李文婧 孙 榕 刁鹏飞* 崔毓尧 朱旖凡 王欠欠

(1、东北林业大学工程技术学院,黑龙江 哈尔滨150040 2、东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨150040)

1 概述

海洋是人类赖以生存的第二大家园，被认为是人类取之不尽，用之不竭的聚宝盆。然而，人们在追求自身利益的同时，将陆地废渣排入海洋，在海水养殖、海洋矿产开采、交通运输等方面随意倾倒废弃物，致使海洋资源迅速减少，海洋污染问题也日益严重[1]。

统计显示，海面垃圾中，塑料类占31%、泡沫类占46%、木制品占16%；海滩垃圾中，塑料类占22%、泡沫类占39%；海底垃圾中，塑料类比高达84%[2]。

对于这些近海垃圾，目前最常见的处理近海垃圾的方法主要包括人工捕捞以及借助大型的捕捞船捡拾。但这两种手段都存在不同程度的局限性。捕捞船捕捞垃圾效率高，但不适用于近海，成本较为高昂，对捕捞人员的要求较高，使用过程中还会对海洋造成二次污染[3-5]。开发出一种新的方便快捷的近海垃圾捕捞方式成为亟待解决的问题。

本项目研究的光能海洋垃圾桶，通过筒身内外壁的升降，过滤睡眠、存储垃圾，由光伏板接收太阳能并将其储存到锂电池中，具有能源环保的特点，且整个装置原理简单、安装及使用方便快捷、投入成本低等优点，在节省人力的同时，降低了捕捞船排放物的二次污染，因此具有很强的可行性和实用性。

2 海洋垃圾桶结构以及电器设计

2.1 海洋垃圾桶结构设计

在本产品的结构设计上，我们将其分为主体部分、机械部分和能源装置三部分，其中机械部分主要完成垃圾桶的内部升降，以便于完成对垃圾的收集，能源装置主要为整个设备提供电能，下面具体介绍。其中海洋垃圾桶的整体结构图如图1所示。

图1 海洋垃圾桶结构图

2.1.1 桶身部分

桶的桶身部分（如图2所示）主要包括外桶，内桶和过滤网袋。过滤袋由顶盖、提手、过滤器和底环组成。顶盖和底环的作用是使收集袋维持长筒的形状，在桶中完成对海洋垃圾的收集，并完成海水和垃圾的分离。

图2 海洋垃圾桶主体部分

2.1.2 机械部分

机械部分（如图3）在收集海洋垃圾的过程中，外桶一直处于水面以下，采用气泵水泵相结合的方式使内桶在吸水时下降到低于水平面，此时桶周的漂浮物由于吸力进入桶中，随后内壁上升到水面以上，内壁的水在水泵的作用下滤出，垃圾停留在过滤网内，这样就完成了一个工作循环。这样的工作循环不间断的循环往复，就达到了收集垃圾的效果。

图3 升降装置

2.1.3 能源装置

第三部分为能源装置，其中包括光伏板、电源控制装置、蓄电池、逆变器。采用光伏发电技术，用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能，光伏板将光能转化为化学能储存在蓄电池中。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置，源源不断的为电机提供电能，解决了在海洋环境中，海洋垃圾自动清理装置的能源供应问题，同时达到节能环保的目的。

2.2 电器控制

电气控制方面，我们采用了两组扩散硅压阻式SSC系列表面安装型压力传感模块，一组安装在内桶内壁，当海水和垃圾被吸入桶中，桶内壁下沉至内桶被装满超过压力传感器的额定值，压力传感器产生信息电流控制气泵开启，利用气压使得内壁上升至水平面以上，同时水泵开启，把水排尽。另一组压力传感器安装在外桶内侧，当水排净，气压由变化转为稳定状态，触发气泵排气，使得内桶再次下降，开启另一个工作循环。使用基于8位C51单片机的控制，就能实现较为简单的功能。此外还在内壁口处安装一组E3F-DS30C4光电传感装置，同样采用8位C51单片机控制，当装置内垃圾装满则发出清理信号。

3 优势分析

优势1——自动收集垃圾

在海洋垃圾桶使用过程中，桶的外壁一直处于水面以下，内壁在吸水时下降到低于水平面，此时桶周的漂浮物由于吸力进入桶中，随后内壁上升到水面以上，内壁的水在水泵的作用下滤出，垃圾停留在过滤网内，这样就完成了一个工作循环。这样的工作循环不间断的循环往复，就达到了收集垃圾的效果。并且在收集垃圾过程中无需人员看守[6]。

优势2——垃圾溢满提醒功能

垃圾溢满提醒功能主要由垃圾桶超声波传感器实现，垃圾桶超声波传感器最远可以检测35M，分辨率为1cm，工作温度上下限高。这种传感器等可以精准稳定的检测垃圾桶内剩余容量，对比其它几种常见的距离检测传感器，因为垃圾桶箱体狭小、垃圾多样（红外传感器检测不了色的、透明的水瓶、玻璃制品等）等因素，效果都不理想。这个垃圾桶超声波传感器拥有自由内部运行控制模式和外部数据自动触发控制模式两种内部控制模式，数据以模拟输出、脉宽模拟输出、rs232输出等为主，其中有高精准的输出声功率与连续可变的输出声增益，能实时自动进行校准，具有无噪声检测距离等特点。安装在垃圾桶内的超声波传感器系统可以轻松地应对垃圾桶内复杂的情况，达到了检测垃圾桶内剩余容量的效果[7]。

4 结论

本项目设计的光能海洋垃圾桶由桶身内外壁的升降功能，实现对垃圾的收集，且在使用过程中仅需根据传感器提示，定期回收垃圾，提高了人员利用率。并且在整个过程中采用的能源由光伏板转化得到，洁净环保。因此该设计不但使用简单、制作成本低廉，而且环保安全，能够避免传统捕捞船对海洋的二次污染，是对捕捞船无法作业水域一种良好的补充，降低了治理近海垃圾的成本，具有很高的可行性和实用性，因此具有较好的推广价值。