能源是现代社会赖以生存的生命线。以煤炭、石油和天然气为代表的矿物资源日趋枯竭，环境污染日益严重，这已成为当今社会面临的重大问题。为了解决能源危机和环境污染，各国都在探索可被利用的新型能源。
（一）新旧能源的交替
人类利用能源的脚步
所有物质之所以能够不断运动和变化，就是因为有能量在起作用，能够产生能量的自然资源就是能源。人类对于能源的开发利用，经历了一个漫长而艰苦的历史过程，对能源的开发利用大致有四个重要发展阶段。
早在几十万年前，甚至上百万年前，人类祖先从钻木取火到火的利用，是人类技术发展史的第一个发明。有了火，人才得以照明、取暖、熟食，有了火，人才学会了烧制、冶炼先进的工具。
18世纪初，蒸汽机的发明和广泛应用，以及煤炭的大规模开发利用，是能源技术发展史上的一个重要里程碑，人们第一次把蕴藏在化石燃料煤中的能量转化为动力（机械能）。从蒸汽机到内燃机，生产力得到了巨大发展，并促成了影响深远的产业革命，煤是当时最重要的能源。
19世纪，发电机、电动机的发明，使人类从“蒸汽世纪”发展到“电气世纪”，电能得以广泛使用。电的应用极大地改变了社会的生产面貌，也急剧地改变着我们的文明生活，这是能源技术革命的又一次重大突破。现在，电能已经深人到我们生产和生活的各个角落。
20世纪初，物理学家开始认识了一种蕴藏在原子核里的巨大能量，这就是核能，但直到50年代，核能才被真正开发利用。这是能源技术史上的又一创举。
能源技术的每一次突破都导致了生产力的飞跃和人类社会的巨大进步。随着世界经济的发展，人类对能源的需求急剧增加，而可利用的非再生能源，如：煤、石油、天然气等日益减少，加之这些能源的利用会造成很大的环境污染，因此，人类呼唤新一代清洁能源的诞生和广泛应用。虽然核能等技术的进展令人鼓舞，但要从根本上摆脱能源危机的不利局面，还存在不少困难，所以，当前能源革命的两大重点就是提高能源的利用效率和开发新能源。
能源及其分类
地球上的能量来源形形色色，能源有各种分类方法。按照能源的形成和使用情况可以分为一次能源和二次能源。直接来自自然界而未经加工和转换的能源，称为一次能源，如原煤、石油、天然气、风能、水能、核能等均属于一次能源；而像电能、汽油、煤油、柴油、激光等是由一次能源直接或问接经加工转换的人工能源，称为二次能源。一次能源又可按照能否再生而进一步分为再生能源和非再生能源。水能、风能、太阳能、地热能等，具有天然的自我恢复能力，不会随人类的利用而日益减少的能源，称为再生能源。因人类的广泛应用将越来越少，以致于枯竭的能源，称为非再生能源，如石油、煤炭、天然气、铀矿等。
一次能源和二次能源的分类
一次能源
再生能源风、流水、海流、海洋热能、潮汐能草木燃料、直接辐射太阳能地震、火山运动、地下热水、热地蒸汽、热岩层非再生能源石化燃料（煤、石油、天然气、油页岩）核燃料（铀、钍、硼、氘等）。
二次能源
电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲烷、丙胺、硝化棉和硝化甘油矿物能源的枯竭。
地球上的能源够我们用多少年？这确实是一个关系到人类前途的重大问题。
从社会的发展进程来看，非再生能源的日益枯竭不容忽视。
随着历史车轮的向前推移，一种又一种新能源被人类发现和利用。最先找到的煤和后来又发现的石油、天然气等矿物资源组成了现代人的能源主流。现代社会如果没有能源，人类将无法生存。人们对能源的需求急剧增加，能源消费很快，越是发达国家和社会，能源的消费越是惊人，加剧了人类对这些能源的大量开采。据不确切统计，现在已探明的世界石油储量约为3000亿吨，按每年开采40亿吨计算，现有储量只够开采70年；煤的开采储量约为6800亿吨，以目前每年消耗35亿吨计，也最多只能供全世界维持200年。比起人类悠久的历史，这些自然资源的开采“来日不长”，资源枯竭、能源危机，直接影响和制约着全球的发展格局和各国的国际战略，将给我们的生存和发展带来严峻挑战。2004年10月，国际市场每桶原油的价格已冲破55美元，引起全球恐慌。
我国的能源特点是煤炭、水力资源丰富，石油、天然气资源短缺。从能源资源的总储量来看，我国是世界上拥有雄厚资源的国家，其中煤炭储量占据世界第三位，水力资源的理论蕴藏量居世界第一位，但实际开发率很低，目前还不到5％（美国为32％，日本为63％）。
我国能源战略正面临一系列严峻的挑战，主要表现为：①过度依赖化石燃料，对资源的可持续供应造成沉重压力；②我国石油产量不可能大幅增长，甚至若干年后将逐渐下降。到2020年，中国石油供应的一大半将依赖国际资源；③中国的能源分布不均匀，煤矿大部分在内陆腹地，而对能源需求最大的是东南沿海省份，因此，“北煤南运”造成了严重的交通运输负担，我国铁路和水运货运量的40％以上都被煤炭和石油的运输占用了；④以煤为主的能源结构造成环境污染严重；⑤国家的节能政策尚不健全、国人的节能观念相对匮乏。我们其实有很大的节能潜力，但是没有挖掘出来。
随着我国经济的快速增长，能源供需矛盾也日见突出。煤炭、石油和天然气这些常规能源的消耗量越来越大，据统计和预测，到2050年我国能源的总需求量大约是50亿吨标准煤，而我国的能源资源和生产能力只能提供总需求量的80％。地球上的能源是有限的，如果不合理使用传统能源，它们将会在21世纪内濒临枯竭，产生能源危机，造成全球的环境问题。在这样的情势下，发展新能源就显得特别重要而紧迫。
我国的能源专家们建议：逐步降低煤炭消费比例，加速发展天然气产业，依靠国内资源满足国内市场对石油的基本需求，积极发展水电、核电和先进的可再生能源，利用20年时间，初步形成结构多元的能源消费格局，使优质能源比例明显提高。近期预测到2010年，可再生能源的总装机容量达到全国总电力装机容量的10％。
能源与环境
人类社会发展到今天，已进入了一个主要依赖矿物能源生存的时代。目前，煤、石油和天然气及铀的使用量高达人类使用能源总量的95％左右，不合理使用这些能源的结果，使人类既面临能源短缺的危机，更面临环境污染的威胁。
1．酸雨危害
酸雨是指大量含有硫酸、硝酸、盐酸、碳酸及少量有机酸成分的降雨。大气中的二氧化硫和二气化氮是形成酸雨的主要物质。煤和石油的燃烧会大量排放二氧化硫和二氧化氮等有害物质，这些酸性化合物在空气中氧化剂的作用下与大气中水蒸气的反应生成酸，随同雨雪降落形成酸雨。据统计，全球每年排放进大气的二氧化硫约1亿吨，二氧化氮约5000万吨，所以，酸雨主要是人类生产活动和生活造成的。酸雨已成为世界十大环境问题之一，酸雨导致土壤酸化，造成农作物、森林和水产大面积死亡，破坏生态环境，人体健康受影响，而且对建筑物也有腐蚀作用。欧洲、北美和中国是世界三大酸雨区。重庆、贵阳等工业城市是我国酸雨多发地带，2004年8月重庆市的酸雨检测网开始启动，在天气预报中增加了一项酸雨气象指标。通过严格控制燃煤发电、提高清洁煤技术，可以降低煤的含硫量，从而减少SO2的排放，以降低酸雨的危害。
2．“温室效应”
生活中我们可以见到的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的温室。这里所讲的温室效应是指由环境污染引起的使地球表面变热的现象。大气中的二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。二氧化碳气体浓度的增加，破坏了大气层与地面间红外线辐射的正常关系，其结果像是形成一种无形的玻璃罩，吸收地球释放出来的红外线辐射，阻止地球热量向外层空问发散，就像“温室”一样，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是“温室效应”。促使地球气温升高的气体称为“温室气体”。二氧化碳是数量最多的温室气体，约占大气总容量的0．03％。温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。温室效应会带来严重恶果：地球上的病虫害增加、海平面上升、气候反常、海洋风暴增多、土地干旱、荒沙漠化面积增大。中国地理学家的研究结果表明：海平面上升0．5m，就足以破坏太湖平原、天津平原，威胁沿海城市的安全。同时引起降雨量的分布改变，使中国缺水的北方更加干旱，而多雨的南方水涝灾害更加严重。因此，要注意发展合理的能源结构，节约和减少化合物燃料的使用对保护地球环境非常必要。
3．臭氧层空洞
地球表面以外的大气层中，臭氧无处不在，臭氧能吸收太阳光中的有害射线而保护我们，尤其在太阳光到达地球表面之前，将有危害的紫外线屏蔽掉。但是，化石燃料在燃烧过程中放出的氮氧化合物会破坏大气中的臭氧层产生臭氧空洞，紫外线将直射到地面。人若受到紫外线的长期照射，将会损害人的免疫系统，诱发一些疾病，如蔓延皮肤病。同样，农作物长期受到紫外线的照射会抑制其生长，会使粮食减产、海洋生物减少甚至死亡。减少氮氧化合物和氯氟烃的排放，是保护臭氧层的关键。1985年，科学家在南极上空发现了区域很大的臭氧层空洞。臭氧层事关人类的命运，我们一定要密切关注。
无数事实表明，目前占主导地位的矿物能源的使用对全球带来日益严重的污染危害。解决的主要出路就是要减少矿物燃料能源的使用。为了保护人类赖以生存的家园，我们呼唤新一代清洁能源的开发和利用。我国是世界上第二大能源消耗国，正面临着能源紧缺和环境污染的困难。而中国现在消耗电力的4／5来自传统的火力发电厂。利用传统的火力发电会给环境带来很大的压力，因此我国正在逐步建立大量新型的天然气发电厂和水力发电厂，以替换原有的火力发电厂，减少环境污染。
（二）人类理想的能源——太阳能
太阳能资源的特点
太阳可以说是人类最大的一种取之不尽，用之不竭的能源库。与其他能源相比，主要有以下特点。
（1）数量巨大太阳具有3．75×1023kW的辐射总功率，相当于每秒爆炸910亿颗百万吨TNT级氢弹。它辐射的能量是向四面八方释放的，只有大约8×1013kW的能量到达地球表面，差不多等于人类每年所需能量总和的5000倍。
（2）时间长久根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在了大约50亿年左右。按照目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持1011年之久。对于人类存在的年代来说，确实可以认为是“取之不尽，用之不竭”的。
（3）普照大地太阳辐射能是以光的形式不断向外辐射能量，既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都“一视同仁”，既无“专利”可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便。
（4）清洁安全太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。
虽然太阳的辐射总量非常巨大，但从实用角度看，所能接收到的太阳辐射能量密度的大小受多种因素的影响，如昼夜、季节、天气阴晴等的变化，都会影响太阳的辐射强度，使得全年平均总日照量只有5×106—6×106kJ／m2，而且各地区差异也较大。所以，要获得一定数量的太阳能，就需要很大的太阳能收集设备，就会有很多困难，如：占地面积大、投资高，加之昼夜交替、晴雨变化、季节转换，都会影响太阳能的供应，制约了太阳能利用的发展。最近几十年来，随着新材料技术、电子技术的飞速发展，为太阳能的进一步利用创造了条件。太阳能工业正在崛起，显示出大有希望的前景。
太阳能的利用可以分为直接利用和问接利用。直接利用是指直接利用太阳辐射的热和光，基本方法有三种：一是把太阳能辐射直接转换成热能，即光热转换；二是利用光电效应直接把太阳辐射能转换成电能，即光电转换；三是把太阳辐射能转化成化学能，即光化学转换。
太阳光照射到地球上，使地球上的空气、陆地、海洋受热。由于各处受热情况不同和地理环境的影响，结果形成了风、霜、雨等天气现象，同时也产生了风能、水能、生物能等可供利用的二次能源。实际上，风能、水能、生物能等其实都是太阳能的表现，这就是太阳能的间接应用。
太阳能的光热转换
将太阳辐射能转换成可利用热能的基础是热箱原理。热箱是一种最普通的集热装置如下图。它的外围用隔热材料密封，以防止热量散失，其内表面全部涂上黑色，以增加吸收热量的能力。热箱上面装上玻璃等透光材料，让太阳光充分进入箱内。太阳光透过玻璃射入箱内，涂黑的内表面吸收太阳辐射能而将其变为热能，由于箱壁是隔热的，而且玻璃对箱内本身变热所产生的长波热辐射有阻挡作用，使箱内温度不断升高。热箱原理的应用极为广泛，如热箱冬天培植蔬菜的“温室”塑料大棚、太阳能热水器、太阳能蒸馏器、太阳能干燥器等。
除了利用集热装置收集太阳能外，还可以利用聚光镜。阳光照到聚光凹面镜的镜面上，产生的反射光聚焦成一焦点，焦点处的温度可达到几百甚至上千摄氏度。这种聚光式的集热器有很多用途，其典型的例子就是太阳能灶和太阳能高温炉。
太阳能的光电转换
最初利用太阳能发电的过程是先把太阳光能变成热能，再将热能变成机械能，然后由机械能转换成电能。如太阳能热电站，就是将太阳光收集起来用来加热特制锅炉中的水或其他液体，使之变成高温高压的蒸汽，再由蒸汽去推动发电机发电。随着科学家们的不断探索，1954年，美国贝尔实验室发明了将太阳能直接转换为电能的装置——太阳能电池。它是利用了光照射到半导体的PN结上时发生的“光生伏打效应”，即将N型半导体和P型半导体紧密接触时，则在交界面处形成PN结，当光照射到PN结时，会形成由N区流向P区的光致电流。
光致电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，从而在PN结上形成附加的电势差，将太阳能转换成电场能储存在电池中。使用时，将PN结两端与外电路接通，便会有电流流过。
