CN105235847B - 一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其包括船体组件、波浪能利用装置、风能利用装置和垃圾收集装置，船体组件包括船体和安装在船体底部的稳定板，船体上设有垃圾仓；波浪能利用装置包括浮板、传动齿轮和螺旋桨，浮板装在船体尾部，其与传动齿轮相连，传动齿轮可带动螺旋桨转动；风能利用装置包括风力机、传动齿轮和螺旋桨，垂直轴风力机在风力作用下转动，并依次带动传动齿轮和螺旋桨转动；垃圾收集装置包括导流板、单向挡板和垃圾拦截网，导流板和垃圾拦截网设于船体头部和尾部，单向挡板设于导流板和垃圾拦截网之间。本发明利用波浪能和风能作为船体的驱动动力，实现垃圾收集的无人操作，具有能耗低，清洁无污染等优点。

Description

一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船

技术领域

本发明属于水面垃圾收集领域，更具体地，涉及一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船。

背景技术

湖泊是人类赖以生存的重要自然组成之一，良好的湖泊水质对人类的生活具有重要意义。现今由于城市改造、污染排放、人为因素等各种原因，导致很多城市湖泊水循环不佳，湖面浮萍水藻大量滋生、生活垃圾到处漂浮等不良现象时有发生，严重影响湖泊水质，污染环境。

目前，对湖面垃圾的清理通常采用人工打捞或垃圾船清理的方式。人工打捞需耗费较高的人力物力。而采用垃圾船清理主要有以下几种方式：CN201220395480.2公开了一种水面垃圾收集船，其采用三段分节式结构，船体前方设置垃圾收集器，后方活动连接垃圾储运仓，中间通道内设有传送带，适用于小型河流、浅谈等水面垃圾清理，然而该收集船上方设有驾驶舱，需人力操控，且体型较大，采用化石燃料作为动力，燃烧产生大量污染物，运行成本高；CN201220628962.8公开了一种遥控式水面垃圾收集船,当有垃圾进入船体前方垃圾收集口时，船体底部的垃圾拨动装置在电机驱动下将其拨入尾部收集箱，然而该收集船的水轮设在船体两侧，由电机驱动，能耗较高，控制单元根据接收信号调节尾部舵叶，全程远程遥控；CN201420069084.X公开了一种固体漂浮物垃圾收集船，该收集船的船舱内设有连续清理装置，固体漂浮垃圾经导流管道，第一、二过滤网层，单向阀，排放口等进入垃圾回收箱，实现连续高效清洁水上漂浮垃圾，然而由于受管道尺寸的限制，使得可收集垃圾的大小及形状仅限于无黏性固体垃圾，且运行成本高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其中结合水面垃圾收集的特点，相应设计了适用于水面垃圾收集的垃圾收集船，并利用湖泊波浪能结合风能作为动力，解决现有垃圾清洁船体型巨大、持续耗能高、成本高等问题，并对其关键组件如波浪能利用装置、风能利用装置和垃圾收集装置的具体结构及其具体设置方式进行研究和设计，具有能耗低，可调节性好等优点。

为实现上述目的，本发明提出了基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，包括船体组件、波浪能利用装置、风能利用装置和垃圾收集装置，其中：

所述船体组件包括船体和稳定板，所述船体上设有沿所述船体长度方向延伸的垃圾仓，所述稳定板安装在所述船体的底部；

所述波浪能利用装置用于完成波浪能向机械能的转化，其包括浮板、第一传动齿轮和第一螺旋桨，所述浮板安装在所述船体的尾部，其通过连杆与所述第一传动齿轮相连，所述第一传动齿轮通过齿轮传动带动所述第一螺旋桨转动；

所述风能利用装置用于完成风能向机械能的转化，其包括垂直轴风力机、第二传动齿轮和第二螺旋桨，所述垂直轴风力机设于所述船体上，其在风力的作用下转动，并依次带动所述第二传动齿轮和第二螺旋桨转动，为所述船体前进提供动力；

所述垃圾收集装置包括导流板、单向挡板和垃圾拦截网，所述导流板和垃圾拦截网分设于所述船体的头部和尾部，所述单向挡板设于所述导流板和垃圾拦截网之间，以将所述垃圾仓分为垃圾收集区和垃圾存储区。

作为进一步优选的，所述浮板通过浮板导轨安装在所述船体的尾部，并沿其上下滑动。

作为进一步优选的，所述风能利用装置还包括升降器，所述升降器包括固定轴、带弹簧的伸缩杆和套筒，其中：所述固定轴与所述第二传动齿轮相连，并垂直设置；所述套筒套装在所述固定轴上，并可沿所述固定轴上下滑动以及旋转；所述伸缩杆上装有小球，其下端与所述固定轴相连，其上端与所述套筒相连；所述垂直轴风力机固定在所述套筒的表面。

作为进一步优选的，所述垃圾收集船还设置有安装在所述船体上部的船载监控***，所述船载监控***用于改变位于所述船体下部的舵叶的角度，进而完成所述垃圾收集船的自动转向。

作为进一步优选的，所述船体上部的两侧设置有用于监测所述垃圾存储区内垃圾满度的光电开关。

作为进一步优选的，所述船体上部的两侧为空腔结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用湖泊波浪能结合风能作为船体的驱动动力，实现垃圾收集的无人操作，解决现有垃圾清洁船体型巨大、持续耗能高、成本高等问题，具有能耗低，能源清洁无污染，可调节性好等优点。

2.本发明通过设计由固定轴、带弹簧的伸缩杆、套筒和小球构成的升降器，可根据风速自动调节风机的高度，并通过设置船载监控***监测船体，实现垃圾船的自动转向避障和收集满船召回功能。

附图说明

图1是本发明垃圾收集船的工作流程图；

图2是本发明垃圾收集船的三维整体图；

图3是波浪能利用装置结构图；

图4是传动模块结构图；

图5是本发明的船体结构图；

图6是本发明的垃圾收集装置结构图；

图7是可调式风机结构图；

图8是升降器结构图；

图9是舵叶结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明的一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其主要包括船体组件、波浪能利用装置、风能利用装置和垃圾收集装置，其中船体组件包括船体3和稳定板17，船体3上设有沿船体3长度方向延伸的垃圾仓，稳定板17安装在船体3的下部，本发明中的船体3由轻质、强度好的材料制成，稳定板17面积较大，在水中上下运动受到较大阻力，因此可限制船体随波浪的起伏运动，且对船体前进基本无阻力，该收集船协同利用波浪能和风能驱动船体运动，具有清洁高效无污染的优点。

具体的，船体上部两侧为带空腔13的结构，该空腔可保持船体所需的浮力。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，波浪能利用装置用于完成波浪能向机械能的转化，如图3所示其包括浮板1、第一传动齿轮5和第一螺旋桨6，浮板1通过浮板导轨2安装在船体3的尾部，并可沿浮板导轨2上下滑动，本实施例中浮板1为一轻质、高强度的木板，随波浪起伏运动与船体3产生相对运动，浮板1下表面与连杆4铰接，连杆4与第一传动齿轮5相连，浮板1带动一对第一传动齿轮5转动，第一传动齿轮5通过齿轮传动带动第一螺旋桨6转动，上述连杆4、第一传动齿轮5及第一螺旋桨6组成机械传动模块，将浮板1的垂直运动转化为齿轮的圆周运动，调节齿轮传动比，推动船体前进。

作为本发明的另一关键组件，风能利用装置用于完成风能向机械能的转化，其包括垂直轴风力机7、第二传动齿轮5′和第二螺旋桨6′，垂直轴风力机7设于船体3上，其在风力的作用下转动，并带动第二传动齿轮5′转动，进而带动第二螺旋桨6′转动，为船体3前进提供动力，本实施例中第二传动齿轮5′采用伞齿轮，垂直轴式风机在风向改变时无需对风，结构简单，在3-7m/s的工作风速下采集风能，通过齿轮传动带动螺旋桨，为船体提供动力。

进一步的，风能利用装置还包括升降器8，升降器8包括固定轴12、带弹簧的伸缩杆9、套筒10和小球11，固定轴12与第二传动齿轮5′相连，并垂直设置，套筒10套装在固定轴12上，并可以沿轴上下滑动以及旋转，伸缩杆9下端与固定轴12相连，上端连在套筒10上，风机固定在套筒10表面，伸缩杆9上装有小球11，伸缩杆9上弹簧的弹簧力可保证风机不转动时伸缩杆处于竖直状态不弯曲折叠，风机转动时风机旋转引起小球的同步转动，小球产生的离心力大小控制伸缩杆的变形程度，从而调节风机高度，风力增大时，小球转速增大拉伸弹簧使伸缩杆上端向下滑动，从而带动套筒下滑，风机也随套筒下降，实现了风力机的高度调整，减少迎风面积以降低阻力，其中第一、第二传动齿轮，第一、第二螺旋桨作为传动部件均位于船体的下部。

作为本发明的另一关键组件，如图6所示，垃圾收集装置包括导流板14、单向挡板15和垃圾拦截网16，导流板14和垃圾拦截网16分设于船体3的头部和尾部，单向挡板15设于导流板14和垃圾拦截网16之间，以将垃圾仓分为垃圾收集区和垃圾存储区，导流板14促使垃圾随水流进入垃圾收集滑道(即垃圾收集区)，单向挡板15避免垃圾从前方流出，垃圾拦截网16可使水流通过，减少船体前行的阻力，垃圾存储在垃圾存储区内。

更为具体的，垃圾收集船还设置有安装在船体3上部的船载监控***20，船载监控***20可完成对于垃圾船的运行状态的在线监测以及湖面障碍物的监测，配合岸上控制基站实现垃圾船的自动转向和满船召回功能，船载监控***20其控制器采用CC2530射频芯片，标准外设由3个定时器、1个12位AD、两个USART模块和DMA控制器等接口组成，船载监控***20与岸上控制基站的无线通信部分主要由CC2530的射频芯片完成，基于Z-stack协议栈，采用统一的自定义高质量传输协议。船体上部的两侧设置有用于监测垃圾存储区内垃圾满度的光电开关19，本实施例中光电开关19为对射式光电开关，船体顶部装设一对光电开关，可依据输出电平的变化判断垃圾箱是否满载，满船后，船载监控***20改变位于船体3下部的舵叶18的角度，完成船体自动转向、避障和收集满船召回。

下面将具体解释本发明的基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船的操作过程及其优点。

在波浪作用下，船体3因稳定板17的限制基本不随波浪运动，而浮板1随波浪起伏运动可与船体3产生相对运动，再由第一传动齿轮5带动第一螺旋桨6，推动船体前进，将波浪能转化为船体所需能量；同时，在3-7m/s的工作风速下，利用垂直轴风力机7采集风能，并通过第二传动齿轮5′、第二螺旋桨6′传动，提供船体前进动力；风力超速时，升降器8可将风机降至船体内部，减小迎风面积以降低大风对船体的影响；船体前行过程中，垃圾随水流与船体3产生相对运动，导流板14将湖面垃圾收入船体3后，垃圾穿过单向挡板15，经垃圾拦截网16阻挡，留在垃圾存储区内，自动完成垃圾收集。

此外，考虑到湖泊风能和波浪能的非持续性，加入了辅助能源***，能量不足时，将启动电机辅助驱动船体，同时也可为船载监控***20提供能量，通过测量风机旋转时光电开关的脉冲单位时间输出量得到当下风机的转速，并在浮板与船体重合的高度之间加上隔离的光电开关，该光电开关装于船的尾部垃圾拦截网附近，用于监测浮板的运动，检测波浪能的强度，当波浪高度足够使该光电开关动作，能量足够，仅由波浪能利用装置、风能利用装置驱动船体，否则，启动辅助能源***驱动船体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，包括船体组件、波浪能利用装置、风能利用装置和垃圾收集装置，其中：

所述船体组件包括船体(3)和稳定板(17)，其中该船体(3)上设有沿此船体(3)长度方向延伸的垃圾仓，该稳定板(17)安装在所述船体(3)的底部；

所述波浪能利用装置用于完成波浪能向机械能的转化，其包括浮板(1)、第一传动齿轮(5)和第一螺旋桨(6)，其中该浮板(1)安装在所述船体(3)的尾部，并通过连杆(4)与所述第一传动齿轮(5)相连，所述第一传动齿轮(5)通过齿轮传动带动所述第一螺旋桨(6)转动；

所述风能利用装置用于完成风能向机械能的转化，其包括垂直轴风力机(7)、第二传动齿轮(5′)和第二螺旋桨(6′)，其中该垂直轴风力机(7)设于所述船体(3)上，并在风力的作用下转动且依次带动所述第二传动齿轮(5′)和所述第二螺旋桨(6′)转动，为所述船体(3)前进提供动力；此外，该风能利用装置还包括升降器(8)，所述升降器(8)包括固定轴(12)、带弹簧的伸缩杆(9)和套筒(10)，其中该固定轴(12)与所述第二传动齿轮(5′)相连，并垂直设置；该套筒(10)套装在所述固定轴(12)上，并可沿此固定轴(12)上下滑动以及旋转；该带弹簧的伸缩杆(9)上装有小球(11)，并且此伸缩杆的下端与所述固定轴(12)相连，此伸缩杆的上端与所述套筒(10)相连；所述垂直轴风力机(7)则固定在所述套筒(10)的表面；

所述垃圾收集装置包括导流板(14)、单向挡板(15)和垃圾拦截网(16)，其中该导流板(14)和该垃圾拦截网(16)分设于所述船体(3)的头部和尾部，该单向挡板(15)设于所述导流板(14)和所述垃圾拦截网(16)之间，以将所述垃圾仓分为垃圾收集区和垃圾存储区。

2.如权利要求1所述的一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，所述浮板(1)通过浮板导轨(2)安装在所述船体(3)的尾部，并沿其上下滑动。

3.如权利要求1或2所述的一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，所述垃圾收集船还设置有安装在所述船体(3)上部的船载监控***(20)，该船载监控***(20)用于改变位于所述船体(3)下部的舵叶(18)的角度，进而完成所述垃圾收集船的自动转向。

4.如权利要求3所述的一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，所述船体(3)上部的两侧设置有用于监测所述垃圾存储区内垃圾满度的光电开关(19)。

5.如权利要求4所述的一种基于波浪能和风能的智能水面垃圾收集船，其特征在于，所述船体(3)上部的两侧为空腔结构。