“雙碳”背景下能動專業(yè)“源—儲—排—智”課程新模塊構(gòu)建

賈永英，劉曉燕，馬川，王忠華，武傳燕，施微

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

能源與動力工程專業(yè)（以下簡稱“能動專業(yè)”）是一門面向能源轉(zhuǎn)化與利用領(lǐng)域的工科專業(yè)，是為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)培養(yǎng)專業(yè)人才的主干專業(yè)?！半p碳”目標(biāo)的提出，要求“能動專業(yè)”根據(jù)“雙碳”實(shí)施計(jì)劃和新工科建設(shè)要求，以及產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展對畢業(yè)生知識、能力、素質(zhì)的具體要求[1]，探索將專業(yè)教育與國家戰(zhàn)略需求相結(jié)合，建立“新能源—儲能—低排—人工智能”（以下簡稱“源—儲排—智”）模塊化課程體系，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)置與新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)動態(tài)對接，提高學(xué)生的清潔用能能力[2]，其研究結(jié)果對能動專業(yè)人才培養(yǎng)創(chuàng)新體系建立具有重要意義。

1 “能動專業(yè)”“雙碳”建設(shè)方向

“能動專業(yè)”是以傳熱學(xué)、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等相關(guān)理論為基礎(chǔ)，面向能源轉(zhuǎn)化與利用領(lǐng)域的傳統(tǒng)工科專業(yè)，在科學(xué)研究及工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，截至2021年7月，全國約有210所高校開設(shè)了該專業(yè)[3]。原有的“能動專業(yè)”致力于常規(guī)能源利用和開發(fā)的教學(xué)，進(jìn)行冷熱源工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營、管理等環(huán)節(jié)的專業(yè)教學(xué)，培養(yǎng)在熱能動力、熱力發(fā)電、供冷熱、制冷低溫等領(lǐng)域從事工程設(shè)計(jì)、裝備制造和設(shè)備運(yùn)行管理等工作的技術(shù)人才[4]。課程設(shè)置時(shí)，通識課程包括思想政治類、自然科學(xué)類、人文素養(yǎng)類和工程管理類；專業(yè)主干課程包括傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)[5]；專業(yè)必修課程包括強(qiáng)化傳熱、燃燒學(xué)、系統(tǒng)節(jié)能原理與技術(shù)、汽輪機(jī)原理。該專業(yè)分為動力工程、低溫制冷、動力機(jī)械等方向[6]，缺少新能源、儲能、減排類和智能控制方向，未實(shí)現(xiàn)對新能源的安全和高效利用，也未能滿足產(chǎn)業(yè)行業(yè)對清潔用能的需求，培養(yǎng)的學(xué)生不能滿足國家和社會對低碳人才的需求。

據(jù)《零碳中國·綠色投資》藍(lán)皮書預(yù)測，“零碳中國”將孕育可再生能源利用、能效提升、終端消費(fèi)電氣化、儲能、零碳發(fā)電技術(shù)、氫能和數(shù)字化七大投資領(lǐng)域[7]。為了滿足當(dāng)前國家和社會對低碳技術(shù)人才的需求，“能動專業(yè)”建設(shè)需要進(jìn)行戰(zhàn)略調(diào)整[8]，注重“雙碳”發(fā)展內(nèi)涵。“雙碳”目標(biāo)，概括起來就是能源的綠色、高效、合理利用，它要求能源使用面向綠色化、智能化、生態(tài)化的方向發(fā)展?！澳軇訉I(yè)”的學(xué)生不僅要掌握能源與動力工程領(lǐng)域的專業(yè)理論知識，還要能夠?qū)ⅰ读闾贾袊ぞG色投資》藍(lán)皮書中的四大投資領(lǐng)域（再生能源、儲能、零碳發(fā)電技術(shù)和人工智能）的技術(shù)與本專業(yè)知識結(jié)合，將新技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)行業(yè)，能夠基于工程知識，結(jié)合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，具有將環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理念應(yīng)用于能源產(chǎn)業(yè)的能力和對能源系統(tǒng)智慧化改造升級的能力，并提高生態(tài)素養(yǎng)和職業(yè)素養(yǎng)[9]。

因此，本文針對能動專業(yè)課程體系的現(xiàn)狀，基于“雙碳”戰(zhàn)略部署對新工科人才的需求，增加“源—儲—排—智”4個(gè)方向選修課程模塊[10]，將人工智能控制、清潔能源、儲能技術(shù)和減排技術(shù)等相關(guān)知識融入教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生按照選修方向進(jìn)行實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，推動能動專業(yè)朝著清潔用能的發(fā)展方向建設(shè)，引領(lǐng)碳達(dá)峰、碳中和行動。

2 能動專業(yè)“源—儲—排—智”課程模塊的構(gòu)建

“源—儲—排—智”課程模塊為新能源的大規(guī)模使用提供了技術(shù)支持，是“能動專業(yè)”在“雙碳”目標(biāo)下人才培養(yǎng)面臨新挑戰(zhàn)的一種創(chuàng)新實(shí)踐，對于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義[11]。構(gòu)建“源—儲—排—智”4個(gè)方向選修課程模塊，每個(gè)模塊設(shè)置4～5門課程，學(xué)生至少需要修滿8學(xué)分。通過構(gòu)建“源—儲—排—智”4個(gè)方向選修課程模塊，推動新能源的大規(guī)模利用，提高新能源儲能的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)化石能源的減污降碳，實(shí)現(xiàn)新能源的生產(chǎn)負(fù)荷、儲能容量和用戶負(fù)荷的數(shù)字化管控。學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)與清潔能源、儲運(yùn)技術(shù)和減排實(shí)踐結(jié)合，做到對能源生產(chǎn)、存儲、排放過程的智能管控，助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2.1 增加新能源課程模塊

人類社會的生存和發(fā)展離不開能源，在“雙碳”背景下，需要進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變傳統(tǒng)以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主要能源的局面，實(shí)施氫能、風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉刺娲袆覽12]。因此，“能動專業(yè)”融入新能源元素，構(gòu)建新能源課程知識體系，新增新能源與可再生能源技術(shù)、太陽能轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換與利用原理、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理和新型能源系統(tǒng)5門課程，使學(xué)生了解新能源的概念、種類、利用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，掌握太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿馁Y源狀況，掌握供熱、制冷和發(fā)電的基本原理及常用工藝技術(shù)，掌握生物質(zhì)能的分類、資源狀況、進(jìn)展和發(fā)展趨勢，掌握熱解和氣化的概念、原理、工藝和設(shè)備，掌握氫能的資源狀況、氫氣的制備過程和發(fā)電工藝，掌握燃料電池的工作原理，了解新能源與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，掌握能源利用過程中對環(huán)境造成的影響。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握新能源利用技術(shù)，提高新能源利用效率，有效降低二氧化碳排放量，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和提供技術(shù)支持。

2.2 增加儲能課程模塊

清潔能源的應(yīng)用已成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的根本途徑，但太陽能、風(fēng)能等新能源的不穩(wěn)定性影響其應(yīng)用的效果。通過儲能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平滑功率輸出和削峰填谷，提高新能源系統(tǒng)的可靠性，為新能源的穩(wěn)定使用提供了技術(shù)支撐。2021年7月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求推動儲能技術(shù)進(jìn)步[13]，并提出到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3 000萬kW以上。加強(qiáng)儲能產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)儲能技術(shù)應(yīng)用，是推動我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)需要和必然選擇。能動專業(yè)要設(shè)立儲能模塊課程，加強(qiáng)儲能產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)，在先修課程（工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)）的基礎(chǔ)上，開設(shè)儲能原理與技術(shù)、儲能熱流基礎(chǔ)、相變儲能技術(shù)和儲熱技術(shù)及應(yīng)用4門課程。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，了解化學(xué)儲能、相變儲能及新能源技術(shù)中的儲能技術(shù)，掌握儲熱基本原理與概念、儲熱基本方式與材料、儲熱技術(shù)評價(jià)依據(jù)與經(jīng)濟(jì)性、儲熱技術(shù)應(yīng)用與新進(jìn)展，掌握相變儲熱技術(shù)的原理、特點(diǎn)、材料、裝置和系統(tǒng)，掌握儲能控制技術(shù)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)太陽能光伏系統(tǒng)中的儲能控制技術(shù)、光伏逆變器等。通過儲能技術(shù)課程的設(shè)置，培養(yǎng)儲能方面“高精尖”人才，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2.3 增加減排課程模塊

“雙碳”目標(biāo)是減少溫室氣體二氧化碳的排放，2020年12月，在氣候雄心峰會上，國家主席習(xí)近平宣布：“到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右?！盵14]因此，學(xué)習(xí)化石能源碳排放機(jī)理，研究碳排放進(jìn)程，對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)至關(guān)重要。煤炭、燃料油和天然氣是產(chǎn)生二氧化碳的主要來源，在新能源還沒能完全取代化石能源的階段，對傳統(tǒng)能源采取相應(yīng)的減排措施，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的途徑之一。新增設(shè)火力發(fā)電廠碳減排技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)排放與控制技術(shù)、燃燒污染物控制技術(shù)、碳捕捉和碳封存技術(shù)4門課程，使學(xué)生了解國際二氧化碳排放形勢，掌握電力行業(yè)二氧化碳排放量及碳減排措施及技術(shù)，了解電廠碳減排實(shí)例，掌握碳捕捉和儲存技術(shù)。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，以降碳為總抓手，掌握低排放、零排放技術(shù)，推動末端治理，解決環(huán)境污染問題。

2.4 增加智能化課程模塊

隨著新能源裝機(jī)容量的迅速增長，新能源的不確定性、間歇性特征影響了用戶使用的可靠性，需要建立基于互聯(lián)網(wǎng)交互、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的智慧化管控，達(dá)到新能源生產(chǎn)負(fù)荷、儲能容量和用戶負(fù)荷的“源—儲—排—荷”動態(tài)調(diào)節(jié)和相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)新能源的穩(wěn)定供應(yīng)，滿足新能源系統(tǒng)可靠性運(yùn)行的需求[15]。因此，增設(shè)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、智慧電廠控制與算法、火電廠開關(guān)量控制系統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論4門課程，使學(xué)生了解現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，掌握系統(tǒng)的狀態(tài)方程建立及解法、系統(tǒng)的能控性、能觀測性和穩(wěn)定性等定性理論，掌握魯棒控制、時(shí)滯系統(tǒng)反饋控制等前沿知識，掌握各類通信總線及傳感器使用方法，掌握存儲器、觸摸屏、顯示屏、SD卡等高級外設(shè)的操控原理以及系統(tǒng)電源管理的實(shí)現(xiàn)，掌握智能開關(guān)、智能燈泡、智能環(huán)境采集實(shí)戰(zhàn)開發(fā)，熟悉RFID讀寫，具備RFID和系統(tǒng)平臺的集成能力。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生具有對能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲存和利用精準(zhǔn)控制的能力，能夠滿足新能源發(fā)電規(guī)模對其大范圍優(yōu)化配置和電力系統(tǒng)智能控制的要求，實(shí)現(xiàn)新能源、儲能和用戶負(fù)荷的多向互動，為新能源系統(tǒng)提供安全保障。

3 結(jié)語

本文分析了我國能動專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀，指出目前專業(yè)課程設(shè)置與國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)行業(yè)脫節(jié)。根據(jù)國家碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展戰(zhàn)略，分析“零碳中國”七大投資領(lǐng)域，指出“能動專業(yè)”需要承擔(dān)其中四大領(lǐng)域（再生能源、儲能、零碳發(fā)電技術(shù)和人工智能）建設(shè)任務(wù)，通過調(diào)整“能動專業(yè)”建設(shè)目標(biāo)，增加“源—儲—排—智”方向選修課程模塊，形成以綠色能源為發(fā)展理念，以能源存儲為發(fā)展手段，以降低排放為發(fā)展方式，以智能化為發(fā)展保障的核心發(fā)展路徑。通過開展專業(yè)課程體系改造升級的研究，實(shí)現(xiàn)專業(yè)建設(shè)與國家戰(zhàn)略需求相結(jié)合，其研究結(jié)果對“能動專業(yè)”課程體系建立具有重要意義。