世界上最大的能源是太阳能？
答案是肯定的。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能、生物质能等能源都来自太阳。即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气)，从根本上说也是自古以来储存的太阳能。
世界上最丰富的永久能源是太阳能。地球捕获的太阳辐射能通量为1.7×1.01.4千瓦，比核能、地热能、引力能的总储量大5000多倍。其中约30%反射回太空，47%转化为热量以长波辐射的形式再次返回太空，约23%是水蒸发凝结的动力和风浪的动能，植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。地球每年接收的太阳能总量是10×1018kW？h，相当于5×1014bbl原油，是已探明原油储量的近1000倍，是世界年能源消耗总量的1万多倍，正如人们常说的“取之不尽用之不竭”。虽然太阳辐射能量的通量密度较低，但阳光通过大气会进一步衰减，并且会受到天气、昼夜和空气污染等因素的影响。，但如果系统配有蓄热装置，热能水平匹配合理，太阳能就能发挥最佳作用。在能源和环境问题日益突出的今天，太阳能作为一种可再生的清洁能源，被誉为21世纪最有前途的能源(赵斌等，2012)。
太阳能是指太阳的热辐射能量，主要以太阳光线的形式存在。广义的太阳能还包括地球上的风能、化学能和水能。太阳能是太阳中氢原子聚变，释放出巨大核能产生的辐射能。人类所需的大部分能量直接或间接来自太阳；植物通过光合作用释放氧气和吸收二氧化碳，将太阳能转化为化学能储存在植物体内。煤、石油和天然气等化石燃料也是埋藏在地下的古老植物和动物经过漫长的地质年代进化而成的。此外，水电和风能也是由太阳能转化而来。
自地球诞生以来，生命主要依靠太阳提供的热辐射能量生存。随着化石燃料的减少，太阳能已经成为人类能源利用的重要组成部分，并不断得到开发。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。可以免费使用，不需要交通工具，对环境没有任何污染，为人类创造了一种新的生活形态，使社会和人类进入了一个节能减排的时代。
一、太阳能的特点
(一)太阳能的优势
(1)普适性:阳光普照大地，不受地域限制。无论陆地还是海洋，无论山地还是海岛，都可以直接开发利用，不需要开采和运输。
(2)无害:太阳能的开发利用不会污染环境，是最清洁的能源之一，在环境污染日益严重的今天，这一点极其宝贵。
(3)巨大:每年到达地球表面的太阳辐射能量约相当于130×1012t煤炭，其总量是当今世界可开发的最大能源。
(4)长期:按照目前太阳产生核能的速度，其氢储量足以维持数十亿年，地球的寿命约为数十亿年。从这个意义上说，可以说太阳的能量是取之不尽的。
(5)经济性:太阳能长期发电成本低，是21世纪最清洁最便宜的能源。
(二)太阳能的缺点
(1)色散:虽然到达地球表面的太阳辐射总量很大，但能流密度很低。平均而言，在北回归线附近，夏季天气晴朗时，太阳辐射的辐照度在中午最高，在与太阳光方向垂直的1m2的区域内，平均接收到的太阳能约为1000 w；全年昼夜平均的话，只有200W W左右，冬天只有一半左右，阴天也只有1/5左右。这种能量密度非常低。因此，在利用太阳能时，为了获得一定的转换功率，往往需要收集和转换相当大面积的设备，成本较高。
(2)不稳定:由于昼夜、季节、地理纬度、海拔等自然条件的限制，以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既有间歇性，又极不稳定，这就给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为持续稳定的能源，并最终成为可以与常规能源相抗衡的替代能源，就必须解决储能问题，即尽可能地将晴天的太阳辐射储存起来，以备夜间或雨天使用，但目前储能也是太阳能利用的薄弱环节之一。
(3)效率低，成本高:目前太阳能利用的发展水平理论上可行，技术上成熟。然而，一些太阳能利用装置由于其低效率和高成本，总体上无法与常规能源竞争。未来太阳能利用的进一步发展主要受经济的制约(颜等，2012)。
第二，太阳能的分布
中国幅员辽阔，太阳能资源丰富。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能量约为50×1015MJ。中国各地太阳总辐射为3350 ~ 8370 MJ/cm2，平均为5860MJ/cm2。从我国太阳总辐射的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部、台湾省西南部的太阳总辐射非常大。青藏高原的太阳总辐射最大，川黔两省的年太阳辐射最小(王峥等，2010)。
中国太阳能资源分布的主要特点是:太阳总辐射的高值中心和低值中心位于北纬22° ~ 35°，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；西部地区年太阳总辐射高于东部地区，除西藏和新疆外，基本上是南方低于北方。由于南方大部分地区云、雾、雨多，太阳总辐射在北纬30 ~ 40°的分布与太阳能随纬度变化的一般规律相反。太阳能不是随纬度降低，而是随纬度增加。根据接收到的太阳辐射量，全国大致可分为五个地区(表4-1)。
表4-1中国太阳能分布图(根据王峥2010)
一区:年日照时数3200 ~ 3300 h，年总辐射6690 ~ 8360 MJ/cm2。相当于燃烧225 ~ 285公斤标准煤产生的热量，主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部。这是中国太阳能资源最丰富的地区，相当于印度和巴基斯坦北部。尤其是西藏，地势高，阳光透明度高，太阳总辐射最高可达9210J/cm2，仅次于撒哈拉沙漠，居世界第二，其中拉萨是世界著名的阳光之城。
第二区:年日照时数3000 ~ 3200 h，年辐射总量5852 ~ 6690 MJ/cm2，相当于200 ~ 225 kg标准煤燃烧产生的热量，主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部。中国这个地区太阳能资源丰富。
三类地区:年日照时数2200 ~ 3000 h，年辐射总量5016 ~ 5852 MJ/cm2，相当于170 ~ 200 kg标准煤燃烧产生的热量，主要包括山东、河南、河北东南部、山西西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部。
四类地区:年日照时数1400 ~ 2200h，年总辐射4180 ~ 5016mJ/cm2。相当于140 ~ 170 kg标准煤燃烧产生的热量。主要在长江中下游，福建，浙江和广东部分地区，春夏多雨，秋冬太阳能资源还可以。
五类地区:年日照时数约为1000 ~ 1400 h，年总辐射为3344 ~ 4180 MJ/cm2。相当于燃烧115 ~ 140 kg标准煤产生的热量，主要包括四川省和贵州省。这个地区是中国太阳能资源最少的地区。
年日照时数大于2000h、年总辐射大于5852 MJ/cm2的一、二、三类地区，我国太阳能资源丰富，面积较大，占全国总面积的2/3以上，具有良好的利用太阳能的条件。第四、五类地区太阳能资源条件虽差，但仍有一定利用价值。
第三，太阳能的利用
太阳能利用是指对太阳能的直接转换和利用。中国太阳能资源丰富，前景广阔。目前，中国是全球太阳能最大的热水器生产国和使用国，也是太阳能光伏电池的重要生产国。
(一)利用太阳能的方式
太阳能的利用主要包括光热转换、光电转换和光化学转换三种方式。
1.光热转换
太阳能光热利用是最重要的利用方式，其基本原理是收集太阳辐射能量，直接或间接转化为热能进行利用。其中，太阳能集热器(图4-1)是太阳能集热器，是太阳能热利用的核心。目前应用最广泛的太阳能集热器是平板集热器和聚焦集热器。
图4-1太阳能集热器原理
根据温度和用途的不同，太阳能光热利用可分为低温利用(< 200℃)、中温利用(200 ~ 800℃)和高温利用(> 800℃)。目前，低温利用主要包括太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调和制冷系统等。中温利用主要包括太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等。高温利用主要包括高温太阳能炉。
太阳辐射源穿过玻璃盖板，被太阳能热水器的集热板吸收，然后沿翅片和管壁传导到太阳能热水器吸热管中的水中。太阳能热水器吸热管内的水吸热后温度上升，密度下降上升，形成向上的动力，形成热虹吸系统。随着热水不断上移并储存在储水箱的上部，同时温度较低的水通过下部循环管不断补充，使太阳能热水器的整个水箱最终上升到一定的温度。现有的平板太阳能热水器集热器基本上采用的是结合良好的多管结合方式，如滚压或压延，其中流水管与吸热板之间的热阻几乎可以忽略不计。影响平板集热器板芯性能的主要因素是结构设计和表面吸收涂层。
太阳能热水器的技术要求不高，但经济性和实用性高。近年来，我国太阳能热水器生产企业超过1000家，年产值超过100元的大型企业约有100家，从事生产的从业人员包括营销人员超过50万人。中国已成为世界上太阳能热水器年产量、销售量和保有量最大的国家。但目前国内太阳能热水器的全国平均普及率还不到10%，因此具有良好的市场前景(关等，2009)。
2.光电转换
未来太阳能的大规模利用就是太阳能发电。有许多方法可以利用太阳能发电。目前主要有以下两种:(1)光-热-电转换。即利用太阳辐射产生的热能来发电。一般利用太阳能集热器将吸收的热能转化为工质蒸汽，然后蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一个过程是光热转换，后一个过程是热电转换。(2)光电转换。其基本原理是利用光伏效应将太阳辐射能直接转化为电能，即太阳能光伏发电，其转换元件为太阳能电池(图4-2)。
将太阳能转化为电能，一直是人类美好的理想。1954年，贝尔实验室制成了世界上第一块单晶硅太阳能电池，从此，人类的这一理想逐渐变为现实。太阳能电池是将太阳能转换成电能的装置。它们是由具有不同电子特性的各种半导体材料制成的平面器件，具有很强的内部电场。在太阳光的照射下，内部电场中的电子和空穴分离，电子和空穴向两个相反的方向运动，正负电荷聚集产生电动势，即在太阳能电池的正反面之间产生电压，接通外部电路后可以输出DC电流。近年来，太阳能电池已经发展为基于硫化物picks和砷化合物等新型半导体材料的无机太阳能电池，以及基于花青(又称菁)、酞菁和叶绿素的有机太阳能电池。太阳能电池的效率(即光能与电能的比值)也有了很大的提高，比如单晶硅太阳能电池的效率从最初的6.0%提高到了24.7%；薄膜CdTe太阳能电池的效率为16.4%；用P型和N型非晶硅薄膜制作的HIT电池淀积在单晶硅片的上下表面，效率已达265，438±0.0%。砷化镓多结太阳能电池是当今世界上光电转换效率最高的电池。在聚光265倍的情况下，光电转换效率已经达到35.0%，攀升至40.0%的峰值。
图4-2太阳能电池及其原理
太阳能电池应用广泛，可以很好地用于交通运输。美国研制出一种由太阳能电池驱动的新型飞行器，名为“阿波罗原型机”。这架飞机的质量只有700公斤，翼展为74米，机翼上有65000块太阳能电池板。首次试飞成功升至24.7km高度，理论飞行高度可达30.9km，该机的研制是航空航天技术领域的一次革命，展现了太阳能电池在该机上的广阔应用前景。太阳能电池在汽车、船舶上的应用研究也相当成功。比如日本京瓷武学会和北见工业大学联合研发的太阳能汽车“蓝鹰”，在第五届世界太阳能汽车拉力赛中表现非常出色。澳大利亚的太阳能汽车Aurora101外形新颖独特，酷似飞碟，行程3010km，仅需41.1h，平均时速72.96 km/h，于2013、12、15，中国首辆月球车“玉兔”成功玉兔号利用太阳能，通过太阳能电池板(由两块太阳能电池板、一组锂离子电池、一个睡眠唤醒模块和一个电源控制器组成)为船上的仪器设备提供电力，能够承受月球表面的真空和强辐射。这些都充分显示了太阳能电池广阔的应用前景(胡赛春等，2003)。
太阳能电池还可以给建筑物供电，非常灵活。它可以用来安装太阳能电池屋顶，把房子的墙壁做成太阳能幕墙，或者把窗台做成太阳能窗台。安装在美国纽约第四时代广场3548层的太阳能幕墙，为整栋建筑提供了1.5%的电力。目前，太阳能利用最常见的形式是在坡屋顶上铺设太阳能电池。
太阳能电池的应用远不止以上几个方面。自1973年能源危机爆发以来，太阳能电池的应用领域不断扩大。目前已经建立了许多完全由太阳能电池供电的设施，如微波中转站、导航灯塔、路灯、捕虫器、公交站牌等。太阳能电池的应用可见一斑。
由于太阳辐射的能量密度低且不稳定，易受地域和气候条件的影响，其收集和储存装置的制造成本高，转换效率低。太阳能的发展经历了许多起起落落。光电作为唯一能满足全球长期能源需求而不排放温室气体和污染物的能源技术，必将带来太阳能的可持续繁荣。随着能源需求的增加和环保压力的加大，相信在不久的将来，人们对化石能源的依赖将逐渐转向太阳能(段，2010)。
3.光化学转换
光化学过程是地球上最重要的化学过程之一，包括光合作用、光电化学、光化学和光降解。其中，光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质和能量来源。其本质是植物、藻类和一些细菌将二氧化碳和水转化为储能有机物(如淀粉)并通过叶绿素释放氧气的过程(图4-3)。俗话说“万物生长在太阳上”，光合作用对有机物的产生(为人类和动物提供食物)、太阳能的储存、地球碳氧平衡的维持以及生物进化都有着重要的意义。
光合作用是一种以化学能的形式储存太阳能的生物能源，储量巨大。仅地球上的植物所产生的能量就相当于目前人类消耗的矿物能量的20倍。在各种可再生能源中，生物质能是储存的太阳能，是唯一可再生的碳源，可以转化为常规的固体、液体和气体燃料。据估算，地球上植物每年光合作用固定的碳为2×1011t，能量含量为3×1021J。这说明生物能源潜力巨大。只要充分开发利用，能源问题就不再是问题。
光电化学反应是指光照后可以引发的电化学反应。光电材料受光照射后，如果光的能量大于光电材料本身的电子能隙，光电材料价带中的束缚电子就可以被激发到导带，产生电子空穴对，然后电子空穴对跳到材料表面，与环境发生氧化还原电化学反应。整个操作涉及两个重要过程:一是材料受光照后产生的电子-空穴对的光电效应，二是光电效应产生的电子-空穴对与环境的电化学反应。符合上述机理的反应基本上称为光电化学反应。
图4-3光合作用过程
光电化学反应和传统的电化学反应具有相同的氧化还原反应特性，但传统的电化学反应需要外界的电能来提供反应所需的能量。光电化学反应直接利用太阳能代替电能，是太阳能和电化学反应相结合的完整设计，类似于植物的光合作用，对人类太阳能应用产生重大影响。光电化学器件有很多种。目前主要的应用不外乎通过辐照发电的太阳能电池、通过辐照分解水生主氢的装置、辐照后能分解污染物和病菌的光催化剂。此外，近年来，生化技术与光电化学相结合的研究也很多。
第四，发展太阳能产业
(一)太阳能产业发展中存在的问题
1.太阳能技术发展不平衡，光伏发电技术落后。
虽然太阳能热能利用在国内已经比较成熟，在同技术、同市场上处于世界领先地位，但主要应用在传统热水器上，在发电、高分子材料、太阳能与建筑结合等技术应用领域没有突破。与发达国家的工业发展相比，工业强而不大。在光伏发电方面，中国太阳能光伏企业在“高科技”、“新能源”的光环下，仍然只是全球产业链中的“加工厂”。
2.畸形的产业发展，远远没有形成良性循环的产业结构。
在太阳能热能利用的快速发展方面，中国成千上万的相关工业制造商仍然大多专注于太阳能集热器的生产。形象地说，“到处都在制造真空管”，但在环境保护、楼宇智能温控系统、生物接种孵化等各个领域却鲜有卓有成效的探索。因此，太阳能集热器制造商之间的竞争非常激烈，利润和效益无法最大化。
在光伏发电行业，只能说是半条腿走路。近年来，我国光伏发电产业发展虽初具规模，但总体水平与国外相比仍有较大差距。太阳能企业的自主研发能力很弱，关键技术基本掌握在国外公司手中。目前国内企业还处于来料加工的组装阶段，只承接产业链中高污染、高能耗的生产环节，只赚取5% ~ 6%的加工利润。由于国内企业技术水平较低，电池效率和封装水平与国外有一定差距，导致我国电池组件成本较高，缺乏市场竞争力(王峥等，2010)。
(2)太阳能产业的前景
随着煤炭、石油、天然气等常规能源的减少和能源需求的增加，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源，受到了世界各国政府的重视。国际太阳能利用技术和产品的成熟，为太阳能的推广利用创造了条件。目前，可持续发展的理念已被普遍接受，太阳能开发利用的研究也将掀起热潮。世界能源和环境问题的最终解决将取决于可再生清洁能源特别是太阳能的开发和利用。随着越来越多的政府和有识之士的关注，太阳能的利用技术有望在短期内取得长足的进步。
近年来，在全球变暖和低碳经济的推动下，太阳能等新能源的开发利用备受关注。为应对全球气候变化，中国政府承诺，到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年减少40% ~ 45%，新能源占一次能源消费比重约为15%。纵观世界和中国太阳能的开发利用，为促进太阳能产业的高效发展，应从以下几个方面采取相应措施:
(1)太阳能热利用技术相对更成熟，应以太阳能热利用为主，光伏为辅的策略推进太阳能热利用市场。适度降低太阳能热水器、太阳灶、太阳能空调、太阳能路灯等太阳能产品价格，不断开发新产品，实现产业升级，促进太阳能与建筑结合。
(2)加大科技投入和攻关力度，培养R&D人才，层层攻关太阳能利用关键技术、绿色生产技术、系统集成技术等关键问题，形成具有自主知识产权的太阳能利用核心技术，提升竞争力。
(3)大力发展中低温太阳能集热器，努力发展高温太阳能集热器；推进太阳能综合梯级利用，提高太阳能品位；加强太阳能和其他能源系统综合利用的研究。
(4)完善太阳能资源利用的相关法律法规，加强可再生能源领域的国际合作。从国外经验来看，太阳能产业的发展离不开政策支持，特别是在发展初期，政府提供了法律约束、电价补贴、资金援助等保障措施和激励政策，极大地促进了其规模化发展。中国作为发展中国家，太阳能利用产业仍处于起步阶段，太阳能发电成本远高于传统发电，市场竞争力较弱，能源消费总量将进一步增加。因此，为了实现可再生能源发展和节能减排的目标，我国必须加快太阳能等新能源技术的开发和利用，借鉴国外的成功经验，加强我国可再生能源的法规和制度体系建设，促进太阳能利用产业的发展。
(5)加快发展太阳能相关产业链。太阳能产业的发展必然涉及电网、建筑、物业管理等相关行业。目前，我国缺乏对太阳能产业及其相关产业的统筹安排和规划，相关产业链发展滞后，导致我国虽然产能强大，但90%左右的产品只能销往国外市场。迫切需要尽快引导形成相关产业链，拓宽国内市场，使太阳能真正成为我国重要的新能源之一(颜等，2012)。
人类对能源需求的增长会越来越快，对能源的可持续性和清洁性的要求会越来越高，而使用能源所带来的污染环境、破坏地球生态平衡等负面影响也会越来越严格。因此，迫切需要加大太阳能利用的研发力度，缩短研发应用的周期，重点支持和扶持一批具有实际应用前景的太阳能科研项目。在人口密度小、居住分散、地域辽阔、太阳能资源丰富的我国西部地区，更需要加快太阳能的研发，尽快进行区域性试点。例如，利用沙漠边缘地区成本低、太阳能资源丰富的独特优势，开展小规模太阳能热发电，解决居民分散、地域广阔造成的输电困难问题，不断提高太阳能热发电在总电量中的比重。在太阳能发电方面，应开发可替代干电池作为家用电器和通讯设备电源的太阳能电池，利用光化学转换产生二次清洁能源，如氢能。在中国西部大开发中，太阳能的开发利用应与工商业等其他产业的发展同步，并以西部地区为重点，提升中国太阳能开发利用的整体水平和规模(龚自强等，2000)。
新世纪需要新能源。可以预见，21世纪将开始一个以太阳能为主要能源的新世纪。