태양이 복사하는 열에너지를 흡수하여 열기관(熱機關)과 발전기를 움직여서 발전하는 방식. 태양은 핵융합반응에 의해 막대한 에너지를 방출하고 있는데 지구상에 내리는 태양열 에너지량은 1시간당 10 17 kcal(약 10 14 kWh)이며 연간 10 21 kcal에 달한다.

이 태양열을 직접 열로 하여 이용하는 방법에는, 소규모적인 것에 가정용 온수장치가 있는데, 이것을 대규모로 확대하면 물에서 증기를 만들어 발전에 사용할 수 있다는 것이 예상된다.

대용량의 태양열 발전방식으로는 탑집광방식과 포물면 집광방식을 생각할 수 있다. 탑집광방식은 높은 탑 위에 물탱크를 두고, 탑 주위에 많은 반사경을 설치하여 여기서 반사된 태양광이 끊임없이 탱크면을 조사(照射)하여 물을 가열하고, 이 탱크에서 발생한 증기로 터빈을 돌려 발전기를 구동시키는 방식이다.

그리고 포물면 집광방식은 직선상으로 배열한 포물면거울의 초점 위치에 물이 지나가는 파이프를 둔 집광집열기(集光集熱器)를 설치하는 방식이다. 세계적으로 태양열 발전은 1973년경부터 연구개발에 착수하였고 82년 미국에서 1,000 kW급이 실용화되었다.

현재 30만 kW에 달하는 발전시설이 운전 중이며 수천 kW급 발전소가 연구개발 또는 건설 중에 있다. 한편, 태양광을 받으면 직접 전기를 발생하는 반도체소자, 즉 태양전지를 이용하는 방식인 태양광 발전이 있는데, 세계적으로 현재 3,000 kW급까지 개발운전 중에 있으며 계속해서 실용화를 위한 효율향상과 대용량화를 위한 연구가 진행 중이다.

한국에는 태양광 발전이 93년부터 100 kW급(충남 호도)이 운전 중이며 2000년대 초에는 1,000 kW급 발전시스템이 개발될 전망이다.