能源动力学

一门学科

能源动力学科是近年来新兴起的一门学科，它包括技术基础课程和专业课程涉及到多学科领域的知识，以热能动力工程专业为例，就涉及到以下各学科：热学学科；力学学科；机械制造学科；自动控制及计算机学科；水力发电学科；化学学科。为适应21世纪初我国能源学科发展的需要，应当在各专业课程的设置中，适当安排各个有关学科的知识。美国设有机械系的各高等院校，之所以专业的研究范围如此之宽（除了机械与热流科学外还包括信息控制，生物力学， MEMS等），也是与本专业的多学科交叉特性密切相关的。

历史

早期能源利用与认知

- **薪柴时代**：在人类文明的早期，人们主要以薪柴作为能源。钻木取火的发明让人们能够利用火来取暖、烹饪食物和驱赶野兽，这是人类对能源的最早利用方式之一。这一时期持续了漫长的时间，从原始社会一直延续到农业社会的相当长阶段。

- **蓄力与自然力的初步利用**：随着人类社会的发展，人们开始驯化动物，利用畜力进行运输和农业生产等活动。同时，也逐渐学会利用自然力，如风力和水力。古埃及人曾利用风力推动帆船航行，而中国古代则有利用水力驱动的水车进行灌溉和磨面等生产活动的记载。

近代能源科学的奠基与发展

- **煤炭的广泛应用与理论萌芽**：18世纪，英国的工业革命开启了煤炭大规模应用的时代。煤炭为蒸汽机提供动力，推动了工业生产的飞速发展。在实践应用的同时，科学家们也开始对能源相关的现象和理论进行研究。例如，法国物理学家萨迪·卡诺对热机效率的研究，为热力学理论的发展奠定了基础，这可以看作是能源学理论研究的重要开端。

- **石油与电力的兴起**：19世纪中叶，石油的开采和利用逐渐兴起。1859年，美国宾夕法尼亚州打出了第一口现代油井，标志着石油工业的开端。石油提炼出的煤油等产品成为重要的照明和动力能源。与此同时，电力的发现和应用也取得了重大突破。法拉第发现电磁感应定律，为发电机和电动机的研制奠定了理论基础。随后，爱迪生发明了白炽灯泡，特斯拉发明了交流输电系统等，电力开始广泛应用于照明、工业生产和交通运输等领域，人类社会进入了电气时代。这一时期，能源学的研究开始涉及到多个学科领域，包括物理学、化学、机械工程等，逐渐形成了一个较为综合的学科体系。

现代能源学的形成与多元化发展

- **能源科学体系的形成**：20世纪，随着科学技术的飞速发展，能源学作为一门独立的学科正式形成。在理论方面，量子力学、核物理学等学科的发展为核能等新能源的开发和利用提供了理论支持。在应用方面，各种能源技术不断涌现，如石油化工技术的不断完善，使得石油不仅作为燃料，还成为重要的化工原料；煤炭的气化、液化技术也得到了进一步发展，提高了煤炭的利用效率和清洁性。

- **新能源的探索与发展**：20世纪中叶，核能的开发和利用成为能源领域的重要突破。1942年，美国建成了世界上第一座核反应堆，标志着人类进入了核能时代。此后，核电站在全球范围内逐渐兴起，为人类提供了大量的电力。20世纪70年代，由于石油危机的爆发，人们开始更加重视可再生能源的开发和利用。太阳能、风能、水能、生物能等可再生能源技术得到了快速发展。太阳能热水器、风力发电机等逐渐走向商业化应用。

- **能源可持续发展与多学科融合**：21世纪以来，随着全球对气候变化和环境保护的关注度不断提高，能源学的研究重点逐渐转向能源的可持续发展。能源学与环境科学、材料科学、信息科学等多学科的交叉融合日益深入，旨在开发更加高效、清洁、低碳的能源技术，如开发高性能的太阳能电池材料、研究智能电网技术以实现能源的高效分配和利用等。

能源学的历史是人类不断探索和利用能源的历史，从最初对自然能源的简单利用，到现代能源科学技术的高度发展，能源学在推动人类社会进步和经济发展方面发挥了至关重要的作用，并将继续在应对全球能源挑战和实现可持续发展的道路上不断创新和发展。

学科形势

新的挑战

能源动力工业是我国国民经济与国防建设的重要基础和支柱型产业，同时也是涉及多个领域高新技术的集成产业，在国家经济建设与社会发展中一直起着极其重要的作用。随着我国各个方面改革的深化发展，包括市场经济的逐步建立、国有大中型企业机制的转换、加入WTO后面临的挑战，以及能源动力领域技术的发展，并考虑到我国核科技工业“十一五”以及到2020年发展所面临的形势与任务，我国能源动力类以及核相关专业人才的培养面临着严峻的挑战。

可持续发展

能源动力及环境是世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76%，已成为我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限十分有限。2000年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储采比煤炭为92年，石油20.5年，仅为世界储采比的一半；天然气为63年，优质能源十分匮乏。我国已成为世界第二大石油进口国，对国际石油市场的依赖度逐年提高，能源安全面临挑战，存在着十分危险的潜在危机，比世界总的能源形势更加严峻。能源资源的国际间竞争愈演愈烈，从伊拉克战争及战后重建，到中日双方在俄罗斯输油管线走向上的角逐等一系列国际问题，无不是国家间能源战略利益冲突、斗争的具体反映。因此，开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展更加迫切、更具重大意义。

我们应该清楚地认识到：我国的能源资源是有限的，我国现有能源开发利用程度与效率很低，在清洁能源开发、能源综合高效利用和环境保护领域内，与发达国家存在着较大的差距：我国水能资源理论蕴藏量（未包括台湾省）为6.76亿千瓦，可开发容量3.78亿千瓦,相应年发电量19200亿千瓦时，均居世界第一；至2003年底，水电装机容量达到9139万千瓦，年发电量2710亿千瓦时，开发率按电量算只有14%，按装机容量算只有24.2%，远远落后于美国、加拿大、西欧等发达国家，也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。高耗能产品能源单耗比发达国家平均水平高40%左右，单位产值能耗是世界平均水平的2.3倍。同时，实施可持续发展战略对能源发展提出了更高的要求。长期以来，粗放型的增长方式使能源发展与保护环境、资源之间的矛盾日益尖锐。未来能源发展中，如何充分利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境的可持续发展将是“十五”以及中长期能源发展面临的重要选择。

国防安全

特别地，我国核科技工业是国家的战略行业。完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位的基本条件。它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时又是国民经济的重要产业。核军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分。与此相适应，如何培养适应21世纪社会需要的能源动力类以及核相关专业的人才，是每个大学相关专业以及每位从事能源动力类专业教育的工作者需要解决的重要问题。

专业特点

学科交叉性

常规化石能源的使用是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石能源的使用与环境问题密切相关。煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整个能源构成中占据主导地位，而且估计在今后几十年的时间内这一局面还不会改变。这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带来一系列严重的环境问题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。据最近的报载，当前我国每年火力发电的煤炭耗量超过8亿吨，电厂的烟尘排放量约为350万吨，占全国烟尘排放量的35%。其中，微细粒子（小于10微米）排放量超过250万吨，是影响大城市大气质量和能见度的主要因数，并严重危害人体健康。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制，实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。环境问题已经成为能源动力技术研究中的重要组成部分，也必须在专业课程的教学中有相应的体现。也正是基于这一原因，浙江大学已经将原来的热能与动力工程专业改名为能源与环境系统工程专业。核能发电虽然没有上述火力发电那样的问题，但有其独特的问题，如辐射防护与保健、核废料的处置与处理等均与环境保护有关。迫于环境方面对能源开发与利用的巨大压力，作为常规能源的水能由于具有清洁与可再生的特点，其开发与利用越来越得到重视，在我国能源发展战略占有十分重要的地位。

类似地，核科学与技术类专业不但要以传统的热、力、机械、强/弱电等为专业基础，还与新兴的信息、生命、生物以及能源等相互交叉。

政策依赖性

能源动力学科专业的发展极大地依赖于国家的发展政策。最典型的是核工程专业。在20世纪七八十年代，国家在核能发电上没有投资新建项目，使得我国各高校的有关核能发电方向的教师都一度没有足够的学生，有的甚至准备转业。以后国家开始大力发展核电，情况就有了巨大的变化，以至于需要核能专业毕业生的数目超过了可分配毕业生的人数。

广泛适用性

节能是我国能源发展战略的重要组成部分，关于节能的知识不仅能源动力学科的学生应当掌握，也是几乎所有工科学生应当掌握的内容。这就要求不仅要做好本学科专业人才的培养，而且也应当承担起向所有工程专业的学生进行节能技术教学的任务。

专业对口性

我国能源动力学科的不同专业方向服务于不同的工程技术领域，还多少带有产品专业的烙印。不仅在冷的方向与热的方向中，主导专业的工作机械与系统差别巨大（例如制冷机与发电厂），就是在同一个专业方向，例如热方向中，锅炉与汽轮机就有很大的差别。因此，对于旨在以零距离模式培养学生的专业与学校，密切关注当前经济发展以及行业发展的需要，使得学生能到对口的专业单位工作，及时充分发挥其专业特长，具有重要意义。在每年的毕业生就业过程中，也遇到类似的问题：一些专业工厂希望能找到进厂后能立即从事本专业具体技术工作的学生，而宽口径的培养方式不能满足这些单位的需要。所以，急需解决以能源动力类宽口径专业人才培养与能源动力类大部分企业对专业人才的知识结构强调专门化要求之间的矛盾。

以上这些特点是能源动力学科专业确定发展战略时必须予以充分关注的。

发展规划

能源是国民经济的基础产业，对经济持续快速健康发展和人民生活的改善发挥着十分重要的促进与保障作用。我国是能源生产和消费大国，面对新世纪，如何保持能源、经济和环境的可持续发展是我们面临的一个重大战略问题。

21世纪我国在能源问题上面临的挑战是：（1）人均能耗低：我国一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国。能源消费总量虽大，但人口过多，人均能耗水平很低（低于世界平均水平）；（2）能源效率低：我国能源效率约为31.4%，与先进国家相差10个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国家高出30%以上；（3）人均能源资源不足：中国拥有居世界第一位的水能资源，居世界第二位的煤炭探明储量，石油探明采储量居第11位。但中国人口众多，我国煤炭人均探明储量是世界人均值208吨的70%，石油人均探明储量为世界人均数的11%，天然气为世界人均数的4%；即使水能资源，按人均数也低于世界人均值；（4）以煤为主的能源结构需要调整：我国高度依赖煤炭的消费，煤炭在一次能源消费构成中占75%，过多地使用煤炭必然会带来效率低、效率差、环境污染严重的后果。

针对上述我国能源状况，我国中长期能源发展规划中采取了相应的措施。这些现状与中长期能源发展规划是我们考虑能源动力类培养方案的基本依据。

中长期规划

我国中长期能源发展战略是：以保障供应为主线，实施“节能优先、供应安全、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略。远近结合、分阶段部署，争取用三个15年，初步实现我国能源可持续发展的目标。

（1）节能优先战略

提高能源利用率是确保我国中长期能源供需平衡的先决条件，中国人口基数大，到下世纪中叶将超过15亿。无论是从国内资源还是世界资源的可获量考虑,中国只有创造比工业化国家更高的能源效率，才可能在有限的资源保证下，实现高速经济增长和达到中等发达国家人均水平。如果用国际上先进的技术和设备替代现有落后技术和设备，全部节能潜力可达能源消费量的50%，如用国内已有的先进技术和设备进行落后设备的更新，总节能潜力可达能源消费量的30%。

（2）优化能源结构

从世界各国发展趋势看，工业化国家无一例外均采用了以油、气燃料为主的能源路线，逐步减少固体燃料的比例是世界各国提高能源效率，降低能源系统成本，提供优质能源服务的必然选择。中国由于历史的原因，一直维持着以煤为主要能源的结构，但随着消费量的增大，其弊端日益明显。

中国要改变能源消费以煤为主的状态需要几十年的时间，但是我们必须向着这个方向努力。由于中国能源消费总量巨大，优质能源所占比例过小，先进国家油气比例在60%以上，中国如今为20%，到2020年，水电和核电可分别占一次能源的10%和3.7%。可见能源供应优质化是一项很艰巨的工作，需要采取多种措施去发展多种优质的清洁能源。从全国来看，改变以煤为主的能源结构需要很长的时间，但某些大城中可否先行，率先实现能源供应的优质化？

（3）发展清洁煤技术

煤炭在未来几十年中仍将是我国的主要能源，因此清洁地利用煤炭必将是能源工业的重要任务之一。从长远来看，应减少煤炭在终端的直接利用，提高煤炭转换为电力和气体、液体燃料的比例，必须发展清洁煤燃烧技术。

（4）适当发展核电，加快核电国产化

充分利用我国已经形成的核电设计、制造、建设和运营能力，以我为主、中外合作，以有竞争力的电价为目标，实现核电国产化。同时，积极支持我国自行开发新一代核电站工作，为“十一五”及以后核电的发展奠定基础。国家发展和改革委员会、科技部和商务部联合发布的“当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2004年度）”中，将核电及核燃料设备、民用非动力核技术等也列为重点领域。

（5）保证能源供应安全

为了保证能源供应的安全，降低进口的风险，拟采取以下措施替代石油：一是水煤浆代油，此技术应积极推广；二是煤合成液体燃料，中国分别与美国、日本、德国等合作研究开发；三是生物质液化，可引进技术或进行合作生产；四是发展天然气汽车和电动汽年。

（6）提供优惠政策，推动可再生能源的发展

从根本上来说，只有可再生能源才是清洁能源。因而，可再生能源是我们最终的追求目标。世界上可再生能源发展迅速，技术逐步趋于成熟，经济上也逐步被人们接受。欧洲一些国家拟在2010年使可再生能源在一次能源中的比例达到10%，中国政府也制定了1996—2010年新能源和可再生能源发展纲要，要求在15年中实际使用的可再生能源数量从近300Mtce增长到390Mtce。

培养要求

上述我国能源的中长期发展规划，对今后5～10年内能源动力学科专业发展战略提出了以下几方面要求：（1）要大力培养具备洁净煤燃烧技术知识的人才。（2）要大力培养从事核电和水电技术工作的人才。（3）要培养具备从事新能源和再生能源技术工作的人才。（4）要使所有培养的人才掌握节能理论与基本节能技术。（5）大力加强能源预测与规划人才的培养。五、我国能源动力学科人才的培养目标及模式

培养体系

（1）多层次——根据我国当前高等学校和学科专业设置情况，能源动力学科的人才层次可分为：博士－硕士－本科－专科。

（2）多规格——在本科层次中，根据学校的定位不同，可以区分为以下4种人才规格：(1)研究型大学（更为确切地应为研究型专业）毕业生。(2)教学研究型大学毕业生。(3)教学为主型大学毕业生。(4)高等职业学院毕业生。

培养目标

（1）研究型大学毕业生——培养学术型以及复合型（研究与应用）人才，是研究生考生的主要来源；专业教学内容可偏于通识（详细要求与规格待补充）。

（2）教学研究型大学毕业生——培养学术和应用型人才为主，部分学生构成研究生的考生源；教学内容以宽口径专业为主。

（3）教学为主型大学毕业生——培养应用型为主，部分学生为复合型，专业教学内容可以宽口径及大模块相结合。

（4）高等职业学院毕业生——培养应用型学生，专业教学内容以大模块为主。六、能源动力学科专业发展的研究和建设课题

国外体系

根据调查，发达国家的企业之所以能接受专业面很宽的学生且能保持工业技术的领先，是与国外企业有完善的岗前培训以及有效的继续教育制度分不开的。例如：

(1)美国Westinghouse Electric Company

新员工就职，就有专职导师培养指导，为期一年。导师职责明确，培养内容具体，按步骤进行，最终由经理查核新员工的工作情况。对新员工开设本企业专业培训课程，由经验丰富者讲授；具体工作中有成文的设计规范作指导，详细具体。对新员工定期开设科技讲座。

(2)美国Bristol Compressors, Inc.

新员工入厂训练两周，包括实验室工作，参观生产线设备，质量控制，室内设计，软件训练，公司标准。在第一、二年内，初级工程师的大部分工作是参与用户返回的信息分析、测试等，以加深对公司产品的了解。

(3)日本有关企业

日本企业并没有十分强调专业对口。实际上，无论是偏专业或偏综合的企业，对人才的要求都近乎是一种毛坯式的要求，即解决问题的能力以及综合素质的要求。至于专业则是根据任务的要求，在工作中不断深入细化，学校不可能把所有毕业生工作后可能遇到的问题都教会。进入公司后，一般先进行培训，大约半年，然后从事有关工作。一般头三年主要是学习，不独立承担项目，由于公司的严格培训制度以及学生较广的专业面，三年后基本能独立工作。另外，日本企业正在实行选拔培训制度，把有发展潜力的员工派到外面去进修。

企业培养

根据我们对部分国内大中型企业负责人的调查，企业负责人一致希望毕业生要有新的知识结构。关于专业对口问题，国内大中型企业的要求大致有两种类型：一类不十分强调，如大亚湾核电站，原因是该企业已经建立起了相对完善的岗前培训制度；另一类则比较强调对口，希望立即能派上用处，这种企业占多数，他们一般还没有建立起较好的岗前培训以及继续教育制度。

高校探索

为使我国能源动力类专业的人才培养与国际接轨，对美国麻省理工学院、康乃尔大学、德克萨斯州（Austin）大学、明尼苏达大学、卡内奇-梅隆大学、佐治亚理工学院、德克萨斯农工大学、普渡大学等8所著名大学机械工程系有关能源动力类专业的培养体系进行了深入的调研，得出的结论是：国外能源动力类专业仅是机械类人才培养的一个方向。国外大学机械工程系的教学与研究范围覆盖了国内本科生专业目录中的机械类、能源动力类的范围。相比之下，我国机械与能源动力类的专业面相对较窄。

从现代微机电系统（MEMS）科学技术的发展过程，也可以有力地说明我国现有的机械类专业与能源动力类专业有必要逐步合并。在MEMS的发展过程中需要将机械与流动和传热的知识结合起来，这在美国的机械系中是一件非常顺理成章的事情。但在我国，由于机械类与热能动力类的截然分家，造成教授们的知识也相应偏窄，关于MEMS的研究常常分别在机械系或能源动力系中进行，这在一定程度上影响了我国MEMS技术的发展。因此，从长远的观点看，在我国部分高等学校建设大机类（即将现有的机械类与能源动力类合并）专业的构想应当成为努力探索的目标。

与此同时，我们还就国外大学机械工程系在相对较低的学时学分（本科四年一般为120～130学分）情况下设置有关的技术基础课及专业方向课程作了深入的剖析和比较研究，揭示了美国高等工程教育中重基础、薄专业的特点。值得指出，美国的专门化课程实际上是某一方面（如旋转机械）的基本知识，并非十分深入。

因此我们建议，在今后5～10年内本学科专业的发展战略中，我国研究型大学应该进行建设大机类专业的探索。但是，还不宜作为本学科专业的全国性发展战略去推广。

高等学校的专业改革是一个社会与系统工程，除了高等学校本身的努力以外，还必需要有相应的社会支撑。我们认为，与高等学校拓宽专业面相适应，我国的企业应当逐渐建立起岗前培训以及对在职人员的继续教育制度。我们建议教育部与国家其他行政部门协调，通过有关部门指导性的意见促使在我国尽快建立起这种企业的岗前培训与继续教育制度。只有这样，毕业生分配中遇到的“以专业大类宽口径为对象的培养方式与我国能源动力类大部分工厂企业对人才专业对口要求之间的矛盾”才能较好地得到解决。也只有这样，才能为在我国部分高等学校中探索建设大机类专业提供一定的社会基础。

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