除核能、深部地热能外，地球上人类利用的无论是煤、石油、天然气、页岩气、天然气水合物等常规或非常规化石能源，还是水能、风能、生物质能、浅表地热能、海洋能（波浪、潮汐、洋流、温差能）等可再生能源，归根结蒂都源自太阳能。根据天文观测和恒星理论，太阳是宇宙星际气体收缩形成的恒星，直径约139.2万km，是地球的109倍，质量约2×1030kg，表面温度约5760K，中心温度在1.5×107 K以上、压力约为 2.5×1011大气压。在中心区域持续发生着由4个氢原子核聚变为1个氦原子核（41H→4He）的热核反应，每秒约有7.75× 1010kg氢聚变转化，释放出3.83×1026 J能量，减少自身质量4×109kg。太阳形成至今已有45~50亿年，正处于稳定的中年期，其稳定寿命至少还有50多亿年。太阳距地球约1.5 亿km，太阳光幅射抵达地球需近500s。太阳的总辐射能量抵达地球的仅为22亿分之一，每秒约173000TW，相当于500 多万t煤燃烧的热量，每年相当于170万亿t燃煤放出的热量，约为世界年耗能的1万倍。因此，对人类而言，太阳实际上是取之不尽的光和热的源头。由于太阳自身活动、地球公转和自转、纬度、地形、海拔、云量和大气质量等差异，太阳光达至地球表面的幅射强度时空分布不均衡。北非撒哈拉沙漠、澳大利亚中部高原、中国青藏高原等地区每平方米年幅射量几乎是南北极地区的2.5倍以上。

中国太阳能资源丰富，各地年辐射量3340~8400MJ/m2。可分为4类资源区：一类为太阳能资源丰富区，全年日照为 3200~3300h，年辐射量大于6300MJ/m2 （相当于215kg标准煤燃烧的热量），主要包括甘肃、宁夏、新疆南部、青海和西藏等地。以西藏西部为最高，全年日照达2900~3400h，年辐射量7000~8000MJ/m2，仅次于撒哈拉沙漠；二类为太阳能资源较丰富区，全年日照为3000~3200h，年辐射量5400~6300 MJ/m2 （相当于185~215kg标准燃煤的热量），主要包括新疆北部、内蒙古南部、晋冀北部、京津、西藏东南部；三类为太阳能资源中等区，全年日照为1400~3000h，年辐射量为4600~ 5400MJ/m2 （相当于157~185kg标准燃煤的热量），主要包括东北、陕北、甘晋豫冀鲁东南部、江浙皖赣闽、两湖、两广、云南、海南和台湾等广大地区；四类是太阳能资源较差地区，全年日照为1000~1400h，年辐射量低于4600MJ/m2 （不足 157kg标准燃煤的热量），主要包括渝川贵等地，但也相当于欧洲多数地区。中国地表年辐射总量约为5×1016 MJ，相当于 17060亿t标煤燃烧的热值，约为2013年中国一次能耗的350 倍。

中国一、二、三类太阳能资源区约占国土面积的2/3，既有西部大片荒漠，适合建造规模太阳能电站的一类光照地区，又有地处人口和负荷密集的中东部二、三类光照地区，可发展分布式太阳能光电、光热利用。随着大气污染治理取得成效，各地单位面积的年辐射量将会有所上升。中国太阳能开发利用有十分广阔的前景。

风是由于地面各处受太阳辐照后气温变化和水蒸气含量不同造成气压差异而引起空气流动的自然现象，是太阳能转化而来的空气动能。其资源量取决于风能密度和可利用的年累计时数。风能密度是指单位迎风面积的风能功率，它与风速的三次方和空气密度成正比。据估计到达地球的太阳能中大约只有2％转化为风能，但总量仍十分可观。全球的风能资源约为2.74×109 MW，其中可利用资源为2×107 MW，约是全球可开发水力资源的10倍。中国风能资源理论储量32.26亿kW，陆上可开发资源2.53亿kW，近海可利用风能7.5亿kW，约为可开发水力资源的2倍。

风能（windenergy）资源密度低、风向和强度随时间变化，受地理地形影响较大，分布也很不匀衡。风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国阿拉斯加州、加利福尼亚州北部沿岸、北欧、俄罗斯东部沿海、澳大利亚和阿根廷南部沿海等。

中国内蒙、新疆和甘肃、华北、东北风能资源也很丰富，东南沿海、海南和台湾的风力资源也很具开发潜力。东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2以上，3~20m/s风速年累计时数超过6000h。内陆风能资源最好的是内蒙至新疆一带，风能密度也在200~300W/m2，3~20m/s风速年累计达5000~6000h。风能是储量巨大，技术比较成熟，开发成本较低的清洁可再生能源。

水能（hydroenergy）包括转化利用水的势能和动能，也是由太阳能转化而来。水力资源分布受水文、气候、地貌等条件限制。广义水能资源包括河流水能及潮汐、波浪、洋流能等；狭义水能资源指开发利用最为成熟的河流水能。全球理论水能资源蕴藏量6.8亿kW，每年可开发提供41.3万亿kW·h 电能，其中技术可开发水能资源为11.75万亿kW·h/年。中国地势西高东低，多数地处东亚季风带，雨量充沛，河流纵横、落差巨大，水能资源丰富，资源总量为6.76亿kW，年可发电量为5.92万亿kW·h；技术可开发装机容量为5.42亿kW，年可发电量为2.47万亿kW·h，居世界首位。但中国人均水力资源并不富裕，时空分布也不均衡，多集中在中西部，与负荷需求不相匹配。经济相对落后的西部云贵川渝桂、陕甘宁青藏新等省区约占全国水力资源总量的82.5％，特别是西南云贵川藏渝地区占70％；其次是中部的蒙晋豫、鄂湘皖赣等省区占10％；而经济发达、用电负荷集中的东北和中东部京津冀鲁、江浙沪粤闽琼等省市仅占7.5％；由于季风气候特点，多数河流年内、年际径流分布不均，丰枯季节径流量悬殊，需建水库调节。

生物质能源（biomass energy）是太阳能经光合作用转化为化学能形式贮存在生物质中的能量。生物质具有多样性、低污染、分布广、可再生特点，除了直接燃烧外，生物质还可以通过多种技术途径转化为固体、液体、气体燃料。生物质在使用过程中几乎不产生SO2，燃烧产生的CO2仅相当于其光合作用时所吸收的。因此可认为，生物质能的碳排放增量为零，是一种清洁低碳、可再生的替代能源。广义的生物质包括所有的植物、微生物和以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物，如农作物、农林业废弃物、人畜粪便、工业有机废水、城乡餐厨垃圾等。地球上每年经光合作用产生的物质有2×1011 t，其蕴含的能量相当于世界年消耗能源量的 10~20倍，但目前的利用率不到3％。据世界自然基金会（WWF）预计，全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年，约合82.12亿t 油当量，相当于2013年全球能源消耗量的 64％。中国是13亿人口的农业大国，生物质能资源丰富，但中国人均土地和水资源紧缺，大规模开发利用生物质资源，必然引发与农业争水、争地，与人畜争粮，以及秸杆还田等矛盾。重点应放在农林、工业、城乡废弃物、陈化粮转化利用等。据国家发展和改革委员会2007年发布的《可再生能源中长期发展规划》统计，目前中国生物质资源的转换潜力约3.5 亿t油当量，今后随着造林面积扩大和经济社会发展，生物质资源转换潜力可达至7亿t油当量。

煤（coal）是远在3亿多年至几千万年前的古生代、中生代和新生代时期的大量植物残骸经埋藏、化学物理变化形成的。首先是植物在沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖、死亡、分解、聚积成泥炭，泥炭在地质变化中被脱水、压实，并逐渐被黏土、砂石等掺合形成褐煤，随后随着地壳下沉，在地热和静压作用下进一步脱水、脱羧、脱烷、脱氧、缩聚等物理化学变化转变为烟煤和无烟煤。煤的主要成分是C，并含H、O、N、 S、P和灰份。与油气资源相比，煤炭分布更为广泛。据英国石油公司（BP）估计，全球煤炭总储量约为9842亿t，主要集中在美国、俄罗斯、中国、澳大利亚、印度、南非、乌克兰、哈萨克斯坦、波兰、巴西等国。预计可供开采120年。但粗放燃煤被公认是酸雨、粉尘、雾霾和温室气体排放的主要源头。

根据美国化学家瓦拉斯（Walace）定义，石油（petroleum）是除煤炭外一切天然碳氢化合物（包括气体、液体和固体）及其混合物的统称。有机成因理论认为，石油和天然气是由远古时代海洋或湖泊中的低等水生生物和植物等遗体因被迅速埋藏而免遭细菌分解，在适宜的温度压力条件下，经过漫长的地质年代沉积演变形成的。生成油气藏大约需要不到 100万年（注：无机成因说认为，石油和天然气是在地下深处高温、高压条件下由无机碳和氢经化学作用生成。但石油勘探实践表明，世界上99％以上的油气田分布在富含有机质的沉积岩区，含有工业油流的火成岩、变质岩也多与沉积岩毗邻，油源都是由附近沉积岩中的石油运移而来。无机成因说也无法解释石油中存在的某些生物源碳氢化合物特有的旋光性标志。因此迄今未得到普遍认同）。据美国Oil & Gas Journal 2013年发布的报告统计，全球探明石油储量为 2252.76亿t,天然气探明储量近199万亿m3 ,全球油气藏分布也很不均衡。按目前开采速度大约可开采60~80年。

近20年来，随着传统天然气资源减少，页岩油气、砂岩致密油气、天然气水合物等非常规油气资源开发逐渐受到重视。据美国能源信息署（EIA）2013年评估，全球页岩油技术可采资源量为456.94亿t，主要分布在北美、中亚、中东、中国、拉美、北非、东欧等国家和地区。油砂油可采资源量达 4000亿t，相当于常规油气资源可采储量的68％，加拿大、俄罗斯、委内瑞拉、美国和中国资源丰富，其中加拿大艾伯塔省最多，约占45.8％。

页岩气（shale gas）是蕴藏于富有机质的泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主。页岩气多分布在盆地内厚度较大、分布广的烃源页岩地层中。页岩气开采比传统天然气困难，全球页岩气等非常规天然气资源量约2338.2万亿m3，为常规天然气资源4.56倍。其中页岩气约456万亿m3，相当于煤层气和致密气（tight gas，指渗透率较小的砂岩地层中的天然气）的总和。据美国能源信息署、EP评估，全球页岩气主要分布在北美、亚洲、太平洋地区与拉美，北美与中国约占45％。煤层气资源量260万亿m3，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚等国。致密气资源量约为209.72万亿m3，各大洲均有分布。中国非常规油气资源非常丰富，2000m以浅的煤层气资源量约为36.8万亿m3，页岩气资源量36.1万亿m3，致密气资源量33万亿m3，油砂油远景资源量100亿t，页岩油资源储量476亿t，总量可观。

天然气水合物（natural gas hydrate）是由水和天然气在中高压和低温条件下混合组成的类冰笼形结晶化合物。因其外观像冰遇火即可燃烧，又被称作“可燃冰”。它的组成可用 M·nH2O来表示，M代表水合物中的天然气分子，n为水合指数。其天然气的成分为CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物及 CO2、N2、H2S等。1单位体积的天然气水合物分解最多可产生 164单位体积的甲烷气，其能量密度是常规天然气的2~5倍，是煤的10倍。根据地质调查，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海的深水盆地和海底扩张盆地等构造中。除在高纬度永久冻土带地区发现的天然气水合物之外，绝大部分分布在水深 300～500m以下的海底，主要附存于陆坡、岛屿和盆地表层的沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状存在，资源量是陆地的100倍以上。但资源分散开采比较困难，是未来的一种重要能源。据美国和苏联相关研究，世界陆地天然气水合物资源为2.83×1015m3，海洋为8.5×1016 m3，是常规天然气储存量的上千倍。据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿t油当量，约相当中国陆上油、气探明资源总量的1/2。

综上所述，除核能与深部地热能以外，太阳能、水能、风能、生物质能、浅表地热与空气热能等都是“今天”的太阳能，是清洁低碳的可再生能源；而煤、石油、天然气、页岩气、天然气水合物等常规或非常规化石能资源，归根结蒂都源自“昨天”的太阳能转化存储。工业革命至今还不到300年，人类就用掉了植物几亿年吸收太阳能转化埋藏于深部的化石能源，它们总究是有限和不可再生的，也是大气污染和温室气体排放的主要源头。人类应该更有效地直接或间接利用“今天” 和“明天”的清洁、可再生的太阳能资源。