太阳能是来自太阳的辐射光和热量，利用太阳能加热，光伏发电，太阳热能，太阳能建筑，熔盐发电厂和人工光合作用等一系列不断发展的技术进行利用。
它是可再生能源的重要来源，其技术被广泛地定义为被动太阳能或有源太阳能，这取决于它们如何捕获和分配太阳能或将其转换为太阳能。 主动太阳能技术包括使用光伏系统，集中太阳能和太阳能热水来利用能源。 被动太阳能技术包括将建筑物定向到太阳，选择具有良好热质量或光散射特性的材料，以及设计自然循环空气的空间。
可用的大量太阳能使其成为极具吸引力的电力来源。 联合国开发计划署2000年世界能源评估发现，太阳能的年潜力为1,575-49,837焦耳（EJ）。 这比世界能源消耗总量大几倍，2012年为559.8 EJ。
2011年，国际能源署表示，“开发廉价，取之不尽，用之不竭的清洁太阳能技术将带来巨大的长期效益。它将通过依赖土着，取之不尽，用之不竭的进口独立资源来增加各国的能源安全，提高可持续性，减少污染，降低减缓全球变暖的成本，并使化石燃料价格保持低于其他水平。这些优势是全球性的。因此，早期部署激励的额外成本应被视为学习投资;必须明智地花费和需要广泛分享“。
潜在
地球在高层大气层接收174瓦（PW）的太阳辐射（日照）。 大约30％被反射回太空，而其余被云，海洋和陆地块吸收。 地球表面的太阳光光谱主要分布在可见光和近红外范围内，其中一小部分位于近紫外线。 世界上大多数人口居住在日照水平为150-300瓦特/平方米或每天3.5-7.0千瓦时/平方米的地区。
太阳辐射被地球的陆地表面吸收，海洋覆盖全球约71％的大气层和大气层。 含有来自海洋的蒸发水的暖空气上升，引起大气环流或对流。 当空气到达高海拔地区时，温度很低，水蒸气凝结成云，雨水落到地球表面，完成水循环。 水凝结的潜热放大了对流，产生大气现象，如风，旋风和反旋风。 被海洋和陆地块吸收的阳光使表面的平均温度保持在14°C。 通过光合作用，绿色植物将太阳能转化为化学储存的能量，从而生产食物，木材和生产化石燃料的生物质。
地球大气，海洋和陆地物质吸收的太阳能总量约为每年3,850,000埃焦耳（EJ）。 2002年，一小时内的能量比一年中使用的世界多。 光合作用每年捕获大约3,000 EJ的生物量。 到达地球表面的太阳能量是如此巨大，以至于它在一年内所获得的煤炭，石油，天然气和开采铀的不可再生资源总量的两倍左右。 ，
人类可以使用的潜在太阳能不同于地球表面附近存在的太阳能量，因为地理，时间变化，云层覆盖以及人类可利用的土地等因素限制了我们的太阳能量。可以获得。
地理影响太阳能潜力，因为更接近赤道的区域具有更大量的太阳辐射。 然而，使用可以跟随太阳位置的光伏发电可以显着增加远离赤道的区域中的太阳能潜力。 时间变化会影响太阳能的潜力，因为在夜间，太阳能电池板吸收的地球表面几乎没有太阳辐射。 这限制了太阳能电池板在一天内可以吸收的能量。 云层可以影响太阳能电池板的潜力，因为云阻挡来自太阳的入射光并减少太阳能电池可用的光。
此外，土地可用性对可用太阳能产生很大影响，因为太阳能电池板只能安装在原本未使用且适用于太阳能电池板的陆地上。 已发现屋顶是太阳能电池的合适场所，因为许多人发现它们可以通过这种方式直接从家中收集能量。 其他适用于太阳能电池的区域是不能用于建立太阳能电池的企业的土地。
太阳能技术的特点是被动或主动，取决于它们捕获，转换和分配太阳光的方式，并使太阳能在世界各地的不同层面得到利用，主要取决于与赤道的距离。 虽然太阳能主要是指将太阳辐射用于实际目的，但除了地热和潮汐能之外，所有可再生能源都直接或间接地从太阳获取能量。
主动太阳能技术使用光伏发电，聚光太阳能发电，太阳能集热器，泵和风扇将太阳光转化为有用的输出。 被动太阳能技术包括选择具有良好热性质的材料，设计自然循环空气的空间，以及参考建筑物对太阳的位置。 主动太阳能技术增加了能源供应，被视为供应方技术，而被动太阳能技术减少了对替代资源的需求，通常被视为需求方技术。
2000年，联合国开发计划署，联合国经济和社会事务部以及世界能源理事会公布了人类每年可以使用的潜在太阳能的估算，其中考虑了日照，云层覆盖和人类可以使用的土地。 估计发现，太阳能每年的全球潜力为1,575-49,837 EJ（见下表）。
热能
太阳能热技术可用于水加热，空间加热，空间冷却和工艺热量产生。
早期的商业改编
1878年，在巴黎的世界博览会上，Augustin Mouchot成功展示了太阳能蒸汽机，但由于廉价的煤炭和其他因素，无法继续发展。
1897年，美国发明家，工程师和太阳能先驱弗兰克舒曼建造了一个小型示范太阳能发动机，通过将太阳能反射到装有乙醚的方形盒子上工作，乙醚的沸点低于水，内部装有黑色管道又为蒸汽机提供动力。 1908年，舒曼成立了太阳能公司，旨在建造更大的太阳能发电厂。 他和他的技术顾问ASE Ackermann和英国物理学家Charles Vernon Boys一起开发了一种改进的系统，使用镜子将太阳能反射到收集箱上，增加了加热能力，现在可以用水代替以太水。 舒曼随后建造了一个由低压水驱动的全尺寸蒸汽机，使他能够在1912年之前为整个太阳能发动机系统申请专利。
舒曼于1912年至1913年间在埃及Maadi建造了世界上第一座太阳能热电站。他的工厂使用抛物槽为45-52千瓦（60-70马力）发动机提供动力，输出超过22,000升（4,800英里加仑; 5,800升）美国加勒比海水从尼罗河到邻近的棉田每分钟。 虽然第一次世界大战的爆发和20世纪30年代廉价石油的发现阻碍了太阳能的发展，但舒曼的愿景和基本设计在20世纪70年代随着对太阳能热能的兴趣再次兴起。 1916年，舒曼在媒体上引用了太阳能的利用，他说：
水加热
太阳能热水系统使用太阳光来加热水。 在低地理纬度（低于40度），60至70％的家用热水使用，温度高达60°C，可由太阳能加热系统提供。 最常见的太阳能热水器类型是真空管集热器（44％）和通常用于生活热水的玻璃平板集热器（34％）; 和未上釉的塑料收集器（21％）主要用于加热游泳池。
截至2007年，太阳能热水系统的总装机容量约为154千兆瓦（GWth）。 中国是其部署的世界领先者，截至2006年已安装70 GWth，到2020年长期目标为210 GWth。以色列和塞浦路斯是使用太阳能热水系统的人均领导者，超过90％的家庭使用他们。 在美国，加拿大和澳大利亚，加热游泳池是太阳能热水的主要应用，截至2005年，装机容量为18 GWth。
加热，冷却和通风
在美国，供暖，通风和空调（HVAC）系统占商业建筑中使用的能源的30％（4.65 EJ /年）和住宅建筑中近50％（10.1 EJ /年）的能源。 太阳能加热，冷却和通风技术可用于抵消一部分能量。
热质量是在太阳能的情况下可用于存储来自太阳的热量的任何材料。 常见的热质材料包括石材，水泥和水。 从历史上看，它们已被用于干旱气候或温暖的温带地区，通过在白天吸收太阳能并在晚上将储存的热量散发到较凉爽的大气中来保持建筑物凉爽。 但是，它们也可以在寒冷的温带地区使用，以保持温暖。 热质量的大小和位置取决于几个因素，如气候，采光和遮阳条件。 如果正确加入，热质量可将空间温度保持在舒适的范围内，并减少对辅助加热和冷却设备的需求。
太阳能烟囱（或热烟囱，在这种情况下）是被动太阳能通风系统，由连接建筑物内部和外部的垂直轴组成。 当烟囱变暖时，内部的空气被加热，导致上升气流将空气拉过建筑物。 通过模仿温室的方式使用玻璃和热质材料可以提高性能。
已经推广落叶树木和植物作为控制太阳能加热和冷却的手段。 当种植在北半球的建筑物南侧或南半球的北侧时，它们的叶子在夏季提供遮荫，而裸露的四肢允许光线在冬季通过。 由于裸露的无叶树遮挡了太阳辐射的1/3到1/2，因此夏季遮阳的好处与相应的冬季加热损失之间存在平衡。 在具有显着加热负荷的气候中，不应在建筑物面向赤道的一侧种植落叶树，因为它们会干扰冬季太阳能的可用性。 但是，它们可以在东侧和西侧使用，以提供一定程度的夏季遮阳，而不会明显影响冬季的太阳能增益。
烹饪
太阳能炊具使用阳光进行烹饪，烘干和巴氏杀菌。 它们可以分为三大类：盒式炊具，面板炊具和反射器炊具。 最简单的太阳能炊具是由Horace de Saussure于1767年首次制造的盒式炊具。一个基本的炊具包括一个带透明盖子的隔热容器。 它可以有效地用于部分阴天，通常可以达到90-150°C（194-302°F）的温度。 面板炊具使用反射板将阳光照射到隔热容器上，并达到与箱式炊具相当的温度。 反射器炊具使用各种聚光几何形状（碟形，槽形，菲涅耳镜）将光聚焦在烹饪容器上。 这些炊具温度达到315°C（599°F）及以上，但需要直射光才能正常工作，必须重新定位以跟踪太阳。
加热
太阳能聚光技术，如抛物面碟，槽和Scheffler反射器，可为商业和工业应用提供工艺热。 第一个商业系统是位于美国佐治亚州Shenandoah的太阳能总能源项目（STEP），其中114个抛物面板的场地提供了服装厂50％的工艺加热，空调和电气要求。 这种并网热电联产系统提供400千瓦的电力加上401千瓦蒸汽和468千瓦冷水形式的热能，并具有1小时的峰值负荷蓄热。 蒸发池是浅池，通过蒸发浓缩溶解的固体。 使用蒸发池从海水中获取盐是太阳能最古老的应用之一。 现代用途包括浓缩用于浸出采矿的盐水溶液并从废物流中除去溶解的固体。 晾衣绳，晾衣架和衣架通过风和阳光的蒸发来干燥衣服而不消耗电力或气体。 在美国的一些州，立法保护“干燥权”衣服。
水处理
太阳能蒸馏可用于制备盐水或微咸水饮用水。 第一个记录的例子是16世纪的阿拉伯炼金术士。 1872年，智利矿业城镇拉斯萨利纳斯（Las Salinas）首次建造了一个大型太阳能蒸馏项目。 该工厂的太阳能收集面积为4700平方米（51,000平方英尺），每天可生产高达22,700升（5,000英亩加仑; 6,000美制加仑），运行40年。 个别静态设计包括单坡，双坡（或温室型），垂直，圆锥形，倒置吸收器，多芯和多重效果。 这些静止图像可以在被动，主动或混合模式下运行。 对于分散的家庭用途，双坡度静止是最经济的，而有源多效果单元更适合大规模应用。
太阳能水消毒（SODIS）涉及将充水塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶暴露在阳光下数小时。 在完全阴天的情况下，暴露时间取决于天气和气候，从最少6小时到2天不等。 世界卫生组织建议将其作为家庭水处理和安全储存的可行方法。 发展中国家有200多万人将这种方法用于日常饮用水。
太阳能可用于水稳定池中以处理废水而无需化学品或电力。 进一步的环境优势是藻类在这样的池塘中生长并在光合作用中消耗二氧化碳，尽管藻类可能产生使水无法使用的有毒化学物质。
熔盐技术
熔盐可以用作热能储存方法，以保持由太阳能塔或太阳能集热器的太阳能塔收集的热能，从而可以在恶劣天气或夜晚用于发电。 在1995-1999的Solar Two项目中证明了这一点。 预计该系统的年效率为99％，即在将热量转化为电能之前通过储存热量所保留的能量，而不是将热量直接转换为电能。 熔盐混合物有所不同。 最长时间的混合物含有硝酸钠，硝酸钾和硝酸钙。 它是不易燃和无毒的，并且已经在化学和金属工业中用作传热流体，因此在非太阳能应用中存在这种系统的经验。
盐在131°C（268°F）熔化。 它在288°C（550°F）的绝缘“冷”储罐中保持液态。 将液态盐泵入太阳能收集器中的面板，聚焦太阳将其加热至566°C（1,051°F）。 然后将其送至热储罐。 这是绝缘的，使得热能可以有效地储存长达一周。
当需要电力时，将热盐泵送到传统的蒸汽发生器，以产生用于任何常规煤，油或核电厂的涡轮机/发电机的过热蒸汽。 一台100兆瓦的涡轮机需要一个高约9.1米（30英尺），直径24米（79英尺）的油箱，通过这种设计可以驱动它4小时。
西班牙的几个抛物槽式发电厂和太阳能塔开发商SolarReserve使用这种热能储存概念。 美国的Solana发电站有六个小时的熔盐储存。 MaríaElena工厂是位于智利北部安托法加斯塔地区的400兆瓦热太阳能综合设施，采用熔盐技术。
电力生产
太阳能是将太阳光转换为电能，可以直接使用光伏（PV），也可以间接使用聚光太阳能（CSP）。 CSP系统使用透镜或镜子和跟踪系统将大面积的太阳光聚焦成小光束。 PV利用光电效应将光转换为电流。
到2050年，太阳能发电有望成为世界上最大的电力来源，太阳能光伏发电和聚光太阳能发电量分别占全球总体消费量的16％和11％。 2016年，经过一年的快速增长，太阳能产生了全球电力的1.3％。
商业集中太阳能发电厂最早是在20世纪80年代开发的。 位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠的392兆瓦伊万帕太阳能发电厂是世界上最大的太阳能发电厂。 其他大型集中式太阳能发电厂包括西班牙的150兆瓦Solnova太阳能发电站和100兆瓦的Andasol太阳能发电站。 美国250兆瓦的Agua Caliente太阳能项目和印度的221兆瓦Charanka太阳能园区是世界上最大的光伏电站。 正在开发超过1吉瓦的太阳能项目，但大部分部署的光伏发电都是小于5千瓦的小型屋顶阵列，它们使用净计量和/或上网电价连接到电网。
光伏
在过去的二十年中，光伏（PV），也称为太阳能光伏，已经从小型应用的纯利基市场发展成为主流电源。 太阳能电池是使用光电效应将光直接转换为电的装置。 第一个太阳能电池由Charles Fritts于19世纪80年代建造。 1931年，德国工程师布鲁诺·兰格博士用硒化银代替氧化铜开发了一种光电池。 虽然原型硒电池将不到1％的入射光转换成电能，但Ernst Werner von Siemens和James Clerk Maxwell都认识到这一发现的重要性。 继20世纪40年代Russell Ohl的工作之后，研究人员Gerald Pearson，Calvin Fuller和Daryl Chapin于1954年创建了晶体硅太阳能电池。这些早期的太阳能电池成本为286美元/瓦，效率达到4.5-6％。 到2012年，可用效率超过20％，研究光伏发电的最高效率超过40％。
集中太阳能
聚光太阳能（CSP）系统使用透镜或镜子和跟踪系统将大面积的太阳光聚焦成小光束。 然后将集中的热量用作传统发电厂的热源。 存在各种浓缩技术; 最发达的是抛物槽，聚光线性菲涅耳反射器，斯特林盘和太阳能塔。 各种技术用于跟踪太阳并聚焦光线。 在所有这些系统中，工作流体被聚集的太阳光加热，然后用于发电或储能。
建筑与城市规划
自建筑史以来，阳光影响了建筑设计。 先进的太阳能建筑和城市规划方法首先由希腊人和中国人使用，他们将建筑物朝向南方提供光线和温暖。
被动式太阳能结构的共同特征是相对于太阳的取向，紧凑的比例（低表面积与体积比），选择性遮蔽（悬垂）和热质量。 当这些功能适合当地的气候和环境时，它们可以产生光线充足的空间，保持舒适的温度范围。 苏格拉底的Megaron House是被动式太阳能设计的典型例子。 太阳能设计的最新方法使用计算机建模将太阳能照明，加热和通风系统结合在一起，形成集成的太阳能设计包。 有源太阳能设备，如泵，风扇和可切换窗口，可以补充被动设计并提高系统性能。
城市热岛（UHI）是温度高于周围环境的都市区。 较高的温度是由于沥青和混凝土等城市材料对太阳能的吸收增加，这些材料的反照率低，热容量高于自然环境。 抵消UHI效应的直接方法是将建筑物和道路涂成白色，并在该区域种植树木。 利用这些方法，洛杉矶一个假设的“酷社区”计划预测，城市温度可降低约3°C，估计成本为10亿美元，估计空调减少的年度总收益为5.3亿美元成本和医疗保健储蓄。
农业和园艺
农业和园艺寻求优化太阳能的捕获，以优化植物的生产力。 诸如定时种植周期，定制行排列，行之间交错高度和植物品种混合等技术可以提高作物产量。 虽然阳光通常被认为是丰富的资源，但例外强调了太阳能对农业的重要性。 在小冰河时期的短暂生长季节，法国和英国农民使用水果墙来最大限度地收集太阳能。 这些墙壁充当热量，通过保持植物温暖来加速成熟。 早期的水果墙垂直于地面建造并朝南，但随着时间的推移，开发出倾斜的墙壁以更好地利用阳光。 1699年，Nicolas Fatio de Duillier甚至建议使用跟踪机制，该机制可以转向跟随太阳。 除了种植作物之外，太阳能在农业中的应用包括抽水，干燥作物，育雏雏鸡和干燥鸡粪。 最近，该技术已被葡萄酒商所接受，他们利用太阳能电池板产生的能量为葡萄压榨机提供动力。
温室将太阳能光转化为热能，实现全年生产和特殊作物和其他不适合当地气候的植物的生长（在封闭环境中）。 原始温室在罗马时代首次用于为罗马皇帝提比略（Tiberius）全年生产黄瓜。 第一个现代化的温室建于16世纪，在欧洲建造，以保护异国植物从国外的探索中恢复过来。 温室仍然是当今园艺的重要组成部分，塑料透明材料也已被用于多通道和行盖的类似效果。
运输
自20世纪80年代以来，开发太阳能汽车一直是工程目标。 世界太阳能挑战赛是一年两次的太阳能赛车，来自大学和企业的团队在澳大利亚中部从达尔文到阿德莱德的比赛超过3,021公里（1,877英里）。 1987年，它成立时，获胜者的平均速度为每小时67公里（42英里/小时），到2007年，获胜者的平均速度提高到每小时90.87公里（56.46英里/小时）。 北美太阳能挑战赛和计划中的南非太阳能挑战赛是可比较的竞赛，反映了国际上对太阳能车辆的工程和开发的兴趣。
一些车辆使用太阳能电池板作为辅助电源，例如用于空调，以保持内部冷却，从而减少燃料消耗。
燃料生产
太阳能化学过程使用太阳能来驱动化学反应。 这些过程抵消了原本来自化石燃料源的能量，并且还可以将太阳能转换成可存储和可运输的燃料。 太阳能诱导的化学反应可分为热化学或光化学反应。 通过人工光合作用可以生产各种燃料。 涉及通过减少二氧化碳制造碳基燃料（如甲醇）的多电子催化化学具有挑战性; 一种可行的替代方案是从质子产生氢，尽管使用水作为电子源（如同植物那样）需要掌握两个水分子对分子氧的多电子氧化。 到2050年，一些人已经设想在沿海大都市地区建立太阳能燃料工厂 – 海水分裂，氢气通过相邻的燃料电池发电厂运行，纯水副产品直接进入市政供水系统。 另一个愿景涉及覆盖地球表面（即道路，车辆和建筑物）的所有人类结构比植物更有效地进行光合作用。
自20世纪70年代以来，氢生产技术一直是太阳能化学研究的重要领域。 除了由光伏或光化学电池驱动的电解之外，还研究了几种热化学过程。 一种这样的途径使用浓缩器在高温（2,300-2,600°C或4,200-4,700°F）下将水分解成氧气和氢气。 另一种方法使用来自太阳能聚光器的热量来驱动天然气的蒸汽重整，从而与传统的重整方法相比提高了总的氢产率。 以反应物的分解和再生为特征的热化学循环为氢生产提供了另一种途径。 Weizmann科学研究所正在开发的Solzinc工艺使用1兆瓦的太阳能炉在高于1,200°C（2,200°F）的温度下分解氧化锌（ZnO）。 该初始反应产生纯锌，其随后可与水反应产生氢。
储能方法
热质量系统可以在日常或季节性持续时间内以国内有用温度的热量形式存储太阳能。 蓄热系统通常使用容易获得的具有高比热容的材料，例如水，土和石。 精心设计的系统可以降低峰值需求，将使用时间转移到非高峰时段，并降低整体加热和冷却要求。
相变材料如石蜡和芒硝是另一种蓄热介质。 这些材料价格低廉，容易获得，并且可以提供国内有用的温度（约64°C或147°F）。 1948年，“Dover House”（位于马萨诸塞州多佛市）率先使用Glauber的盐加热系统。太阳能也可以使用熔盐在高温下储存。 盐是一种有效的储存介质，因为它们成本低，具有高比热容，并且可以在与传统动力系统兼容的温度下提供热量。 Solar Two项目采用这种储能方法，可在其68m³储罐中储存1.44太焦耳（400,000 kWh），年储存效率约为99％。
离网光伏系统传统上使用可充电电池来存储多余的电力。 通过并网系统，可以将多余的电力发送到输电网，同时可以使用标准电网来弥补不足。 净计量程序为家庭系统提供电力，可以为电网提供电力。 这可以通过在家庭产生的电量超过消耗量时“回滚”电表来处理。 如果净用电量低于零，则公用事业公司将超过千瓦时的信用额度转入下个月。 其他方法涉及使用两米，以测量所消耗的电力与产生的电力。 由于第二仪表的安装成本增加，这种情况不太常见。 大多数标准仪表在两个方向上精确测量，不需要第二个仪表。
当从较低高度的储层到较高的高度储层可获得能量时，抽水蓄能水力发电以水泵的形式存储能量。 当需求很高时，通过释放水来恢复能量，泵成为水力发电机。
发展，部署和经济
从伴随工业革命的煤炭使用激增开始，能源消耗逐渐从木材和生物质转变为化石燃料。 从19世纪60年代开始，太阳能技术的早期发展是由于人们期望煤炭很快就会变得稀缺。 然而，面对煤炭和石油的可用性，经济性和实用性的增加，太阳能技术的发展在20世纪初停滞不前。
1973年的石油禁运和1979年的能源危机引发了全球能源政策的重组，并重新引起了对太阳能技术发展的关注。 部署战略侧重于激励计划，如美国的联邦光伏利用计划和日本的阳光计划。 其他努力包括在美国（SERI，现在的NREL），日本（NEDO）和德国（弗劳恩霍夫太阳能系统研究所ISE）组建研究设施。
商用太阳能热水器于19世纪90年代开始在美国出现。 直到20世纪20年代，这些系统的使用越来越多，但逐渐被更便宜，更可靠的加热燃料取代。 与光伏发电一样，由于20世纪70年代的石油危机，太阳能热水器引起了人们的关注，但由于石油价格下跌，20世纪80年代兴趣逐渐消退。 太阳能热水行业的发展在整个20世纪90年代稳步发展，自1999年以来年均增长率平均达到20％。尽管太阳能水加热和制冷是迄今为止最广泛部署的太阳能技术，估计容量为154吉瓦。 2007年。
国际能源署表示，太阳能可以为解决世界目前面临的一些最紧迫问题作出重大贡献：
开发廉价，取之不尽，用之不竭的清洁太阳能技术将带来巨大的长期效益。它将通过依赖本土，取之不尽，用之不竭的进口独立资源，提高可持续性，减少污染，降低减缓气候变化的成本，以及保持化石燃料价格低于其他方式来增加各国的能源安全。这些优势是全球性的。因此，早期部署激励措施的额外费用应视为学习投资;他们必须明智地花钱，需要广泛分享。
2011年，国际能源机构的一份报告发现，如果政客承诺限制气候变化，到2060年太阳能技术，如光伏发电，太阳能热水和聚光太阳能，可以提供世界能源的三分之一。来自太阳的能量可以在减少全球经济的同时发挥关键作用，同时提高能源效率并增加温室气体排放的成本。