“双碳”背景下能动专业“源—储—排—智”课程新模块构建

贾永英，刘晓燕，马川，王忠华，武传燕，施微

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

能源与动力工程专业（以下简称“能动专业”）是一门面向能源转化与利用领域的工科专业，是为实现“双碳”目标培养专业人才的主干专业。“双碳”目标的提出，要求“能动专业”根据“双碳”实施计划和新工科建设要求，以及产业技术发展对毕业生知识、能力、素质的具体要求[1]，探索将专业教育与国家战略需求相结合，建立“新能源—储能—低排—人工智能”（以下简称“源—储排—智”）模块化课程体系，实现课程设置与新技术和新产业动态对接，提高学生的清洁用能能力[2]，其研究结果对能动专业人才培养创新体系建立具有重要意义。

1 “能动专业”“双碳”建设方向

“能动专业”是以传热学、流体力学、工程热力学等相关理论为基础，面向能源转化与利用领域的传统工科专业，在科学研究及工程中具有广泛的应用前景，截至2021年7月，全国约有210所高校开设了该专业[3]。原有的“能动专业”致力于常规能源利用和开发的教学，进行冷热源工程设计、运营、管理等环节的专业教学，培养在热能动力、热力发电、供冷热、制冷低温等领域从事工程设计、装备制造和设备运行管理等工作的技术人才[4]。课程设置时，通识课程包括思想政治类、自然科学类、人文素养类和工程管理类；专业主干课程包括传热学、工程热力学和流体力学[5]；专业必修课程包括强化传热、燃烧学、系统节能原理与技术、汽轮机原理。该专业分为动力工程、低温制冷、动力机械等方向[6]，缺少新能源、储能、减排类和智能控制方向，未实现对新能源的安全和高效利用，也未能满足产业行业对清洁用能的需求，培养的学生不能满足国家和社会对低碳人才的需求。

据《零碳中国·绿色投资》蓝皮书预测，“零碳中国”将孕育可再生能源利用、能效提升、终端消费电气化、储能、零碳发电技术、氢能和数字化七大投资领域[7]。为了满足当前国家和社会对低碳技术人才的需求，“能动专业”建设需要进行战略调整[8]，注重“双碳”发展内涵。“双碳”目标，概括起来就是能源的绿色、高效、合理利用，它要求能源使用面向绿色化、智能化、生态化的方向发展。“能动专业”的学生不仅要掌握能源与动力工程领域的专业理论知识，还要能够将《零碳中国·绿色投资》蓝皮书中的四大投资领域（再生能源、储能、零碳发电技术和人工智能）的技术与本专业知识结合，将新技术应用到传统行业，能够基于工程知识，结合国家能源发展战略，具有将环境保护和可持续发展理念应用于能源产业的能力和对能源系统智慧化改造升级的能力，并提高生态素养和职业素养[9]。

因此，本文针对能动专业课程体系的现状，基于“双碳”战略部署对新工科人才的需求，增加“源—储—排—智”4个方向选修课程模块[10]，将人工智能控制、清洁能源、储能技术和减排技术等相关知识融入教学内容，使学生按照选修方向进行实习和毕业设计，推动能动专业朝着清洁用能的发展方向建设，引领碳达峰、碳中和行动。

2 能动专业“源—储—排—智”课程模块的构建

“源—储—排—智”课程模块为新能源的大规模使用提供了技术支持，是“能动专业”在“双碳”目标下人才培养面临新挑战的一种创新实践，对于实现“双碳”目标具有重要意义[11]。构建“源—储—排—智”4个方向选修课程模块，每个模块设置4～5门课程，学生至少需要修满8学分。通过构建“源—储—排—智”4个方向选修课程模块，推动新能源的大规模利用，提高新能源储能的经济性，促进化石能源的减污降碳，实现新能源的生产负荷、储能容量和用户负荷的数字化管控。学生通过课程的学习，能够将人工智能技术与清洁能源、储运技术和减排实践结合，做到对能源生产、存储、排放过程的智能管控，助力行业实现“双碳”目标。

2.1 增加新能源课程模块

人类社会的生存和发展离不开能源，在“双碳”背景下，需要进行能源结构调整，改变传统以煤炭、石油、天然气等化石能源为主要能源的局面，实施氢能、风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等可再生能源替代行动[12]。因此，“能动专业”融入新能源元素，构建新能源课程知识体系，新增新能源与可再生能源技术、太阳能转换原理与技术、风能转换与利用原理、生物质能转化原理和新型能源系统5门课程，使学生了解新能源的概念、种类、利用的现状和发展趋势，掌握太阳能、风能、地热能、海洋能的资源状况，掌握供热、制冷和发电的基本原理及常用工艺技术，掌握生物质能的分类、资源状况、进展和发展趋势，掌握热解和气化的概念、原理、工艺和设备，掌握氢能的资源状况、氢气的制备过程和发电工艺，掌握燃料电池的工作原理，了解新能源与可持续发展的关系，掌握能源利用过程中对环境造成的影响。通过课程学习，学生能够掌握新能源利用技术，提高新能源利用效率，有效降低二氧化碳排放量，为实现碳达峰和碳中和提供技术支持。

2.2 增加储能课程模块

清洁能源的应用已成为实现“双碳”目标的根本途径，但太阳能、风能等新能源的不稳定性影响其应用的效果。通过储能技术，实现平滑功率输出和削峰填谷，提高新能源系统的可靠性，为新能源的稳定使用提供了技术支撑。2021年7月，国家发展改革委、国家能源局印发《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，要求推动储能技术进步[13]，并提出到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，装机规模达3 000万kW以上。加强储能产业人才培养，实现储能技术应用，是推动我国新能源产业发展和实现“双碳”目标的现实需要和必然选择。能动专业要设立储能模块课程，加强储能产业人才培养，在先修课程（工程热力学、流体力学、传热学、燃烧学）的基础上，开设储能原理与技术、储能热流基础、相变储能技术和储热技术及应用4门课程。学生通过课程学习，了解化学储能、相变储能及新能源技术中的储能技术，掌握储热基本原理与概念、储热基本方式与材料、储热技术评价依据与经济性、储热技术应用与新进展，掌握相变储热技术的原理、特点、材料、装置和系统，掌握储能控制技术，重点学习太阳能光伏系统中的储能控制技术、光伏逆变器等。通过储能技术课程的设置，培养储能方面“高精尖”人才，推动储能产业高质量发展。

2.3 增加减排课程模块

“双碳”目标是减少温室气体二氧化碳的排放，2020年12月，在气候雄心峰会上，国家主席习近平宣布：“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。”[14]因此，学习化石能源碳排放机理，研究碳排放进程，对实现碳达峰、碳中和目标至关重要。煤炭、燃料油和天然气是产生二氧化碳的主要来源，在新能源还没能完全取代化石能源的阶段，对传统能源采取相应的减排措施，是实现“双碳”目标的途径之一。新增设火力发电厂碳减排技术、内燃机排放与控制技术、燃烧污染物控制技术、碳捕捉和碳封存技术4门课程，使学生了解国际二氧化碳排放形势，掌握电力行业二氧化碳排放量及碳减排措施及技术，了解电厂碳减排实例，掌握碳捕捉和储存技术。学生通过课程学习，以降碳为总抓手，掌握低排放、零排放技术，推动末端治理，解决环境污染问题。

2.4 增加智能化课程模块

随着新能源装机容量的迅速增长，新能源的不确定性、间歇性特征影响了用户使用的可靠性，需要建立基于互联网交互、云计算、大数据和人工智能技术的智慧化管控，达到新能源生产负荷、储能容量和用户负荷的“源—储—排—荷”动态调节和相互协调，实现新能源的稳定供应，满足新能源系统可靠性运行的需求[15]。因此，增设物联网通信技术、智慧电厂控制与算法、火电厂开关量控制系统和现代控制理论4门课程，使学生了解现代控制理论的基础知识，掌握系统的状态方程建立及解法、系统的能控性、能观测性和稳定性等定性理论，掌握鲁棒控制、时滞系统反馈控制等前沿知识，掌握各类通信总线及传感器使用方法，掌握存储器、触摸屏、显示屏、SD卡等高级外设的操控原理以及系统电源管理的实现，掌握智能开关、智能灯泡、智能环境采集实战开发，熟悉RFID读写，具备RFID和系统平台的集成能力。通过课程学习，学生具有对能源生产、转换、储存和利用精准控制的能力，能够满足新能源发电规模对其大范围优化配置和电力系统智能控制的要求，实现新能源、储能和用户负荷的多向互动，为新能源系统提供安全保障。

3 结语

本文分析了我国能动专业教学现状，指出目前专业课程设置与国家战略和产业行业脱节。根据国家碳达峰、碳中和发展战略，分析“零碳中国”七大投资领域，指出“能动专业”需要承担其中四大领域（再生能源、储能、零碳发电技术和人工智能）建设任务，通过调整“能动专业”建设目标，增加“源—储—排—智”方向选修课程模块，形成以绿色能源为发展理念，以能源存储为发展手段，以降低排放为发展方式，以智能化为发展保障的核心发展路径。通过开展专业课程体系改造升级的研究，实现专业建设与国家战略需求相结合，其研究结果对“能动专业”课程体系建立具有重要意义。