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)時間長,重慶北碚8月18日最高氣溫一度達到了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,世界各地極端天氣頻發(fā),越來越多的證據(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)的實施涉及我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的方方面面.其中,我國近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、超級電容器等儲能技術(shù)來減少碳排放.同時,二氧化碳的捕獲與存儲、二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物、制氫與儲氫等領(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)自動控制、云計算等密切相關(guān).工業(yè)生產(chǎn)需要促進生產(chǎn)流程和組織系統(tǒng)的節(jié)能降耗,進行碳治理與碳監(jiān)測,以及進行碳交易等.BOSS直聘《2021應(yīng)屆生就業(yè)趨勢報告》數(shù)據(jù)顯示,新能源和環(huán)保是增幅最快的行業(yè),增幅達到了225.4%.

在“雙碳”的驅(qū)動下,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,中國石油大學(xué)成立了碳中和未來技術(shù)學(xué)院等.大學(xué)物理課程是理工科高校的一門基礎(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,也應(yīng)當(dāng)與時俱進,面向國家對創(chuàng)新型人才的需求,靈活地融入國家政策和行業(yè)的發(fā)展需求.從而,一方面開拓學(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)揮主觀能動性,為國家按時實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻自身的一份力量.

3 目前大學(xué)物理教學(xué)存在的問題

大學(xué)物理教學(xué)目前主要存在兩大問題.

(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,同時教師利用PPT和板書相結(jié)合的模式,PPT上講解理論知識,板書推導(dǎo)重要物理公式.教學(xué)模式單一、簡單,教師灌輸為主,學(xué)生被動接受,雖然這種模式比較嚴(yán)謹(jǐn),較少出現(xiàn)差錯,卻過于死板,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)物理課程對于前沿研究進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)物理過程中對學(xué)習(xí)目標(biāo)的認(rèn)識不清晰

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

4 “雙碳”目標(biāo)下大學(xué)物理的改革方向

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

4.1 勢能、機械能轉(zhuǎn)化及守恒定律——儲能

在講授能量守恒定律這一部分知識時,便自然引出了儲能的概念.電力系統(tǒng)存在電力的供應(yīng)和需求差異的問題.舉個例子,太陽能電池只有白天能發(fā)電,如果不把電儲存起來,到了夜間便會面臨缺電的問題,因此便需要儲能系統(tǒng)來進行電力調(diào)節(jié).儲能的技術(shù)類型主要有:機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和化學(xué)儲能等.

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

電化學(xué)儲能方面,現(xiàn)在常見的技術(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,科研機構(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.

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

化學(xué)儲能方面,利用電能將低能物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能物質(zhì),以實現(xiàn)能量存儲.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存起來.目前最先進、使用最廣泛的碳捕獲技術(shù)是化學(xué)吸收和物理分離,這個過程中就會涉及混合物的壓強和溫度.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,中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的研究人員報道了在淀粉的人工合成方面取得的重大突破性進展,他們在國際上首次實現(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.中國目前還沒有專門的商業(yè)封存設(shè)施.根據(jù)國際能源署(IEA)發(fā)布的《中國能源體系碳中和路線圖》,據(jù)估計,中國有相當(dāng)大的二氧化碳封存潛力,陸上盆地的理論封存容量超過3 250億噸,海洋盆地為770 億噸.我國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,我國二氧化碳的捕集與封存減排量

4.3 卡諾循環(huán)——太陽能電池效率極限

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

(1)太陽是熱物體,具有太陽溫度TS;

(2)太陽能電池是冷物體,具有溫度T;

(3)環(huán)境溫度比太陽能電池的溫度T更低.

太陽能電池的功率P描述太陽能電池接收太陽黑體輻射和向環(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)

太陽能電池將吸收的太陽輻射通過做功的方式轉(zhuǎn)換為電能,是一種熱機.理想的熱機是卡諾熱機,而等熵過程具有最小的能量損失.將太陽能電池作為卡諾熱機,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)

如果太陽溫度TS=5 778 K,環(huán)境溫度為Ta=300 K,由圖2可知,太陽能電池的熱力學(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能光熱轉(zhuǎn)換.

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

4.4 光學(xué)中的光源——太陽能資源

大學(xué)物理課程中有一章節(jié)內(nèi)容是光學(xué),在進入光學(xué)這部分知識的講授時,可從光源出發(fā),引出太陽光,進而引出太陽能資源.太陽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,即可滿足整個地球上人類的能源需求.太陽在地球外空間的輻射光譜,接近于5 778 K的黑體輻射光譜,太陽光經(jīng)過大氣時,會被大氣組分吸收和散射一部分,到達地面的太陽輻射被減弱.太陽光譜在大氣中的衰減程度,可以用大氣質(zhì)量(Air Mass)來描述,常用的大氣質(zhì)量為AM1.5,圖3是美國可再生能源國家實驗室測量的AM1.5大氣質(zhì)量下的太陽光譜.

光譜輻照最強的區(qū)域位于可見光區(qū),即390～760 nm的波長范圍.根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能中心(CWERA)發(fā)布的《2021中國風(fēng)能太陽能資源年景公報》,我國的太陽能資源,呈現(xiàn)西部地區(qū)大于中東部地區(qū)的特點.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了1 400 kWh/m2,首年利用小時數(shù)在1 100 h以上.

根據(jù)中國能源體系碳中和路線圖,到2060年,在承諾目標(biāo)背景下,太陽能的能源需求將達到33 EJ,在所有能源類型中占比最高,達到了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,因此光伏市場大有可為.目前主流的光伏器件為硅太陽能電池,由于在硅電池生產(chǎn)中會釋放大量二氧化碳,因此硅電池可能不是實現(xiàn)碳中和的最佳太陽能電池技術(shù).近年來興起的以鈣鈦礦材料為主的第三代薄膜太陽能電池技術(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)定性問題一直未得到解決,需要進一步的科研人員和資金的投入.

表1 承諾目標(biāo)背景下,中國不同燃料的一次性能源需求

5 結(jié)論

本文從儲能、碳捕集與封存、太陽能發(fā)電3個領(lǐng)域介紹了“雙碳”目標(biāo)的冰山一角,其他像生物能源、核能、低碳氫等諸多領(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)前沿進展緊密聯(lián)系起來.這種教學(xué)模式為大學(xué)生清晰指出了所學(xué)知識怎樣在各個領(lǐng)域發(fā)揮巨大的價值,從而激發(fā)學(xué)生的求學(xué)欲和創(chuàng)新精神.同時,這種教學(xué)模式也為學(xué)生的擇業(yè)指明了道路,無疑將為國家儲備大量的“雙碳”技術(shù)人才.