thumb|upright=1.5|Parcela de energia gerada pelo sol (2024) Energia solar é o termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol. Ela é aproveitada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução, como o aquecimento solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a fotossíntese artificial.Solar Fuels and Artificial Photosynthesis. Royal Society of Chemistry 2012 http://www.rsc.org/ScienceAndTechnology/Policy/Documents/solar-fuels.asp (accessed 11 March 2013) As tecnologias solares são amplamente caracterizadas como ativas ou passivas, dependendo da forma como capturam, convertem e distribuem a energia solar. Entre as técnicas solares ativas estão o uso de painéis fotovoltaicos, os coletores das usinas heliotérmica e os aquecedores solares. Entre as técnicas solares passivas estão a orientação de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com massa térmica favorável ou propriedades translúcidas e projetar espaços que façam o ar circular naturalmente.
Na geração fotovoltaica, a energia luminosa é convertida diretamente em energia elétrica. Nas usinas heliotérmicas, a produção de eletricidade acontece em dois passos: primeiro, os raios solares concentrados aquecem um receptor e, depois, este calor (350 °C - 1 000 °C) é usado para iniciar o processo convencional da geração de energia elétrica por meio da movimentação de uma turbina. No aquecimento solar, a luz do Sol é utilizada para aquecer a água de casas e prédios (≈80 °C), o objetivo aqui não sendo a geração de energia elétrica.
No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1 410 W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) em relação aos raios solares. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% são refletidos pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. As plantas utilizam diretamente essa energia no processo de fotossíntese. Nós usamos essa energia quando queimamos lenha ou combustíveis minerais. Existem técnicas experimentais para criar combustível a partir da absorção da luz solar em uma reação química de modo similar à fotossíntese vegetal — mas sem a presença desses organismos. A radiação solar, juntamente com outros fontes secundárias de energia, tais como a energia eólica e das ondas, hidreletricidade e biomassa, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na Terra. Apenas uma minúscula fração da energia solar disponível é utilizada.
Em 2011, a Agência Internacional de Energia disse que "o desenvolvimento de tecnologias de fontes de energia solar acessíveis, inesgotáveis e limpas terá enormes benefícios a longo prazo. Ele vai aumentar a segurança energética dos países através da dependência de um recurso endógeno, inesgotável e, principalmente, independente de importação, o que aumentará a sustentabilidade energética, reduzirá a poluição, reduzirá os custos de mitigação das mudanças climáticas e manterá os preços dos combustíveis fósseis mais baixos. Estas vantagens são globais. Sendo assim, entre os custos adicionais dos incentivos para a implantação precoce dessa tecnologia devem ser considerados investimentos em aprendizagem; que deve ser gasto com sabedoria e precisam ser amplamente compartilhados".
Potencial
thumb|upright=1.8|Mapa global da irradiação solar horizontal (SolarGIS, 2013)
A Terra recebe 174 petawatts (GT) de radiação solar (insolação) na zona superior da atmosfera. Dessa radiação, cerca de 30% é reflectida para o espaço, enquanto o restante é absorvido pelas nuvens, mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta.
A superfície terrestre, os oceanos e atmosfera absorvem a radiação solar, e isso aumenta sua temperatura. O ar quente que contém a água evaporada dos oceanos sobe, provocando a circulação e convecção atmosférica. Quando o ar atinge uma altitude elevada, onde a temperatura é baixa, o vapor de água condensa-se, formando nuvens, que posteriormente provocam precipitação sobre a superfície da Terra, completando o ciclo da água. O calor latente de condensação de água aumenta a convecção, produzindo fenómenos atmosféricos, como o vento, ciclones e anticiclones. A luz solar absorvida pelos oceanos e as massas de terra mantém a superfície a uma temperatura média de 14 °C. A fotossíntese das plantas verdes converte a energia solar em energia química, que produz alimentos, madeira e biomassa a partir do qual os combustíveis fósseis são derivados.
A energia solar pode ser aproveitado em diferentes níveis em todo o mundo. Consoante a localização geográfica, quanto mais perto do equador, mais radiação solar pode ser potencialmente captada para produção de energia solar. As áreas de deserto, onde as nuvens são baixas e estão localizadas em latitudes próximas ao equador são mais favoráveis à captação energia solar. Os desertos que se encontram relativamente perto de áreas de maior consumo energético em países desenvolvidos, que têm a sofisticação técnica necessária, são usados para a captura de energia solar. Realizações cada vez mais importantes como o Deserto de Mojave (Califórnia), onde existe uma usina termossolar com uma capacidade total de 354 MW.
thumb|upright=1.5|esquerda|Distribuição diária média entre 1991-1993 da energia solar recebida pela Terra ao redor do Mundo. Os círculos pretos representam a área necessária para suprir toda a demanda de energia do planeta Terra
O total de energia solar absorvida pela atmosfera terrestre, oceanos e as massas de terra é de aproximadamente 3 850 000 exajoules (EJ) por ano. Em 2002, isto equivalia a mais energia em uma hora do que a humanidade usa em um ano.http://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html A fotossíntese capta cerca de 3,000 EJ por ano em biomassa. A quantidade de energia solar que atinge a superfície do planeta é tão grande que, em um ano, é o mesmo que cerca de duas vezes o que seria obtido a partir de todos os recursos não-renováveis da Terra combinados, como carvão, petróleo, gás natural e urânio.
A energia solar potencial que poderia ser utilizada por humanos é diferente da quantidade presente da energia solar próxima da superfície terrestre, pois fatores como geografia, variação climática, cobertura de nuvens e terras disponíveis para seres humanos limitam a quantidade de energia solar que nós podemos adquirir. Efeitos geográficos potenciais ocorrem porque as áreas que estão mais perto do equador recebe uma maior quantidade de radiação solar. No entanto, a utilização de tecnologias de energia fotovoltaica que podem seguir a posição do Sol pode aumentar de forma significativa o potencial da energia solar em áreas que estão mais distantes do equador.
Além disso, a disponibilidade de terra tem um grande efeito sobre a energia solar disponível, porque os painéis solares só podem ser instalados em áreas que não têm dono e que sejam adequadas para este tipo de equipamento. Telhados são geralmente considerados um lugar adequado para células solares, sendo que muitas pessoas descobriram que elas podem coletar energia diretamente através de suas casas desta forma.
Técnicas solares ativas usam energia fotovoltaica, energia solar concentrada, coletores solares térmicos, bombas e ventiladores para converter a luz solar em resultados úteis. As técnicas solares passivas incluem a seleção de materiais com propriedades térmicas favoráveis, projetando espaços por onde o ar circula naturalmente e referenciando a posição de um edifício em relação ao Sol. As tecnologias solares ativas aumentam a oferta de energia, enquanto as tecnologias solares passivas reduzem a necessidade de recursos alternativos.
Em 2000, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, o Departamento de Assuntos Econômicos e Sociais das Nações Unidas e o Conselho Mundial de Energia publicaram uma estimativa da energia solar potencial que poderia ser usada por seres humanos a cada ano que levou em conta fatores como a insolação, a cobertura de nuvens, e a terra que é utilizável por seres humanos. A estimativa encontrada tem um potencial global 1,575-49,837 EJ por ano. De acordo com um estudo publicado em 2007 pelo Conselho Mundial da Energia, em 2100, 70% da energia consumida será de origem solar.
Energia térmica
Tecnologias solares térmicas podem ser usadas para aquecimento de água, aquecimento e refrigeração de ambientes, além da geração do processo de calor.
Adaptação comercial inicial
Em 1897, Frank Shuman, um inventor e engenheiro estadunidense, pioneiro da energia solar, construiu um pequeno motor de energia solar de demonstração que funcionava ao refletir a energia solar para caixas quadradas cheias de éter, que tem um ponto de ebulição mais baixo do que o da água, e era equipado internamente com tubulações pretas que por sua vez alimentavam um motor a vapor. Em 1908, ele criou a Shuman Power Company Sun com a intenção de construir usinas de energia solar de maior dimensão. thumb|upright|esquerda|Desenho da patente do coletor solar de Shuman em 1917
Shuman, juntamente com o seu consultor técnico A. S. E. Ackermann e o físico britânico Sir Charles Vernon Boys, desenvolveu um sistema melhorado usando espelhos para refletir a energia solar em caixas coletoras, aumentando a capacidade de aquecimento, na medida em que a água poderia agora ser usada, ao invés de éter. Shuman então construído um pequeno motor de escala alimentado por vapor de água de baixa pressão, que lhe permitiu patentear todo o sistema de motor solar em 1912.
Shuman construiu a primeira estação de energia térmica solar do mundo em Maadi, Egito, entre 1912 e 1913. A fábrica da Shuman usava parabólicas para alimentar um 45-52 quilowatts (60-70 cv) do motor, que bombeava mais de 22 mil litros de água por minuto a partir do rio Nilo para campos de algodão adjacentes. Embora a eclosão da Primeira Guerra Mundial e a descoberta de petróleo barato na década de 1930 tenham desencorajado o avanço da energia solar, o design de Shuman foi ressuscitado na década de 1970 com uma nova onda de interesse em energia solar térmica. Em 1916, Shuman foi citado nos meios de comunicação que defendiam a utilização da energia solar, com a frase:
Aquecimento de água thumb|upright|Aquecedores solares de água virados para o sol para maximizar o ganho de energia
Sistemas solares de água quente podem usar a luz solar para aquecer a água. Em baixas latitudes geográficas (abaixo de 40 graus) de 60% a 70% do uso da água quente com temperaturas de até 60 °C pode ser fornecida por sistemas de aquecimento solar. Os tipos mais comuns de aquecedores solares de água são coletores de tubo evacuado (44%) e coletores de chapa de vidros (34%), geralmente utilizados para uso doméstico; e coletores de plástico não vidrados (21%), utilizados principalmente para aquecer piscinas.
Em 2007, a capacidade total instalada de sistemas solares de água quente era de cerca de 154 gigawatt térmicos (GWth). A China é o líder mundial, com 70 GWth instalados em 2006 e uma meta de longo prazo de 210 GWth até 2020. Israel e Chipre são os líderes no uso de sistemas solares de água quente, com mais de 90% das casas destes países usam tais sistemas. Nos Estados Unidos, Canadá e Austrália o aquecimento de piscinas é a aplicação dominante de energia solar água térmica, com uma capacidade instalada de 18 GWth em 2005.
Aquecimento, refrigeração e ventilação
thumb|esquerda|Coletor solar termal thumb|esquerda|Casa Solar Nº 1 do MIT (1939) Nos Estados Unidos, os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) são responsáveis por 30% da energia usada em edifícios comerciais e quase 50% da energia usada em edifícios residenciais. Aquecimento solar, tecnologias de refrigeração e ventilação podem ser usadas para compensar uma parte desta energia.