“雙碳”背景下能動專業“源—儲—排—智”課程新模塊構建

賈永英，劉曉燕，馬川，王忠華，武傳燕，施微

（東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

能源與動力工程專業（以下簡稱“能動專業”）是一門面向能源轉化與利用領域的工科專業，是為實現“雙碳”目標培養專業人才的主干專業。“雙碳”目標的提出，要求“能動專業”根據“雙碳”實施計劃和新工科建設要求，以及產業技術發展對畢業生知識、能力、素質的具體要求[1]，探索將專業教育與國家戰略需求相結合，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，實現課程設置與新技術和新產業動態對接，提高學生的清潔用能能力[2]，其研究結果對能動專業人才培養創新體系建立具有重要意義。

1 “能動專業”“雙碳”建設方向

“能動專業”是以傳熱學、流體力學、工程熱力學等相關理論為基礎，面向能源轉化與利用領域的傳統工科專業，在科學研究及工程中具有廣泛的應用前景，截至2021年7月，全國約有210所高校開設了該專業[3]。原有的“能動專業”致力于常規能源利用和開發的教學，進行冷熱源工程設計、運營、管理等環節的專業教學，培養在熱能動力、熱力發電、供冷熱、制冷低溫等領域從事工程設計、裝備制造和設備運行管理等工作的技術人才[4]。課程設置時，通識課程包括思想政治類、自然科學類、人文素養類和工程管理類；專業主干課程包括傳熱學、工程熱力學和流體力學[5]；專業必修課程包括強化傳熱、燃燒學、系統節能原理與技術、汽輪機原理。該專業分為動力工程、低溫制冷、動力機械等方向[6]，缺少新能源、儲能、減排類和智能控制方向，未實現對新能源的安全和高效利用，也未能滿足產業行業對清潔用能的需求，培養的學生不能滿足國家和社會對低碳人才的需求。

據《零碳中國·綠色投資》藍皮書預測，“零碳中國”將孕育可再生能源利用、能效提升、終端消費電氣化、儲能、零碳發電技術、氫能和數字化七大投資領域[7]。為了滿足當前國家和社會對低碳技術人才的需求，“能動專業”建設需要進行戰略調整[8]，注重“雙碳”發展內涵。“雙碳”目標，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、生態化的方向發展。“能動專業”的學生不僅要掌握能源與動力工程領域的專業理論知識，還要能夠將《零碳中國·綠色投資》藍皮書中的四大投資領域（再生能源、儲能、零碳發電技術和人工智能）的技術與本專業知識結合，將新技術應用到傳統行業，能夠基于工程知識，結合國家能源發展戰略，具有將環境保護和可持續發展理念應用于能源產業的能力和對能源系統智慧化改造升級的能力，并提高生態素養和職業素養[9]。

因此，本文針對能動專業課程體系的現狀，基于“雙碳”戰略部署對新工科人才的需求，增加“源—儲—排—智”4個方向選修課程模塊[10]，將人工智能控制、清潔能源、儲能技術和減排技術等相關知識融入教學內容，使學生按照選修方向進行實習和畢業設計，推動能動專業朝著清潔用能的發展方向建設，引領碳達峰、碳中和行動。

2 能動專業“源—儲—排—智”課程模塊的構建

“源—儲—排—智”課程模塊為新能源的大規模使用提供了技術支持，是“能動專業”在“雙碳”目標下人才培養面臨新挑戰的一種創新實踐，對于實現“雙碳”目標具有重要意義[11]。構建“源—儲—排—智”4個方向選修課程模塊，每個模塊設置4～5門課程，學生至少需要修滿8學分。通過構建“源—儲—排—智”4個方向選修課程模塊，推動新能源的大規模利用，提高新能源儲能的經濟性，促進化石能源的減污降碳，實現新能源的生產負荷、儲能容量和用戶負荷的數字化管控。學生通過課程的學習，能夠將人工智能技術與清潔能源、儲運技術和減排實踐結合，做到對能源生產、存儲、排放過程的智能管控，助力行業實現“雙碳”目標。

2.1 增加新能源課程模塊

人類社會的生存和發展離不開能源，在“雙碳”背景下，需要進行能源結構調整，改變傳統以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主要能源的局面，實施氫能、風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能等可再生能源替代行動[12]。因此，“能動專業”融入新能源元素，構建新能源課程知識體系，新增新能源與可再生能源技術、太陽能轉換原理與技術、風能轉換與利用原理、生物質能轉化原理和新型能源系統5門課程，使學生了解新能源的概念、種類、利用的現狀和發展趨勢，掌握太陽能、風能、地熱能、海洋能的資源狀況，掌握供熱、制冷和發電的基本原理及常用工藝技術，掌握生物質能的分類、資源狀況、進展和發展趨勢，掌握熱解和氣化的概念、原理、工藝和設備，掌握氫能的資源狀況、氫氣的制備過程和發電工藝，掌握燃料電池的工作原理，了解新能源與可持續發展的關系，掌握能源利用過程中對環境造成的影響。通過課程學習，學生能夠掌握新能源利用技術，提高新能源利用效率，有效降低二氧化碳排放量，為實現碳達峰和碳中和提供技術支持。

2.2 增加儲能課程模塊

清潔能源的應用已成為實現“雙碳”目標的根本途徑，但太陽能、風能等新能源的不穩定性影響其應用的效果。通過儲能技術，實現平滑功率輸出和削峰填谷，提高新能源系統的可靠性，為新能源的穩定使用提供了技術支撐。2021年7月，國家發展改革委、國家能源局印發《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，要求推動儲能技術進步[13]，并提出到2025年，實現新型儲能從商業化初期向規模化發展轉變，裝機規模達3 000萬kW以上。加強儲能產業人才培養，實現儲能技術應用，是推動我國新能源產業發展和實現“雙碳”目標的現實需要和必然選擇。能動專業要設立儲能模塊課程，加強儲能產業人才培養，在先修課程（工程熱力學、流體力學、傳熱學、燃燒學）的基礎上，開設儲能原理與技術、儲能熱流基礎、相變儲能技術和儲熱技術及應用4門課程。學生通過課程學習，了解化學儲能、相變儲能及新能源技術中的儲能技術，掌握儲熱基本原理與概念、儲熱基本方式與材料、儲熱技術評價依據與經濟性、儲熱技術應用與新進展，掌握相變儲熱技術的原理、特點、材料、裝置和系統，掌握儲能控制技術，重點學習太陽能光伏系統中的儲能控制技術、光伏逆變器等。通過儲能技術課程的設置，培養儲能方面“高精尖”人才，推動儲能產業高質量發展。

2.3 增加減排課程模塊

“雙碳”目標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，國家主席習近平宣布：“到2030年，中國單位國內生產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比重將達到25%左右。”[14]因此，學習化石能源碳排放機理，研究碳排放進程，對實現碳達峰、碳中和目標至關重要。煤炭、燃料油和天然氣是產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，對傳統能源采取相應的減排措施，是實現“雙碳”目標的途徑之一。新增設火力發電廠碳減排技術、內燃機排放與控制技術、燃燒污染物控制技術、碳捕捉和碳封存技術4門課程，使學生了解國際二氧化碳排放形勢，掌握電力行業二氧化碳排放量及碳減排措施及技術，了解電廠碳減排實例，掌握碳捕捉和儲存技術。學生通過課程學習，以降碳為總抓手，掌握低排放、零排放技術，推動末端治理，解決環境污染問題。

2.4 增加智能化課程模塊

隨著新能源裝機容量的迅速增長，新能源的不確定性、間歇性特征影響了用戶使用的可靠性，需要建立基于互聯網交互、云計算、大數據和人工智能技術的智慧化管控，達到新能源生產負荷、儲能容量和用戶負荷的“源—儲—排—荷”動態調節和相互協調，實現新能源的穩定供應，滿足新能源系統可靠性運行的需求[15]。因此，增設物聯網通信技術、智慧電廠控制與算法、火電廠開關量控制系統和現代控制理論4門課程，使學生了解現代控制理論的基礎知識，掌握系統的狀態方程建立及解法、系統的能控性、能觀測性和穩定性等定性理論，掌握魯棒控制、時滯系統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卡等高級外設的操控原理以及系統電源管理的實現，掌握智能開關、智能燈泡、智能環境采集實戰開發，熟悉RFID讀寫，具備RFID和系統平臺的集成能力。通過課程學習，學生具有對能源生產、轉換、儲存和利用精準控制的能力，能夠滿足新能源發電規模對其大范圍優化配置和電力系統智能控制的要求，實現新能源、儲能和用戶負荷的多向互動，為新能源系統提供安全保障。

3 結語

本文分析了我國能動專業教學現狀，指出目前專業課程設置與國家戰略和產業行業脫節。根據國家碳達峰、碳中和發展戰略，分析“零碳中國”七大投資領域，指出“能動專業”需要承擔其中四大領域（再生能源、儲能、零碳發電技術和人工智能）建設任務，通過調整“能動專業”建設目標，增加“源—儲—排—智”方向選修課程模塊，形成以綠色能源為發展理念，以能源存儲為發展手段，以降低排放為發展方式，以智能化為發展保障的核心發展路徑。通過開展專業課程體系改造升級的研究，實現專業建設與國家戰略需求相結合，其研究結果對“能動專業”課程體系建立具有重要意義。