太阳能技术将允许来自太阳的辐射为人类提供无污染的廉价的燃料和电力。

地球表面每年从太阳光线中接收到的能量大约是地球上已知的煤、石油、天然气和铀矿中所储存能量总和的10倍。这个能量等于世界上人类年消耗能量的1500倍。人们一直在燃烧木材和其他形式的生物量达几千年之久，然而这只是提取太阳能的一种方式。太阳还提供了水力发电，风力发电和矿物燃料——事实上提供了除核能、地温能和潮汐能之外所有形式的能量。

试图收集来自太阳的直接的能量不是一件新鲜的事。早在1861年法国的一名数学讲师奥古斯汀 · 贝纳德就获得了太阳能发电机的第一个专利。其他工程师们也研究了对太阳能的利用，但是，煤和石油的方便之处大大地占了上风。结果，太阳能几乎被人们忘却了。一直到了70年代，当能源危机威胁着许多主要经济部门时才引起人们的重视。

经济的增长依赖于能量的利用。到2025年世界范围内对燃料的需求预计增长30%，而对电力的需求则增长265%。即使能做到最有效地利用和储藏现有能量，人们还是需要新的能源。而太阳能可以提供60%的电力和40%的燃料的能量。广泛运用更先进的太阳能技术将会对大气污染和全球的天气变化产生一种有益的影响。在发展中的许多国家，它可以大大减轻由于为烧饭和取暖而燃烧植物材料的那种无益的实践所引起的环境恶化。先进的太阳能技术有着潜在的优势，从而使它在利用土地方面比生物量培育所利用的土地少得多，光合作用一般只吸收不到1%的可利用的太阳光，但是，现代的太阳能技术至少在实验室里可以吸收20%~30%的太阳光。以这样的效率，通过耗费全国2%的土地用于收集能量的方式，美国就可能满足现有的能量需求。

单一的太阳能技术不大可能在将来占有支配的地位。经济上的地区差异和太阳光线的可利用性将自然地使某些手段比其他手段更处于有利地位。电力可以通过燃烧生物量，装配风力涡轮机，建造太阳能热发动机，设计阻挡层光电池或在具有堤坝的河流中开发能量等方式来产生。含氢燃料可以由电化学电池或包括微组织和酶在内的生物过程而得到。而这些过程都是太阳光来推动的。而如同乙醇和甲醇那样的燃料则可以从生物量或其他太阳能技术中生产出来。

太阳能还以波浪吸收温度和盐度的变化率的形式存在于海洋中，因而，它们也是可供提取太阳能的潜在的源泉。不幸的是，虽然能量的贮存是巨大的，但是，它是向各个方向散开去的，因此为了把它们抽取出来必须付出昂贵的代价。

农业和工业上的废物（例如木屑）可以被燃烧用以产生蒸汽去推动汽轮机。无论何地，生物量是价廉的，因而这样的方便之处在传统的电力产生方面是很有发展前景的。许多这样的工厂早已建立，而且更多的工厂正在相继接受委派。在瑞典，一家利用气化的木屑点燃喷气式发动机的现代化发电厂已经完工。这套设备可以把木料中80%的能量加以转化，从而为城镇提供600万瓦的功率和900万瓦的热量。尽管生物量燃烧会造成污染，但是这样的技术却使燃烧过程变得极其干净。

在燃烧工程和生物技术上的进展已经使得把工厂的原料转化为液体或气体变得更加经济。森林的产品，“能量的颗粒”，农业的残渣和其他的废物可以被气化而且可以被用于合成甲醇。糖是从甘蔗、各类谷物颗粒或从木材（经过转化为植物纤维素）中提炼出来的，当糖加以发酵时，乙醇就被释放出来。

乙醇现在已经被用来与汽油相混合以提高汽车发动机的燃烧效率和减少有害的排气尾管的废气散发。但是，正如巴西的研究人员证实的那样，乙醇本身完全有条件成为一种有效的燃料。它可能与汽油在竞争价格上相差2000倍。将来，生物量种植工厂可能允许这样的能量在发展中国家的贫瘠土地上“生长”出来。能量颗粒也可能需要较好的田间管理和较高的收益。然而人们还需进行大量的研究以取得在各种气候条件下稳定的高质量颗粒收成。

利用技术上的改进，生物量在多大程度上有用，诸如此类的问题还尚末得到解决。光合作用本质上是没有多大效率的，而且需要充分的水供应。由美国委派的1992年的一项研究得出结论，全世界能量需求的55%可以在2050年由生物量来满足。但是，实际情况将会随着其他更行之有效的选择的出现而发生改变。

进入低空大气层的太阳能量中大约有万分之二十五被转变为风——虽然它是整个太阳能量的很小一部分，但仍然是一个非常重要的能源。据估计，利用美国北、南达科他州的风能就可以满足美国80%的电力消耗。围绕若“风力农庄”的可靠性的早期问题现在得到或大部分得到解决。在某些地区，以常规方式产生的电"已经面临价格上的竞争。

在风力很强的地区平均速度达到每秒7米以上：——从“风力农庄”产生每千瓦小时电力的价格只有0.04美元。到2000年，每千瓦小时的价格应该可以降到0.03美元以下。在加利福尼亚州和丹麦，17000多台风力汽轮机被全部集装在统一的电网上，风力目前提供若加州所需电力的百分之一。

价格下降的一个原因在于制成叶片的材料比较硬而且比较轻巧，它们可以使风力机械造成更加高大。每个风力汽轮机现在可以提供高达0.5兆瓦的功率。在变速汽轮机方面的进展已经降低了移动部件的应力和疲劳，从而大大地改善了可靠性。

风能的一个初期应用将很可能在岛屿上和在其他远离电网的地区。许多这样的地区目前用柴油驱动发电机，而有的地区正在努力寻找其他的方式。到下—世纪中叶，风力发电可以满足全世界对电能需求的10%~20%。

风能的主要局限性在于它是间断性的，如果风力的功率达到整个功率供应的25%~45%以上，那么一旦发生的任何风力不足就会引起极严重的经济损失，更好的能量储蓄手段会使在电网上使用的风力功率的百分比得到明显的增加。

产生电力的一种方法就是用太阳的辐射热和太阳光去驱动一台汽轮机。这样的太阳热电装置有4个基本部件 :一个收集太阳光的系统，一个吸收太阳光的接收器，一个热储存元件和一个能把热能转化为电的转换器。收集器有三种基本的结构：一个抛物状的圆盘，它能把光线会聚到一点上：而另一种抛物状的圆盘，能把光线集中到一条线上；第三种是一个遍布到几英里以外的平面镜列阵，它能把光反射到一个单独的中心塔上。

这些装置把10%~30%的直接的太阳光转换成电。但是，涉及到耐用性和可靠性的不确定因素依然存在。一个特别的技术上的挑战就是发展起一种能在低成本下成功运行的斯特林汽轮机。（斯特林汽轮机是这样的汽轮机：热量被连续不断地从外部附加到一种被置于封闭系统中的气体中去）

太阳池是又一种太阳热源，它在靠近底部处含有高浓度盐分。典型的情况是，热水上升到表面，然后冷却。但是由于盐分使水变得稠密，所以热水可以处在底部而且保持它的热量。太阳池收集太阳的辐射能，产生了一个很高的温度梯度。温度很高的含盐液体从池的底部抽出，并且使其蒸发；蒸汽被用来驱动一台类似装在汽车中的发动机那样的兰金循环发动机。变冷的液体在池的顶部也可以被利用，例如用于空调。

这个过程的一个副产品是从蒸汽中得到的淡水。太阳池以它们需要大量水为条件，因而对于既需要淡水又需要能量的遥远的地区更为合适。在一些常年高温干燥天气的国家（例如在以色列）人们已经广泛地研究了对太阳池的应用。

通过光电效应把光直接转变为电的现象是法国物理学家爱德蒙 · 贝克勒耳在1839年首次观察到的。当光子照跃到一个光电器件上时，——这种光电器件通常是由硅制成的——就会从它们稳定的位置上发射出电子，并允许电子自由地穿越过光电材料。利用一种半导体结可以产生1伏特电压。在1940年，人们找到了一种方法可以用来生产出极其纯净的结晶硅，利用这种结晶硅制成了具有高压和高效率的光电元件。它被证明可以大大提高工业生产。1958年，光电元件首先被美国空间计划用来给美国先锋1号空间卫星赋予收音机以不到1瓦的电功率。

虽然在最近20年来，人们已经取得这方面的重大的进展，——现行的光电效应效率的记录为30%以上——但是，价格依然是通向广泛应用道路上的一个障碍。有两种途径可以用来降低生产价格，生产出所谓扁盘系统所需的廉价材料和利用透镜或反射镜把太阳光线集中到太阳能电池的较小的区域上。集中太阳光的系统必须跟踪太阳但是不会像扁盘系统那样有效地利用由云层覆盖而引起的漫散光，然而，它们确实能在一天内从清早到深夜捕获较多的太阳光。

事实上，现在所运行的所有光电器件都是扁盘系统。有些能转动从而对太阳光进行跟踪，但是大部分器件没有可以活动的部分。人们对这些器件的未来充满信心，这是因为商业上可利用的效率处于理论的极值以下，也因为人们现在采用了现代化的制造工艺。用任何一种方式产生的光电效应的电力的价格不久就会降至每千瓦小时0.1美分以下，从而对下一世纪初的常规发电方式产生很大的竞争力。

太阳光，风力和水力按季节甚至每天都会发生变化。对能量的需求也不会固定不变的；供应和需求之间的匹配只能靠能量的储存方式来实现。按能源部的一项研究估计，到2030年，在美国，相应的能量储存的可用部分可以把再生能量的成分每年增加18×10²⁴个英国热量单位。

除了生物量以外，更有前景的长期太阳能系统正在设计之中，以用于产生电力。电力是对大多数固定的应用，例如、取暖、致冷、照明和机械等所选择的能量携带者。但是，把电力以适当的数量加以储存是不容易的。对于在运输过程中的应用，重量轻、容易大的能量储存是完全必要的。

太阳光还可能用来产生氢燃料。需要直接实现的（不需要首先产生电力）技术尽管还处于发展的早期阶段，但是从长远看可能是最好的方式。照射到电极上的太阳光可以产生一种电流把水分解为氢和氧——这称为光电解过程。“光生物学”这个词被用于描述能产生氢元素的一大类生物系统。甚至更长期的研究会导致允许太阳光直接把水分解为它的组成成分的光电解过程。

当由此产生的氢作为一种燃料被燃烧时或者被用来在一个燃料箱中产生电力时，唯一的副产品就是水。除了环境上比较适宜之外，氢还提供了一种方式以缓解储存太阳能的困难。需要的时间多长，这种方式就可以有效地保持多久。在超过1000公里的传输距离的地方，传输氢比传输电在价格上更便宜些。阿留申群岛上的居民已经实行着一项从风力汽轮机中获取电力，然后把它转变为氢加以储存起来的计划。此外，在燃料箱上的改进也已经允许高效地、无污染地利用氢，例如用氢作为动力的电力机车就是如此。

在能量经济上的根本性转变将需要国家基础结构上的更换，而作出改变决定的时间将取决于环境、能量保障或其他考虑所处地位的重要性。在美国，联邦政府研究利用再生能量的方案一直被再三地推迟。甚至连能源部的命运也难以确定。

现在，发达国家中每人耗费的能量至少是在发展中国家中每人所利用能量的10倍。然而，对能源的需求却到处在增长。太阳能技术可能使发展中的世界跳过一代基础结构而直接采用一种既不会使全球变暖加剧也不会造成环境继续恶化的新能源。发达国家也可以利用输出这种技术而受益——如果额外的激励对于在从太阳中获取能量的未来上进行投资是完全必要的话。

[Scientific American，1995年9月号］