“雙碳”目標(biāo)下大學(xué)物理教學(xué)改革*

龍春紅 丁光前 文 丹 李艷虹 閆艷慈 劉 俊

(重慶郵電大學(xué)理學(xué)院 重慶 400065)

1 引言

2022年8月重慶的高溫和干旱令人印象深刻.氣溫高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),重慶北碚8月18日最高氣溫一度達(dá)到了45 ℃.干旱也導(dǎo)致山火肆虐,全市大范圍限電,網(wǎng)友更是戲稱嘉陵江變成了“嘉陵工”.近年來(lái),世界各地極端天氣頻發(fā),越來(lái)越多的證據(jù)表明,其背后的元兇是二氧化碳等溫室氣體的過(guò)度排放導(dǎo)致的全球氣候變暖.

2 “雙碳”目標(biāo)與大學(xué)物理教學(xué)的關(guān)聯(lián)

“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、低碳、環(huán)保的生活方式,“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施涉及我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的方方面面.其中,我國(guó)近90%的溫室氣體排放源自能源體系,因此亟需大量新能源和新材料專業(yè)的人才,通過(guò)發(fā)展光伏、水力、風(fēng)力、核能等發(fā)電技術(shù),以及鋰電池、鈉電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)減少碳排放.同時(shí),二氧化碳的捕獲與存儲(chǔ)、二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物、制氫與儲(chǔ)氫等領(lǐng)域亟需化學(xué)與化工專業(yè)的人才.此外,“雙碳”與低碳建筑、低碳農(nóng)業(yè)、低碳法律、環(huán)境治理密切相關(guān),傳統(tǒng)的“生化環(huán)材”也就是被大家認(rèn)為的“天坑”專業(yè)將華麗轉(zhuǎn)身變成香餑餑.更廣泛的是,我們發(fā)現(xiàn)“雙碳”與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制、云計(jì)算等密切相關(guān).工業(yè)生產(chǎn)需要促進(jìn)生產(chǎn)流程和組織系統(tǒng)的節(jié)能降耗,進(jìn)行碳治理與碳監(jiān)測(cè),以及進(jìn)行碳交易等.BOSS直聘《2021應(yīng)屆生就業(yè)趨勢(shì)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示,新能源和環(huán)保是增幅最快的行業(yè),增幅達(dá)到了225.4%.

在“雙碳”的驅(qū)動(dòng)下,眾多高校的專業(yè)都在尋求變革[1-5].如清華大學(xué)成立了碳中和研究院,中國(guó)石油大學(xué)成立了碳中和未來(lái)技術(shù)學(xué)院等.大學(xué)物理課程是理工科高校的一門(mén)基礎(chǔ)課程,大學(xué)物理的授課在為其他課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)的同時(shí),也應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn),面向國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才的需求,靈活地融入國(guó)家政策和行業(yè)的發(fā)展需求.從而,一方面開(kāi)拓學(xué)生視野,最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另一方面,可以為學(xué)生的擇業(yè)指明方向,使其可以更好地發(fā)揮主觀能動(dòng)性,為國(guó)家按時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)自身的一份力量.

3 目前大學(xué)物理教學(xué)存在的問(wèn)題

大學(xué)物理教學(xué)目前主要存在兩大問(wèn)題.

(1)教學(xué)內(nèi)容與前沿科學(xué)脫節(jié)

大學(xué)物理的教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容多年不變,傳統(tǒng)的教學(xué)模式由老教師向青年教師口口相傳,同時(shí)教師利用PPT和板書(shū)相結(jié)合的模式,PPT上講解理論知識(shí),板書(shū)推導(dǎo)重要物理公式.教學(xué)模式單一、簡(jiǎn)單,教師灌輸為主,學(xué)生被動(dòng)接受,雖然這種模式比較嚴(yán)謹(jǐn),較少出現(xiàn)差錯(cuò),卻過(guò)于死板,學(xué)生容易迷失于艱深的理論而喪失學(xué)習(xí)的興趣.而大學(xué)物理課程對(duì)于前沿研究進(jìn)展的缺失使得在相關(guān)領(lǐng)域難以引起學(xué)生的創(chuàng)新熱情.

(2)學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)的認(rèn)識(shí)不清晰

目前的大學(xué)物理教學(xué)對(duì)于大學(xué)物理的每一部分內(nèi)容是如何與科學(xué)與工程聯(lián)系起來(lái)的介紹缺失.學(xué)生會(huì)陷入“我學(xué)這個(gè)有什么用”“以后工作又用不上”,以及“用到的時(shí)候我再回來(lái)看”等的懷疑和自我懷疑中.使得大學(xué)物理這門(mén)課程不能為學(xué)生的擇業(yè)提供良好的指導(dǎo),也難以培養(yǎng)出國(guó)家亟需的人才.倘若能將教學(xué)與實(shí)踐科學(xué)和工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,必將提升教學(xué)效果,使學(xué)生構(gòu)建出清晰的知識(shí)樹(shù),并使學(xué)生懂得如何將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去.

4 “雙碳”目標(biāo)下大學(xué)物理的改革方向

由于我國(guó)能源體系排放二氧化碳的占比之重,因此為適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略需求,本文將主要圍繞大學(xué)物理如何與我國(guó)能源體系的碳中和路線交叉來(lái)闡明大學(xué)物理的改革方向.

4.1 勢(shì)能、機(jī)械能轉(zhuǎn)化及守恒定律——儲(chǔ)能

在講授能量守恒定律這一部分知識(shí)時(shí),便自然引出了儲(chǔ)能的概念.電力系統(tǒng)存在電力的供應(yīng)和需求差異的問(wèn)題.舉個(gè)例子,太陽(yáng)能電池只有白天能發(fā)電,如果不把電儲(chǔ)存起來(lái),到了夜間便會(huì)面臨缺電的問(wèn)題,因此便需要儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行電力調(diào)節(jié).儲(chǔ)能的技術(shù)類型主要有:機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能等.

機(jī)械儲(chǔ)能的例子有水庫(kù)抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等,它們的原理很簡(jiǎn)單,就是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái).近年來(lái)還出現(xiàn)了混凝土塊等新型固體重力儲(chǔ)能等方法.

電化學(xué)儲(chǔ)能方面,現(xiàn)在常見(jiàn)的技術(shù)包括鋰離子電池和鉛酸電池等.鋰離子電池能量密度高,但存在安全隱患.鉛酸電池雖然安全性好,但能量密度低.近年來(lái),科研機(jī)構(gòu)和電池廠商也在探索新的電池材料和技術(shù),比如鈉離子電池、鋰-硫電池、金屬-空氣電池等,該領(lǐng)域還有巨大的探索空間.

電磁儲(chǔ)能方面,超級(jí)電容器的功率密度高,循環(huán)次數(shù)多,但放電時(shí)間短,可用于新能源汽車(chē)的加速等場(chǎng)景,擁有巨大的探索空間.

化學(xué)儲(chǔ)能方面,利用電能將低能物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能物質(zhì),以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ).例如電解水制氫、電合成燃料(甲烷、甲醇等).

4.2 理想氣體的壓強(qiáng)和溫度——碳捕集與封存(CCUS)

碳捕獲最直接的方法是把二氧化碳分離后儲(chǔ)存起來(lái).目前最先進(jìn)、使用最廣泛的碳捕獲技術(shù)是化學(xué)吸收和物理分離,這個(gè)過(guò)程中就會(huì)涉及混合物的壓強(qiáng)和溫度.當(dāng)今捕集的二氧化碳大部分用于二氧化碳驅(qū)油和化工產(chǎn)品制造,少量用于電子和食品飲料行業(yè).例如,中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的研究人員報(bào)道了在淀粉的人工合成方面取得的重大突破性進(jìn)展,他們?cè)趪?guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成,相關(guān)工作于2021年9月24日發(fā)表于國(guó)際頂尖雜志《科學(xué)》[6].二氧化碳可以永久封存于陸地和海洋的深部咸水層或枯竭油氣層中.中國(guó)目前還沒(méi)有專門(mén)的商業(yè)封存設(shè)施.根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的《中國(guó)能源體系碳中和路線圖》,據(jù)估計(jì),中國(guó)有相當(dāng)大的二氧化碳封存潛力,陸上盆地的理論封存容量超過(guò)3 250億噸,海洋盆地為770 億噸.我國(guó)二氧化碳的捕集與封存減排量如圖1所示.

圖1 承諾目標(biāo)下,我國(guó)二氧化碳的捕集與封存減排量

4.3 卡諾循環(huán)——太陽(yáng)能電池效率極限

在熱力學(xué)內(nèi)容講解的時(shí)候,可以依據(jù)卡諾循環(huán)從理論上計(jì)算太陽(yáng)能電池的熱力學(xué)轉(zhuǎn)換效率極限[7].假設(shè):

(1)太陽(yáng)是熱物體,具有太陽(yáng)溫度TS;

(2)太陽(yáng)能電池是冷物體,具有溫度T;

(3)環(huán)境溫度比太陽(yáng)能電池的溫度T更低.

太陽(yáng)能電池的功率P描述太陽(yáng)能電池接收太陽(yáng)黑體輻射和向環(huán)境發(fā)射的自發(fā)輻射.功率為

(1)

σS=5.67×10-8W·m-2·K-4

(2)

太陽(yáng)能電池將吸收的太陽(yáng)輻射通過(guò)做功的方式轉(zhuǎn)換為電能,是一種熱機(jī).理想的熱機(jī)是卡諾熱機(jī),而等熵過(guò)程具有最小的能量損失.將太陽(yáng)能電池作為卡諾熱機(jī),式(1)需要用卡諾因子修正為

(3)

熱力學(xué)轉(zhuǎn)換效率極限為

(4)

如果太陽(yáng)溫度TS=5 778 K,環(huán)境溫度為T(mén)a=300 K,由圖2可知,太陽(yáng)能電池的熱力學(xué)轉(zhuǎn)換效率極限為85%.熱力學(xué)效率極限假設(shè)所有的太陽(yáng)輻射能量都被最大限度地轉(zhuǎn)換為了電能.該極限同樣適用于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換.

圖2 太陽(yáng)能電池?zé)崃W(xué)轉(zhuǎn)換效率極限與太陽(yáng)能電池溫度的關(guān)系

4.4 光學(xué)中的光源——太陽(yáng)能資源

大學(xué)物理課程中有一章節(jié)內(nèi)容是光學(xué),在進(jìn)入光學(xué)這部分知識(shí)的講授時(shí),可從光源出發(fā),引出太陽(yáng)光,進(jìn)而引出太陽(yáng)能資源.太陽(yáng)能資源是一種綠色可再生的能源,取之不盡用之不竭.如果能把照射到地球上太陽(yáng)光的0.3%轉(zhuǎn)變成電能或其他可以使用的能源方式,即可滿足整個(gè)地球上人類的能源需求.太陽(yáng)在地球外空間的輻射光譜,接近于5 778 K的黑體輻射光譜,太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣時(shí),會(huì)被大氣組分吸收和散射一部分,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射被減弱.太陽(yáng)光譜在大氣中的衰減程度,可以用大氣質(zhì)量(Air Mass)來(lái)描述,常用的大氣質(zhì)量為AM1.5,圖3是美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的AM1.5大氣質(zhì)量下的太陽(yáng)光譜.

光譜輻照最強(qiáng)的區(qū)域位于可見(jiàn)光區(qū),即390～760 nm的波長(zhǎng)范圍.根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能中心(CWERA)發(fā)布的《2021中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)》,我國(guó)的太陽(yáng)能資源,呈現(xiàn)西部地區(qū)大于中東部地區(qū)的特點(diǎn).2021 年,新疆、內(nèi)蒙古、西藏、東北、華北、西北大部、西南中西部、華東北部南部、華南東部、華中北部等地年最佳斜面總輻照量超過(guò)了1 400 kWh/m2,首年利用小時(shí)數(shù)在1 100 h以上.

根據(jù)中國(guó)能源體系碳中和路線圖,到2060年,在承諾目標(biāo)背景下,太陽(yáng)能的能源需求將達(dá)到33 EJ,在所有能源類型中占比最高,達(dá)到了25.6%,如表1所示.從2020年的3 EJ到2060年的33 EJ,在所有能源類型中占比最高,因此光伏市場(chǎng)大有可為.目前主流的光伏器件為硅太陽(yáng)能電池,由于在硅電池生產(chǎn)中會(huì)釋放大量二氧化碳,因此硅電池可能不是實(shí)現(xiàn)碳中和的最佳太陽(yáng)能電池技術(shù).近年來(lái)興起的以鈣鈦礦材料為主的第三代薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)因其效率高、成本低、碳排放小,具有廣闊的應(yīng)用前景,但穩(wěn)定性問(wèn)題一直未得到解決,需要進(jìn)一步的科研人員和資金的投入.

表1 承諾目標(biāo)背景下,中國(guó)不同燃料的一次性能源需求

5 結(jié)論

本文從儲(chǔ)能、碳捕集與封存、太陽(yáng)能發(fā)電3個(gè)領(lǐng)域介紹了“雙碳”目標(biāo)的冰山一角,其他像生物能源、核能、低碳?xì)涞戎T多領(lǐng)域也需要大量的科學(xué)和技術(shù)人員.在列舉的這些例子中,我們緊密聯(lián)系“雙碳”路線圖,將大學(xué)物理基礎(chǔ)理論與最新的科學(xué)前沿進(jìn)展緊密聯(lián)系起來(lái).這種教學(xué)模式為大學(xué)生清晰指出了所學(xué)知識(shí)怎樣在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的價(jià)值,從而激發(fā)學(xué)生的求學(xué)欲和創(chuàng)新精神.同時(shí),這種教學(xué)模式也為學(xué)生的擇業(yè)指明了道路,無(wú)疑將為國(guó)家儲(chǔ)備大量的“雙碳”技術(shù)人才.