動植物的生長、人類的活動都無法離開太陽。這個發光發熱的大火球已經存在了50億年之久。妳是否了解太陽？人類是否能夠從距離地球1.5×108km的太陽上獲取所需的能源？
答案是肯定的。
地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能等能源都來自於太陽，即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等），從根本上說也是遠古以來儲存下來的太陽能。
世界上最豐富的永久能源是太陽能。地球攫取的太陽輻射能通量為1.7×1014kW，比核能、地熱和引力能儲量總和還要大5000多倍。其中約30%被反射回宇宙空間，47%轉變為熱，以長波輻射形式再次返回空間，約23%是水蒸發、凝結的動力以及風和波浪的動能，植物通過光合作用吸收的能量不到0.5%。地球每年接收的太陽能總量為10×1018kW?h，相當於5×1014bbl原油，是探明原油儲量的近千倍，是世界年耗總能量的壹萬余倍，正如通常所說的“取之不盡、用之不竭”。雖然太陽輻射能的通量密度較低，太陽光通過大氣層會進壹步衰減，還會受到天氣、晝夜以及空氣汙染等因素的影響呈現間歇性質，但如果系統配置儲熱裝置，做到熱能能級的合理匹配，就可以使太陽能發揮最佳效益。在能源和環境問題日益凸現的今天，太陽能作為壹種可再生的清潔能源被人們譽為21世紀最有希望的能源（趙斌等，2012）。
太陽能是指太陽的熱輻射能，主要表現形式為太陽光線。廣義上的太陽能也包括地球上的風能、化學能、水能等。太陽能是由太陽內部氫原子發生聚變釋放出巨大核能而產生的輻射能量。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽；植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，並將太陽能轉變成化學能在植物體內儲存下來；煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代演變形成的。此外，水能、風能等也都是由太陽能轉換來的。
生命自地球上誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，並不斷得到發展。太陽能既是壹次能源，又是可再生能源。它既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何汙染，為人類創造了壹種新的生活形態，使社會及人類進入壹個節約能源減少汙染的時代。
壹、太陽能的特點
（壹）太陽能的優點
（1）普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制。無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，處處皆有，可直接開發和利用，且無須開采和運輸。
（2）無害：開發利用太陽能不會汙染環境，它是最清潔能源之壹，在環境汙染越來越嚴重的今天，這壹點是極其寶貴的。
（3）巨大：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當於130×1012t煤，其總量為現今世界上可以開發的最大能源。
（4）長久：根據目前太陽產生的核能速率估算，其氫的儲量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。
（5）經濟：太陽能的長期發電成本低，是21世紀最清潔、最廉價的能源。
（二）太陽能的缺點
（1）分散性：到達地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直於太陽光方向1m2面積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬季大致只有壹半，陰天壹般只有1/5左右，這樣的能量密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到壹定的轉換功率，往往需要面積相當大的收集和轉換設備，造價較高。
（2）不穩定性：由於受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、雲、雨等隨機因素的影響，到達某壹地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩定的，這給太陽能的大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源，從而最終成為能夠與常規能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即將晴朗白天的太陽輻射能盡量儲存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環節之壹。
（3）效率低和成本高：目前太陽能利用的發展水平，有些方面在理論上是可行的，技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低、成本較高，總的來說經濟性還不能與常規能源相競爭。在今後相當壹段時期內，太陽能利用的進壹步發展，主要受到經濟性的制約（閆雲飛等，2012）。
二、太陽能的分布
我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。據估算，我國陸地表面每年接收的太陽輻射能約為50×1015MJ。全國各地太陽輻射總量為3350～8370MJ/cm2，平均值為5860MJ/cm2。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、雲南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣西南部等廣大地區的太陽輻射總量很大。青藏高原地區的太陽輻射總量最大，四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小（王崢等，2010）。
我國太陽能資源分布的主要特點有：太陽輻射總量的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°這壹帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，西部地區高於東部地區，而且除西藏和新疆地區之外，基本上是南部低於北部；由於南方多數地區雲、霧、雨多，在北緯30°～40°地區，太陽輻射總量的分布情況與壹般的太陽能隨緯度而變化的規律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增加。按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為5類地區（表4-1）。
表4-1 我國太陽能分布狀況（據王崢，2010）
壹類地區：年日照時數為3200～3300h，年輻射總量為6690～8360MJ/cm2。相當於225～285kg標準煤燃燒所發出的熱量，主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地。這是我國太陽能資源最豐富的地區，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當。特別是西藏，地勢高，太陽光的透明度也好，太陽輻射總量最高值達9210MJ/cm2，僅次於撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉薩是世界著名的陽光城。
二類地區：年日照時數為3000～3200h，年輻射總量為5852～6690MJ/cm2，相當於200～225kg標準煤燃燒所發出的熱量，主要包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地，此區為我國太陽能資源較豐富區。
三類地區：年日照時數為2200～3000h，年輻射總量為5016～5852MJ/cm2，相當於170～200kg標準煤燃燒所發出的熱量，主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、雲南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部和安徽北部等地。
四類地區：年日照時數為1400～2200h，年輻射總量為4180～5016MJ/cm2。相當於140～170kg標準煤燃燒所發出的熱量。主要是長江中下遊、福建、浙江和廣東的壹部分地區，春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。
五類地區：年日照時數約1000～1400h，年輻射總量為3344～4180MJ/cm2。相當於115～140kg標準煤燃燒所發出的熱量，主要包括四川、貴州兩省。此區是我國太陽能資源最少的地區。
壹、二、三類地區，年日照時數大於2000h，年輻射總量高於5852MJ/cm2，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件，四、五類地區雖然太陽能資源條件較差，但仍有壹定的利用價值。
三、太陽能的利用
太陽能的利用是指太陽能的直接轉化和利用。中國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目前，我國已是全球太陽能熱水器生產量和使用量最大的國家以及重要的太陽能光伏電池生產國。
（壹）利用太陽能的方式
太陽能的利用主要包括光—熱轉換、光—電轉換和光—化學轉換三種方式。
1．光—熱轉換
太陽能的光熱利用是最主要的利用方式，其基本原理是將太陽輻射能收集起來，直接或間接轉化成熱能加以利用。其中太陽能的收集裝置——太陽能集熱器（圖4-1），是太陽能熱利用的核心。目前使用最多的太陽能集熱器為平板型集熱器和聚焦型集熱器。
圖4-1 太陽能集熱器的原理
太陽光熱利用根據所能達到的溫度和用途的不同，又分為低溫利用（＜200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（＞800℃）。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能幹燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調制冷系統等；中溫利用主要有太陽竈、太陽能熱發電聚光集熱裝置等；高溫利用主要有高溫太陽爐等。
太陽輻射光源透過玻璃蓋板，被太陽能熱水器集熱板吸收後沿肋片和管壁傳遞到太陽能熱水器吸熱管內的水。太陽能熱水器吸熱管內的水吸熱後溫度升高，密度減小而上升，形成壹個向上的動力，構成壹個熱虹吸系統。隨著熱水的不斷上移並儲存在儲水箱上部，同時通過下循環管不斷補充溫度較低的水，如此循環往復，最終太陽能熱水器整箱水都升高至壹定的溫度。現有的平板式太陽能熱水器集熱器，基本上都采用結合良好的多管組合方式，如滾壓或壓延方法等，其中走水管子與吸熱板之間的熱阻幾乎可以忽略。影響平板式集熱器板芯性能的主要因素，壹是結構設計，二是表面吸收塗層。
太陽能熱水器的技術要求不高，但其經濟性、實用性卻很高。近年來在中國，太陽能熱水器生產企業已超過千家，年產值超過1000萬元的較大型企業約100家，從事生產的職工包括營銷人員超過50萬人。中國已成為全世界太陽能熱水器年產銷量及保有量最大的國家。但家庭太陽能熱水器全國平均普及率仍未超過10%，所以很有市場前景（官貞珍等，2009）。
2．光—電轉換
未來太陽能的大規模利用是太陽能發電。利用太陽能發電的方式有多種，目前已經使用的主要有以下兩種：（1）光—熱—電轉換。即利用太陽輻射所產生的熱能發電。壹般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換為工質的蒸汽，然後由蒸汽驅動汽輪機帶動發電機發電。前壹過程為光—熱轉換，後壹過程為熱—電轉換。（2）光—電轉換。其基本原理是借助光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能，即太陽能光伏發電，其轉換元件為太陽能電池（圖4-2）。
將太陽能轉化為電能，壹直是人類美好的理想。1954年美國貝爾實驗室制成了世界上第壹塊單晶矽太陽能電池，從此，人類這壹理想就逐漸轉變為現實。太陽能電池是將太陽能轉化為電能的裝置，是由各種具有不同電子特性的半導體材料制成的平面器件，具有強大的內部電場。內部電場在太陽光的照射下，發生了電子和空穴的分離，電子和空穴分別向兩個相反的方向移動，正、負電荷分別聚集而產生電動勢，即在太陽能電池的正面和背面之間產生電壓，接通外電路後就能輸出直流電流。近年來，太陽能電池已發展為以硫化鎬、砷化稼等新型半導體材料為基礎的無機太陽能電池和以份菁（又稱都花菁）、酞菁及葉綠素等為基礎的有機太陽能電池。太陽能電池的效率（即光能轉化為電能的比例）也得到很大的提高，例如單晶矽太陽能電池的效率從最初的6.0%提高到24.7%；薄膜碲化鎘太陽能電池的效率為16.4%；在單晶矽片上、下表面分別沈積P型和N型非晶矽薄膜制成的HIT型電池，效率已達21.0%。當今世界上光電轉化效率最高的當屬砷化鎵多結太陽能電池，它在聚光265倍的陽光條件下，光電轉化效率已高達35.0%，並向40.0%的高峰攀升。
圖4-2 太陽能電池及其原理
太陽能電池的應用非常廣泛，可較好地應用於交通工具。美國研制了壹種新型的太陽能電池驅動的飛行器，稱“太陽神原型機”。該機質量只有700kg，翼展74m，機翼上面裝有6.5萬塊太陽能電池板，首次試飛就成功地升到24.7km的高空，理論飛行高度可達30.9km。該飛行器的研制是航天航空技術領域的壹次革命，顯示了太陽能電池在飛行器上的廣闊應用前景。太陽能電池在車、船上的應用研究也相當成功，例如，日本京瓷株氏會社和Kitami理工學院***同研制開發的太陽能汽車“藍鷹”號，在第五屆世界太陽能汽車拉力賽上表現非常突出。澳大利亞的太陽能汽車Aurora101，外形新穎別致，像個飛碟，行程3010km，僅耗時41.1h，平均速度達72.96km/h。2013年12月15日，中國首輛月球車“玉兔號”順利在月球著陸，玉兔號就是通過太陽能電池板（由兩個太陽電池陣、壹組鋰離子電池組、休眠喚醒模塊、電源控制器組成），利用太陽能為車上儀器和設備提供電源，耐受月球表面真空、強輻射、-180～150℃極限溫度等極端環境，顯示了太陽能電池在我國航空航天事業上的應用，為中國探月科技發展進步做出重大貢獻。這都充分顯示了太陽能電池的廣闊應用前景（胡賽純等，2003）。
太陽能電池也能向建築供電，其形式非常靈活，既可安裝太陽能電池屋頂，也可將房屋的墻壁做成太陽能幕墻，或將窗臺做成太陽能窗沿。安裝在美國紐約第四時代廣場3548層的太陽能幕墻為整棟大樓提供了1.5%的電力，而目前太陽能利用最常見的形式是將太陽能電池鋪設在傾斜的屋頂上。
太陽能電池的應用遠不止上述各方面，自1973年能源危機爆發後，太陽能電池的應用領域不斷擴展。目前，已建立了很多完全由太陽能電池供電的設施，如微波中轉站、航海燈塔、路燈、捕蟲器、公***汽車站牌等等，太陽能電池的應用可見壹斑。
由於太陽輻射的能量密度低且不穩定，易受地域和氣候條件影響，導致其收集、存儲裝置制造成本高，且轉換效率低，太陽能發展經過多次的高潮低谷。而光電作為唯壹壹種能滿足全球長期能源需求又不會排放溫室氣體及汙染物的能源技術，必將帶來太陽能的持續繁榮。隨著人類對能源需求的日益增加以及環保壓力的不斷增大，相信不久的將來，人們對化石類能源的依賴性將逐步轉向太陽能（段曉飛，2010）。
3．光—化學轉換
光化學過程是地球上最重要的化學過程之壹，它包括光合作用、光電化學作用、光敏化學作用及光分解反應。其中光合作用為包括人類在內的幾乎所有生物的生存提供了物質和能源來源，其實質是植物、藻類和某些細菌通過葉綠素，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物（如澱粉），並釋放出氧氣的過程（圖4-3）。所謂“萬物生長靠太陽”，光合作用對制造有機物（為人類和動物提供食物）、儲存太陽能、維持地球碳氧平衡和生物進化具有重要意義。
光合作用是把太陽能以化學能形式儲存在生物中的壹種生物能，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產量就像相當於目前人類消耗礦物能的20倍。在各種可再生能源中，生物質能是儲存的太陽能，更是唯壹可再生的碳源，可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料。據估計，地球上每年植物光合作用固定的碳達2×1011t，含能量達3×1021J。由此可見生物能具有巨大的潛力，只要充分開發利用，能源問題將不再是難題。
光電化學反應是指光照後就能引發的電化學反應。光電材料經光線照射後，如果光的能量大於光電材料本身的電子能隙，就能把光電材料的價帶中受束縛的電子激發至傳導帶，產生電子電洞對，進而躍遷至材料的表面，與環境進行氧化還原的電化學反應。整體運作牽涉兩個重要的過程：首先是材料照光後產生電子電洞對的光電效應，其次是光電效應產生的電子電洞對與環境產生氧化還原作用的電化學反應。符合上述機制的反應，基本上都稱為光電化學反應。
圖4-3 光合作用過程
光電化學反應和傳統電化學反應有相同的氧化還原反應特色，但傳統電化學反應須由外界給予電能來提供反應所需的能量，光電化學反應則直接利用太陽能代替電能，是壹種完整結合太陽能及電化學反應的設計，類似植物進行光合作用，對於人類在太陽能應用上具有顯著的影響。光電化學裝置種類繁多，目前的主要應用不外乎照光生電的太陽能電池、照光分解水生主氫氣的裝置、照光後可分解汙染物和病菌的光觸媒。此外，近年來也有許多生化科技和光電化學結合的研究。
四、太陽能產業發展
（壹）太陽能產業發展存在的問題
1．太陽能技術發展不平衡，光伏發電技術落後
太陽能熱能利用雖然在我國發展較為成熟，在同類技術、市場上都處於世界領先地位，但是利用主要集中在傳統的熱水器方面，在發電、高分子材料、太陽能與建築相結合等技術應用領域沒有突破，與發達國家的產業發展相比，產業強而不大。在光伏發電方面，籠罩在“高科技”“新能源”等諸多光環之下的中國太陽能光伏企業在全球產業鏈中仍只是“加工廠”而已。
2．產業畸形發展，遠未形成良性循環式的產業結構
在發展迅速的太陽能熱能利用方面，我國上千家相關產業廠家還大多集中在太陽能集熱器生產方面，用壹句形象的話說“遍地是造真空管的”，而很少在環境保護、樓宇智能溫控系統、生物孕育與孵化等各領域進行卓有成效的探索，結果造成集熱器生產企業競爭激烈，不能實現利潤效益最大化。
在光伏發電產業方面只能說是用半條腿走路。近年來，雖然我國光伏發電產業的發展已初具規模，但在總體水平上同國外相比還有很大差距。太陽能企業自主研發能力很弱，關鍵技術基本掌握在外企手裏，國內企業目前還處在來料加工的組裝階段，僅承擔了產業鏈中汙染高、耗能高的生產環節，賺取的僅為5%～6%的加工利潤。由於國內企業目前技術水平較低，電池效率、封裝水平同國外存在壹定差距，結果造成我國電池組件成本較高，缺乏市場競爭力（王崢等，2010）。
（二）太陽能產業前景展望
在煤炭、石油、天然氣等常規能源日益減少，而人類對能源的需求越來越大的情況下，太陽能作為取之不盡、用之不竭、清潔環保的可再生能源，備受各國政府重視。國際太陽能利用技術和產品的日趨成熟，更為太陽能推廣利用創造了條件。目前，可持續發展觀念被普遍接受，太陽能開發、利用的研究也將掀起熱潮。世界範圍內的能源問題、環境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發利用，隨著越來越多國家的政府和有識之士的重視，太陽能的利用技術也有望在短期內獲得較大進展。
近幾年在全球變暖、低碳經濟等的推動下，太陽能等新能源的開發利用備受關註。為應對全球氣候變化，中國政府已承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放要比2005年下降40%～45%，新能源約占壹次能源消費比重的15%。縱觀世界及中國對太陽能的開發和利用，為促進太陽能產業的高效發展，應從以下幾方面采取相應措施：
（1）太陽能熱利用技術相對更為成熟，應以太陽能熱利用為主，光伏為輔的策略推廣太陽能利用市場。適度降低太陽能熱水器、太陽竈、太陽能空調、太陽能路燈等太陽能產品的價格，不斷開發新產品，實現產業升級換代，並促進太陽能與建築的結合。
（2）加大科技投入與攻關，培養研發人才，圍繞太陽能利用關鍵技術、綠色生產工藝、系統集成技術等重要問題層層攻關，形成具有自主知識產權的太陽能利用核心技術，增強競爭力。
（3）大力發展中、低溫太陽能集熱器，努力研發高溫太陽能集熱器；促進太陽能能源的綜合梯級利用，提升太陽能能源品位；加強太陽能和其他能源系統互補的綜合利用研究。
（4）健全太陽能資源利用相關法規，加強可再生能源領域的國際合作。從國外經驗來看，太陽能行業的發展離不開政策支持，特別是在發展初期政府提供的法律約束、電價補貼、財政資助等保障措施和激勵政策，極大地推動了其規模化發展。作為發展中國家，我國太陽能利用行業總體還處於起步階段，而太陽能發電成本也遠遠高於傳統方式發電的成本，市場競爭力弱，且能源消費總量將進壹步增加。因此，為實現可再生能源發展和節能減排目標，我國必須加快開發利用太陽能等新能源技術，學習和借鑒國外的成功經驗，強化中國可再生能源法規及制度體系，促進太陽能利用行業的發展。
（5）加快太陽能相關產業鏈的發展。太陽能產業的發展必然會涉及電網、建築、物管等相關產業。目前我國缺乏太陽能產業與其相關產業的統籌安排與規劃，相關產業鏈發展滯後，導致我國雖然有強大的生產能力，但約有90%的產品卻只能銷售到國外市場，急需盡快引導相關產業鏈的形成，拓寬國內市場，使太陽能真正成為我國重要的新能源之壹（閆雲飛等，2012）。
人類對能源需求的增長將越來越快，對能源的可持續性和清潔程度的要求將越來越高，而對使用能源引起的負面效應，例如汙染環境、破壞地球的生態平衡等，將有越來越嚴格的限制和要求。因此，加大對太陽能利用的研究和開發，縮短研究—開發—應用的周期，重點扶持和支持壹批有實際應用前景的太陽能研究項目已屬當務之急。在我國人口密度不大、居住分散、地域廣大且太陽能資源豐富的西部地區，更應加大太陽能研究和開發的速度，並盡快進行區域性試點。例如，利用沙漠邊緣地域成本低和太陽能資源充足的獨特優勢，進行小型太陽能熱力發電，以解決居住分散、地域廣大造成的輸送電困難的問題，並不斷提高太陽能熱力發電量在總電力中的比例。在太陽光發電方面，應研制能夠作為家用電器、通信器材電源的太陽能電池以替代幹電池，利用光化學轉換產生二次清潔能源，例如氫能源等。在我國西部大開發中，應使太陽能開發利用與工業、商業等其他行業的發展同步，並以西部為重點，帶動我國太陽能開發利用的整體水平和規模（宮自強等，2000）。
新的世紀需要新的能源。可以預言，21世紀將開始壹個以太陽能為主要能源的新世紀。