XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергия ветра

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Колесникова А.А. 1

---

1МАОУ «Образовательный центр №7 г. Челябинска»

Максимова А.Р. 1

---

1МАОУ «Образовательный центр №7 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

91.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность изучения энергии ветра заключается в том, что это экологичный и возобновляемый источник энергии, который является неисчерпаемым и не загрязняет окружающую среду, в отличие от энергии, которую мы получаем в результате сжигания ископаемого топлива: нефти, угля и природного газа.

Данная работа посвящена изучению ветроэнергетики и важности заботы об окружающей среде.

Цель работы: разобраться, как ветер может стать источником электричества, для энергоснабжения домов, предприятий и населённых пунктов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить, что представляет собой энергия ветра, как она образуется, каким образом её используют для получения электричества, и выяснить, какое значение эта энергия имеет для нашего будущего.

2. Узнать, как работает ветряная турбина, понять механизм превращения движения ветра в электрический ток, определить важные элементы конструкции ветроэлектростанции и факторы, обеспечивающие высокую производительность системы.

3. Провести анализ тенденций развития ветроэнергетики в мире.

4. Сделать простой ветрогенератор самостоятельно, чтобы увидеть, как из обычного ветра можно получить электричество, и проверить.

5. Выяснить плюсы и минусы ветроэнергетики, рассмотреть, какие выгоды даёт производство энергии из ветра и какие трудности возникают при её развитии.

6. Показать, почему человечество должно перейти от нефти, газа и угля к ветровой и другим чистым источникам энергии, объяснить, какие проблемы вызывают обычные виды топлива и доказать, что новые источники станут главными уже в ближайшие годы.

Предмет работы: ветрогенераторы – устройства, преобразующие энергию ветра в другие формы.

В работе применены следующие методы исследования: поиск и анализ данных о выработке энергии, наблюдение за работой ветрогенераторов, практическое моделирование ветровых потоков.

В результате, удалось выяснить, как начинается движение воздушных потоков относительно друг друга, которое мы называем ветром. Изучен принцип действия ветрогенераторов, на основе которого проведен практический эксперимент, который наглядно показывает, как довольно просто превратить энергию ветра в электричество. Полученные данные позволяют утверждать, что энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли, и может быть использована как для обеспечения энергией отдельных домов, так и для целых городов.

В работе сделан вывод, что дефицит энергии, ограниченность топливных ресурсов и загрязнение атмосферы, показывают неизбежность перехода к альтернативным источникам энергии. И в ближайшем будущем, альтернативные источники энергии будут основными, а традиционные, напротив, потеряют свое значение.

1 Что такое энергия?

Трудно несколькими словами дать определение энергии. Можно понять, что это такое, рассмотрев ее действие. Приведу пример: наше тело, имеет способность накапливать и расходовать энергию, если бы этого не было, мы не смогли бы двигаться, передвигаться предметы, учиться, дышать, думать и так далее, поскольку без энергии никакое существо не может меняться и действовать.

Энергия может проявляться в разных формах. Тепло является одной из форм энергии, поэтому может производить изменения в предметах: растопить кусок льда, повысить температуру любого материала, растянуть металлы. Электричество также является формой энергии: производит тепло, холод, свет, движение и так далее. Существуют и другие виды энергии: световая, звуковая, химическая. Все они способны изменить состояние вещей.

Таким образом можно определить энергию как способность производить изменения во всем, что нас окружает.

Электричество – это вид энергии, дающий жизнь домашнему очагу, работу фабрикам, магазинам, учреждениям, в том числе и паркам детских аттракционов.

Мы используем электрическую энергию для освещения домов, приготовления пищи, для сохранения свежими продуктов, для работы на компьютерах или для того, чтобы действовали игрушки [1].

Электричество производят на электростанциях. Существуют различные виды электростанций, но самыми распространенными в мире являются тепловые и атомные. Обе станции работают на ископаемом топливе. Когда ископаемое топливо сгорает, оно загрязняет атмосферу. Выделяется углекислый газ, который постепенно накапливается в земной атмосфере. Из-за большого количества углекислого газа, в атмосфере удерживается слишком много солнечного тепла. Земля перегревается, льды тают, уровень моря повышается, в результате возникает явление, которое называется парниковым эффектом, который неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата. При этом, ископаемое топливо – невозобновляемый ресурс, его запасы скоро закончатся, поэтому, люди ищут другие способы производства энергии с использование источников, запасы которых неисчерпаемы, такие, как ветер, солнечный свет и энергия текущей и падающей воды [1].

Общая потребность в энергии с каждым годом растёт по всему миру, в основном из-за роста населения планеты, распространения цифровой экономики (комплексы бесперебойного электропитания, искусственный интеллект), роста популярности электротранспорта и потребности в кондиционировании. Рост потребления энергии в мире по годам показан с помощью графика в Приложении А [5].

Далее, подробно изучим один из видов альтернативной электроэнергетики – это использование энергии ветра (ветроэнергетика).

2 Энергия ветра

2.1 Как образуются ветры и что такое энергия ветра?

Мы все ощущаем ветер в нашей повседневной жизни. В некоторых местах он быстрый, а в других местах низкий, в зависимости от географического положения. Ветер обладает большим количество энергии благодаря своему движению, которое называется энергией ветра.

Поверхность нашей Земли неодинаково нагревается Солнцем. В результате образуются теплые и холодные области. Воздух из теплых регионов поднимается в атмосферу, потому что горячий воздух менее плотный, чем холодный. Из-за подъема горячего воздуха под ним создается область низкого давления, которая заполняется холодным воздухом. Эти движения горячего и холодного воздуха создают воздушные потоки по всей Земле и известны как ветер [1].

2.2 Использование энергии ветра для выработки электроэнергии

Энергию ветра можно использовать для выработки энергии, необходимой для выполнения некоторых полезных работ. Люди веками использовали энергию ветра для производства механической энергии для перекачки воды и измельчения зерна с помощью ветряных мельниц. Кроме того, энергия ветра используется моряками для плавания на лодках в океанах и реках с помощью парусов. Итак, ясно, что ветер – это не недавно открытый источник энергии.

Энергия ветра является одним из видов возобновляемых источников энергии, поскольку она не потребляется в процессе выработки электроэнергии, а ветер всегда доступен по всему миру [1].

2.3 Как вырабатывается электричество из энергии ветра?

Энергия ветра может быть использована для выработки электроэнергии для домов, зданий или даже городов. Для этого используются специальные устройства, известные как ветрогенераторы.

Ветрогенераторы – это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию, а затем в электричество. Ветры доступны в любом месте, иногда быстрые, а иногда медленные. Но, чтобы получить максимальную выгоду от ветра, основная часть ветрогенераторов – ветряные турбины, устанавливаются в местах, где средний ветер в течение всего года остается быстрым.

Места, в которых энергетические компании вырабатывают электроэнергию из ветра, известны как ветряные электростанции или ветропарки. На ветроэлектростанциях для выработки электроэнергии используются сотни ветряных турбин. Эти ветряные турбины обычно устанавливаются на высокой башне высотой в несколько сотен метров, потому что на высоте ветры сильнее, чем на земле. Скорость ветра увеличивается с высотой, поскольку уменьшается сила трения о земную или водную поверхность, которая замедляет воздушные потоки. На больших высотах, например, в свободной атмосфере, ветер может достигать очень высоких скоростей из-за отсутствия препятствий.

Во всем мире есть много стран, которые производят электроэнергию с помощью ветряных турбин. Среди них Китай, установил крупнейшие ветроэнергетические мощности в 2023 году. Рост развития возобновляемой энергии во всем мире я показала на графике в Приложении Б [5].

2.4 Как работает ветряная турбина?

Ветряная турбина очень похожа на вентилятор. Но вместо того, чтобы использовать электричество, она генерирует электричество, когда ветер вращает свои лопасти. Ветряные турбины установлены на высокой башне, чтобы обеспечить максимальную скорость ветра.

Эти турбины в основном крепятся тремя длинными лопастями, чтобы использовать большую мощность ветра. Ветер воздействует на лопасти, заставляя их вращаться. Лопасти соединены с валом, который также вращается вместе с лопастями. Вал вращает генератор, внутри которого происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Количество энергии, которую можно использовать от ветра, зависит от размера турбины и скорости ветра. Чтобы получить максимальную отдачу от ветра, инженеры выбирают участок, где средний ветер в течение года составляет не менее 25 километров в час. Размер турбин выбирается в соответствии с необходимой мощностью и наличием земли [4].

2.5 Эксперимент «Энергия ветра»

В эксперименте, сделан ветрогенератор своими руками, и показано как с помощью него, можно довольно просто превратить энергию ветра в электричество.

Понадобятся: тонкая бумага, стержень, прямая булавка, бусинка, ножницы, клей.

1. Вырезаем из бумаги квадратик. Пометим его центр. Проводим линии от его углов почти до центра и сделаем по этим линиям надрезы.

2. Загибаем углы бумаги к центру и закрепляем их булавкой.

3. Закалываем булавку в стержень так, чтобы бусинка оказалась между ним и вертушкой.

4. Выходим на улицу на ветренное место и смотрим, как вертушка ловит энергию ветра.

Результат: ветер заставляет вращаться мою вертушку точно так же как лопасти ветрогенераторов. А если присоединить вертушку к генератору, то вращающаяся вертушка под воздействием ветра или другого потока, передает свою механическую энергию на генератор. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию. Полученный ток может подаваться в общую электросеть или использоваться для зарядки аккумуляторов, обеспечивая независимое электроснабжение. Это наглядный пример того, как лопасти вертушки преобразуют энергию ветра в электричество.

В основе лежит простая идея: использование силы ветра для создания вращательного движения, которое затем преобразуется в электричество. Такой процесс позволяет получать электроэнергию из неисчерпаемого ресурса, не используя топливо и не производя вредных выбросов.

2.6 Преимущества ветроэнергетики

1. Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем (ветер – бесплатный и легкодоступный возобновляемый источник энергии).

2. В процессе работы ветрогенераторов полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.

3. Ветрогенераторы не использует воду для своей работы.

4. Ветряная турбина и основные рабочие части таких генераторов расположены на значительной высоте над землей. Башня, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь на земле, поэтому окружающее пространство может быть с успехом использовано для хозяйственных нужд, там могут быть размещены различные здания и сооружения, например, для сельского хозяйства.

5. Ветрогенераторы могут быть установлены в отдаленных местах, где нет доступа к электросети, и ветрогенератор для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.

6. Ветер также дует в ночное время. Таким образом, ветрогенераторы могут обеспечить электроэнергией в ночное время

7. Если установить ветрогенератор для отдельного дома, то это поможет обеспечить независимое электроснабжение, и исключить оплату услуг электроснабжения.

2.7 Недостатки ветроэнергетики

1. Высокая начальная стоимость оборудования.

2. Ветрогенераторы зависят от внешних условий в конкретный момент, а потому не вырабатывают постоянную мощность в течение всего дня, потому что скорость ветра меняется весь день, ветер может быть сильным, или его может не быть вообще.

3. Ветряные турбины производят звуковое загрязнение, которое беспокоит людей, живущих ближе к ним.

4. Ветряные электростанции занимают много земель. Поэтому их нельзя строить вблизи городов.

5. Есть небольшая вероятность столкновения птицы с лопастью ветряной турбины, однако она настолько мала, что вряд ли нуждается в серьезном рассмотрении.

Заключение

В результате проведенного исследования получены следующие ключевые выводы:

1. Энергия ветра является важным видом возобновляемой энергии, формирующейся вследствие неравномерного нагрева земной поверхности солнечными лучами. Эта энергия преобразуется в электричество посредством специальных устройств – ветроэнергетических установок.

2. Ветряная турбина функционирует путем вращения лопастей под воздействием потоков воздуха, приводящих в движение ротор генератора, генерирующий электрический ток. Важнейшими элементами конструкции являются лопасти, башня, система управления и трансформатор.

3. Тенденции развития ветроэнергетики демонстрируют рост интереса к этому виду генерации во многих странах мира, расширение производственных мощностей и улучшение технологий.

4. Самостоятельное изготовление простого ветрогенератора позволило наглядно продемонстрировать принцип работы и подтвердить возможность получения экологически чистой энергии даже в бытовых условиях.

5. Преимущества ветроэнергетики включают низкую стоимость эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды и доступность ресурса. Среди трудностей выделяются высокая начальная стоимость оборудования, зависимость от метеорологических условий и необходимость больших территорий для установки ветропарков.

6. Переход к альтернативным источникам энергии, таким как ветер, становится необходимым ввиду исчерпания запасов традиционного топлива и возрастающих угроз изменения климата. Чистые источники энергии обеспечат устойчивость и безопасность будущих поколений.

Проведенное исследование подтвердило значимость и перспективы дальнейшего развития ветроэнергетики как важного элемента энергетической стратегии XXI века.

Список литературы

1. Мишина, К. Что? Зачем? Почему? Большая книга ответов и вопросов / А. Зыкова. – Эксмо, 2006. — С. 36–52.

2. Робсон, П. География в занимательных экспериментах. — Росмэн-Пресс, 2006. — С. 124–125.

3. Ветроэнергетика [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://clck.ru/3PPac9 (дата обращения: 14.02.2026).

4. Ветрогенератор [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://clck.ru/3PPad5 (дата обращения: 14.02.2026).

5. Мировое потребление энергии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://clck.ru/3PPaQQ (дата обращения: 14.02.2026).

6. Гришаева, Т. А. Волшебники ветряных мельниц: Книга про ветроэнергетику для детей / Т. А. Гришаева. — Екатеринбург : Банк культурной информации, 2021. — 64 с.

7. Никитина, Е. С. Электричество из ветра: Увлекательное путешествие в мир ветроэнергетики / Е. С. Никитина. — Санкт-Петербург : Невский проспект, 2022. — 48 с.

Приложение А

На рисунке приведен график изменения потребления энергии в мире в период с 2007 по 2021 год. На графике четко видны минимумы потребления энергии. В 2009 году минимум был вызван экономическим кризисом 2008 года. В 2020 году – пандемией COVID-19, начавшейся в 2019 году.

Приложение Б

Китай является мировым лидером в строительстве ветроэнергетических установок. Этот быстрый рост возобновляемых источников энергии способствует достижению цели Китая по сокращению выбросов углекислого газа и переходу к более экологически чистой энергетике.