跨界融合和产教协同的储能技术研究

摘要:储能技术是新能源发展的核心支撑,是实现“双碳”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统的重要保障,储能产业已成为世界各国竞相发展的战略性新兴产业.随着新能源并网、智能电网和电动汽车的飞速发展,储能市场对专业人才需求呈井喷式增长.高校加快储能技术专业学科建设,对推动储能领域“高精尖缺”人才培养、满足储能产业人才需求,具有重要现实意义.三峡大学立足储能产业特点和需求,依托学校电气工程学科特色与优势,融合电气、材料、物理、化学和能源动力等五个优势学科力量,在电气工程及其自动化专业增设储能技术方向,确立了“跨界融合、产教协同”的人才培养模式,并对该专业方向的人才培养目标定位、课程体系构建、实践教学平台搭建、师资队伍建设等多方面进行了探索与实践,以期对其他高校储能技术专业建设提供借鉴与参考.

关键词:储能技术;学科建设;跨界融合;产教协同

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,新能源并网、智能电网和电动汽车飞速发展.储能技术是新能源发展的核心支撑,关系到能源、电力、交通等多个重要行业的发展,储能产业已成为世界各国竞相发展的战略性新兴产业,储能市场对专业人才需求呈井喷式增长[1-3].为加快我国储能领域“高精尖缺”人才培养,增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力,以产教融合发展推动储能产业高质量发展,教育部、国家发展改革委、国家能源局(以下简称“三部委”)于2020年1月联合制定了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》[4](以下简称《行动计划》).之后,国内高校纷纷布局储能技术专业建设[5-6].例如,西安交通大学通过整合动力工程及工程热物理、电气工程等六大理工类优势学科,依托能源与动力工程学院,率先于2020年获批我国第一个储能科学与工程本科专业;2021年,华北电力大学、华中科技大学、福州大学、长沙理工大学等25所高校依托各自优势学科也获批储能科学与工程专业;2022年,储能科学与工程专业院校又新增中国地质大学(北京)、武汉大学、上海电力大学等14所.此外,还有一些高校(如同济大学、北方工业大学等)虽然目前没有开设储能科学与工程专业,但也开展了储能学科相关方面的教学与研究工作.上述高校虽然为储能技术专业的人才培养提供了一定的借鉴,但由于储能技术专业尚处初建阶段,尚无成熟经验可循.各高校如何根据储能行业发展和社会人才需求状况,结合各自学科优势,突出专业人才培养特色、构建科学的课程体系等还有待思考和凝练.三峡大学立足储能产业特点和需求,依托学校电气工程学科特色与优势,在电气工程及其自动化专业增设储能技术方向.本文对在电气专业下增设储能技术方向的可行性进行了分析,并对该专业方向的人才培养目标定位、课程体系构建、实践教学平台搭建、师资队伍建设等多方面进行了探索与实践,以期为其他高校储能技术学科建设提供参考与借鉴.

1储能技术方向建设的可行性分析

“双碳”目标下,构建以新能源为主体的新型电力系统已成为能源行业转型升级的新方向,储能是新型电力系统的重要组成部分和关键支撑技术.三峡大学是一所水利电力特色与优势比较明显的地方综合性大学,其电气与新能源学院是该校具有鲜明电力特色和明显行业优势的学院,也是湖北省首批高校改革试点学院.该学院电气工程及其自动化专业是国家首批一流本科专业建设点,电气工程为国内一流建设学科,也是湖北省重点学科和特色学科.学院围绕新能源微电网储能技术已开展了电池储能系统相关方面的研究,并在新能源微电网电池储能等领域突破了一些技术瓶颈.学校于2012年创办的新能源材料与器件专业在储能材料与电池方向的教学和研究工作经验也为储能技术方向的建设奠定了良好基础.为适应国家能源革命战略需求,该校积极响应三部委号召,于2020年9月专门召开储能技术专业学科发展研讨会,决定借鉴在电气工程及其自动化专业成功建设输电线路工程方向和新能源方向的经验,依托学校电气工程学科特色与优势,通过集中和整合电气、材料、物理、化学和能源动力等五个优势学科力量,在电气工程及其自动化专业增设储能技术方向.这一举措,不仅可以助力我国储能领域“高精尖缺”人才的培养,满足新型电力系统储能市场专业人才的迫切需求,也为传统电气工程及其自动化专业学生拓宽了就业渠道和继续深造的方向.

2储能技术方向建设的探索与实践

2.1人才培养模式确立

储能产业作为重要的战略性新兴产业,涉及领域众多,关系到能源、电力、交通等多个重要行业的发展,同时也离不开材料、电池、制造等企业的产品/技术支持,需要加快物理、化学、材料、能源动力、电力电气等多学科多领域交叉融合、协同创新[4,7].三峡大学根据储能技术的多学科多领域交叉特点,以“学生为中心、成果导向、持续改进”的国际工程教育认证理念和新工科建设理念为指导准则,确立了储能技术方向“跨界融合、产教协同”的人才培养模式(如图1所示),即依托三峡大学电气工程学科特色与优势,融合电气、材料、物理、化学和能源动力等五个优势学科力量,以行业需求为导向,校企协同制定人才培养方案;以“素质高、能力强、专业精”的应用型人才培养为目标,校企协同育人;以资源成果共享为动力,校企协同攻克难题.该校通过融合储能技术相关学科优势力量,与储能产业相关企业协同育人、协同创新与攻关,既满足了储能领域人才培养的需要,也能解决学校教育与产业实际现场脱节的问题;既有利于实现高质量应用型储能技术人才培养目标,将人才培养从学科导向向产业需求导向转变,也有利于推动产业创新发展,使高校人才的供给更符合产业发展的需求,最终实现校企双赢.

2.2人才培养目标定位

人才培养目标是高校制定教育教学活动的出发点和重要依据,在人才培养过程中起着重要作用.21世纪科技和经济的飞速发展对人才培养提出了更高的目标和要求,教育必须服务经济社会发展全局.根据当前储能产业发展及其对人才的需求情况,三峡大学电气工程及其自动化专业储能技术方向坚持以行业需求为导向,坚持学生知识、能力和素质协调发展的教育理念,将人才培养目标定位为:具有良好人文素养和职业素养、良好的社会责任感和团队协作意识、较强的敬业精神和创新精神、扎实的电力和储能技术专业理论知识、较强的工程实践能力;能够胜任电力储能产业相关工作岗位;具备可持续发展和终身学习能力的德智体美劳全面发展的社会主义事业建设者和接班人.学生毕业5年后,能适应电力储能产业的发展趋势,独立从事电力储能产业相关的规划设计、运行维护、研究开发、试验测试及项目管理等工作,具备工程师或与之相当的专业技术能力.

2.3课程体系构建

课程体系是人才培养方案的核心内容和人才培养的主要载体,关系到人才培养目标的实现和专业培养标准的落实.为培养与新型电力系统和储能产业发展相适应的“IIP”型工程技术人才[8-9],根据人才培养目标,储能技术方向构建了由通识核心课程、素质拓展课程、学科基础课程、专业核心课程和专业拓展课程五部分构成的课程体系(如图2所示)。该方向专业核心课和专业拓展课程根据储能技术专业多学科多领域交叉特点,在课程设置上进行跨界融合,即在保留电气专业常规专业课程的基础上,通过调整课程学时,增设融合电气、材料、物理、化学和能源动力等多个相关交叉学科知识的储能技术专业课程.如,新增“电气学科及储能技术方向导论”课程,使学生既可以了解电气专业储能技术方向内涵特点、储能技术与新型电力系统发展的关系以及储能产业技术发展动态,又可以了解专业方向涉及的主要学科知识和课程体系等知识;增设“储能物理”、“储能化学”、“储能材料与技术”和“先进测试分析技术”等课程,让学生具备更完整的电池储能材料与器件基础知识;新增“储能系统开发与应用”、“储能系统建模与仿真技术”、“储能市场与储能经济”等专业拓展课程,为学生毕业后从事储能工程的规划设计、储能系统运行维护与研究开发及储能项目管理等工作奠定理论基础.为适应国家发展战略,满足储能技术领域对人才的需求,该方向通过开设学院特色工程师课堂[8-9]与企业进行深度融合,如增设“储能器件设计”、“光储一体电站运维”和“储能工程项目管理”等课程,聘请企业导师为学生授课,将工程实际案例引入课堂,培养学生的工程素质.实践教学环节是新工科专业教学的重要组成部分,也是提高学生工程实践能力、培养创新意识和科研兴趣的重要途径,在应用型人才培养过程中起着至关重要的作用.为实现跨界融合和产教协同,该专业方向以工程实践问题、案例或成果为导向,构建了涵盖综合作业、实训实习和学科竞赛等在内的实践教学课程体系.如,新增“储能材料综合作业”和“储能系统综合作业”等实践类课程,培养学生解决储能材料、器件与系统复杂工程问题的能力,也为相关学科竞赛奠定基础;此外,还利用西门子(中国)有限公司数字化工厂—先进自动化联合示范实训中心开展“‘西门子杯’中国智能制造挑战赛”,以培养学生对工业自动化的兴趣,提升学生的工程实践能力和创新能力.可见,储能技术方向课程体系既可使学生掌握电气学科、储能学科基础理论知识,还可让学生接触工程实践,参与到创新项目中,提高学生对专业的认识并激发他们的研究兴趣.

2.4实践教学平台搭建

实践教学是将理论知识应用于实践,培养学生实践与创新能力的重要环节,实践教学的实施离不开配套的实践教学平台.近年来,国家高度重视开展创新创业教育.创新创业型人才的培养除了需要具备完整的理论基础,同样也离不开实践教学平台.该专业方向根据“跨界融合、产教协同”的人才培养模式和储能产业特点,构建了涵盖实验教学平台和实训实习基地的综合实践教学平台(如图3所示).一方面,充分利用已有的新能源微电网研究中心、创新创业中心(创客中心)、储能新材料湖北省工程实验室等作为储能技术方向实验教学平台;另一方面,在原有科研平台—新型能源材料实验室的基础上进行扩建,建成储能电池实验室和超级电容器实验室.目前,该实验室已具备完善的锂离子电池和超级电容器材料制备、极片制作、电池组装、小型锂离子电池生产线及电化学性能测试全套专业设备.此外,还与湖北睿赛新能源科技有限公司联合建立了湖北省高能锂电池企校联合创新中心,与湖北宇隆新能源有限公司联合建立了高比能锂离子电池联合实验室,通过校企合作,实现产教融合、资源共享,协同技术创新和难题攻关.图3储能技术方向综合实践教学平台在实训实习基地建设方面,学校与企业共同打造校企协同育人新环境.学校不仅邀请储能产业和电力行业专业技术人员参与人才培养方案制定、工程师课堂教学、综合作业及科技创新活动指导,还在已有电气工程相关实训实习基地基础上,与有着长期良好合作关系的储能相关企业建立新的实训实习基地,如:湖北睿赛新能源科技有限公司、欧赛新能源科技股份有限公司、宜昌科赛新能源科技有限公司、湖北亿纬动力有限公司等.2021年年底,宁德时代、华友钴业、广州天赐等储能相关龙头企业陆续在宜昌投资建厂,也为该专业方向实训实习基地的建设提供了储备.学生深入企业,由企业导师直接指导,让学生在企业生产、技术研发等实际项目中学习,让学生提前感受企业氛围并熟悉未来工作环境,提高学生对专业的认识和理解;同时,在实训实习过程中遇到的各种实际问题,也可以激发学生后续学习的主动性和积极性.总之,该专业方向综合作业、实训实习和学科竞赛等实践教学课程体系的构建以及实验教学平台和实训实习基地等实践教学平台的搭建,为该校“素质高、能力强、专业精”应用型人才培养提供了有力保障,也为学生毕业后快速适应工作环境并快速完成从学生到企业员工的角色转换奠定了基础.

2.5师资队伍建设

优秀人才的培养离不开优秀的师资队伍.作为新兴交叉学科专业,该校一方面通过集中和整合学校优势学科力量,进行跨专业、跨学科教师的内部调动.如,从材料科学系、电力电子系等教师队伍中抽调一批在储能材料与器件、储能系统等方向具有丰富教学与研究经验的骨干教师充实该方向师资队伍.另一方面,从海内外高水平大学和科研机构引进从事储能技术相关方面研究的高层次优秀人才.此外,该校还聘请具有丰富实践经验和较高理论水平的储能技术相关领域的企业高级工程技术人员加入工程师课堂教学队伍,将基础理论知识和工程实践结合,实现学校与产业在课堂教学上的融合.为了更好地实现课堂教学与产业的融合,该校积极推荐青年教师到储能相关企业挂职锻炼,一方面可以了解生产一线和项目建设全过程,提高工程实践经验,以便将企业实践融入到课堂教学中;另一方面,还可了解企业对工程技术和人才的实际需求,以便开展针对性课题研究和订单式人才培养,提升研究成果的适用性和培养人才的应用性.对于具有丰富实践经验的资深教师,鼓励其到企业兼职,将自己的研发产品和技术应用于企业,为企业带来效益,进一步促进企业与学校的深度融合.

3结语

储能技术在可再生能源并网、电力调峰调频、电动汽车等应用上起关键作用,是实现“双碳”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统的重要保障.随着可再生能源并网、智能电网及电动汽车的快速发展,储能市场对专业人才需求已呈井喷式增长.储能技术专业作为一个新兴交叉学科专业,目前尚无成熟经验可循.三峡大学立足储能产业特点和需求,依托学校电气工程学科特色与优势,融合电气、材料、物理、化学和能源动力等5个优势学科力量,在电气工程及其自动化专业增设储能技术方向,确立“跨界融合、产教协同”的人才培养模式,对其人才培养目标定位、课程体系构建、实践教学平台搭建、师资队伍建设等方面进行探索与实践,难免会存在一些不足.高校如何根据储能技术多学科交叉的特点,结合自身实际情况建设储能技术专业,以推动我国储能领域“高精尖缺”人才培养,满足我国储能产业和能源高质量发展对高素质创新人才的需求,是一个尚待迫切探讨与解决的现实问题.

作者:张露露 王凌云 熊奇  张涛 杨学林 黄悦华 单位:. 湖北省新能源微电网协同创新中心 三峡大学 电气与新能源学院