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再生橡胶和硅砂
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可以在体育场周围输入压电换能器，以收集风扇轰鸣产生的声能，风扇轰鸣将振动压电晶体，产生电荷。研究人员已经完成了收集航空航天和喷气式发动机刺耳的声音，以及如何利用这些声音为飞机本身的一些设备提供动力的研究。Meggit Sensing Systems推出了一种压电陶瓷产品，用于捕获发动机的高谐振频率，其中的输出将用于车载设备（Meggit Sensing Systems，2015）。 由于与体育场能量有关，人群噪音产生的振动有可能产生能量，但规模很小。最近的一项研究是在伦敦温布利体育场（10万人，120分贝）测量的人群噪音和煮鸡蛋的可能性。他们估计需要175瓦的能量，这需要高达142分贝的持续声音。站在1米远的地方，每人80分贝，他们估计需要160万人（站在离鸡蛋1英尺远的地方）才能成功煮熟鸡蛋（Laursen，2011），这是不可行的。所以振动 10 人群噪声中的能量对压电能量收集的影响微乎其微，不会包含在我们的计算中。 风扇落差产生的动能 如前所述，Pavegen Systems生产的能量收集瓷砖，从一个平均体重、行走的人身上每一步平均可利用7瓦的能量。Pavegen瓷砖正在机场、火车站和学校等交通繁忙的地区安装。考虑到体育设施中的活动可以达到100000人，这取决于体育项目，该设施在其内部和周围产生大量的交通和动能。 材料/效果 不管传感器输出的能量如何，材料以及它们如何影响运动员的比赛场地可能是一个更重要的问题。 只有在人造表面下才能进行安装。一个可以很容易地拆除，用于翻新和维护，从而限制减震性能。天然草地的情况并非如此。然而，根据FieldTurf进行的5年研究，比赛场地材料发生了戏剧性的变化，开始从天然草坪转向人造草坪（FieldTurf，2015），主要原因是人造草坪更易于维护，不易受恶劣天气影响，对场地本身的破坏也更小（FieldTurf，2015年） 11 人造草皮的内容和材料很简单。除了合成草外，还有两种材料遍布整个草皮：再生橡胶和硅砂（SiO2），也称为石英（Rodriguez，人造草填充选项，2015年）如前所述，石英是一种能够从机械应力中自然获得电荷的材料。人造草中填充的颗粒状橡胶和石英具有耐磨性、防滑性和耐久性（FieldTurf，2015）但是，人们并没有意识到仅仅通过踏上人造草坪就能产生的自然电荷。 其他比赛场地也有能力利用机械应力。篮球和排球场地使用的硬木地板不包含一层类似石英的人造草坪，但仍然可以通过枫木地板利用振动能量。同时，有关枫木地板组成及其减震性的信息有限的是，还有其他应用将枫木地板用作压电表面。如前所述，“瓦特俱乐部”推出了世界上第一个人力舞池。其压电地板的主要表面是玻璃和枫木。 另一个需要解决的问题是，这种技术和对草坪的改造是否会影响球员的表现或安全。这是“百万美元的问题”这是一个价值数十亿美元的体育产业，所有者在其球员身上投资了数百万美元，他们最不希望看到的是球员受伤或降低他们的表现。这很难测试，因为我们无法比较人造草坪和传感器与人造草坪的受伤率没有任何草皮的草皮 12 由于压电传感器不能安装在天然草地下，因此替代方法可能是观察人造草地对天然草地的伤害率。FieldTurp研究发现，人造草地在伤害预防方面明显比天然草地安全（FieldTurp，2015）.该研究记录了人造草坪上的1164起受伤事故，天然草坪上的2377起受伤事故，其中50%的比赛在每个场地进行（Fieldturp，2015年）。人造草也可以产生更好的性能。由于比赛在平坦的表面上进行，如使用短切合成草的草皮，比赛速度更快，水平更高，但仍然限制了受伤率。 介绍 鉴于目前困扰我们星球的全球环境问题，可持续解决方案的必要性从未像现在这样重要。这些条件只会持续下去，这使得我们不仅有责任实施更具创新性和可持续性的技术（萨菲安，2012年），而且有责任就环境责任达成共识（萨弗里和吉尔伯特，2011年）。 节能技术正被引入建筑行业，以尽可能多地利用“绿色能源”。事实证明，建筑行业是对环境最有害的行业之一，占所有能源消耗的48%。尽管有长期的资金节约，但由于高资本成本，这些技术通常在实施过程中失败（Lovins&Boyd，2011）。他们还缺乏社会影响力和紧迫感，这将使个人能够参与到更有利环境的行为中。 在体育产业内实施可持续技术可能是推动和保持可持续发展的关键。体育有能力在国际层面上影响和团结个人（Savery&Gilbert，2011）。通过在如此规模的平台上强调可持续性，它可以被视为可持续生活的教育中心。 一个体育场馆可以从可持续技术的应用中获益匪浅。本文探索了一种创新的、更具成本效益的能量收集形式，称为压电。通过压电效应收集能量是可行的 2. 不同之处在于，它不像其他技术那样依赖于我们星球的资源，而是依赖于人类运动所施加的机械应力。这些高度活跃的区域产生大量的振动和动能，来自成千上万的参加比赛的球迷，以及通过体育娱乐我们的运动员。 通过在运动场地安装压电传感器，可以利用数千名球迷持续不断的脚步声、体育赛事中球迷发出的轰鸣声以及专业运动员产生的强大力量所产生的自然能量。压电等可持续技术可以为场馆带来长期的资金节约，并可能成为引导建筑行业和社会走向可持续发展的驱动力。 压电能量收集是能量收集方向上的一个创新步骤，因此迄今为止在该领域的研究和文献还不多。 本论文的其余部分结构如下：作为本论文基础的研究问题，关于压电性及其应用的一些背景，可以产生多少动能，材料和效果的背景，与实现传感器相关的成本，在体育产业中实施可持续技术的益处、压电产生的能量的结果、研究结果的讨论、研究的局限性、建议和结论。 3. 研究问题 压电换能器能否获得足够的能量，从而对降低体育场馆的能源成本产生重大影响？ 如果是这样的话，体育产业中的压电技术是否有助于促进社会的可持续发展？ 什么是压电？ 压电效应是指“某些材料对施加的机械应力产生电荷的能力”（Nanomotion公司，2008-2015）。这些材料的示例包括晶体结构，如石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石、蔗糖、贝里石（AlPO4）、骨、肌腱、丝、珐琅质、牙本质、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、铌酸钾（KNbO3）和铌酸锂（LiNbO3）。这些材料的独特之处在于它们具有自然的压电效应，这意味着当施加机械应力时，会产生电荷。通常，当机械应力不产生时，压电晶体是中性的，这意味着它们的电荷完全平衡。如果搅动压电晶体，正负原子的自然平衡就会被破坏，导致净电荷出现在压电材料的相对外表面上（Woodford，2014）。压电材料也具有反转效应，这意味着当施加电荷时，材料会产生机械应力。 4. 在所做的研究中，单个压电晶体的输出电压通常属于微尺度能量收集方案的范畴。通常与低功耗设备相关。它足以储存在锂电池或电容器中，并能为小型电子设备供电（Dikshit等人，2010年）。工程师们目前正在对压电元件的各种结构进行研究，以产生最大输出电压，研究涉及哪种类型的c工程师们目前正在对压电元件的各种结构进行研究，以产生最大的输出电压，研究涉及使用哪种类型的晶体，在输出端应使用哪种类型的电路，以及压电换能器的各种位置，希望将压电解决方案引入宏观层面（Dikshit等人，2010年）。 压电技术的常见用途可以在标准消费品以及利用人体运动施加的机械应力的创新产品中找到。压电效应的示例如下所示： 发电人行道（Pavegen系统） 总部位于伦敦的技术公司Pavegen Systems最近推出了一种Pavegen瓷砖，它是一种压电瓷砖，可以利用脚步产生的动能。这些瓷砖铺设在机场、学校和火车站等交通繁忙地区的人行道下方。持续的脚步声产生足够的功率为LED照明、手机充电站和瓷砖周围的广告显示供电。他们的17.1×23.6英寸瓷砖每一步的平均功率为7瓦（Alexander，2012）。Pavegen瓷砖的一个间接好处是能够教育感兴趣的公众如何收集和节约能源，这远远超出了节省资金的直接好处。 5. 发电靴或发电鞋（军用） 美国国防部高级研究计划局（DARPA）最近推出了一个创新项目，称为“脚跟打击单元”，在该项目中，一个压电传感器被放入士兵的靴子中，通过简单步骤的机械应力利用电能。军事士兵从这项技术中获得的好处是，他们可以接触到电荷，否则，在隐蔽的环境中就不会有电荷（Howells，2009）。应该注意的是，由于在现役士兵的袜子中安装传感器的舒适度问题，脚跟打击装置尚未通过测试。 人民动力舞蹈俱乐部（瓦特俱乐部） 欧洲的舞蹈俱乐部，特别是荷兰鹿特丹的“瓦特俱乐部”，开始在舞池下方使用压电晶体为其夜总会供电。大部分参加派对的人跳舞时产生的动能产生了大量电能，俱乐部利用这些电能为可变灯光和放大音乐提供动力，使它们运转起来。该项目的优先事项不仅是在组织结构中实施可持续性，而且是向受众传达可持续性的信息。 标准器具和设备 压电换能器也可以在标准器具或设备中找到。在超声设备中，压电换能器将电荷转换为快速机械振动。麦克风中的传感器将声波的振动转化为电荷，然后将电荷放大。在石英表或石英钟中， 6. 来自电池的电能被送入压电晶体，压电晶体引起手部振荡，并由电机控制。在火花打火机、火炉或烧烤炉中，按下开关会对压电晶体施加压力，从而产生机械冲击并产生火花。 因此，我们每天都会使用大量利用压电效应的设备，以及许多有潜力使压电技术成为主流的新兴产品。 能收获多少能量？ 作为人类，我们被认为是行走的灯泡；我们有能力创造各种能量，否则这些能量就会流失到环境中。我们通过身体热量产生热能，通过声音产生声能，通过运动产生动能。在这项研究中，我将关注动能，以及运动项目中人体部件施加的机械应力能产生多少能量。 运动员产生的动能 在Pavegen Systems的研究中，压电瓷砖从一个150磅重的步行者身上平均每英尺产生7瓦的电能（Alexander，2012），其强度足以为LED照明和小型电子设备供电。表1显示了备用和主动模式下各种电子通信装置的功耗比较。 7. 表1：各种通信设备的功耗 产品 蓄电池电压（V） 备用模式（W） 主动模式（W） 手机 锂离子电池（3.6） 0.042 1.7 双向通信器 3-AA电池（4.5） 0.158 0.675 传呼机 1-AA电池（1.5） 0.023 0.03 然而，施加的力是可变的，因为它取决于该步骤产生的力和动能。力和势能的线性运动学方程如下所示。𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹=𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴 𝐾𝐾𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐸𝐸𝐸 𝐸 𝐸𝐸𝐸𝐸=12𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝑉𝑉𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 2. 这个受试者产生的力和动能的大小取决于受试者的质量和速度（Birnbaum，1999）。如果在运动表面下方输入压电传感器，则是指在一项赛事中，由多名专业运动员在运动场上产生的一致的步法，以及由那些不是步行而是短跑、跑步、跳跃和加速的运动员产生的力的组合，将产生大量的动能，可以转化为可再生能源。已经进行了大量的研究来量化力的大小 8. 由运动员在比赛中产生，并且所有的产量都是他们体重的3.5到7倍（Birnbaum，1999）。 大量的生物力学研究已经证明，跑步，更不用说专业运动员跑步了，产生的力量比个人走路要大。产生的力的杠杆点是施加力的速度（Hart，2011）。南卫理公会大学体育科学教授彼得·维扬（Peter Weyand）对奥运会短跑运动员乌塞恩·博尔特（Usain Bolt）进行了一项研究，并将乌塞恩·博尔特的脚踩在地上的时间与普通人跑步的时间进行了比较。一个普通人的脚在地上的时间约为.12秒，而乌塞恩·博尔特的脚在地上的时间为.08秒，相差33%，这会对产生的力产生倍增效应（哈特，2011）。奥运会运动员最大化每一步的输出，可以施加超过1000磅的力量，而普通人短跑的力量为500磅（Hart，2011）。 美国物理教师协会进行的另一项研究比较了在测力板上站立、行走和跑步，并通过波频图记录了比较结果。这项研究得出结论，跑步比走路产生的力量更大，因为没有双脚落地的时间，双脚在地面上的时间更短，每一步在地面上的时间更短（Cross，1999）。这导致在较短的时间单位内产生较大的力变化，在给定时间序列的情况下，每一步产生较大的总力和总力。 9 人群噪声产生的振动能量 目前正在翻新和建造体育设施，以放大人群噪音，而不是获取声能，而是作为主队的竞争优势和加强球迷体验（Reed，2014）。克利夫兰布朗队的主场第一能源体育场（FirstEnergy Stadium）投资1.2亿美元进行物理和技术改进，希望保持体育场内的声音。在大多数体育项目中，球迷们以一贯的大声喧哗和破坏性而自豪，创造了“主场优势”。2011年，华盛顿州西雅图的世纪连接场曾一度产生137.6分贝的噪音，足以引发一场小地震（Memmott，2013）。可以在体育场周围输入压电换能器，以收集风扇轰鸣产生的声能，风扇轰鸣将振动压电晶体，产生电荷。研究人员已经完成了收集航空航天和喷气式发动机刺耳的声音，以及如何利用这些声音为飞机本身的一些设备提供动力的研究。Meggit Sensing Systems推出了一种压电陶瓷产品，用于捕获发动机的高谐振频率，其中的输出将用于车载设备（Meggit Sensing Systems，2015）。 由于与体育场能量有关，人群噪音产生的振动有可能产生能量，但规模很小。最近的一项研究是在伦敦温布利体育场（10万人，120分贝）测量的人群噪音和煮鸡蛋的可能性。他们估计需要175瓦的能量，这需要高达142分贝的持续声音。站在1米远的地方，每人80分贝，他们估计需要160万人（站在离鸡蛋1英尺远的地方）才能成功煮熟鸡蛋（Laursen，2011），这是不可行的。所以振动 10 人群噪声中的能量对压电能量收集的影响微乎其微，不会包含在我们的计算中。 风扇落差产生的动能 如前所述，Pavegen Systems生产的能量收集瓷砖，从一个平均体重、行走的人身上每一步平均可利用7瓦的能量。Pavegen瓷砖正在机场、火车站和学校等交通繁忙的地区安装。考虑到体育设施中的活动可以达到100000人，这取决于体育项目，该设施在其内部和周围产生大量的交通和动能。 材料/效果 不管传感器输出的能量如何，材料以及它们如何影响运动员的比赛场地可能是一个更重要的问题。 在人造表面下是可行的。一个可以很容易地拆除，用于翻新和维护，从而限制减震性能。天然草地的情况并非如此。然而，根据FieldTurf进行的5年研究，比赛场地材料发生了戏剧性的变化，开始从天然草坪转向人造草坪（FieldTurf，2015），主要原因是人造草坪更易于维护，不易受恶劣天气影响，对场地本身的破坏也更小（FieldTurf，2015年） 11 人造草皮的内容和材料很简单。除了合成草外，还有两种材料遍布整个草皮：再生橡胶和硅砂（SiO2），也称为石英（Rodriguez，人造草填充选项，2015年）如前所述，石英是一种能够从机械应力中自然获得电荷的材料。人造草中填充的颗粒状橡胶和石英具有耐磨性、防滑性和耐久性（FieldTurf，2015）但是，人们并没有意识到仅仅通过踏上人造草坪就能产生的自然电荷。 其他比赛场地也有能力利用机械应力。篮球和排球场地使用的硬木地板不包含一层类似石英的人造草坪，但仍然可以通过枫木地板利用振动能量。同时，有关枫木地板组成及其减震性的信息有限的是，还有其他应用将枫木地板用作压电表面。如前所述，“瓦特俱乐部”推出了世界上第一个人力舞池。其压电地板的主要表面是玻璃和枫木。 另一个需要解决的问题是，这种技术和对草坪的改造是否会影响球员的表现或安全。这是“百万美元的问题”这是一个价值数十亿美元的体育产业，所有者在其球员身上投资了数百万美元，他们最不希望看到的是球员受伤或降低他们的表现。这很难测试，因为我们无法比较人造草坪和传感器与人造草坪的受伤率没有任何草皮的草皮 12 由于压电传感器不能安装在天然草地下，因此替代方法可能是观察人造草地对天然草地的伤害率。FieldTurp研究发现，人造草地在伤害预防方面明显比天然草地安全（FieldTurp，2015）.该研究记录了人造草坪上的1164起受伤事故，天然草坪上的2377起受伤事故，其中50%的比赛在每个场地进行（Fieldturp，2015年）。人造草也可以产生更好的性能。由于比赛在平坦的表面上进行，如使用短切合成草的草皮，比赛速度更快，水平更高，但仍然限制了受伤率。 费用 该产品的成本对于确定整个项目的价值至关重要。尽管目前在一些交通繁忙的地区使用这种瓷砖，但消费者目前无法购买。因此，尚未公布官方价格，但据报道，Pavegen员工表示，这种瓷砖的售价可能低至76美元他的未来（莫拉莱斯，2013年）。值得注意的是，这并不包括安装、人工、物流成本、因坏瓷砖停工导致的生产力损失，或整个场地或体育场翻新项目的成本。当确定这些瓷砖在财务上是否可行时，这些与技术相关的间接成本至关重要能源来源。1块瓷砖的尺寸为17.1英寸x 23.6英寸，可以确定估算值，这将在结果部分讨论。 13 体育与可持续性 虽然设施的利益点仍然是节省总体成本的直接好处，但在设施中实施可持续技术（如压电）的间接好处有三大底线好处。 公众对可持续性和体育运动的关系没有太多的关注。在我们看待竞技体育运动的方式中，缺乏环境意识和理解。体育运动可以被视为“鼓励人类努力与自然环境和谐相处”（萨弗里和吉尔伯特，2011年，第4页）。他们一直依赖于利用大自然清洁的空气、可用的水和土地。然而，今天，环境的健康状况持续下降，而体育产业已经成为一个价值数万亿美元的产业。对于体育来说，对健康环境的依赖已经不为公众所认识，并对未来产生了直接影响这是一种体育运动。 这些组织自己也开始慢慢地开始提高认识。2007年，《体育画报》发表了一篇关于 只有在人造表面下才能进行安装。一个可以很容易地拆除进行翻新和维护，限制减震器 C这些组织本身已经慢慢开始提高认识。2007年，《体育画报》发表了一篇关于气候变化的封面文章，指出“现在是我们的团队和运动员带头、激发注意力和影响行为的时候了”（Wolff，2007）。自那时以来，非营利组织与体育组织和运动员合作，交流他们对环境的热情和经验与采取行动的必要性之间的联系。美国职业棒球大联盟已经开始了MLB绿化计划，表达了他们对环境责任的关注以及他们运动员的声音和社会支持（Hershkowitz，2015）。国家 14 足球联盟与国家资源保护委员会合作，帮助分享有关NFL设施更好实践的信息，减少其对环境的影响（更智能的业务：绿化奥运会，n.d.）。美国国家篮球协会启动了NBA绿色和NBA绿色周活动，在这两个活动中，组织发出环保意识，运动员参加“绿色”活动（NBA绿色，2015年）。 与国际舞台的潜力相结合，体育赛事也有能力吸引大量观众。过去一年，世界杯（Klein，2014）吸引了全球近一半的人观看了至少一场比赛，或者奥运会（Hui，2008）吸引了47亿观众或世界70%的人口，这些都可以成为展示可持续技术的舞台。这样的活动不仅吸引了大量的公众关注，而且打破了文化和国家的界限，将各国团结在一个共同的利益之上。2008年国际奥委会报告说，北京奥运会有204个国家参加，观看人数甚至更多（2008年）。像奥运会这样的全球性体育赛事可以作为催化剂，减少各国之间存在的冷漠，突出我们的行动如何影响我们所依赖的环境的共同点。 虽然组织开始注意并建立意识，但意识和行为之间的差距仍然存在，而且比我们想象的要复杂得多。为了弥合这一差距，我们必须理解行为理论以及是什么影响了它，使可持续性成为公众的一种生活方式。将行为理论概念化，并利用驱动消费者行为的因素，营销人员可以开发 15 促进社会内环保行为的参与战略和框架。其中更多内容将在本文的讨论部分讨论。 尽管试图提高公众的认识，但似乎仍然缺乏针对场馆本身的重大举措。建筑行业几乎占所有能源消耗的一半（48%）（Lovins&Boyd，2011年），不仅可以针对环境破坏，还可以针对能源消耗不断上升的直接成本提出诉讼。德克萨斯州达拉斯市的牛仔体育场在一场比赛中可消耗高达10兆瓦的能源，而利比里亚国家的国家电网发电能力不足三分之一（Breech，2013）。通过在场馆中实施可持续技术，组织可以产生直接的节约，并对减少危害其运动未来的碳足迹产生更大的影响。 然而，向体育场馆场馆和基础设施提供可持续的举措和技术本身就是一个挑战。组织倾向于坚持规范或过去对他们有用的东西，并且在他们的舒适区之外发起一些事情，这可能被视为有风险的。2012年伦敦奥运会奥运会交付管理局交付合作伙伴的前高级可持续性顾问克里斯汀·汉森（Kristen Henson）就组织如何将可持续性融入场馆建设制定了交付机制和流程（汉森，2011年）。组织必须首先制定一个高层次的战略，突出结构的长期利益。这可能包括资本支出和技术的长期回报，以绕过高初始成本的观念。组织之间就相关的可持续性战略进行合作也可能是有益的。2012年伦敦奥运会 16 奥林匹克交付管理局（ODA）和伦敦奥运会和残奥会组织委员会（LOCOG）制定了互补的可持续发展战略（Henson，2011年），建立了紧密的合作伙伴关系。下一步，组织必须制定明确的愿景和目标。如果没有对什么是可持续性的广泛定义，组织需要为可持续性及其目标建立一个统一的愿景。这在2010年南非奥运会和冬季奥运会、2012年伦敦奥运会和2010年温哥华奥运会上都是显而易见的。每个城市都有一个与主办城市可持续性相关的清晰愿景，并制定了量化措施和关键绩效指标
 
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