李文婧 孫 榕 刁鵬飛* 崔毓堯 朱旖凡 王欠欠

(1、東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040 2、東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)

1 概述

海洋是人類賴以生存的第二大家園，被認為是人類取之不盡，用之不竭的聚寶盆。然而，人們在追求自身利益的同時，將陸地廢渣排入海洋，在海水養(yǎng)殖、海洋礦產(chǎn)開采、交通運輸?shù)确矫骐S意傾倒廢棄物，致使海洋資源迅速減少，海洋污染問題也日益嚴重[1]。

統(tǒng)計顯示，海面垃圾中，塑料類占31%、泡沫類占46%、木制品占16%；海灘垃圾中，塑料類占22%、泡沫類占39%；海底垃圾中，塑料類比高達84%[2]。

對于這些近海垃圾，目前最常見的處理近海垃圾的方法主要包括人工捕撈以及借助大型的捕撈船撿拾。但這兩種手段都存在不同程度的局限性。捕撈船捕撈垃圾效率高，但不適用于近海，成本較為高昂，對捕撈人員的要求較高，使用過程中還會對海洋造成二次污染[3-5]。開發(fā)出一種新的方便快捷的近海垃圾捕撈方式成為亟待解決的問題。

本項目研究的光能海洋垃圾桶，通過筒身內(nèi)外壁的升降，過濾睡眠、存儲垃圾，由光伏板接收太陽能并將其儲存到鋰電池中，具有能源環(huán)保的特點，且整個裝置原理簡單、安裝及使用方便快捷、投入成本低等優(yōu)點，在節(jié)省人力的同時，降低了捕撈船排放物的二次污染，因此具有很強的可行性和實用性。

2 海洋垃圾桶結(jié)構(gòu)以及電器設(shè)計

2.1 海洋垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，我們將其分為主體部分、機械部分和能源裝置三部分，其中機械部分主要完成垃圾桶的內(nèi)部升降，以便于完成對垃圾的收集，能源裝置主要為整個設(shè)備提供電能，下面具體介紹。其中海洋垃圾桶的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 海洋垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 桶身部分

桶的桶身部分（如圖2所示）主要包括外桶，內(nèi)桶和過濾網(wǎng)袋。過濾袋由頂蓋、提手、過濾器和底環(huán)組成。頂蓋和底環(huán)的作用是使收集袋維持長筒的形狀，在桶中完成對海洋垃圾的收集，并完成海水和垃圾的分離。

圖2 海洋垃圾桶主體部分

2.1.2 機械部分

機械部分（如圖3）在收集海洋垃圾的過程中，外桶一直處于水面以下，采用氣泵水泵相結(jié)合的方式使內(nèi)桶在吸水時下降到低于水平面，此時桶周的漂浮物由于吸力進入桶中，隨后內(nèi)壁上升到水面以上，內(nèi)壁的水在水泵的作用下濾出，垃圾停留在過濾網(wǎng)內(nèi)，這樣就完成了一個工作循環(huán)。這樣的工作循環(huán)不間斷的循環(huán)往復(fù)，就達到了收集垃圾的效果。

圖3 升降裝置

2.1.3 能源裝置

第三部分為能源裝置，其中包括光伏板、電源控制裝置、蓄電池、逆變器。采用光伏發(fā)電技術(shù)，用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，光伏板將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在蓄電池中。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置，源源不斷的為電機提供電能，解決了在海洋環(huán)境中，海洋垃圾自動清理裝置的能源供應(yīng)問題，同時達到節(jié)能環(huán)保的目的。

2.2 電器控制

電氣控制方面，我們采用了兩組擴散硅壓阻式SSC系列表面安裝型壓力傳感模塊，一組安裝在內(nèi)桶內(nèi)壁，當(dāng)海水和垃圾被吸入桶中，桶內(nèi)壁下沉至內(nèi)桶被裝滿超過壓力傳感器的額定值，壓力傳感器產(chǎn)生信息電流控制氣泵開啟，利用氣壓使得內(nèi)壁上升至水平面以上，同時水泵開啟，把水排盡。另一組壓力傳感器安裝在外桶內(nèi)側(cè)，當(dāng)水排凈，氣壓由變化轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)氣泵排氣，使得內(nèi)桶再次下降，開啟另一個工作循環(huán)。使用基于8位C51單片機的控制，就能實現(xiàn)較為簡單的功能。此外還在內(nèi)壁口處安裝一組E3F-DS30C4光電傳感裝置，同樣采用8位C51單片機控制，當(dāng)裝置內(nèi)垃圾裝滿則發(fā)出清理信號。

3 優(yōu)勢分析

優(yōu)勢1——自動收集垃圾

在海洋垃圾桶使用過程中，桶的外壁一直處于水面以下，內(nèi)壁在吸水時下降到低于水平面，此時桶周的漂浮物由于吸力進入桶中，隨后內(nèi)壁上升到水面以上，內(nèi)壁的水在水泵的作用下濾出，垃圾停留在過濾網(wǎng)內(nèi)，這樣就完成了一個工作循環(huán)。這樣的工作循環(huán)不間斷的循環(huán)往復(fù)，就達到了收集垃圾的效果。并且在收集垃圾過程中無需人員看守[6]。

優(yōu)勢2——垃圾溢滿提醒功能

垃圾溢滿提醒功能主要由垃圾桶超聲波傳感器實現(xiàn)，垃圾桶超聲波傳感器最遠可以檢測35M，分辨率為1cm，工作溫度上下限高。這種傳感器等可以精準(zhǔn)穩(wěn)定的檢測垃圾桶內(nèi)剩余容量，對比其它幾種常見的距離檢測傳感器，因為垃圾桶箱體狹小、垃圾多樣（紅外傳感器檢測不了色的、透明的水瓶、玻璃制品等）等因素，效果都不理想。這個垃圾桶超聲波傳感器擁有自由內(nèi)部運行控制模式和外部數(shù)據(jù)自動觸發(fā)控制模式兩種內(nèi)部控制模式，數(shù)據(jù)以模擬輸出、脈寬模擬輸出、rs232輸出等為主，其中有高精準(zhǔn)的輸出聲功率與連續(xù)可變的輸出聲增益，能實時自動進行校準(zhǔn)，具有無噪聲檢測距離等特點。安裝在垃圾桶內(nèi)的超聲波傳感器系統(tǒng)可以輕松地應(yīng)對垃圾桶內(nèi)復(fù)雜的情況，達到了檢測垃圾桶內(nèi)剩余容量的效果[7]。

4 結(jié)論

本項目設(shè)計的光能海洋垃圾桶由桶身內(nèi)外壁的升降功能，實現(xiàn)對垃圾的收集，且在使用過程中僅需根據(jù)傳感器提示，定期回收垃圾，提高了人員利用率。并且在整個過程中采用的能源由光伏板轉(zhuǎn)化得到，潔凈環(huán)保。因此該設(shè)計不但使用簡單、制作成本低廉，而且環(huán)保安全，能夠避免傳統(tǒng)捕撈船對海洋的二次污染，是對捕撈船無法作業(yè)水域一種良好的補充，降低了治理近海垃圾的成本，具有很高的可行性和實用性，因此具有較好的推廣價值。