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摘要：本文分析介绍了热力学课程特点和压缩空气储能系统，从提高工程热力学教学效果的角度提出空气压缩储能与热力学教学有机结合，通过不断完善和丰富教学手法和教学手段，帮助学生理解掌握热力学抽象规律。
关键词：工程热力学；压缩空气储能；教学；思考
本文引用格式：齐永锋等.压缩空气储能在热力学研究性教学中的应用[J].教育现代化，2019，6（49）：155-157.
一 工程热力学课程特点
工程热力学所描述的热力学基本定律都是基于观察与测量，经过严密推理得到的，它普遍适用于各种物体，具有较高的可靠性[1-2]。工程热力学是一门理论与实践并重的综合性课程，其研究了热力学基本定律，同时提出了工质循环过程的研究和计算方法，为解决工程实际中的能耗计算问题提供了理论依据，在热机、热泵、制冷等工程领域应用广泛，并且逐步发展到化学工程、生物工程等众多新领域中[3]。工程热力学和流体力学、传热学等课程密切配合，为学习内燃机原理与其他各门专业课提供坚实的理论基础，是动力工程类专业的重要专业基础课程，对学生解决问题能力的培养具有重要意义。
二 压缩空气储能介绍及其前景
压缩空气储能是一种能实现大规模工业应用的方式，前期用电较少时，电量盈余，通过将空气压缩来存储多余的电能，后期用电较多时，通过放出高压空气推动燃气轮机发电，其主要有液气压缩储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统和传统压缩空气储能系统这三种形式[4]。压缩空气储能由于容量较大、技术相对成熟，受到国内外的广泛关注，在国际领域对于等温压缩空气储能技术的研究已取得较大进展，通过压缩空气储能的汽车处在小规模试用阶段。我国研制出的超临界压缩空气储能系统为储能应用开辟了发展空间。近年来国际上也成立了许多压缩空气储能电站示范项目[5]。
三 热力学知识在压缩空气储能技术中的应用
压缩空气储能在用电低峰期时，把电能以高压空气的形式储存起来，发电时，高压空气混合燃料一起燃烧后形成高温高压燃气，再进入燃气轮机膨胀做功[6]。整个系统以燃气轮机为基础，压缩获得高压空气的过程与高压工质做功的过程是分时进行的，其系统原理图如图1所示。
整个压缩空气储能系统分为六个部分：压缩机，通常是用于消耗电能产生高压空气，其带有中间冷却环节；膨胀机，通常是带中间再热的多级膨胀机，其运行特性对系统的性能有着决定性影响[7]；燃烧室或者换热器，主要使做功气体升温或者回收气体的余热；储气设备，有地下洞穴或储气罐；电动机或者发电机，在储能和释能时其功能进行切换；其他辅助设备和控制系统。其工作过程的温熵变化如图2所示。
在实际工程中，压缩空气储能系统大多采用多级压缩和多级膨胀的做功方式，同时采用级间/级后冷却、加热，其工作过程如图3所示。从图3中可以看到，2’-1’，是压缩的级间冷却过程，而4’-3’，表示膨胀的级间加热过程[8]。
在压缩机压缩空气的过程中，压缩终点温度越低，电能的消耗量就越少，因此通常在压缩机的出口端设置冷却器，从而提高系统的工作效率；与压缩机恰恰相反，膨胀机的起点温度越高，其在工作过程中做的有用功就越多，因此一般在膨胀机的进口端增设加热器，以提高能源利用率。同时，回热器的热量可由冷却器供给，该系统称为回热式系统，可以有效提高压缩空气储能的效率。回热式系统工作示意图如图4所示。
四 针对压缩空气储能与工程热力学有机结合的教学尝试
在工程热力学的教学过程中，传统的以教师作为教学主体，通过PPT和板书单方面向学生灌输教学方式，使得学生被动接受工程热力学的理论知识，且容易产生畏难情绪，失去了对热力学课程的兴趣，从而降低了学生专业学习的积极性和主观能动性。与此同时，传统的教学评估方式大多采用最后的期末成绩作为评价标准，这样的教学评估手段使得学生去片面追求考试成绩，考试之前临时抱佛脚，不注重对课程的深入理解，只流于表面的成绩，这种目的性和功利性的学习方法给学生的专业学习带来严重的危害。在课程教学中，为了让学生深刻理解热力学抽象规律在压缩空气储能系统中的应用，将教学内容通过应用实例联系起来，充分带动学生的学习热情，理论联系实际，激发学生的科研兴趣，使学生深刻理解热力学相关内容在实际工程中的应用，摆脱生硬记忆的传统学习模式，逐步提高学生理解掌握专业知识的能力，从而培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。因此，在教学过程中可以采用以下方法，以提高工程热力学的教学效果。
1、注重课前准备
工程热力学作为一门能源动力类专业基础课程，其具有较强理论性，相较于其他课程而言，计算公式、模型较多，概念及内容更加抽象难懂，使得学生难以理解记忆。面对这样的问题，在教学过程中，就需要教师提前帮助学生扩充实际工程上有关热力学的数值计算知识，课前带领学生了解接下来要学习的章节内容，引导学生去自主预习，将难以理解的热力学概念、公式及定理摘出来，同时考虑涉及哪些学过的数学及物理知识，自主查阅书籍，有意识地培养学生的主动性，使得学生更直观地面对工程问题，增强学生克服问题的动力，同时激发学生学习的积极性和主动性。
2、课堂讲授阶段
工程热力学是理论与应用兼备的学科，教学实践是必不可少的[9]。通过教学实践，可以帮助学生深入理解课程内容，培养学生的动手能力和创新能力。教师在教学过程中，应该紧跟科技脚步，将科研与教学相结合，共同发展与进步，及时向学生普及最新的科研发展知识，从而保证课程教学与科技发展紧密结合，提高工程热力学的教学效果。在课堂教学中可以向学生分享自己的科研成果与心得，结合实际案例如压缩空气高效储能问题，激发学生的科研兴趣，使学生理解压缩空气储能和热力学之间的密切联系。同时，鼓励学生积极申报大学生科技创新项目，如火电厂的节能减排问题、空调的制冷问题等均与热力学相关规律紧密相连。通过大学生科技创新项目，使学生参与到课题研究里，不仅强化了学生的理论知识，同时也激发了学生的科研兴趣，提高了学生的实践动手能力。同时有效利用多媒体资源，通过一些图片向学生展示空气压缩机内部的一些基本结构，帮助学生深入理解掌握各个变化过程的基本原理，从而记忆加热循环过程。同时可以通过多媒体连续演示，辅助讲解朗肯循环等理想循环，增强课程的趣味性。
3、注重课堂互动，以学生为主
在课堂教学中，部分的章节内容由学生分组讲解，将全班分成五个小组，每个小组负责一个理想循环方式的具体讲解，比如第一组负责绝热压缩过程的讲解，那第一组就要从绝热压缩过程的原理及较其他压缩方式的优缺点进行讲解，通过提前准备PPT图片，加深了小组的成员对本章节内容的认识。小组之间互相提问，进行启发式思考与讨论，最后每个小组进行课堂总结。教师根据小组讨论、总结情况进行补充说明，针对学生尚未理解的知识点进行深入分析与讲解。这种方式有利于调动课堂的学习气氛，使学生深入到课程学习中来，帮助学生积极思考，通过与专业基础课相互连接，构建专业知识体系，培养学生的思维判断能力。
4、注重培养清晰的解题思路
在工科专业课的学习中，清晰的解题思路和正确的解题方法尤为重要。工程热力学的内容公式繁多，方法多变，提高了学生的学习难度。在学习的过程中，不仅要求学生能深刻记忆，还需要对公式内容进行灵活运用，能解决实际工程上的应用计算问题。在课堂教学过程中，教师通过讲解例题，着重强调列出所有的已知条件，考虑题目考察的内容及应用到的公式，层层深入，简明清晰地将题目解答过程表述清楚。
5、建立网络教学平台，加强与学生的交流沟通工程热力学的课程概念繁多、内容复杂抽象，
仅利用课堂的时间很难全方位地解决学生在学习过程中遇到的问题。通过网络教学平台的建立，学生可以发表自己对热力学热点问题的看法，提出学习过程中遇到的疑难问题，通过交流，学生可以获得疑问的解答，增强学生的学习动力，提高学生的主观能动性，与此同时，教师也可以随时掌握学生当前的学习情况，以及对热力学课程的理解深度，方便教师及时调整教学方案，避免出现教师教学深度与学生接受程度脱节等问题。同时，学生也可以在教学平台上下载教学视频、PPT课件等内容，弥补课堂中的不足，从而加深对热力学规律的理解，有助于解决学习过程中遇到的疑难问题，提高热力学课程的学习效果。通过在网络教学活动中建立起一个有效的交流环境，可以有效加强学生与教师之间的互动，方便师生的交流，从而能够有效地提高工程热力学的教学质量。
6、教学考核评估方式要多元化
在考核评估方式上，改变以往的期末成绩为主的评价方式，采用多元化课程评价体系，课程评价包括理论基础知识考核、知识综合运用能力考核、动手实践能力考核等多方面因素，考试成绩也应体现学生的综合能力。因此，教学过程中，可以将学生分成几个组，采用每个大的课程模块结束之后，要求学生分组收集相关资料，在课堂上小组之间互相提问，进行启发式讨论。最后，教师进行总结补充，对小组的表现进行评分，计入总成绩。同时，动手实践作业的完成情况也计入总成绩。通过各项成绩累加式计分的方式，避免学生死记硬背书本，突击应对期末考试，以此让学生更注重平时思考和积累，提高动手能力，采用灵活主动的学习方法。
五 总结
工程热力学作为热能动力类专业的核心基础课程之一，和传热学、流体力学等课程密切配合，为学习内燃机原理与其他各门专业课提供坚实的理论基础，其重要性不言而喻。如何提高工程热力学的教学效果，已成为广泛关注的问题。本文通过将空气压缩储能和工程热力学有机结合，通过多元化的评估手段，综合评价学生的课程学习效果，提高学生的学习积极性，大大激发了学生的学习兴趣，为工程热力学的讲授提供了新的思路和方法。
参考文献
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[9]李季,郭民臣.工程热力学理论与实践相结合的教学探讨——以回热知识点为例[J].大学教育,2019,(3):53-55.
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