L’énergie solaire reçu par la terre est de 1,75.1017 joules par seconde ou encore 1,5.1018 kWh par an. La consommation mondiale d’énergie en l’an 2000 est de 10 Gtep ou 1.1014 kWh (1 Tep = 11 620 kWh), soit 15 000 fois moins que l’énergie solaire reçu par la terre hors atmosphère en un an (et 10 000 fois que celle reçue au sol).

L’irradiance solaire moyenne hors atmosphère est 1 367 W/m2. En tenant compte de l’alternance jour nuit, de la latitude, de l’altitude et des conditions climatiques, l’irradiance solaire varie de zéro à environ 1000 W/m2 au niveau du sol. En moyenne sur l’année, l’irradiance sur terre est de 188 W/m2 (1 650 kWh/m² par an) et elle varie de 85 à 290 W/m2 (750 à 2550 kWh/m2 par an).

Energie incidente à la surface de la terre en kWh/m² par an :

(source : Gregor Czisch, ISET, Kassel, Germany)

Sous les latitudes moyennes telles que celle de la France, l’énergie incidente est d'environ 1 000 kWh/m² par an sur un plan horizontal. L’énergie lumineuse reçue sur la surface de la France (550 000 km²) par an correspond à 200 fois sa consommation annuelle en énergie (250 Mtep). La surface des bâtiments en France (10 600 km², source IFEN) reçoit 4 fois en énergie lumineuse l’équivalent du besoin en énergie de la France. Il y a donc un potentiel énorme même s’il serait inconcevable de recouvrir tous les toits de la France de capteurs solaires.

L’énergie solaire est la seule énergie renouvelable dont le potentiel pourrait, sur la base d’un calcul théorique, couvrir tous les besoins énergétiques de la planète.

L’énergie solaire est considérée comme inépuisable (encore 5 milliards d’année), elle n’a que peu d’impacts négatifs sur l’environnement et elle est disponible partout sur la terre. Le potentiel énergétique moyen récupérable est en général bien connu en tout point de la surface du globe et en fonction de l’époque de l’année.
La disponibilité de l’énergie solaire est variable dans le temps, c’est une énergie intermittente. Elle dépend des cycles jour/nuit et été/hiver ainsi que de la météorologie, ce dernier facteur rend sa disponibilité aléatoire à cours terme. Pour contrer cet inconvénient, il existe différentes solutions comme le stockage sur quelques jours, le foisonnement entre différentes sources solaires (géographique) ou différentes sources d’énergies renouvelables (multiénergie), ou encore l’utilisation d’une énergie d’appoint conventionnelle disponible en permanence, en général fossile. Ces systèmes sont appelés systèmes hybrides. L’énergie solaire utilise de la surface, environ 10 m² pour une puissance électrique de 1kW. Cette surface peut être facilement intégré au bâti, en toiture ou en façade, et donc diminuer le coût propre du bâti.

Les différentes utilisations de l’énergie solaire sont les suivantes :

Utilisation passive de l’énergie solaire : Il s’agit principalement d’utiliser directement l’énergie lumineuse à travers des ouvertures vitrées dans les bâtiments pour les besoins en éclairage de jour et de chauffage. Associé à une bonne isolation extérieure et à l’inertie thermique des murs, une conception architecturale adéquate permet une réduction importante du besoin en énergie du bâti.

Utilisation active de l’énergie solaire : Dans un système actif, des capteurs solaires thermiques utilisent l’énergie solaire pour produire l’eau chaude sanitaire de l’habitat ainsi que dans certains cas le chauffage. Ces systèmes sont associés à un accumulateur d’eau chaude pour l’ECS et à un stockage pour le chauffage (hydraulique ou plancher solaire direct dit PSD),  ces deux systèmes sont parfois combinés. Ces systèmes peuvent couvrir de 30 à 70 % des besoins thermiques : un appoint est donc nécessaire.

Conversion thermodynamique de l’énergie solaire en électricité : En concentrant les rayons du soleil par un disque parabolique, un capteur cylindro-parabolique ou un système de miroirs, il est possible d’atteindre une température suffisamment éleveée pour générer de l’électricité via une turbine et un alternateur. Le prix de revient du kWh électrique devient intéressant (environ deux fois moindre que celui du photovoltaïque) pour de grandes installations, ce système est difficilement applicable pour de petites installations et son intégration dans le bâti n’est pas évidente.

Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire : L’effet photovoltaïque permet de convertir directement l’énergie lumineuse du soleil en électricité grâce à des semi-conducteurs. Bien que cette filière énergétique soit largement minoritaire dans les bilans énergétiques mondial, européen et français, son taux de croissance (30 à 60% par an) et la chute des coûts de production (voir le taux d'apprentissage ci après au chapitre 3.2) qui accompagne son développement depuis quelques années présage un potentiel de développement très élevé pour l’avenir.