一、可持续发展的重要路径之一：绿色能源

随着人类社会的迅速发展，人们对美好生活质量的不断追求，对能源、资源和环境的需求也不断增加。然而，对能源和资源的过度开采代价是牺牲环境和自然资源，严重危害了地球的生态平衡。据报道，与19世界末相比，目前全球平均气温上升了1.18℃以上，气候变化造成了极端气候、冰川融化、海平面上升等一系列重大气候和环境问题。为了应对气候变化，大多数国家已经达成共识，承诺尽可能将全球平均温度的升幅控制在工业化前水平的1.5℃内。因此，各国都在积极寻求可持续发展的解决方案，我国提出了在2030年达到碳达峰、2060年实现碳中和的目标，以减少能源消耗并推动绿色、低碳、可持续发展。

1.1 清洁能源转型是实现碳达峰碳中和、可持续发展的重要路径。

研究表明CO₂的变化遵循其季节演变也与清洁能源占比密切相关。如图2所示：在秋冬季节，由于树木和植物数量减少，采暖需求增加，大气中CO₂浓度上升，并在早春达到峰值。然后，随着气温的逐渐升高，植物通过光合作用吸收了大量的二氧化碳，从而将其从大气中清除，因此夏季的二氧化碳浓度较低。此外，二氧化碳在很大程度上是由化石燃料的人为排放控制的，从2021年3月到4月，COVID-19的传播在美国各州造成了大规模的停工，人类经济活动的限制导致这一时期CO2达到历年最低。从长期来看，随着可再生能源消费量的不断增加，CO₂自2005年以来开始呈现下降趋势。

1.2 清洁能源发展现状

根据世界能源统计年鉴显示，2022年尽管石油消费量同比大幅下降，但石油消费量在全球能源消费结构中的占比仍高居榜首——31.57%。另外，煤炭的占比为26.73%，天然气为23.49%，水能为6.73%，可再生能源为7.48%，核能为3.99%。可见，化石能源仍是2020年能源消费领域的绝对霸主，占比高达81.79%。清洁能源装机容量达109.99艾焦（×10¹⁸焦耳），同比增长4.28%，风能增长率为13.5%，其他可再生能源增长率3.4%，太阳能发电增加了260.3艾焦，增长率24.9%，对可再生能源增长贡献最大。

1.3 太阳能资源丰富

太阳能由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，是人类最基本的能源，太阳能资源既包括直接投射到地球表面上的太阳辐射，也包括化石燃料、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳资源，还包括绿色植物的光合作用固定下来的能量，即生物质能。严格地说，除地热能和核能外，人类利用的大部分能量都直接或者间接地来自太阳能。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369 w/m²，标准地外太阳光谱辐照度曲线如图 4所示，有趣的是，到达地球的太阳能量中约有45%位于可见光谱的波长，范围在0.3-0.7 μm之间。还可以看到，只有1%多一点的太阳能量是在短波长(紫外线和X-太阳辐射)，其余的(约54%)是在红外(IR)区域。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为1.465×10¹⁴焦。

当太阳辐射穿过地球大气层时，它会被吸收(这就是大气加热的原因)、反射(这就是宇航员可以从外太空看到地球的原因)、散射(这就是人们可以在树荫下或阴天看到物品的原因)和直接透射(这就是有阴影的原因)。在地球表面，太阳的强度较低，颜色和形状都不同于在大气层上观察到的太阳。在晴朗的日子里，太阳的直接辐照度约占到达地球表面的太阳能总量的80%或90%。在“看不见太阳”的阴天或雾天，太阳辐照度的直接分量基本上为零，也没有阴影。太阳辐照度的直接分量是高温太阳能系统设计者最感兴趣的，因为它可以使用镜子或透镜集中在小区域上，而漫射则不能。

太阳能普遍存在，但不同的地区，地面上可能接收到的太阳能却相差很大。为此研究学者借助现有的太阳辐射测量点的实测数据，和一些太阳辐射有关并普遍开展观测的其他气象钥匙之间，建立起统计学的量化关系，估算该地区相应的太阳辐射数据，如图6所示。

虽然太阳能随处易得、取之不尽，而且使用过程不会产生污染，但由于它的稀薄性、间歇性、随机性和地区性等特点，目前对太阳能的利用技术主要有太阳能光热转换利用、光伏转换利用和光化学转换利用的方法。

利用太阳能发电的过程有三大类:①使用光伏系统将太阳能直接转化为电能；②使用热系统将太阳能转化为热能，然后通过热力学系统将热能转化为电能；③使用光化学技术将太阳能转化为化学能生产产品。