一种景观式静态水域水面垃圾自动收集器的设计

张育豪

（西北师范大学附属中学，甘肃 兰州 730070）

1 静态水域悬浮垃圾污染及清理现状

景区人工湖、池塘、城市静态河流等水域表面常会有落叶、枯枝、一次性食品包装袋、饮料瓶等漂浮垃圾，这些垃圾不仅影响美观，还对我们的环境造成了污染。针对这些水面悬浮垃圾，目前采用的清理方式主要有人工打捞、机械打捞及水面机器人清理等三种方式。人工打捞效率低下，清洁度不高，并存在一定的安全隐患；机械打捞以垃圾打捞船为主，工作效率高但结构复杂，形体大，使用成本高，船体受地形限制大，不适合较浅水域作业；水面机器人清理自动化、智能化程度高，但机器人造价成本也高，经济性不佳。基于此背景，本论文阐述了一种以太阳能为能源、环保、稳定，适合于小型静态水域使用的水面垃圾自动收集器。

2 静态水域垃圾自动收集器的结构设计及工作原理

2.1 总体结构设计

该水面垃圾自动收集器主要包括垃圾收集装置、能量收集和转换装置、驱动及涡流生成装置和悬浮固定装置四大部分。主要以太阳能光伏板收集能量转换成电能驱动水泵运转产生涡流，悬浮垃圾由水流带入涡流中心收集于网状内胆，成本底廉，使用方便，易于实现。

垃圾收集装置主要包括桶状外胆和网状内胆，外胆上大下小，类似于普通垃圾桶形状，整个收集器以外胆为核心基础件设计而成，外胆上边缘设计一卡槽，用于装配网状内胆，内胆主要用于收集垃圾，可更换。能量收集和转换装置主要以太阳能光伏板和集成的能量转换电路为主，太阳能光伏板通过外胆外缘的支架固定于收集器上方，只要天气晴朗均可接收到阳光并持续转换为电能，驱动潜水泵运转，太阳能光伏板可根据需要设计为不同形状，既能收集能量，同时兼具景观装饰作用。潜水泵和其电机为驱动及涡流生成装置，潜水泵安装于外胆底部，泵的入水口与胆内相通，出水口位于胆外水中，也可以通过固定水管伸于水面上方，设计潜水泵的泵水量及外胆尺寸能够使胆内水面与胆外水面保持一定的水位差，并在胆内形成微旋涡对周边水面产生吸力。为保证收集器正常工作，水面垃圾能够顺利流入收集器，收集器外胆的上边缘必须略低于水面1-2cm 且位置相对固定,因此还设计了悬浮固定装置。悬浮固定装置由真空浮仓、锚式固定杆以及连接绳索等组成，真空浮仓围绕于外胆外周，锚式固定杆固定于近岸较浅水域，杆上连接绳索，绳索另一端连接于收集器外壳。总体结构设计如图1 所示。

图1 景观式静态水域垃圾自动收集器结构示意图

2.2 工作原理

能量收集和转换装置的太阳能光伏板收集太阳能后转变为电能驱动电机运转，电机带动水泵运转。水泵工作将胆内的水不断排出，在胆内形成微漩涡产生吸力，周边水面的水自动流向胆内漩涡，由此不断循环，使得水面垃圾随水流进入内胆，聚集在一起，人工定期清理垃圾或更换内胆即可保证收集器正常工作。

该收集器的关键在于1-2cm 水位差的控制，根据阿基米德物体浮沉定律，作用于水中物体的浮力的大小等于物体所排开的水的质量，该收集器形状为倒锥状，其底部和外胆都会受到水的浮力，锥体以其圆心为中心，整个外胆周围法向所受压力大小相等，方向相反，故可以相互抵消。因此，控制水位差的关键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。因为收集器正常工作时是悬浮于水面的，其胆内充满水，故其浮力可忽略不计，悬浮主要依赖于真空浮仓提供的浮力来实现。

3 创新点分析

该收集器的创新之处主要体现在：

（1）收集器由太阳能光伏板供能，无需外接电源，安全环保。太阳能为一次清洁能源，属于可再生能源，符合目前的能源环保理念。

（2）利用水流微漩涡原理自动收集垃圾，节约人力，提升效率。相较于目前最为常见的人工打捞方式，微漩涡使得水面垃圾自动聚拢，实现了垃圾清理的自动化，解放了人力。

（3）太阳能光伏板可设计组合为不同形状，兼具湖面景观装饰效果。

4 应用前景分析

目前，景区人工湖等静态水域水面垃圾主要靠人力清除，工人作业强度大，工作危险性高且清洁效率不理想，该水面垃圾自动收集器机动灵活，制造成本低，结构简单，使用方便，兼具清洁和景观双重功用，可广泛应用于湖面等小型静态水域水面清洁，特别适合于景区人工湖、静态河流、水库、鱼塘等的水面清洁与景观装饰，取代传统人工作业。该收集器普及应用后，将能够大力改善景区水域的清洁度，提高水域环境治理的自动化程度，降低清洁工人的劳动强度，节约人力，保障作业人员的安全性，同时，设计组合成不同形状的太阳能光伏板在水面上方形成的独特的景观，可提高静态水域的观赏性。收集器只利用太阳能保障其工作，无需外电源，符合节能、环保的理念，因此，该收集器具有很好的发展前景，具有广阔的市场需求和应用价值。

5 结论

该水面垃圾自动收集器主要由垃圾收集装置、能量收集和转换装置、驱动及涡流生成装置和悬浮固定装置等四大部分组成，收集器悬浮于水面工作，主要利用太阳能供能驱动水泵泵水，在水域局部产生微旋涡促使水面悬浮垃圾自动聚集收入收集器。下一步研究可根据水域面积大小计算设计不同型号的收集器供不同用户选择。随着人工智能的持续发展和太阳能光伏技术的不断成熟，该收集器还可做进一步的改进：一是置入人工智能控制系统，使得收集器内胆中集满垃圾后能够发出智能提示信号，对垃圾进行智能分类处理；二是改进设计太阳能光伏板及其电路，增设蓄电池，使其晴天时在蓄电池内储存电能，保证夜晚及阴天均能持续工作。