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太阳是我们这颗星球的能源供应者，几乎所有可供我们使用的能源，例如风能和水能，都直接或间接地由太阳提供，毕竟，太阳就像是驱动我们天气变化的引擎。即使是天然气、煤和石油等化石燃料，其中也含有储存了数百万年的古老太阳能，但这是否也意味着太阳能将成为可再生能源的主要来源呢？
太阳是一个巨大、炽热的气体球，它会辐射出巨大的能量，表面温度超过5500摄氏度。幸运的是，地球距离太阳1.5亿千米，再近一点的话对我们人类来说，实在太热了。但如果我们离太阳更远一点，又会太冷了，所以现在的距离刚刚好。太阳为风、天气、温度和地球上所有的生命提供动力能量。
太阳的辐射可以穿越宇宙空间，并且不会出现明显的损耗，但在太阳光进入地球大气层后，会首次出现衰减，最终到达地球表面的部分在技术上是可以使用的。在特定时间到达特定位置的能量究竟有多少，这取决于多种因素：太阳照射角度、阳光穿过大气层时的路径长度、当时的天气、当天的空气污染情况和当天白天的时长。如果测量一个地点全年的太阳辐射能量，并将其平均分配到365天，将会获得当地太阳能可用性的参数。
这个参数因地而异，瑞典北部每平方米每天的太阳能量为2千瓦时，而撒哈拉沙漠有6千瓦时。
这个参数用我们的实验可以比喻为，瑞典北部每平方米有2名自行车手，而撒哈拉沙漠每平方米有6名自行车手。德国的太阳能量是每平方米3千瓦时。另外，在一年中，能量不会平均地到达地表的每一个位置。例如，在德国，每年5月至7月的3个月中辐射到的太阳能量大约是11月至次年1月这3个月的6倍，这就是冬天这么冷的原因。
所以，现在我们知道了有多少能量以阳光的形式到达地球表面。但是，到底有多少可以有效地用于我们的能源生产呢？全部？还是只有一小部分？用什么技术才能获取这些能量呢？
从技术上讲，我们基本上可以通过两种方式利用太阳的辐射。显而易见同时也是最古老的方法是利用辐射给水加热，即所谓的太阳能热能，第二种方式是使用现代技术进行太阳能光伏发电。
当太阳辐射落在材料上时，部分能量会被吸收并转化为热量。我们可以通过巧妙地选择材料，来增强这种吸收效果，并且太阳在明暗不同的表面上加热，情况也不一样。然后，被吸收的热量通过液体的形式被传输到其目的地。通常，人们还使用水箱作为提取热量的临时存储装置，可以根据实际需要，温暖房间或加热洗澡水。这项技术有着许多优点，主要是结构简单，可以储存热量，至少可以平衡一天中不断变化的太阳辐射。
利用太阳能供热（左）和供电（右）。屋顶上的面板看起来很相似，但其实不一样，下次你可以仔细看看，是否能猜出是太阳热能还是光伏发电。
我们也可以更大规模地使用太阳热能。设想一下，我们离开家，去撒哈拉沙漠这样阳光充足的地区。在那里有一座大型太阳能热电厂，阳光可以通过太阳能反射镜集聚，温度可超过1000摄氏度。事实上，也确实需要这么高的温度，因为在这些设备中，电力是由蒸汽动力过程中的热量产生的。温度越高，从太阳光线中产生的电力就越多。
太阳能热电厂通过抛物线凹型槽反射镜将阳光集中到泵送液体的管道上（左）。阳光被平面镜反射到塔上并在那里集聚（右）。
然而，我们想要做到这些，技术难度比起在住宅建筑中简单地加热要大得多，因此，这样的操作不适合用于房屋屋顶。该项技术的一个优点是所使用的传热流体可以储存，即使在日落之后也可以发电，这意味着发电可以不受时间限制，更好地满足需求。
另一种利用太阳能的可能性是直接发电。这需要通过一项很新的技术——光伏技术来实现。它最初是为太空旅行而发明的，现在我们在许多房屋的屋顶上看到的太阳能电池板都运用了这项技术。光伏技术运用的是光电效应，直接用太阳入射光发电，所以太阳一落山，光伏就无法再提供电力了。
太阳能直接转化为电能——无需机械过程，无需高温——具有很大的优势。光伏电池板可以用上数十年，设计简单易操作，所以使用范围极广，从带有太阳能充电器的手机移动电源，到可以为整个城市提供能源的占地数百平方千米的空地，都在使用光伏发电。典型的光伏组件可以将辐射的太阳能中大约20%的部分转化为电能。这些组件可以紧挨着一起放置在屋顶上，这样可以有效利用空间，避免浪费。在空地上，比如高速公路旁，光伏组件的安装间距要大一些，以供通道使用，并避免白天相互遮挡。因此，在这类场地，无法将太阳能中的20%转化电能，最多只能转化10%。
与所有技术设备一样，光伏组件的生产也需要能量，其中还包括提取原材料、运输等方面所需的能量。生产光伏组件消耗的这些所谓的“灰色能量”在大约两到三年内（取决于位置）会得到弥补。但这些设备会在往后的20～30年间产生能量盈余。
德国所在的纬度，光伏发电的效率如何呢？为了使每年生产的能量能够与一名自行车手骑行产生的一样多，即每天1千瓦时或每年365千瓦时，我们需要大约2平方米的光伏组件（中）。如果我们在空地安装许多这样的组件，就需要更多的空间，因为这样的组件安装需要更大的间距（右）。
那么哪种技术更好呢？其实没有正确的答案，因为这取决于地理位置，当地是否需要热量或电力，或者当地是否有能力储存几个小时的能量。当然，成本也会有影响。对于发电方式而言，光伏是一个不错的选择，在更南的地区，比如南欧和非洲，还可以使用太阳能热电站。太阳热能设备甚至比光伏发电更高效，也就是说，它们可以将更多的太阳能转化为电力。不过，对于地域辽阔的国家而言，地理位置的影响其实又不是那么大了，那么成本就成了决定性因素，而以目前的技术手段来看，光伏发电的成本要低得多。
如果我们只是需要用热量来取暖或者洗澡，那么建议选择太阳热能设备，因为它们的效率非常高，它们可以将到达地球的太阳能中的50%到65%转化为热量。然而，大部分热量产于夏季，那时我们其实最不需要的就是热量。因此，我们必须具体问题具体分析。不过无论如何，我们都可以将相当一部分太阳能为我们所用，这就是好消息。
我们现在大致了解了将阳光转化为对我们有用的能量的方法，但这些太阳能转化技术最终能为我们的能源供应总量做出多少贡献呢？通过这些技术可以满足我们所有的能源消耗吗？
我们一起来评估一下德国的情况。在德国，我们平均每天每平方米获得大约3千瓦时（即每平方米3名自行车手）的阳光，其中石勒苏益格-荷尔斯泰因州相对少一点，巴伐利亚州多一点。然而，太阳辐射绝不是恒定的，它的变化很大，通常取决于白天的时长、天气条件、空气纯度，以及因太阳的照射角度和白昼长短而变化的季节。
我们分别在2019年12月（粉色）和2020年6月（黄色）的14天内，在德国各地利用光伏发电做了一次实验。每一个山形图显示的是一天的情况，两山之间代表的是晚上，此时产量下降为零。从图中我们可以看到，夏天（黄色）比冬天（粉色）产生的能量多得多，不仅是曲线的高度要更高，宽度也更宽，因为夏天的日照时间更长。
目前，德国安装的光伏设备，在夏季正午天气晴朗时产生的电力几乎相当于40座核电站（即40千兆瓦）的发电量。但由于太阳不是昼夜不停地照射，并且总有某些地方天气不好太阳照射不到，所有光伏设备的年均发电量仅相当于7座核电站的发电量。换算成我们的单位，相当于每人每天1.7千瓦时。因此，我们必须谨慎对待所谓的“装机容量”数据。总结来看，德国的光伏发电平均地满足了我们电力需求的10%，但仅占我们一次能源需求的1.4%，而所有设备所需的土地面积约为500平方千米（相当于德国国土面积的0.14%或柏林土地面积的一半）。
德国用于供热的太阳热能设备较少，因此它们产生的能量大约只有光伏发电的1/5，即每人每天0.3千瓦时。德国没有用于发电的大型太阳能热电厂，因为不划算，只有在比较靠南的国家，性价比才会高一点，比如西班牙或北非。总之，我们有用于发电的光伏设备和用于供热的太阳热能。
现在我们先来估计一下：只给德国提供可再生能源是否可行？然后再大胆设想一下：如果将德国用于太阳能设备的面积增加10倍，会是什么样子呢？
如果把这一设想放到光伏发电，那就是5000平方千米，即德国国土面积的1.4%。你认为这可行吗？原来的每人每天1.7千瓦时将变成每人每天17千瓦时。此外，未来的光伏设备将比现在的更高效，这并非不现实；毕竟，许多旧设备现在还在运行。因此，假设在遥远的未来，我们每平方米可以获得比现在运行的设备多50%的能量，那么，换算成我们的单位后，就是 每人每天25千瓦时，即每人有25名自行车手 。情况还不错，是吧？
如果太阳热能增加10倍的话，就是每人每天的可用电量从0.3千瓦时提高到 每人每天3千瓦时，即每人有3名自行车手 。
还记得我们的总能耗（不仅仅是电力消耗）是多少吗？确切地说是，每人每天120千瓦时的一次能源和85千瓦时的最终能源。不幸的是，我们可以从上面的数据得出，光伏发电和太阳热能远不能满足我们对能源的巨大需求。不过，根据我们的计算，光伏发电可以覆盖的电力需求至少将明显多于目前的。然而，德国所有屋顶的面积远远不足以实现这一目的，我们只有大约1500平方千米的屋顶面积，而且其中一些屋顶已经安装了太阳热能设备。除了屋顶面积外，我们还需要德国国土面积的1/100（即3500平方千米）用来在空地安装光伏设备。这将意味着，德国每平方千米范围内，都将有一个边长为100米（m）的正方形光伏设备覆盖。其实这已经很多了，然而，这还只是刚好满足我们的部分能源需求而已，我们应该逐渐意识到我们对能量的需求到底有多大。
因此，如果我们想要完全通过可再生能源来满足我们的能源需求，仅靠太阳能是无法做到的。不过，我们将在接下来的几章中介绍许多其他的可再生能源。但是，现在让我们填一下计划在每一章最后要更新的能源对照表。我们可以从右侧开始，前面的数据告诉我们，太阳热能为3名自行车手，光伏发电25名，一共有28名自行车手。所以，我们已经取得了不错的进步，但还有很多工作要做。此外，在每一章最后，我们都会在一张德国地图上显示每种能源需要多少土地面积。太阳能需要5000平方千米，但这些土地并不需要全部都是绿地，许多已经封闭的区域也可用于光伏发电。然而，这个数字也清楚地表明了我们将面临什么挑战。
左侧的灰蓝色柱显示了，在德国每人每天85和120千瓦时的能源需求。前者是我们的最终能源需求，后者是我们的一次能源需求。右侧柱子显示的是我们将在本书中逐步估算的可再生能源的贡献。
在本章中，我们估算太阳能可以做出的贡献为每人每天28千瓦时，这是一个相当大的贡献。前文提到，德国并没有大型太阳能热电厂，为此，这里的面积为光伏设备需要的土地面积，在这种情况下，太阳能所需的面积约为5000平方千米，即一个边长约为70千米的正方形。
●太阳可以辐射能量，在德国，平均每平方米每天有3千瓦时的太阳能，但从时间上来说，能量分布很不均匀，夏天比冬天多，晚上什么也没有。
●利用太阳热能，例如在屋顶上安装太阳热能设备，可以产生热水供房屋使用并支持供暖系统。然而，缺点是，我们在夏季获得的能量最多，而在冬季则明显减少。这与需求正好相反。此外，热量难以长距离传输，也不可能长时间储存。
●利用光伏或大型太阳能热电厂（例如在南欧或非洲），也可以从阳光中获取电力。
●在世界范围内，太阳能与风能一样，是最具潜力的可再生能源。近几十年来，太阳能发电的成本大幅下降，已经到了可以与廉价的燃煤发电竞争的阶段，并且成本很有可能还会继续下降。
●在德国，我们安装的光伏发电设备在高峰期（天气理想时中午12：00）的发电量相当于40座核电站（40千兆瓦），但如果按一年来算的话，光伏发电量只相当于7座核电站，因为太阳不是昼夜不停地照耀同一个地方的。
光伏发电或在南方国家通过太阳能热电厂发电
1/5的太阳能可以转化为电能。电力形式的能源极具吸引力，因为它易于运输且用途广泛，但是生产大量能源需要很大面积的土地。
太阳热能产生热量
更大比例的阳光可以转化为热量。然而，生产主要集中在夏季，且难以储存或运输。
光伏发电
光伏本身不具备任何存储可能性。光伏发电的效率直接随太阳辐射而变化。
太阳能热电厂发电
白天可以通过高温蓄热器来调节发电量，然后在日落后的几个小时内也可以发电。
生态影响很小，尤其是在封闭的区域，比如屋顶。太阳能也可以与农业结合使用。光伏组件一般都易于回收利用。
在全球范围内，只有太阳能才有可能实现能源转型。地球上可以安装光伏的区域有很多，例如屋顶或与农业相结合的区域，大沙漠或无人居住的地区也是有可能的，但需要很长的电线，或者能量必须以储存形式（例如氢气）运输，这会造成高损耗并消耗大量淡水，有时还需要大量水源来运行发电厂。
好
中
差