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再生橡膠和硅砂可以在體育場周圍輸入壓電換能器，以收集風扇轟鳴產生的聲能，風扇轟鳴將振動壓電晶體，產生電荷
| 再生橡膠和硅砂 |
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| 可以在體育場周圍輸入壓電換能器，以收集風扇轟鳴產生的聲能，風扇轟鳴將振動壓電晶體，產生電荷。研究人員已經完成了收集航空航天和噴氣式發動機刺耳的聲音，以及如何利用這些聲音為飛機本身的一些設備提供動力的研究。Meggit Sensing Systems推出了一種壓電陶瓷產品，用于捕獲發動機的高諧振頻率，其中的輸出將用于車載設備（Meggit Sensing Systems，2015）。 由于與體育場能量有關，人群噪音產生的振動有可能產生能量，但規模很小。最近的一項研究是在倫敦溫布利體育場（10萬人，120分貝）測量的人群噪音和煮雞蛋的可能性。他們估計需要175瓦的能量，這需要高達142分貝的持續聲音。站在1米遠的地方，每人80分貝，他們估計需要160萬人（站在離雞蛋1英尺遠的地方）才能成功煮熟雞蛋（Laursen，2011），這是不可行的。所以振動 10 人群噪聲中的能量對壓電能量收集的影響微乎其微，不會包含在我們的計算中。 風扇落差產生的動能 如前所述，Pavegen Systems生產的能量收集瓷磚，從一個平均體重、行走的人身上每一步平均可利用7瓦的能量。Pavegen瓷磚正在機場、火車站和學校等交通繁忙的地區安裝。考慮到體育設施中的活動可以達到100000人，這取決于體育項目，該設施在其內部和周圍產生大量的交通和動能。 材料/效果 不管傳感器輸出的能量如何，材料以及它們如何影響運動員的比賽場地可能是一個更重要的問題。 只有在人造表面下才能進行安裝。一個可以很容易地拆除，用于翻新和維護，從而限制減震性能。天然草地的情況并非如此。然而，根據FieldTurf進行的5年研究，比賽場地材料發生了戲劇性的變化，開始從天然草坪轉向人造草坪（FieldTurf，2015），主要原因是人造草坪更易于維護，不易受惡劣天氣影響，對場地本身的破壞也更小（FieldTurf，2015年） 11 人造草皮的內容和材料很簡單。除了合成草外，還有兩種材料遍布整個草皮：再生橡膠和硅砂（SiO2），也稱為石英（Rodriguez，人造草填充選項，2015年）如前所述，石英是一種能夠從機械應力中自然獲得電荷的材料。人造草中填充的顆粒狀橡膠和石英具有耐磨性、防滑性和耐久性（FieldTurf，2015）但是，人們并沒有意識到僅僅通過踏上人造草坪就能產生的自然電荷。 其他比賽場地也有能力利用機械應力。籃球和排球場地使用的硬木地板不包含一層類似石英的人造草坪，但仍然可以通過楓木地板利用振動能量。同時，有關楓木地板組成及其減震性的信息有限的是，還有其他應用將楓木地板用作壓電表面。如前所述，“瓦特俱樂部"推出了一個人力舞池。其壓電地板的主要表面是玻璃和楓木。 另一個需要解決的問題是，這種技術和對草坪的改造是否會影響球員的表現或安全。這是“百萬美元的問題"這是一個價值數十億美元的體育產業，所有者在其球員身上投資了數百萬美元，他們最不希望看到的是球員受傷或降低他們的表現。這很難測試，因為我們無法比較人造草坪和傳感器與人造草坪的受傷率沒有任何草皮的草皮 12 由于壓電傳感器不能安裝在天然草地下，因此替代方法可能是觀察人造草地對天然草地的傷害率。FieldTurp研究發現，人造草地在傷害預防方面明顯比天然草地安全（FieldTurp，2015）.該研究記錄了人造草坪上的1164起受傷事故，天然草坪上的2377起受傷事故，其中50%的比賽在每個場地進行（Fieldturp，2015年）。人造草也可以產生更好的性能。由于比賽在平坦的表面上進行，如使用短切合成草的草皮，比賽速度更快，水平更高，但仍然限制了受傷率。 介紹 鑒于目前困擾我們星球的環境問題，可持續解決方案的必要性從未像現在這樣重要。這些條件只會持續下去，這使得我們不僅有責任實施更具創新性和可持續性的技術（薩菲安，2012年），而且有責任就環境責任達成共識（薩弗里和吉爾伯特，2011年）。 節能技術正被引入建筑行業，以盡可能多地利用“綠色能源"。事實證明，建筑行業是對環境害的行業之一，占所有能源消耗的48%。盡管有長期的資金節約，但由于高資本成本，這些技術通常在實施過程中失敗（Lovins&Boyd，2011）。他們還缺乏社會影響力和緊迫感，這將使個人能夠參與到更有利環境的行為中。 在體育產業內實施可持續技術可能是推動和保持可持續發展的關鍵。體育有能力在國際層面上影響和團結個人（Savery&Gilbert，2011）。通過在如此規模的平臺上強調可持續性，它可以被視為可持續生活的教育中心。 一個體育場館可以從可持續技術的應用中獲益匪淺。本文探索了一種創新的、更具成本效益的能量收集形式，稱為壓電。通過壓電效應收集能量是可行的 2. 不同之處在于，它不像其他技術那樣依賴于我們星球的資源，而是依賴于人類運動所施加的機械應力。這些高度活躍的區域產生大量的振動和動能，來自成千上萬的參加比賽的球迷，以及通過體育娛樂我們的運動員。 通過在運動場地安裝壓電傳感器，可以利用數千名球迷持續不斷的腳步聲、體育賽事中球迷發出的轟鳴聲以及專業運動員產生的強大力量所產生的自然能量。壓電等可持續技術可以為場館帶來長期的資金節約，并可能成為引導建筑行業和社會走向可持續發展的驅動力。 壓電能量收集是能量收集方向上的一個創新步驟，因此迄今為止在該領域的研究和文獻還不多。 本論文的其余部分結構如下：作為本論文基礎的研究問題，關于壓電性及其應用的一些背景，可以產生多少動能，材料和效果的背景，與實現傳感器相關的成本，在體育產業中實施可持續技術的益處、壓電產生的能量的結果、研究結果的討論、研究的局限性、建議和結論。 3. 研究問題 壓電換能器能否獲得足夠的能量，從而對降低體育場館的能源成本產生重大影響？ 如果是這樣的話，體育產業中的壓電技術是否有助于促進社會的可持續發展？ 什么是壓電？ 壓電效應是指“某些材料對施加的機械應力產生電荷的能力"（Nanomotion公司，2008-2015）。這些材料的示例包括晶體結構，如石英、羅謝爾鹽、黃玉、電氣石、蔗糖、貝里石（AlPO4）、骨、肌腱、絲、琺瑯質、牙本質、鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦酸鉛（PbTiO3）、鈮酸鉀（KNbO3）和鈮酸鋰（LiNbO3）。這些材料的之處在于它們具有自然的壓電效應，這意味著當施加機械應力時，會產生電荷。通常，當機械應力不產生時，壓電晶體是中性的，這意味著它們的電荷平衡。如果攪動壓電晶體，正負原子的自然平衡就會被破壞，導致凈電荷出現在壓電材料的相對外表面上（Woodford，2014）。壓電材料也具有反轉效應，這意味著當施加電荷時，材料會產生機械應力。 4. 在所做的研究中，單個壓電晶體的輸出電壓通常屬于微尺度能量收集方案的范疇。通常與低功耗設備相關。它足以儲存在鋰電池或電容器中，并能為小型電子設備供電（Dikshit等人，2010年）。工程師們目前正在對壓電元件的各種結構進行研究，以產生輸出電壓，研究涉及哪種類型的c工程師們目前正在對壓電元件的各種結構進行研究，以產生的輸出電壓，研究涉及使用哪種類型的晶體，在輸出端應使用哪種類型的電路，以及壓電換能器的各種位置，希望將壓電解決方案引入宏觀層面（Dikshit等人，2010年）。 壓電技術的常見用途可以在標準消費品以及利用人體運動施加的機械應力的創新產品中找到。壓電效應的示例如下所示： 發電人行道（Pavegen系統） 總部位于倫敦的技術公司Pavegen Systems最近推出了一種Pavegen瓷磚，它是一種壓電瓷磚，可以利用腳步產生的動能。這些瓷磚鋪設在機場、學校和火車站等交通繁忙地區的人行道下方。持續的腳步聲產生足夠的功率為LED照明、手機充電站和瓷磚周圍的廣告顯示供電。他們的17.1×23.6英寸瓷磚每一步的平均功率為7瓦（Alexander，2012）。Pavegen瓷磚的一個間接好處是能夠教育感興趣的公眾如何收集和節約能源，這遠遠超出了節省資金的直接好處。 5. 發電靴或發電鞋（） 美國高級研究計劃局（DARPA）最近推出了一個創新項目，稱為“腳跟打擊單元"，在該項目中，一個壓電傳感器被放入士兵的靴子中，通過簡單步驟的機械應力利用電能。軍事士兵從這項技術中獲得的好處是，他們可以接觸到電荷，否則，在隱蔽的環境中就不會有電荷（Howells，2009）。應該注意的是，由于在現役士兵的襪子中安裝傳感器的舒適度問題，腳跟打擊裝置尚未通過測試。 人民動力舞蹈俱樂部（瓦特俱樂部） 歐洲的舞蹈俱樂部，特別是荷蘭鹿特丹的“瓦特俱樂部"，開始在舞池下方使用壓電晶體為其供電。大部分參加派對的人跳舞時產生的動能產生了大量電能，俱樂部利用這些電能為可變燈光和放大音樂提供動力，使它們運轉起來。該項目的優先事項不僅是在組織結構中實施可持續性，而且是向受眾傳達可持續性的信息。 標準器具和設備 壓電換能器也可以在標準器具或設備中找到。在超聲設備中，壓電換能器將電荷轉換為快速機械振動。麥克風中的傳感器將聲波的振動轉化為電荷，然后將電荷放大。在石英表或石英鐘中， 6. 來自電池的電能被送入壓電晶體，壓電晶體引起手部振蕩，并由電機控制。在火花打火機、火爐或燒烤爐中，按下開關會對壓電晶體施加壓力，從而產生機械沖擊并產生火花。 因此，我們每天都會使用大量利用壓電效應的設備，以及許多有潛力使壓電技術成為主流的新興產品。 能收獲多少能量？ 作為人類，我們被認為是行走的燈泡；我們有能力創造各種能量，否則這些能量就會流失到環境中。我們通過身體熱量產生熱能，通過聲音產生聲能，通過運動產生動能。在這項研究中，我將關注動能，以及運動項目中人體部件施加的機械應力能產生多少能量。 運動員產生的動能 在Pavegen Systems的研究中，壓電瓷磚從一個150磅重的步行者身上平均每英尺產生7瓦的電能（Alexander，2012），其強度足以為LED照明和小型電子設備供電。表1顯示了備用和主動模式下各種電子通信裝置的功耗比較。 7. 表1：各種通信設備的功耗 產品 蓄電池電壓（V） 備用模式（W） 主動模式（W） 手機 鋰離子電池（3.6） 0.042 1.7 雙向通信器 3-AA電池（4.5） 0.158 0.675 傳呼機 1-AA電池（1.5） 0.023 0.03 然而，施加的力是可變的，因為它取決于該步驟產生的力和動能。力和勢能的線性運動學方程如下所示。𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹=𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴 𝐾𝐾𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐸𝐸𝐸 𝐸 𝐸𝐸𝐸𝐸=12𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝑉𝑉𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 2. 這個受試者產生的力和動能的大小取決于受試者的質量和速度（Birnbaum，1999）。如果在運動表面下方輸入壓電傳感器，則是指在一項賽事中，由多名專業運動員在運動場上產生的一致的步法，以及由那些不是步行而是短跑、跑步、跳躍和加速的運動員產生的力的組合，將產生大量的動能，可以轉化為可再生能源。已經進行了大量的研究來量化力的大小 8. 由運動員在比賽中產生，并且所有的產量都是他們體重的3.5到7倍（Birnbaum，1999）。 大量的生物力學研究已經證明，跑步，更不用說專業運動員跑步了，產生的力量比個人走路要大。產生的力的杠桿點是施加力的速度（Hart，2011）。南衛理公會大學體育科學教授彼得·維揚（Peter Weyand）對會短跑運動員烏塞恩·博爾特（Usain Bolt）進行了一項研究，并將烏塞恩·博爾特的腳踩在地上的時間與普通人跑步的時間進行了比較。一個普通人的腳在地上的時間約為.12秒，而烏塞恩·博爾特的腳在地上的時間為.08秒，相差33%，這會對產生的力產生倍增效應（哈特，2011）。會運動員每一步的輸出，可以施加超過1000磅的力量，而普通人短跑的力量為500磅（Hart，2011）。 美國物理教師協會進行的另一項研究比較了在測力板上站立、行走和跑步，并通過波頻圖記錄了比較結果。這項研究得出結論，跑步比走路產生的力量更大，因為沒有雙腳落地的時間，雙腳在地面上的時間更短，每一步在地面上的時間更短（Cross，1999）。這導致在較短的時間單位內產生較大的力變化，在給定時間序列的情況下，每一步產生較大的總力和總力。 9 人群噪聲產生的振動能量 目前正在翻新和建造體育設施，以放大人群噪音，而不是獲取聲能，而是作為主隊的競爭優勢和加強球迷體驗（Reed，2014）。克利夫蘭布朗隊的主場能源體育場（FirstEnergy Stadium）投資1.2億美元進行物理和技術改進，希望保持體育場內的聲音。在大多數體育項目中，球迷們以一貫的大聲喧嘩和破壞性而自豪，創造了“主場優勢"。2011年，華盛頓州西雅圖的世紀連接場曾一度產生137.6分貝的噪音，足以引發一場小地震（Memmott，2013）。可以在體育場周圍輸入壓電換能器，以收集風扇轟鳴產生的聲能，風扇轟鳴將振動壓電晶體，產生電荷。研究人員已經完成了收集航空航天和噴氣式發動機刺耳的聲音，以及如何利用這些聲音為飛機本身的一些設備提供動力的研究。Meggit Sensing Systems推出了一種壓電陶瓷產品，用于捕獲發動機的高諧振頻率，其中的輸出將用于車載設備（Meggit Sensing Systems，2015）。 由于與體育場能量有關，人群噪音產生的振動有可能產生能量，但規模很小。最近的一項研究是在倫敦溫布利體育場（10萬人，120分貝）測量的人群噪音和煮雞蛋的可能性。他們估計需要175瓦的能量，這需要高達142分貝的持續聲音。站在1米遠的地方，每人80分貝，他們估計需要160萬人（站在離雞蛋1英尺遠的地方）才能成功煮熟雞蛋（Laursen，2011），這是不可行的。所以振動 10 人群噪聲中的能量對壓電能量收集的影響微乎其微，不會包含在我們的計算中。 風扇落差產生的動能 如前所述，Pavegen Systems生產的能量收集瓷磚，從一個平均體重、行走的人身上每一步平均可利用7瓦的能量。Pavegen瓷磚正在機場、火車站和學校等交通繁忙的地區安裝。考慮到體育設施中的活動可以達到100000人，這取決于體育項目，該設施在其內部和周圍產生大量的交通和動能。 材料/效果 不管傳感器輸出的能量如何，材料以及它們如何影響運動員的比賽場地可能是一個更重要的問題。 在人造表面下是可行的。一個可以很容易地拆除，用于翻新和維護，從而限制減震性能。天然草地的情況并非如此。然而，根據FieldTurf進行的5年研究，比賽場地材料發生了戲劇性的變化，開始從天然草坪轉向人造草坪（FieldTurf，2015），主要原因是人造草坪更易于維護，不易受惡劣天氣影響，對場地本身的破壞也更小（FieldTurf，2015年） 11 人造草皮的內容和材料很簡單。除了合成草外，還有兩種材料遍布整個草皮：再生橡膠和硅砂（SiO2），也稱為石英（Rodriguez，人造草填充選項，2015年）如前所述，石英是一種能夠從機械應力中自然獲得電荷的材料。人造草中填充的顆粒狀橡膠和石英具有耐磨性、防滑性和耐久性（FieldTurf，2015）但是，人們并沒有意識到僅僅通過踏上人造草坪就能產生的自然電荷。 其他比賽場地也有能力利用機械應力。籃球和排球場地使用的硬木地板不包含一層類似石英的人造草坪，但仍然可以通過楓木地板利用振動能量。同時，有關楓木地板組成及其減震性的信息有限的是，還有其他應用將楓木地板用作壓電表面。如前所述，“瓦特俱樂部"推出了一個人力舞池。其壓電地板的主要表面是玻璃和楓木。 另一個需要解決的問題是，這種技術和對草坪的改造是否會影響球員的表現或安全。這是“百萬美元的問題"這是一個價值數十億美元的體育產業，所有者在其球員身上投資了數百萬美元，他們最不希望看到的是球員受傷或降低他們的表現。這很難測試，因為我們無法比較人造草坪和傳感器與人造草坪的受傷率沒有任何草皮的草皮 12 由于壓電傳感器不能安裝在天然草地下，因此替代方法可能是觀察人造草地對天然草地的傷害率。FieldTurp研究發現，人造草地在傷害預防方面明顯比天然草地安全（FieldTurp，2015）.該研究記錄了人造草坪上的1164起受傷事故，天然草坪上的2377起受傷事故，其中50%的比賽在每個場地進行（Fieldturp，2015年）。人造草也可以產生更好的性能。由于比賽在平坦的表面上進行，如使用短切合成草的草皮，比賽速度更快，水平更高，但仍然限制了受傷率。 費用 該產品的成本對于確定整個項目的價值至關重要。盡管目前在一些交通繁忙的地區使用這種瓷磚，但消費者目前無法購買。因此，尚未公布價格，但據報道，Pavegen員工表示，這種瓷磚的售價可能低至76美元他的未來（莫拉萊斯，2013年）。值得注意的是，這并不包括安裝、人工、物流成本、因壞瓷磚停工導致的生產力損失，或整個場地或體育場翻新項目的成本。當確定這些瓷磚在財務上是否可行時，這些與技術相關的間接成本至關重要能源來源。1塊瓷磚的尺寸為17.1英寸x 23.6英寸，可以確定估算值，這將在結果部分討論。 13 體育與可持續性 雖然設施的利益點仍然是節省總體成本的直接好處，但在設施中實施可持續技術（如壓電）的間接好處有三大底線好處。 公眾對可持續性和體育運動的關系沒有太多的關注。在我們看待競技體育運動的方式中，缺乏環境意識和理解。體育運動可以被視為“鼓勵人類努力與自然環境和諧相處"（薩弗里和吉爾伯特，2011年，第4頁）。他們一直依賴于利用大自然清潔的空氣、可用的水和土地。然而，今天，環境的健康狀況持續下降，而體育產業已經成為一個價值數萬億美元的產業。對于體育來說，對健康環境的依賴已經不為公眾所認識，并對未來產生了直接影響這是一種體育運動。 這些組織自己也開始慢慢地開始提高認識。2007年，《體育畫報》發表了一篇關于 只有在人造表面下才能進行安裝。一個可以很容易地拆除進行翻新和維護，限制減震器 C這些組織本身已經慢慢開始提高認識。2007年，《體育畫報》發表了一篇關于氣候變化的封面文章，指出“現在是我們的團隊和運動員帶頭、激發注意力和影響行為的時候了"（Wolff，2007）。自那時以來，非營利組織與體育組織和運動員合作，交流他們對環境的熱情和經驗與采取行動的必要性之間的聯系。美國職業棒球大聯盟已經開始了MLB綠化計劃，表達了他們對環境責任的關注以及他們運動員的聲音和社會支持（Hershkowitz，2015）。國家 14 足球聯盟與國家資源保護委員會合作，幫助分享有關NFL設施更好實踐的信息，減少其對環境的影響（更智能的業務：綠化會，n.d.）。美國國家籃球協會啟動了NBA綠色和NBA綠色周活動，在這兩個活動中，組織發出環保意識，運動員參加“綠色"活動（NBA綠色，2015年）。 與國際舞臺的潛力相結合，體育賽事也有能力吸引大量觀眾。過去一年，（Klein，2014）吸引了近一半的人觀看了至少一場比賽，或者會（Hui，2008）吸引了47億觀眾或世界70%的人口，這些都可以成為展示可持續技術的舞臺。這樣的活動不僅吸引了大量的公眾關注，而且打破了文化和國家的界限，將各國團結在一個共同的利益之上。2008年國際奧委會報告說，北京會有204個國家參加，觀看人數甚至更多（2008年）。像會這樣的性體育賽事可以作為催化劑，減少各國之間存在的冷漠，突出我們的行動如何影響我們所依賴的環境的共同點。 雖然組織開始注意并建立意識，但意識和行為之間的差距仍然存在，而且比我們想象的要復雜得多。為了彌合這一差距，我們必須理解行為理論以及是什么影響了它，使可持續性成為公眾的一種生活方式。將行為理論概念化，并利用驅動消費者行為的因素，營銷人員可以開發 15 促進社會內環保行為的參與戰略和框架。其中更多內容將在本文的討論部分討論。 盡管試圖提高公眾的認識，但似乎仍然缺乏針對場館本身的重大舉措。建筑行業幾乎占所有能源消耗的一半（48%）（Lovins&Boyd，2011年），不僅可以針對環境破壞，還可以針對能源消耗不斷上升的直接成本提出訴訟。德克薩斯州達拉斯市的牛仔體育場在一場比賽中可消耗高達10兆瓦的能源，而利比里亞國家的發電能力不足三分之一（Breech，2013）。通過在場館中實施可持續技術，組織可以產生直接的節約，并對減少危害其運動未來的碳足跡產生更大的影響。 然而，向體育場館場館和基礎設施提供可持續的舉措和技術本身就是一個挑戰。組織傾向于堅持規范或過去對他們有用的東西，并且在他們的舒適區之外發起一些事情，這可能被視為有風險的。2012年倫敦會會交付管理局交付合作伙伴的前高級可持續性顧問克里斯汀·漢森（Kristen Henson）就組織如何將可持續性融入場館建設制定了交付機制和流程（漢森，2011年）。組織必須首先制定一個高層次的戰略，突出結構的長期利益。這可能包括資本支出和技術的長期回報，以繞過高初始成本的觀念。組織之間就相關的可持續性戰略進行合作也可能是有益的。2012年倫敦會 16 奧林匹克交付管理局（ODA）和倫敦會和殘奧會組織委員會（LOCOG）制定了互補的可持續發展戰略（Henson，2011年），建立了緊密的合作伙伴關系。下一步，組織必須制定明確的愿景和目標。如果沒有對什么是可持續性的廣泛定義，組織需要為可持續性及其目標建立一個統一的愿景。這在2010年南非會和冬季會、2012年倫敦會和2010年溫哥華會上都是顯而易見的。每個城市都有一個與主辦城市可持續性相關的清晰愿景，并制定了量化措施和關鍵績效指標 |
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