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能源对任何现代经济制度都至关重要，因为它支撑着人类福祉和经济生产力。近年来，大量的工程研究集中在低碳、清洁能源系统的设计上。未来清洁能源将在不造成气候变化的前提下，为不断增长的全球人口提供可靠、可负担得起和可持续的能源服务。随着能源工业在一个深刻变革时期的发展，燃料结构将逐渐从煤炭和石油转向天然气和可再生能源。在从化石燃料过渡到生态可持续能源系统的时期，有效的政府政策正在实施，并取得了巨大的技术进步，如许多研究支持基于100%可再生能源的未来能源系统。
跟踪近五年国内煤矿智能开采新技术、国外LASC（Longwall Automation Steering Committee，澳大利亚综采长壁工作面自动控制委员会）技术和IMSC（Intelligent Mining Service Center，智能开采服务中心）技术的发展，本文分析了“十二五”期间攻克的综采成套装备感知、信息传输、动态决策、协调执行和高可靠性等智能开采关键技术以及研制的具有自主知识产权的综采成套装备智能系统，形成了现阶段可行的“无人操作、有人巡视”的智能化开采模式。通过总结针对中厚和厚煤层进行的智能化开采实践，表明智能化开采技术可将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的巷道监控中心甚至地面调度中心，大幅减少了工作面的操作人员。最后，探讨了在智能化开采技术研究过程中存在的难题，并展望了未来十年机器人等新技术在智能化开采中的应用前景。
本文讨论了基于Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS) 复合薄膜半导体材料的光伏（PV）技术。主要内容包括CIGS技术与传统的晶体硅技术的总体比较、CIGS 技术基础、一种柔性CIGS 电池产品破世界纪录的转化效率，以及在生产、应用和稳定性方面的突出表现和良好的发展前景。CIGS 技术极具潜力，若能实现大规模量产，将成为所有光伏清洁发电技术中成本最低的一种技术。
本文总结了Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) 电池中掺杂碱金属的发展历史和一些重要成果，综述了碱金属掺杂方式对CIGS 吸收层及器件性能的影响。通过分析由(NaF+KF)-PDT 导致的CIGS 表面结构及电学性能的改变，我们提出并解释了如下几个问题：①在低温沉积CIGS 薄膜过程中，Na 促进了CuInSe2的优先形成，排挤Ga 向Mo 衬底扩散，造成CIGS 薄膜的分层现象；② Na 原子钝化CIGS 晶界及表面缺陷从而提高空穴载流子浓度的相关机制；③过渡层减薄提高了短路电流（JSC）而不产生开路电压（VOC）损失，这不仅归因于化学浴沉积初期过渡层较好的包覆性，还在于受主缺陷
为了应对严峻的环境压力以及化石能源的枯竭危机，能源行业正在世界范围内共同推进能源互联网这一新型能源系统，目标以智能电网为骨架，综合电、气、热等多种能源形式，大幅提升能源系统对可再生能源的消纳能力。能源的需求侧是能源互联网的发展重点，也是新能源消纳灵活性的全新来源，具有巨大的技术发展潜力与市场空间。然而现有的能源信息技术并不能完全适应能源需求侧的运行特点，难以被高效经济地应用于能源互联网的需求侧管控之中，已成为当前能源需求侧技术发展的瓶颈。为了突破这一技术难点，本文提出利用通信领域近年来高速发展的广域低功耗网络（low power wide area network, LPWAN）技术，构造全新的能源物联网，从而为能源互联网需求侧的发展带来了全新的技术突破。LPWAN 是一类具有远距离、低功耗、海量接入、低运维成本的通信技术的总称，与Wi-Fi、蓝牙、紫蜂（ZigBee）等局域物联网技术相比真正实现了大区域的低成本覆盖。本文介绍以窄带物联网（narrow band internet of things, NB-IoT）和运程（longrange, LoRa）为代表的LPWAN 技术，提出基于该技术实现的能源物联网体系架构。最后，本文展望了能源物联网技术驱动下，能源互联网需求侧的典型应用场景。
费托合成（FTS）是近年来越发重要的能源转化途径，它可将一氧化碳和氢气的合成气转化为液态燃料和化学品，合成气的原料来自煤炭、天然气或生物质。在费托合成反应中，分散的过渡金属纳米粒子作为催化剂，用于催化以碳- 碳键生成为基础的反应。催化剂的催化活性和选择性与纳米粒子的电子结构和几何结构密切相关，具体取决于纳米粒子的尺寸、形态和晶相。在本文中，我们将回顾近期关于费托合成反应催化剂的体相和表面敏感性方面的工作。通过深入理解以上参数对不同催化剂行为的影响，有助于指导设计开发出更高活性、稳定性以及更优选择性的催化剂。
碳捕集和封存（CCS）技术作为一种碳减排手段，虽未得到全方位认可，但其重要性已得到人们的广泛认可。但是，若要将全球温度上升幅度控制在低于2℃，则此技术的推广应用速度并不能满足相关的需求。虽然大规模推广CCS 技术所面临的困难尚无法全部克服，但通过不断的研究、交流和规划，目前CCS 技术已得到了极大丰富。我们知道如何进行相关操作，并自信能安全有效地完成相关操作；我们知道相关的成本情况，也知道目前成本正在不断降低，而且未来会继续降低。同时，我们也知道，只要各个国家、公司、团体继续将化石燃料用作能源及用于各种工业过程，则世界就会一直需要碳捕集和封存技术。我们缺少的是必要的政策驱动和技术上呈中性（不会增加二氧化碳排放）的方法，以达到及时、低成本地降低CO2 排放，并维持稳定的、安全的电力供应以保证能源密集型工业产品的生产和使用。我们以澳大利亚为例来说明过去20 年内人们对碳捕集和封存技术所做的各种努力，尤其是在碳捕集和封存技术研究和示范工程以及国际合作方面所做的各种努力。在澳大利亚国内，碳捕集和封存技术的大规模推广进展非常慢。但全球最大的碳捕集和封存项目将作为Gorgon 液化天然气项目的一部分，很快在澳大利亚国内投入运营，另外还有数个大规模的碳捕集和封存的旗舰级项目正在考察中。CO2CRC Otway 项目是澳大利亚国内目前唯一一个运行中的二氧化碳封存项目。该项目目前正在进行一些细节方面的组织和推进工作。需要指出的是，如果要推广Otway 项目，还需对地下岩石对封存CO2 的影响开展大量研究。如果要在全球范围广泛使用碳捕集和封存技术，国际能源机构和国际气候变化委员会等机构都认为我们面临很大的挑战，还有很多重大问题需要解决。要解决这些问题，全球各方必须紧密协作。
气体膜分离法是从气流中分离二氧化碳（CO2）的最有前途的技术之一。例如，采用该技术对燃烧过程中的烟气进行处理，以达到CO2 捕集和封存的目的。聚环氧乙烷嵌段共聚物能够很好地应用于膜分离技术，如Pebax® 或PolyActive™。本文采用PolyActive™ 作为复合薄膜的选择层。在环境温度下，当CO2/N2 选择性超过55 时，这种薄膜的CO2渗透率高达4 m3(STP)·m−2·h−1·bar−1（注：1bar=105 Pa）。这种薄膜可以按照中试规模进行生产放大，而且可以设计成不同的平面膜组件。采用单一气体渗透数据作为唯一的实验输入而开发出的仿真工具可以准确预测这种膜组件的性能。在不同的中试研究中，我们利用烟气和沼气作为原料气流，反复检测这些膜和膜组件的性能。PolyActive™ 在检测中显示出了稳定的分离性能，表明PolyActive™ 非常适用于作为膜材料进行工业规模气体处理。
本文报道了风机控制领域最近才出现的一些新方法的调查研究结果。最近数年里，在时变不确定的紊乱风场中优化能量捕集效率和降低各个部件负荷的多元控制方法已经被广泛地研究。我们将相关的研究工作分为三类：风机建模和风机动力学研究、风机的主动控制和风机的被动控制。关于风机动力学研究，我们讨论了物理模型的建立，并且给出了空气弹性变形的分析工具。关于主动控制，我们审查了节距控制、扭矩控制和偏航控制等策略，包括相关的理论建立以及针对不同目的的应用情况。我们的研究主要关注风机叶片节距控制，节距控制被认为是在维持能量捕获性能的同时降低负荷的关键要素。关于被动控制，我们研究了调谐质量阻尼器、智能转子和Microtabs等技术。另外我们也提出了未来的一些研究方向。
水泵水轮机的稳定性对于抽水蓄能电站的运行有着重要意义，在中国的抽水蓄能电站中水力稳定性和运行稳定性均有报道。为了给水泵水轮机方面的工程师和科学家提供参考，本文总结了中国抽水蓄能电站中水泵水轮机运行遇到的水力不稳定性，以及容易诱发运行不稳定的运行特性。我们解释了术语的定义和分析方法，并基于对已公开发表文献的回顾，提出了注意事项和解决措施，指出了当前研究现状与工程实践需求之间的差距。
综合考虑经济发展、技术进步、政策目标、资源禀赋、环境容量等方面因素，设计了中国能源供需模型，构建了碳排放提前达峰和既定达峰两种情景。应用模型对两种情景下的能源供需和碳排放进行了分析，结果显示：2030年前一次能源和电力需求将持续增长，电力需求增速将显著快于一次能源需求；低碳化是能源供需结构变化的基本特征，2030年前非化石能源将超过石油成为第二大能源；选择能效更高的能源消费模式和更加低碳的能源供应方式，能源消费产生的碳排放可能在2025年左右提前达峰；电源结构的低碳化是碳排放尽早达峰、降低峰值的关键因素。
先进核反应堆可为全世界提供安全、清洁、可靠的电能。从概念设计前期，到详细设计工作、执照申请和电站运行等不同阶段，开发先进核反应堆对计算模型的依赖程度都非常高。一个综合性反应堆建模框架不仅可以实现无缝通信、连接、自动化和连续开发等功能，更可以极大地提高反应堆设计工作的能力和效率。在这种系统中，各种关键性能指标（如最优燃料管理、设计基础事故状态下包壳的峰值温度、平准化发电成本等）可以明确地与设计输入数据（如集成模块管道的厚度、容差等数据）联系在一起，保证极高的设计一致性。此系统结合高性能计算系统之后，能够同时执行数千个集成的案例对整个系统进行敏感性分析，从而高效、可靠地评估各种设计，确定最优方案。TerraPower 公司开发了一款类似的工具，他们将其命名为“高级反应堆建模接口系统”（ARMI），并已将其应用于目前正在开发的TerraPower 行波反应堆设计及其他创新性能源产品的设计工作中。ARMI 系统使用之前已有的、具有强大谱系的各种工具，以及创新性设计所需的多种新的物理和数据管理模块。此系统将之前已有的和各种新的物理测量值（这些数据对任何优秀的设计而言都是非常重要的基础数据）进行了对比确认和验证。本文综述了集成反应堆堆芯工程设计工具的情况和TerraPower 公司的生产实践情况。
本文综述了我们团队近期在防治岩爆危险方面取得的进展，包括为南非深部黄金矿山研发的岩爆危险性评估神经网络模型、智能微震监测系统和传感器。采用室内与现场实验和监测认识岩爆演化过程，建立对不同类型岩爆发生位置和强度的定量预警方法，以及岩爆动态调控措施。文中展示了红透山铜矿岩爆治理实例。
随着全球生活水平的提高，更多消费者进入了矿物资源市场，使得矿物资源的消耗正在迅速增长。其结果是，在21 世纪为了有效应对矿物资源供应危机，地下采矿持续地向更深的水平推进。然而，深部采矿在一个需要有非常规技术以及有挑战性的环境下进行，为了克服这些挑战和实现可观的经济收益需要重大的创新性解决方案、最佳实践以及实施额外的安全标准。这些挑战包括深部采矿工程常常遇到的灾难性事件：岩爆、瓦斯突出、高的原岩和次生应力、大变形、挤压和流变岩体以及高温。本文回顾了全球深部采矿现状，指出了一些与深部采矿的岩石力学和工程地质相关的技术进展及机遇。在这些技术进展中，基于全自动化的采矿和矿物提取过程的无人工作面和无人矿山已成为21 世纪的重要领域。
目前在世界范围内的很多地下矿山，岩爆已经成为个与矿山采矿生产密切相关的重要现象深入理解这类现象，不仅有助于岩爆管理，而且还有可能节约采矿成本，减少人身伤亡事故其中，实验室实验是深入研究岩爆机理的一个重要径。在本文作前期的研究中，已经建立了实验室岩爆实验数据库与此同时，借助于数字采矿技术，也建立了岩爆大应力和岩爆风险指数的预测模型为实现基于矿山地质条件和矿山井巷建筑结构特性对岩爆类型即岩爆强度等级的准确预测，本文的重点是，基于对岩爆实例的分析来建立岩爆影响矩阵，明确岩爆现象的诱发因子，并厘清这些影响因子之间的相互关系。运用人工神经网络（ANN）和初始贝叶斯分类器等数字矿山技术，对矿山岩爆数据库进行了更深入的研究最后给出了研究得出的各项结论
为了掌握金川镍矿床的深部资源特征和地质状况，对困难的开采条件进行了系统分析，包括高应力、碎裂矿岩体、普遍的围岩变形、困难的巷道支护、复杂的岩体力学特征以及低采矿回收率等。为深部、大型和复杂镍钴矿山的安全、高效和连续开采建立了一个集成技术包，其由蜂窝式进路大面积连续采矿方法的发明、地压控制理论以及高应力和碎裂矿岩体技术模块的建立、新型充填胶凝材料的开发、粗骨料高浓度料浆管道输送的深井充填技术等组成。由此，所存在的难题得到了较好的解决，从而确保了金川镍矿床深部资源的高效开采和综合利用。同时，为高应力、碎裂和流变岩体的地下矿山使用下向胶结充填采矿方法展示了一个技术范例。
作为当前最重要的工业催化材料之一，沸石分子筛的合成一般是在有机模板存在的条件下水热合成的，但是该合成过程会产生大量的有害气体和废水，不仅污染环境，还增加了生产成本。本文旨在概述有机模板在沸石分子筛合成过程中的角色，并据此分别设计沸石晶种和导向剂溶液导向的无有机模板条件下合成沸石分子筛的路线。在此基础上，总结并揭示了在无有机模板的Na+ 体系中合成的沸石分子筛的微孔体积与Si/Al 比值的关系，即微孔体积越大，Si/Al 比值越小，这对于无有机模板条件下合成Si/Al 比值可调控的沸石分子筛和设计它们的合成路线具有重要意义。