太陽能理論課程體系的探討與研究

青春耀 陶紅歌 趙淑蘅 張志萍 劉圣勇

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450002；2.河南省生物質(zhì)能源與納米材料國際聯(lián)合實(shí)驗室，河南 鄭州450002）

0 引言

太陽能課程涉及面廣、知識點(diǎn)多、學(xué)科交叉多。形象意義上說“萬物生長靠太陽”，而深入挖掘則發(fā)現(xiàn)太陽能課程也與此類似，幾乎涉及各學(xué)科的知識點(diǎn)，知識體系要求很豐富。然而對太陽能課程體系的剖析卻鮮有學(xué)者去深入研究，這對太陽能課程的教學(xué)及相關(guān)人才的培養(yǎng)產(chǎn)生了不利的影響。

1 太陽能課程教材

縱觀太陽能教材的發(fā)展，無論是20世紀(jì)80年代的老教材，還是進(jìn)入21世紀(jì)20年代的新教材，有兩點(diǎn)是統(tǒng)一的，一是教材基本都是與時俱進(jìn)的；二是教材的知識點(diǎn)概括和包容能力是不同的。對第一點(diǎn)毋庸置疑，而在第二點(diǎn)上各教材側(cè)重點(diǎn)也不一而足，有側(cè)重光熱的，有側(cè)重光電的，有泛泛而談蜻蜓點(diǎn)水的，有深入淺出注重理論的[1-3]。因此，目前想通過一本教材了解掌握太陽能所有的知識是不可能也是不現(xiàn)實(shí)的，上述理論結(jié)論也側(cè)面印證了包括高校教師與學(xué)生在內(nèi)的讀者在選擇教材時將不可避免地進(jìn)入一個選擇綜合癥的狀態(tài)。

特別是高校教師，因其相對學(xué)生掌握太陽能相關(guān)知識量較多，相對太陽能產(chǎn)業(yè)工程師及產(chǎn)業(yè)工人掌握理論知識點(diǎn)豐富，但相對產(chǎn)業(yè)工程師實(shí)踐經(jīng)驗又偏少，與此同時，還要照顧到學(xué)生的接受能力、創(chuàng)新要求、畢業(yè)就業(yè)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向要求，甚至滿足學(xué)校發(fā)展長遠(yuǎn)規(guī)劃、教務(wù)管理部門實(shí)時指導(dǎo)等要求，可謂集“萬千‘寵愛’于一身”，但最終落實(shí)上述各種要求靠指定一兩本教材并“按圖索驥”教學(xué)是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，分析太陽能課程的理論課程體系并指導(dǎo)后續(xù)教材選取與教師發(fā)揮主動性糅合各種要求，因地制宜的教學(xué)才是可行之法。

2 太陽能理論課程內(nèi)容

太陽能理論課程內(nèi)容根據(jù)學(xué)時的多少可分配不同的教學(xué)方案長學(xué)時版與短學(xué)時版，根據(jù)教學(xué)側(cè)重點(diǎn)的不同，可分為只教授太陽能光熱版與只教授太陽能光伏版。按照目前高校太陽能課程授課內(nèi)容分布，大致的太陽能課程主要章節(jié)有：太陽能基礎(chǔ)知識、太陽能集熱器、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能制冷、太陽能海水淡化、太陽能儲能、太陽能聚焦式熱力發(fā)電、太陽能光伏等。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)及專業(yè)的目標(biāo)導(dǎo)向不同，教師可以有選擇地、有側(cè)重地進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的講解。例如，對熱能動力專業(yè)可以選擇主要講解太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能聚焦式熱發(fā)電等內(nèi)容；而針對新能源專業(yè)可以主要講解太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能光伏等內(nèi)容。再根據(jù)教學(xué)大綱學(xué)時的寬裕程度不同可以對上述內(nèi)容再進(jìn)行取舍。

3 太陽能理論課程體系

太陽能理論課程體系是對太陽能教學(xué)的概括與綜合，是對太陽能理論教學(xué)內(nèi)容的脈絡(luò)梳理。

太陽能基礎(chǔ)知識包含天文學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)基礎(chǔ)知識，其中一小部分是中學(xué)內(nèi)容的復(fù)現(xiàn)，更多的則是對后續(xù)太陽能光熱光伏內(nèi)容計算的鋪墊。例如，此部分中關(guān)于入射角計算的內(nèi)容需要讀者理解并掌握天文學(xué)中的天體坐標(biāo)系、數(shù)學(xué)中的二面角，球面三角形正余弦定理等內(nèi)容[4-6]。見圖1。

圖1 入射角推導(dǎo)所用天球坐標(biāo)系（地平與赤緯坐標(biāo)系）及二面角

太陽能集熱器，太陽能熱水系統(tǒng)知識點(diǎn)包含上述太陽能基礎(chǔ)知識，工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、材料機(jī)械力學(xué)等內(nèi)容，例如，對平板集熱器的理解與計算中需要分析如圖2中平板的結(jié)構(gòu)和能流，構(gòu)建如圖3的模型，通過工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)分析熱平衡列出方程，對模型方程利用高等數(shù)學(xué)內(nèi)容求解模型的偏微分方程得出相關(guān)理論公式用以指導(dǎo)分析實(shí)物優(yōu)化、得出平板集熱器效率等重要結(jié)果。

圖2 平板集熱器結(jié)構(gòu)

圖3 平板集熱器模型

太陽能制冷涉及制冷相關(guān)知識（體系），特別是吸收及吸附式制冷等內(nèi)容；太陽能海水淡化、太陽能儲能涉及海水淡化相關(guān)技術(shù)、能量儲存及梯級利用等知識內(nèi)容；太陽能聚焦式熱力發(fā)電涉及光學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力發(fā)電、儲熱等內(nèi)容；太陽能光伏涉及化學(xué)化工、材料、電學(xué)、自動控制等內(nèi)容。其他太陽能知識如太陽灶、太陽房、太陽池等不再一一分析。

可以看出，太陽能課程內(nèi)容覆蓋面廣，有些內(nèi)容自成體系又相互聯(lián)系嵌套，面寬點(diǎn)繁。因此，需要對課程進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃，對本科學(xué)生四年的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行合理安排，既要兼顧內(nèi)容又要考慮學(xué)時，更重要的還需要對體系中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)大綱學(xué)習(xí)先后的設(shè)計。

4 結(jié)語

本文對太陽能理論課程體系進(jìn)行剖析，指出了太陽能理論課程體系中各內(nèi)容的分類及聯(lián)系，分析了太陽能知識點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與關(guān)涉，梳理出體系設(shè)計對本科太陽能教學(xué)的影響。為透徹理解太陽能理論課程體系，進(jìn)一步提高太陽能教學(xué)水平提供一定幫助。