王遠(yuǎn)洋 李曉明

(太原科技大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030021)

能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),動(dòng)力是維系現(xiàn)代工業(yè)運(yùn)行的基本條件,節(jié)能環(huán)保是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的可靠保障。能源動(dòng)力領(lǐng)域及相關(guān)工業(yè)是關(guān)系國(guó)家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會(huì)長(zhǎng)治久安的國(guó)際前沿科技領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。能源動(dòng)力領(lǐng)域的人才培養(yǎng)無(wú)疑對(duì)推動(dòng)我國(guó)能源供給革命、能源消費(fèi)革命和能源技術(shù)革命具有重要意義。新能源科學(xué)與工程專業(yè)作為能源動(dòng)力類專業(yè),承擔(dān)著我國(guó)能源動(dòng)力領(lǐng)域人才培養(yǎng)的重任,而“碳達(dá)峰、碳中和”作為一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革,對(duì)包括新能源科學(xué)與工程專業(yè)在內(nèi)的新時(shí)代各類人才培養(yǎng)提出了新要求。

二氧化碳等溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖,嚴(yán)重威脅著人類生存和可持續(xù)發(fā)展。2020年9月,習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布:中國(guó)“力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。同年12月,習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布:到2030年,中國(guó)單位國(guó)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,森林蓄積量將比2005年增加60億立方米,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上[1]。顯然,“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)基于推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求的重大戰(zhàn)略決策。

2021年7月,教育部印發(fā)《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》(教科信函〔2021〕30號(hào))[2],提出總體目標(biāo)為加快構(gòu)建高校碳中和科技創(chuàng)新體系和人才培養(yǎng)體系……近期利用3～5年時(shí)間,不斷調(diào)整優(yōu)化碳中和相關(guān)專業(yè)、學(xué)科建設(shè),推動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)提升;中期通過(guò)5～10年的建設(shè),若干高校率先建成世界一流碳中和相關(guān)學(xué)科和專業(yè);遠(yuǎn)期立足實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),建成一批引領(lǐng)世界碳中和基礎(chǔ)研究的頂尖學(xué)科。主要舉措包括“加快制定碳中和領(lǐng)域人才培養(yǎng)方案,建設(shè)一批國(guó)家級(jí)碳中和相關(guān)一流本科專業(yè),加強(qiáng)能源碳中和、資源碳中和、信息碳中和等相關(guān)教材建設(shè),鼓勵(lì)高校開(kāi)設(shè)碳中和通識(shí)課程,將碳中和理念與實(shí)踐融入人才培養(yǎng)體系”。

2022年4月底,教育部印發(fā)《加強(qiáng)碳達(dá)峰、碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》(教高函〔2022〕3號(hào))[3],要求圍繞化石能源綠色開(kāi)發(fā)、低碳利用、減污降碳等碳減排關(guān)鍵技術(shù),新型太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能、核能及儲(chǔ)能技術(shù)等碳零排關(guān)鍵技術(shù),二氧化碳捕集、利用、封存等碳負(fù)排關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供堅(jiān)強(qiáng)的人才保障和智力支持。加快新能源、儲(chǔ)能和氫能等緊缺人才培養(yǎng);加快碳捕集、利用與封存相關(guān)人才培養(yǎng),促進(jìn)低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和推廣;進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)電、光伏、水電和核電等人才培養(yǎng),推進(jìn)新能源材料、裝備制造、運(yùn)行與維護(hù)、前沿技術(shù)等方面技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)要求,修訂培養(yǎng)方案,優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容……為此迫切需要針對(duì)“雙碳”目標(biāo),進(jìn)行新能源科學(xué)與工程專業(yè)的課程體系研究。

1 “雙碳”目標(biāo)的內(nèi)涵分析

丁仲禮[4]認(rèn)為,“出于改善空氣質(zhì)量的考慮,要追求盡量把碳達(dá)峰的峰值壓低,碳達(dá)峰其實(shí)不需要太多研究,要研究的問(wèn)題主要是如何實(shí)現(xiàn)碳中和?！碧贾泻途褪侨藶榕欧诺亩趸?化石燃料利用和土地利用),被人為努力(木材蓄積量、土壤有機(jī)碳、工程封存等)和自然過(guò)程(海洋吸收、侵蝕—沉積過(guò)程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大約是400億噸,其中14%來(lái)自土地利用,86%來(lái)自化石燃料利用。排放的這些二氧化碳,大約46%留在大氣,23%被海洋吸收,31%被陸地吸收。為此從排放端、固碳端、政策推動(dòng)三個(gè)角度設(shè)立了九個(gè)咨詢專題,以設(shè)計(jì)碳中和框架及初步路線圖。排放端的四個(gè)專題為未來(lái)能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)、非碳能源占比階段性提高途徑、不可替代化石能源預(yù)測(cè)和非碳能源技術(shù)研發(fā)迭代需求;固碳端的四個(gè)專題為陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀測(cè)算、陸地生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)固碳潛力分析、碳捕集利用封存(CCUS)技術(shù)評(píng)估和青藏高原率先達(dá)標(biāo)示范區(qū)建議;政策推動(dòng)專題則為政策技術(shù)分析研究。丁仲禮最后指出,整個(gè)項(xiàng)目最終的情景設(shè)計(jì)為:假如到2060年我國(guó)每年不得不排放25億噸二氧化碳,根據(jù)目前觀測(cè)比例,自然過(guò)程可吸收13億噸,生態(tài)系統(tǒng)吸收8億噸,風(fēng)化和碳酸鈣沉淀吸收2億噸,還有2億噸要變成生物炭埋到土壤中,然后就是各種技術(shù)如何迭代。不難看出,新能源替代和CCUS是其重點(diǎn)。

2022年4月,韓正副總理出席博鰲亞洲論壇年會(huì)時(shí)表示,“我國(guó)將立足能源結(jié)構(gòu)以煤為主的基本國(guó)情,大力推動(dòng)煤炭清潔利用,發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制和政府調(diào)控作用,確保今年能源電力供應(yīng)安全穩(wěn)定,穩(wěn)妥有序推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和?！盵5]相宏偉等[6]總結(jié)和預(yù)測(cè)了碳中和目標(biāo)下我國(guó)能源與煤炭消費(fèi)量及二氧化碳(CO2)排放量,提出我國(guó)在10年內(nèi)要盡可能降低碳排放的峰值,之后的30年內(nèi)平均每年要減少約3億噸的CO2排放量,而煤在一次能源消費(fèi)中占比減少的約55%～95%,此部分則需以不含碳或含碳量很少的新能源予以取代。相宏偉通過(guò)分析指出:選擇優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與提高能量利用效率可明顯但有限地降低CO2排放,唯有通過(guò)綠電綠氫、CCUS和CO2資源化利用技術(shù)與煤化工工藝耦合才能實(shí)現(xiàn)煤化工億噸級(jí)規(guī)模的碳減排和可持續(xù)發(fā)展。此外,他們還根據(jù)空氣直接捕集CO2技術(shù)、光電催化CO2轉(zhuǎn)化和模擬光合反應(yīng)的研究進(jìn)展,設(shè)想了未來(lái)可能的零碳化工體系。

劉科在分析碳中和的六種誤區(qū)后認(rèn)為,對(duì)我國(guó)而言,碳中和有下述幾條現(xiàn)實(shí)路徑[7]。第一,將現(xiàn)有煤化工與可再生能源結(jié)合建立低碳能源系統(tǒng),由煤炭經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)為甲醇經(jīng)濟(jì),通過(guò)太陽(yáng)能或風(fēng)能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣用綠氫補(bǔ)充而不經(jīng)水汽變換,使煤制甲醇的CO2達(dá)到近零排放,將太陽(yáng)能和風(fēng)能以甲醇液體的載體形式儲(chǔ)存,氧氣則可用于煤氣化;再用甲醇做分布式發(fā)電替代一切使用柴油機(jī)的場(chǎng)景,與光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源形成互補(bǔ);也可取代汽柴油作為汽車燃料,或甲醇和水200 ℃在線制氫發(fā)電推動(dòng)燃料電池汽車,余熱可維持最佳的電池溫度,從而無(wú)需再建充電站或加氫站,不僅可大幅降低交通運(yùn)輸業(yè)的碳排放,而且可部分解決石油不足問(wèn)題。第二,利用煤炭領(lǐng)域的碳中和技術(shù)——微礦分離技術(shù),在煤燃燒前將可燃物與含污染物的礦物分離,制備低成本的清潔固體或類液體燃料和土壤改良劑,從而從源頭上解決煤污染。而土壤改良劑可修復(fù)由于濫用化肥造成的土壤板結(jié)等生態(tài)問(wèn)題,讓更多的森林長(zhǎng)起來(lái),將CO2吸收,促進(jìn)碳中和,該路徑不但現(xiàn)實(shí)而且成本較低。第三,實(shí)現(xiàn)光伏與農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展,將光伏與農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、水資源利用及沙漠治理并舉,以聯(lián)合減碳。第四,峰谷電與熱儲(chǔ)能綜合利用,利用分布式儲(chǔ)熱模塊,在谷電時(shí)段將1/4乃至1/3的電以熱的形式儲(chǔ)存,再在需要時(shí)用于供熱或空調(diào),從而避免浪費(fèi)并大幅降低CO2排放。其核心為:采用太陽(yáng)能或風(fēng)能等新能源合成甲醇,而后以甲醇發(fā)電和作為燃料推動(dòng)燃料電池汽車。

我國(guó)碳排放結(jié)構(gòu)中,電力行業(yè)(主要是火電)占41%,交通行業(yè)(主要是油品)占28%,建筑和工業(yè)占31%,火電產(chǎn)生的二氧化碳是未來(lái)減碳的最大主體。韓東娥[8]提出,我國(guó)作為最大的碳排放和能源消費(fèi)國(guó),實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需要能源系統(tǒng)的顛覆性變革,必須從以化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主;未來(lái)40年,在能源供給側(cè)實(shí)現(xiàn)電力的零碳化和燃料的零碳化,在消費(fèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)高效化、再電氣化和智慧化,能源利用實(shí)現(xiàn)從高碳到低碳再到零碳,實(shí)現(xiàn)可再生能源從補(bǔ)充能源到主流能源的轉(zhuǎn)變;碳中和目標(biāo)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇,努力將碳中和的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦湍茉串a(chǎn)業(yè)技術(shù)、新能源業(yè)態(tài)發(fā)展的機(jī)遇,轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的動(dòng)力,是碳中和的關(guān)鍵。

杜祥琬在為《碳達(dá)峰、碳中和100問(wèn)》[9]作序中認(rèn)為,全球和我國(guó)降碳的主要措施有3條:首先是提能效、降能耗,特別是從建筑、交通、工業(yè)、電力等方面入手;其次是能源替代,高比例發(fā)展非化石能源特別是可再生能源;最后是碳移除,增加碳匯,大力發(fā)展CCUS技術(shù)?？衫斫鉃?(1)提高能源利用效率,(2)改變能源結(jié)構(gòu),(3)發(fā)展負(fù)碳技術(shù)。

2 新能源科學(xué)與工程的內(nèi)涵分析

目前廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等化石能源和水能等被稱為常規(guī)能源,隨著常規(guī)能源有限性以及環(huán)境問(wèn)題的日益突出,新能源越來(lái)越得到重視。1980年,聯(lián)合國(guó)新能源和可再生能源會(huì)議對(duì)新能源的定義為:以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ),使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開(kāi)發(fā)和利用,用取之不盡、周而復(fù)始的可再生能源取代資源有限、對(duì)環(huán)境有污染的化石能源;重點(diǎn)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮?、氫能和核?此外,還應(yīng)包括天然氣水合物和沼氣等資源,以及甲醇、乙醇(酒精)和二甲醚等化工能。由于生物質(zhì)能不僅搶奪人類賴以生存的土地資源,更將導(dǎo)致社會(huì)不健康發(fā)展;而大規(guī)模開(kāi)發(fā)潮汐能和地?zé)崮芤矊⑵茐暮Ｑ蠛偷孛姹韺油寥拉h(huán)境,從而再次引起生態(tài)環(huán)境惡化;氫氣不是一次能源,和電一樣需通過(guò)別的能源制造,因而只是能源的載體,也不具備液體在能量密度、管道輸送、長(zhǎng)期儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢(shì),且氫氣作為最小的分子最易泄露,還是爆炸范圍最寬的氣體,因而不適合做大眾通用的能源載體[6];核能耗資巨大,一旦泄漏危害異常嚴(yán)重;而太陽(yáng)能和風(fēng)能作為取之不盡、用之不竭的健康能源,必將成為今后新能源的主流。新能源具有以下特點(diǎn):(1)資源豐富,普遍可再生,供永續(xù)利用;(2)不含碳或含碳量很少,對(duì)環(huán)境影響小;(3)分布廣,有利于小規(guī)模分散利用;(4)間斷式供應(yīng),波動(dòng)性大,對(duì)持續(xù)供能不利;(5)能量密度低,開(kāi)發(fā)利用成本比化石能源高,需技術(shù)創(chuàng)新。前3項(xiàng)為其優(yōu)點(diǎn),后兩項(xiàng)為其短板。換言之,新能源應(yīng)以太陽(yáng)能和風(fēng)能為主,需采用儲(chǔ)能技術(shù)并開(kāi)發(fā)新技術(shù)。

新能源的種類只是能量利用眾多環(huán)節(jié)的基礎(chǔ),而發(fā)動(dòng)機(jī)做功原理的革新則是未來(lái)能源開(kāi)發(fā)的首選方向,經(jīng)典熱機(jī)做功的能量利用效率僅有1/4到1/3,唯有當(dāng)能源微觀做有序一維運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)熱時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)引擎100%做功才會(huì)成為可能,新能源汽車因此應(yīng)運(yùn)而生。新能源汽車是指采用除汽油、柴油外的非常規(guī)燃料作為動(dòng)力來(lái)源,或雖使用常規(guī)燃料但采用新型動(dòng)力裝置,綜合動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)先進(jìn)技術(shù)而形成的原理先進(jìn),具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車,包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(BEV,含太陽(yáng)能汽車)、燃料電池汽車(FCEV)、其它新能源汽車(如超級(jí)電容器、飛輪等高效儲(chǔ)能器)四大類型,其中燃料電池作為內(nèi)燃機(jī)的理想替代物,代表了汽車未來(lái)的發(fā)展方向和終極目標(biāo)。

新能源科學(xué)與工程隸屬于能源與動(dòng)力工程類專業(yè),能源與動(dòng)力工程主要研究能源轉(zhuǎn)換,即將自然界的太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能或化石能源等轉(zhuǎn)化為工業(yè)上可用的電能或機(jī)械能,如各種鍋爐、內(nèi)燃機(jī)和蒸汽發(fā)電機(jī)等。按照“雙碳”目標(biāo),電力應(yīng)關(guān)?；痣姀S、交通需推廣新能源汽車,為此能源與動(dòng)力工程轉(zhuǎn)而研究傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境的影響、能源的能效比以及清潔燃燒等問(wèn)題。而新能源科學(xué)與工程作為2010年增設(shè)的專業(yè),主要研究太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和核能等新能源的種類、特點(diǎn)、應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),以及相關(guān)的工程技術(shù)。

3 專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

新能源科學(xué)與工程所屬的能源動(dòng)力類專業(yè)以工程熱物理相關(guān)理論為基礎(chǔ),以能源高效潔凈轉(zhuǎn)換與利用、動(dòng)力系統(tǒng)及裝備可靠運(yùn)行與控制、新能源與可再生能源技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展為學(xué)科方向,根據(jù)《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》[10](下簡(jiǎn)稱《本科專業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》),能源動(dòng)力專業(yè)類的培養(yǎng)目標(biāo)為:培養(yǎng)具備動(dòng)力工程及工程熱物理相關(guān)基礎(chǔ)理論,系統(tǒng)掌握能源(包括新能源)高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、能源動(dòng)力裝備與系統(tǒng)、能源與環(huán)境系統(tǒng)工程等方面專業(yè)知識(shí),能從事能源、動(dòng)力、環(huán)保等領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行控制、教學(xué)、管理等工作,富有社會(huì)責(zé)任感,具有國(guó)際視野、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工程實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的高素質(zhì)專門人才。能源動(dòng)力專業(yè)類下設(shè)“能源與動(dòng)力工程”1個(gè)基本專業(yè)、“能源與環(huán)境系統(tǒng)工程”和“新能源科學(xué)與工程”2個(gè)特設(shè)專業(yè),基本與培養(yǎng)目標(biāo)中的“能源動(dòng)力裝備與系統(tǒng)”“能源與環(huán)境系統(tǒng)工程”和“能源(包括新能源)高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用”相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)上述“雙碳”目標(biāo)和新能源科學(xué)與工程的內(nèi)涵分析,同時(shí)兼顧風(fēng)力發(fā)電涉及的系統(tǒng)裝備,確定新能源科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為:培養(yǎng)具備工程熱物理相關(guān)基礎(chǔ)理論,系統(tǒng)掌握能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、新能源技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、動(dòng)力系統(tǒng)及裝備運(yùn)行與控制等方面專業(yè)知識(shí),能從事新能源相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制、教學(xué)和管理等工作,富有社會(huì)責(zé)任感,具有國(guó)際視野、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工程實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的高素質(zhì)專門人才。

4 專業(yè)課程體系構(gòu)建及其承接關(guān)系

《本科專業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》提出三類知識(shí)體系:(1)通識(shí)類知識(shí),包括思想政治教育、人文社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)和自然科學(xué)、經(jīng)濟(jì)管理、外語(yǔ)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、體育、社會(huì)實(shí)踐訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)等;(2)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí),體現(xiàn)本專業(yè)類知識(shí)體系的共性,覆蓋力學(xué)、機(jī)械、工程材料、電工電子、測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言及程序設(shè)計(jì)、熱流科學(xué)等;(3)專業(yè)知識(shí),包括能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用原理與技術(shù),能源動(dòng)力機(jī)械與裝置原理、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì),能源動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行,新能源與可再生能源的開(kāi)發(fā)、存儲(chǔ)與利用,能源領(lǐng)域的環(huán)境保護(hù)與污染物防治等。此外,實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)包括課程實(shí)驗(yàn)、金工實(shí)習(xí)、認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、科研訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等。《本科專業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》示例的新能源科學(xué)與工程專業(yè)核心課程體系見(jiàn)表1。

根據(jù)“雙碳”目標(biāo)的內(nèi)涵分析,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主要途徑為:(1)提高能源利用效率;(2)改變能源結(jié)構(gòu);(3)發(fā)展負(fù)碳技術(shù)。同時(shí)根據(jù)上述新能源科學(xué)與工程的內(nèi)涵分析,新能源應(yīng)側(cè)重于太陽(yáng)能和風(fēng)能,并兼顧醇醚類化工能,而新型動(dòng)力裝置則注重于燃料電池。為此,根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),確定新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程體系列于表2。

表2 新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程體系

表1中刪減的課程:(1)“自動(dòng)控制原理”雖在太陽(yáng)能和風(fēng)能利用中有所涉及但占比很少,可在“電工電子技術(shù)”中予以補(bǔ)充;(2)新能源中主要的光伏發(fā)電涉及光電效應(yīng),風(fēng)力發(fā)電涉及機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化,基本不涉及熱效應(yīng),故去掉“新能源熱利用原理及系統(tǒng)”;(3)風(fēng)力發(fā)電涉及的流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”和承接自“工程流體力學(xué)”的“能源轉(zhuǎn)化原理”講述,故去掉單獨(dú)的“流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化原理與技術(shù)”;(4)鑒于氫能利用尚存較大爭(zhēng)議,而燃料電池為最具代表性的新型能源動(dòng)力系統(tǒng),故以“燃料電池基礎(chǔ)”取代“氫能與新型能源動(dòng)力系統(tǒng)”。

表2中增設(shè)的課程:(1)新能源科學(xué)與工程所屬的能源與動(dòng)力工程類,主要研究能源轉(zhuǎn)換?！澳茉崔D(zhuǎn)化原理”是所有核心課程的核心,具有綱舉目張的地位,主要講述將自然界的太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能或化石能源等轉(zhuǎn)化為工業(yè)上可用的電能或機(jī)械能的原理等,必須予以增加;(2)其中化石能源和新能源中的生物質(zhì)能均涉及化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,化學(xué)在能源開(kāi)發(fā)和利用上起著極其重要的作用,絕大多數(shù)的能源利用實(shí)質(zhì)上就是能量和物質(zhì)不同形式間的轉(zhuǎn)化過(guò)程,而其轉(zhuǎn)化均通過(guò)直接或間接化學(xué)反應(yīng)予以實(shí)現(xiàn),主要涉及熱化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)等,故增加“工程化學(xué)”,同時(shí)補(bǔ)充了數(shù)理基礎(chǔ)的“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”及“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”;(3)“專業(yè)導(dǎo)論”具有提綱挈領(lǐng)作用,故予以開(kāi)設(shè),同時(shí)根據(jù)《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》要求增設(shè)單獨(dú)的“碳中和理念與實(shí)踐”予以補(bǔ)充,并增加“碳捕集、封存和利用技術(shù)”進(jìn)行強(qiáng)化;(4)針對(duì)新能源汽車,開(kāi)設(shè)了“燃料電池基礎(chǔ)”和“醇醚燃料合成及應(yīng)用技術(shù)”,后者呼應(yīng)“煤炭經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)為甲醇經(jīng)濟(jì)”的需求。

同時(shí)厘清了主要課程間的承接關(guān)系:(1)“工程力學(xué)”承接自“大學(xué)物理”,二者共同接續(xù)以“傳熱學(xué)”“工程熱力學(xué)”和“工程流體力學(xué)”,三者又接續(xù)以“能源轉(zhuǎn)化原理”,特別增加的“能源轉(zhuǎn)化原理”承接自“工程化學(xué)”;(2)“風(fēng)資源工程與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)” “生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術(shù)” “儲(chǔ)能原理及技術(shù)”和“光電與光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理”四者共同承接自“能源轉(zhuǎn)化原理”,而“太陽(yáng)能利用技術(shù)和工程”又承接自“光電與光化學(xué)轉(zhuǎn)化原理”;(3)修正了“工程材料基礎(chǔ)”無(wú)本之木的缺失,承接自“工程化學(xué)”,二者共同接續(xù)以“生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術(shù)”和“醇醚燃料合成及應(yīng)用技術(shù)”;(4)由于太陽(yáng)能和風(fēng)能的不連續(xù)性,“太陽(yáng)能利用技術(shù)和工程”和“風(fēng)資源工程與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”接續(xù)以“儲(chǔ)能原理及技術(shù)”;(5)“風(fēng)資源工程與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”“太陽(yáng)能利用技術(shù)和工程” “儲(chǔ)能原理及技術(shù)” “生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術(shù)”“醇醚燃料合成及應(yīng)用技術(shù)” “碳捕集、封存和利用技術(shù)”和“燃料電池基礎(chǔ)”共同構(gòu)成“新能源專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”的內(nèi)容,并接續(xù)以“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”。其它承接關(guān)系不再贅述,詳見(jiàn)圖1。

圖1 主要課程間承接關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

“碳達(dá)峰、碳中和”的新形勢(shì)對(duì)新能源科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出新要求,《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》鼓勵(lì)將碳中和理念與實(shí)踐融入人才培養(yǎng)體系。由“雙碳”目標(biāo)的內(nèi)涵分析得出:新能源替代和CCUS是碳中和的重點(diǎn),2030至2060年需以新能源取代一次能源消費(fèi)中55～95%的煤炭,應(yīng)發(fā)展甲醇經(jīng)濟(jì)并應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù),去火電和發(fā)展新能源汽車,總之應(yīng)提高能源利用效率,改變能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展負(fù)碳技術(shù)。由新能源科學(xué)與工程的內(nèi)涵分析得出:新能源應(yīng)以太陽(yáng)能和風(fēng)能為主,需采用儲(chǔ)能技術(shù)并開(kāi)發(fā)新技術(shù),燃料電池是汽車未來(lái)的發(fā)展方向和終極目標(biāo)。

根據(jù)《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》確定新能源科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為:培養(yǎng)具備工程熱物理相關(guān)基礎(chǔ)理論,掌握能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、新能源技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、動(dòng)力系統(tǒng)及裝備運(yùn)行與控制等方面專業(yè)知識(shí)的高素質(zhì)專門人才。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)提出的知識(shí)體系和示例的核心課程體系,通過(guò)增減構(gòu)建新能源科學(xué)與工程的課程體系,厘清各主要課程間的承接關(guān)系,從而為新能源科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。