓力，通過控制器可控制第二電機開始工作；第二電機通過導桿可帶動導流板進行轉(zhuǎn)動，導流板的轉(zhuǎn)動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，海上的風力氣流可使風力扇轉(zhuǎn)動，風力扇上轉(zhuǎn)動桿的轉(zhuǎn)動可通過蝸桿套筒帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪的轉(zhuǎn)動可使活動桿帶動吸氣扇轉(zhuǎn)動，吸氣扇周邊會產(chǎn)生強勁的吸入風流；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)；啟動外部開關，使得第一電機開始工作，第一電機帶動第一齒輪轉(zhuǎn)動，第一齒輪的轉(zhuǎn)動可帶動第二齒輪轉(zhuǎn)動；同時，豎桿的轉(zhuǎn)動可使粉碎刀頭對粉碎裝置內(nèi)的漂浮垃圾進行粉碎，粉碎過程中的水通過分隔板上的瀝水孔以及接料盒內(nèi)通孔進入海水儲存盒內(nèi)進行收集；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行回收處理，整個垃圾收集過程沒有任何能耗，防止海洋垃圾對海岸環(huán)境的污染，同時減輕管理人員的工作強度。具體如圖1所示。

2? 水域垃圾回收裝置的結(jié)構(gòu)設計

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、感應器、控制器、支撐板、導桿；垃圾吸取裝置包括吸料管、固定箱風力扇、固定箱殼體、支撐桿、蝸桿套筒、轉(zhuǎn)動桿、吸氣扇；垃圾粉碎和收集裝置包括進料管、粉碎箱體、配電箱、第一電機、齒輪、粉碎刀架、支撐柱、接料盒、垃圾收集箱、海水儲存箱；太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、蓄電池組、控制器；實驗船體選擇長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? 重點結(jié)構(gòu)設計

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、感應器、控制器支撐板、導桿、導流板組成。固定套筒內(nèi)壁連接有支撐板，電機固定于支撐板的頂部，電機輸出軸連接的是導桿，導桿與導流板連接，導流板的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生渦流，漂浮垃圾向渦流方向聚集。該設置一方面可以避免在工作時有水生物靠近（影響垃圾收集效率及裝置運作的穩(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，兩個支撐桿表面相對的一側(cè)之間轉(zhuǎn)動連接有轉(zhuǎn)動桿，轉(zhuǎn)動桿與兩側(cè)風力扇相連，在轉(zhuǎn)動桿表面的中部裝有蝸桿套筒，當風力扇轉(zhuǎn)動時，帶動活動桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生吸入風流，對船周邊漂浮垃圾進行收集，防止海洋垃圾對海岸環(huán)境的污染，同時減輕管理人員的工作強度。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，齒輪帶動刀架轉(zhuǎn)動，對吸收的垃圾進行粉碎處理。粉碎后的垃圾通過接料盒進入垃圾收集裝置，收集裝置下部接有海水儲存箱。粉碎裝置一側(cè)的底部開設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有第二通槽，可實現(xiàn)對垃圾瀝下來的水分進行收集。同時，垃圾收集裝置可對粉碎下來的垃圾進行收集，且垃圾和海水的收集裝置均采用抽屜式設計，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，延長太陽能板的使用壽命。采用單路MPPT逆變器獨立接入，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、防雷保護，系統(tǒng)自檢自查保護等，直接用于電動機供電使用。

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，導流板底部的中部固定連接有感應器。當感應器收到海面的壓力信號后，控制電路中的開關SB2，此時熱繼電器線圈KM1得電，輔助觸點KM1閉合，第二電機（M1）開始工作，第二電機通過導桿可帶動導流板進行轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生渦流。當排料管將漂浮垃圾輸送至粉碎箱后，啟動外部開關SB4，此時熱繼電器線圈KM2得電，輔助觸點KM2閉合，第一電機（M2）開始工作，帶動第一齒輪進行轉(zhuǎn)動，第一齒輪的轉(zhuǎn)動可帶動第二齒輪進行轉(zhuǎn)動。電機的控制電路屬于連鎖控制電路，如圖7所示。

2.3? 創(chuàng)新點

本裝置在工作過程中以電機為動力源，解決了舊式垃圾清理船耗油量巨大的弊病；固定套筒和粉碎箱頂部電機連接處鋪設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)動電機轉(zhuǎn)動，節(jié)約大量的電能，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)發(fā)揮重大作用，實現(xiàn)清理供能一體化；垃圾吸取裝置中固定安裝箱兩側(cè)風力扇借助海面外界風力帶動吸氣扇轉(zhuǎn)動吸收海面垃圾，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)設計和工作原理入手，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品存在的問題，借鑒相關裝置設計思路，通過對比分析、實地調(diào)研，制訂合理的解決方案，實現(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海岸環(huán)境的污染，而且能夠減輕管理人員的工作強度。在以后工作設計中應注重回收垃圾的充分利用，在功能上更加完善，在實用中更加便捷，可以用于河道垃圾清理，實現(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。

參考文獻

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*項目來源：煙臺大學2021年校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“‘監(jiān)微知著——海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖實時監(jiān)控裝置”（38號）和

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

煙臺大學教學改革研究項目“突發(fā)性公共衛(wèi)生事件啟示下的高校開放實驗室管理模式探究”（編號：jyxm2020007）；

2020年第一批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“高校開放實驗室智能信息化管理系統(tǒng)建設”（編號：202002176016）和“高校開放實驗室智能信息化管理系統(tǒng)建設”（編號：202002187047）。

作者：周翔、牛玉寧、于宗洋、滕叔同、彭肖葦，煙臺大學輪機工程專業(yè)本科生；楊婕，通信作者，煙臺大學海洋學院實驗室管理辦公室主任，講師，研究方向為實驗室裝備設計（264005）。