除核能、深部地熱能外，地球上人類利用的無論是煤、石油、天然氣、頁巖氣、天然氣水合物等常規或非常規化石能源，還是水能、風能、生物質能、淺表地熱能、海洋能（波浪、潮汐、洋流、溫差能）等可再生能源，歸根結蒂都源自太陽能。根據天文觀測和恒星理論，太陽是宇宙星際氣體收縮形成的恒星，直徑約139.2萬km，是地球的109倍，質量約2×1030kg，表面溫度約5760K，中心溫度在1.5×107 K以上、壓力約為 2.5×1011大氣壓。在中心區域持續發生著由4個氫原子核聚變為1個氦原子核（41H→4He）的熱核反應，每秒約有7.75× 1010kg氫聚變轉化，釋放出3.83×1026 J能量，減少自身質量4×109kg。太陽形成至今已有45~50億年，正處于穩定的中年期，其穩定壽命至少還有50多億年。太陽距地球約1.5 億km，太陽光幅射抵達地球需近500s。太陽的總輻射能量抵達地球的僅為22億分之一，每秒約173000TW，相當于500 多萬t煤燃燒的熱量，每年相當于170萬億t燃煤放出的熱量，約為世界年耗能的1萬倍。因此，對人類而言，太陽實際上是取之不盡的光和熱的源頭。由于太陽自身活動、地球公轉和自轉、緯度、地形、海拔、云量和大氣質量等差異，太陽光達至地球表面的幅射強度時空分布不均衡。北非撒哈拉沙漠、澳大利亞中部高原、中國青藏高原等地區每平方米年幅射量幾乎是南北極地區的2.5倍以上。

中國太陽能資源豐富，各地年輻射量3340~8400MJ/m2?？煞譃?類資源區：一類為太陽能資源豐富區，全年日照為 3200~3300h，年輻射量大于6300MJ/m2 （相當于215kg標準煤燃燒的熱量），主要包括甘肅、寧夏、新疆南部、青海和西藏等地。以西藏西部為最高，全年日照達2900~3400h，年輻射量7000~8000MJ/m2，僅次于撒哈拉沙漠；二類為太陽能資源較豐富區，全年日照為3000~3200h，年輻射量5400~6300 MJ/m2 （相當于185~215kg標準燃煤的熱量），主要包括新疆北部、內蒙古南部、晉冀北部、京津、西藏東南部；三類為太陽能資源中等區，全年日照為1400~3000h，年輻射量為4600~ 5400MJ/m2 （相當于157~185kg標準燃煤的熱量），主要包括東北、陜北、甘晉豫冀魯東南部、江浙皖贛閩、兩湖、兩廣、云南、海南和臺灣等廣大地區；四類是太陽能資源較差地區，全年日照為1000~1400h，年輻射量低于4600MJ/m2 （不足 157kg標準燃煤的熱量），主要包括渝川貴等地，但也相當于歐洲多數地區。中國地表年輻射總量約為5×1016 MJ，相當于 17060億t標煤燃燒的熱值，約為2013年中國一次能耗的350 倍。

中國一、二、三類太陽能資源區約占國土面積的2/3，既有西部大片荒漠，適合建造規模太陽能電站的一類光照地區，又有地處人口和負荷密集的中東部二、三類光照地區，可發展分布式太陽能光電、光熱利用。隨著大氣污染治理取得成效，各地單位面積的年輻射量將會有所上升。中國太陽能開發利用有十分廣闊的前景。

風是由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化和水蒸氣含量不同造成氣壓差異而引起空氣流動的自然現象，是太陽能轉化而來的空氣動能。其資源量取決于風能密度和可利用的年累計時數。風能密度是指單位迎風面積的風能功率，它與風速的三次方和空氣密度成正比。據估計到達地球的太陽能中大約只有2％轉化為風能，但總量仍十分可觀。全球的風能資源約為2.74×109 MW，其中可利用資源為2×107 MW，約是全球可開發水力資源的10倍。中國風能資源理論儲量32.26億kW，陸上可開發資源2.53億kW，近海可利用風能7.5億kW，約為可開發水力資源的2倍。

風能（windenergy）資源密度低、風向和強度隨時間變化，受地理地形影響較大，分布也很不勻衡。風能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶，如美國阿拉斯加州、加利福尼亞州北部沿岸、北歐、俄羅斯東部沿海、澳大利亞和阿根廷南部沿海等。

中國內蒙、新疆和甘肅、華北、東北風能資源也很豐富，東南沿海、海南和臺灣的風力資源也很具開發潛力。東南沿海及附近島嶼的風能密度可達300W/m2以上，3~20m/s風速年累計時數超過6000h。內陸風能資源最好的是內蒙至新疆一帶，風能密度也在200~300W/m2，3~20m/s風速年累計達5000~6000h。風能是儲量巨大，技術比較成熟，開發成本較低的清潔可再生能源。

水能（hydroenergy）包括轉化利用水的勢能和動能，也是由太陽能轉化而來。水力資源分布受水文、氣候、地貌等條件限制。廣義水能資源包括河流水能及潮汐、波浪、洋流能等；狹義水能資源指開發利用最為成熟的河流水能。全球理論水能資源蘊藏量6.8億kW，每年可開發提供41.3萬億kW·h 電能，其中技術可開發水能資源為11.75萬億kW·h/年。中國地勢西高東低，多數地處東亞季風帶，雨量充沛，河流縱橫、落差巨大，水能資源豐富，資源總量為6.76億kW，年可發電量為5.92萬億kW·h；技術可開發裝機容量為5.42億kW，年可發電量為2.47萬億kW·h，居世界首位。但中國人均水力資源并不富裕，時空分布也不均衡，多集中在中西部，與負荷需求不相匹配。經濟相對落后的西部云貴川渝桂、陜甘寧青藏新等省區約占全國水力資源總量的82.5％，特別是西南云貴川藏渝地區占70％；其次是中部的蒙晉豫、鄂湘皖贛等省區占10％；而經濟發達、用電負荷集中的東北和中東部京津冀魯、江浙滬粵閩瓊等省市僅占7.5％；由于季風氣候特點，多數河流年內、年際徑流分布不均，豐枯季節徑流量懸殊，需建水庫調節。

生物質能源（biomass energy）是太陽能經光合作用轉化為化學能形式貯存在生物質中的能量。生物質具有多樣性、低污染、分布廣、可再生特點，除了直接燃燒外，生物質還可以通過多種技術途徑轉化為固體、液體、氣體燃料。生物質在使用過程中幾乎不產生SO2，燃燒產生的CO2僅相當于其光合作用時所吸收的。因此可認為，生物質能的碳排放增量為零，是一種清潔低碳、可再生的替代能源。廣義的生物質包括所有的植物、微生物和以植物、微生物為食物的動物及其生產的廢棄物，如農作物、農林業廢棄物、人畜糞便、工業有機廢水、城鄉餐廚垃圾等。地球上每年經光合作用產生的物質有2×1011 t，其蘊含的能量相當于世界年消耗能源量的 10~20倍，但目前的利用率不到3％。據世界自然基金會（WWF）預計，全球生物質能源潛在可利用量達350EJ/年，約合82.12億t 油當量，相當于2013年全球能源消耗量的 64％。中國是13億人口的農業大國，生物質能資源豐富，但中國人均土地和水資源緊缺，大規模開發利用生物質資源，必然引發與農業爭水、爭地，與人畜爭糧，以及秸桿還田等矛盾。重點應放在農林、工業、城鄉廢棄物、陳化糧轉化利用等。據國家發展和改革委員會2007年發布的《可再生能源中長期發展規劃》統計，目前中國生物質資源的轉換潛力約3.5 億t油當量，今后隨著造林面積擴大和經濟社會發展，生物質資源轉換潛力可達至7億t油當量。

煤（coal）是遠在3億多年至幾千萬年前的古生代、中生代和新生代時期的大量植物殘骸經埋藏、化學物理變化形成的。首先是植物在沼澤、湖泊或淺海中不斷繁殖、死亡、分解、聚積成泥炭，泥炭在地質變化中被脫水、壓實，并逐漸被黏土、砂石等摻合形成褐煤，隨后隨著地殼下沉，在地熱和靜壓作用下進一步脫水、脫羧、脫烷、脫氧、縮聚等物理化學變化轉變為煙煤和無煙煤。煤的主要成分是C，并含H、O、N、 S、P和灰份。與油氣資源相比，煤炭分布更為廣泛。據英國石油公司（BP）估計，全球煤炭總儲量約為9842億t，主要集中在美國、俄羅斯、中國、澳大利亞、印度、南非、烏克蘭、哈薩克斯坦、波蘭、巴西等國。預計可供開采120年。但粗放燃煤被公認是酸雨、粉塵、霧霾和溫室氣體排放的主要源頭。

根據美國化學家瓦拉斯（Walace）定義，石油（petroleum）是除煤炭外一切天然碳氫化合物（包括氣體、液體和固體）及其混合物的統稱。有機成因理論認為，石油和天然氣是由遠古時代海洋或湖泊中的低等水生生物和植物等遺體因被迅速埋藏而免遭細菌分解，在適宜的溫度壓力條件下，經過漫長的地質年代沉積演變形成的。生成油氣藏大約需要不到 100萬年（注：無機成因說認為，石油和天然氣是在地下深處高溫、高壓條件下由無機碳和氫經化學作用生成。但石油勘探實踐表明，世界上99％以上的油氣田分布在富含有機質的沉積巖區，含有工業油流的火成巖、變質巖也多與沉積巖毗鄰，油源都是由附近沉積巖中的石油運移而來。無機成因說也無法解釋石油中存在的某些生物源碳氫化合物特有的旋光性標志。因此迄今未得到普遍認同）。據美國Oil & Gas Journal 2013年發布的報告統計，全球探明石油儲量為 2252.76億t,天然氣探明儲量近199萬億m3 ,全球油氣藏分布也很不均衡。按目前開采速度大約可開采60~80年。

近20年來，隨著傳統天然氣資源減少，頁巖油氣、砂巖致密油氣、天然氣水合物等非常規油氣資源開發逐漸受到重視。據美國能源信息署（EIA）2013年評估，全球頁巖油技術可采資源量為456.94億t，主要分布在北美、中亞、中東、中國、拉美、北非、東歐等國家和地區。油砂油可采資源量達 4000億t，相當于常規油氣資源可采儲量的68％，加拿大、俄羅斯、委內瑞拉、美國和中國資源豐富，其中加拿大艾伯塔省最多，約占45.8％。

頁巖氣（shale gas）是蘊藏于富有機質的泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主。頁巖氣多分布在盆地內厚度較大、分布廣的烴源頁巖地層中。頁巖氣開采比傳統天然氣困難，全球頁巖氣等非常規天然氣資源量約2338.2萬億m3，為常規天然氣資源4.56倍。其中頁巖氣約456萬億m3，相當于煤層氣和致密氣（tight gas，指滲透率較小的砂巖地層中的天然氣）的總和。據美國能源信息署、EP評估，全球頁巖氣主要分布在北美、亞洲、太平洋地區與拉美，北美與中國約占45％。煤層氣資源量260萬億m3，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國、美國和澳大利亞等國。致密氣資源量約為209.72萬億m3，各大洲均有分布。中國非常規油氣資源非常豐富，2000m以淺的煤層氣資源量約為36.8萬億m3，頁巖氣資源量36.1萬億m3，致密氣資源量33萬億m3，油砂油遠景資源量100億t，頁巖油資源儲量476億t，總量可觀。

天然氣水合物（natural gas hydrate）是由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合組成的類冰籠形結晶化合物。因其外觀像冰遇火即可燃燒，又被稱作“可燃冰”。它的組成可用 M·nH2O來表示，M代表水合物中的天然氣分子，n為水合指數。其天然氣的成分為CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物及 CO2、N2、H2S等。1單位體積的天然氣水合物分解最多可產生 164單位體積的甲烷氣，其能量密度是常規天然氣的2~5倍，是煤的10倍。根據地質調查，天然氣水合物主要分布在聚合大陸邊緣大陸坡、被動大陸邊緣大陸坡、海山、內陸海及邊緣海的深水盆地和海底擴張盆地等構造中。除在高緯度永久凍土帶地區發現的天然氣水合物之外，絕大部分分布在水深 300～500m以下的海底，主要附存于陸坡、島嶼和盆地表層的沉積物或沉積巖中，也可以散布于洋底以顆粒狀存在，資源量是陸地的100倍以上。但資源分散開采比較困難，是未來的一種重要能源。據美國和蘇聯相關研究，世界陸地天然氣水合物資源為2.83×1015m3，海洋為8.5×1016 m3，是常規天然氣儲存量的上千倍。據測算，中國南海天然氣水合物的資源量為700億t油當量，約相當中國陸上油、氣探明資源總量的1/2。

綜上所述，除核能與深部地熱能以外，太陽能、水能、風能、生物質能、淺表地熱與空氣熱能等都是“今天”的太陽能，是清潔低碳的可再生能源；而煤、石油、天然氣、頁巖氣、天然氣水合物等常規或非常規化石能資源，歸根結蒂都源自“昨天”的太陽能轉化存儲。工業革命至今還不到300年，人類就用掉了植物幾億年吸收太陽能轉化埋藏于深部的化石能源，它們總究是有限和不可再生的，也是大氣污染和溫室氣體排放的主要源頭。人類應該更有效地直接或間接利用“今天” 和“明天”的清潔、可再生的太陽能資源。