汽油和家用取暖油的高价格将持续存在。美国在中东开战，至少部分是为了保护其外国石油利益。随着中国、印度和其他国家迅速增加对化石燃料的需求，未来围绕能源的争夺战隐约可见。与此同时，燃烧煤炭、石油和天然气的发电厂，以及各地的车辆，继续每年向大气中排放数百万吨污染物和温室气体，威胁着地球。
善意的科学家、工程师、经济学家和政治家们提出了各种可能略微减少化石燃料使用和排放的措施。这些措施还不够。美国需要一项大胆的计划，摆脱对化石燃料的依赖。我们的分析使我们确信，大规模转向太阳能是合乎逻辑的答案。
太阳能的潜力是无限的。照射地球40分钟的阳光所蕴含的能量相当于全球一年的能源消耗。美国很幸运拥有丰富的资源；仅西南部至少有25万平方英里的土地适合建设太阳能发电厂，而这片土地每年接受超过4500万亿英制热单位（Btu）的太阳辐射。如果仅将其中2.5%的辐射转化为电力，就足以满足美国2006年的总能源消耗。
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为了将国家转变为太阳能，必须用光伏板和太阳能加热槽覆盖大片土地。还必须架设直流（DC）输电主干网，以便在全国范围内高效地输送能源。
技术已经成熟。在接下来的几页中，我们将介绍一项宏伟计划，到2050年，太阳能可以提供美国69%的电力和35%的总能源（包括交通运输）。我们预计，这种能源可以以相当于当今传统能源的价格（约每千瓦时5美分）出售给消费者。如果风能、生物质能和地热能也得到开发，到2100年，可再生能源可以提供全国100%的电力和90%的能源。
联邦政府需要在未来40年内投资超过4000亿美元才能完成2050年的计划。这项投资是巨大的，但回报也更大。太阳能发电厂几乎不消耗燃料，每年可节省数十亿美元。基础设施将取代300座大型燃煤发电厂和另外300座大型天然气发电厂以及它们消耗的所有燃料。该计划将有效地消除所有进口石油，从根本上减少美国贸易逆差，缓解中东和其他地区的政治紧张局势。由于太阳能技术几乎无污染，该计划还将每年减少发电厂17亿吨的温室气体排放，而插电式混合动力汽车（由太阳能电网充电）将取代汽油车辆，再减少19亿吨的温室气体排放。到2050年，美国二氧化碳排放量将比2005年水平降低62%，从而大大减缓全球变暖。
光伏农场
在过去几年中，生产光伏电池和组件的成本已大幅下降，为大规模部署开辟了道路。存在各种电池类型，但目前最便宜的组件是碲化镉薄膜。为了到2020年以每千瓦时6美分的价格供电，碲化镉组件的电力转换效率必须达到14%，并且系统的安装成本必须为每瓦1.20美元。目前的组件效率为10%，安装系统成本约为每瓦4美元。显然需要取得进展，但技术正在快速进步；商业效率在过去12个月中已从9%上升到10%。同样值得注意的是，随着组件的改进，屋顶光伏系统对于房主而言将更具成本竞争力，从而降低白天用电需求。
在我们的计划中，到2050年，光伏技术将提供近3000吉瓦（GW），即数十亿瓦的电力。将需要竖立约30,000平方英里的光伏阵列。尽管这个面积听起来可能很大，但已安装的设施表明，在西南部生产每吉瓦时太阳能所需的土地少于燃煤电厂，如果将煤矿开采所需的土地考虑在内。科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的研究表明，西南部有足够的土地可用，而无需使用环境敏感区域、人口中心或地形困难的地区。亚利桑那州水资源保护部发言人杰克·拉维尔指出，该州80%以上的土地不是私有的，亚利桑那州对开发其太阳能潜力非常感兴趣。光伏电站的良性性质（包括不耗水）应将环境问题降至最低。
因此，所需的主要进展是将组件效率提高到14%。尽管商业组件的效率永远无法达到实验室中太阳能电池的效率，但国家可再生能源实验室的碲化镉电池现在已达到16.5%并不断上升。至少一家制造商，俄亥俄州佩里斯堡市的First Solar公司，在2005年至2007年间将组件效率从6%提高到10%，并力争到2010年达到11.5%。
加压洞穴
当然，太阳能的最大限制因素是，当天空多云时，它产生的电力很少，而在夜间则根本不发电。因此，必须在阳光充足的时候生产过剩的电力，并储存起来供黑暗时段使用。大多数储能系统（如电池）都很昂贵或效率低下。
压缩空气储能已成为一种成功的替代方案。来自光伏电站的电力压缩空气并将其泵入空置的地下洞穴、废弃的矿山、含水层和枯竭的天然气井中。加压空气按需释放，以转动涡轮机发电，并辅以少量天然气燃烧。自1978年以来，德国的洪托夫和自1991年以来，阿拉巴马州麦金托什的压缩空气储能电厂一直在可靠运行。涡轮机仅燃烧40%的天然气，如果它们仅以天然气为燃料，而更好的热回收技术会将这一数字降低到30%。
加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究院的研究表明，如今压缩空气储能的成本约为铅酸电池的一半。研究表明，这些设施将使光伏发电每千瓦时增加三到四美分，使2020年的总成本达到每千瓦时八到九美分。
来自西南部光伏农场的电力将通过高压直流输电线路输送到全国各地的压缩空气储能设施，涡轮机将在那里全年发电。关键是找到合适的地点。天然气行业和电力研究院的绘图显示，全国75%的地区都存在合适的地质构造，通常靠近大都市区。实际上，压缩空气储能系统看起来类似于美国的天然气储存系统。该行业在400个地下储气库中储存了8万亿立方英尺的天然气。到2050年，我们的计划将需要5350亿立方英尺的储存空间，空气压力为每平方英寸1100磅。尽管开发将是一个挑战，但有大量的储气库可用，天然气行业投资于这样的网络是合理的。
热盐
另一种可能在我们的愿景中提供约五分之一太阳能的技术被称为聚光太阳能。在这种设计中，长长的金属镜片将阳光聚焦到装满流体的管道上，像巨大的放大镜一样加热流体。热流体流经热交换器，产生蒸汽，从而转动涡轮机。
对于能量储存，管道通向一个装满熔盐的大型绝缘罐，熔盐可以有效地保持热量。热量在夜间被提取出来，产生蒸汽。然而，熔盐会缓慢冷却，因此储存的能量必须在一天内被利用。
在美国，九座聚光太阳能发电厂的总容量为354兆瓦（MW），多年来一直在可靠地发电。内华达州一座新的64兆瓦电厂于2007年3月上线。然而，这些电厂没有蓄热功能。第一个包含蓄热功能的商业装置——一座50兆瓦的电厂，具有七小时的熔盐储存能力——正在西班牙建设中，其他装置正在世界各地设计。对于我们的计划，将需要16小时的储存时间，以便每天24小时发电。
现有电厂证明聚光太阳能是可行的，但成本必须降低。规模经济和持续的研究将有所帮助。2006年，西部州长协会太阳能工作组的一份报告得出结论，如果建设4吉瓦的电厂，到2015年，聚光太阳能可以以每千瓦时10美分或更低的价格供电。寻找提高热交换器流体温度的方法也将提高运行效率。工程师们还在研究如何使用熔盐本身作为传热流体，从而减少热损失以及资本成本。然而，盐具有腐蚀性，因此需要更具弹性的管道系统。
聚光太阳能和光伏代表了两种不同的技术路径。两者都尚未完全开发，因此我们的计划在2020年之前将两者都大规模部署，给它们时间成熟。各种太阳能技术的组合也可能不断发展以经济地满足需求。随着装置的扩展，工程师和会计师可以评估利弊，投资者可能会决定更多地支持一种技术而不是另一种技术。
直流电也是如此
太阳能的地理位置显然与美国当前的供电方案不同。如今，燃煤、石油、天然气和核电厂遍布各地，相对靠近用电需求地而建。该国大部分太阳能发电将位于西南部。现有的交流（AC）电力线路系统不够强大，无法将电力从这些中心输送到各地的消费者，并且长距离输送会损失过多的能量。必须建造新的高压直流（HVDC）输电主干网。
橡树岭国家实验室的研究表明，长距离高压直流线路的能量损失远小于同等跨度的交流线路。主干网将从西南部辐射到该国边境。线路将终止于换流站，在那里，电力将被切换为交流电，并沿着现有的区域输电线路输送给客户。
交流系统也只是容量不足，导致加利福尼亚州和其他地区出现明显的短缺；直流线路的建设成本更低，并且比同等交流线路所需的土地面积更少。如今，美国约有500英里的高压直流线路在运行，并且已被证明是可靠且高效的。似乎不需要重大的技术进步，但更多的经验将有助于改进运营。德克萨斯州西南部电力池正在设计一个直流和交流输电集成系统，以实现德克萨斯州西部10吉瓦风电的开发。TransCanada公司正在提议建设2200英里的高压直流线路，将风能从蒙大拿州和怀俄明州向南输送到拉斯维加斯及更远的地方。
第一阶段：现在至2020年
我们已经对太阳能宏伟计划的部署方式进行了深入思考。我们预见到两个不同的阶段。第一个阶段，从现在到2020年，必须使太阳能在批量生产水平上具有竞争力。这个阶段将需要政府担保30年贷款，同意购买电力并提供价格支持补贴。年度援助方案将从2011年到2020年稳步增加。届时，太阳能技术将凭借自身的优势参与竞争。累计补贴总额将达到4200亿美元（我们稍后将解释如何支付这笔费用）。
到2020年，将建成约84吉瓦的光伏和聚光太阳能发电厂。与此同时，直流输电系统也将铺设。它将沿着州际公路走廊的现有通行权扩展，最大限度地减少土地征用和监管障碍。该主干网将到达西部的主要市场，如凤凰城、拉斯维加斯、洛杉矶和圣地亚哥，以及东部的圣安东尼奥、达拉斯、休斯顿、新奥尔良、阿拉巴马州伯明翰、佛罗里达州坦帕和亚特兰大。
在最初五年内每年建设1.5吉瓦的光伏和1.5吉瓦的聚光太阳能发电厂将刺激许多制造商扩大规模。在接下来的五年中，年建设量将增加到每年各5吉瓦，帮助企业优化生产线。因此，太阳能发电将降至每千瓦时6美分左右。这个实施时间表是现实的；从1972年到1987年，美国每年建造超过5吉瓦的核电站。更重要的是，由于太阳能系统设计简单，并且相对缺乏环境和安全方面的复杂性，因此其制造和安装速度比传统发电厂快得多。
第二阶段：2020年至2050年
至关重要的是，主要的市场激励措施在2020年之前保持有效，为之后的可持续增长奠定基础。在将我们的模型扩展到2050年时，我们一直持保守态度。我们不包括2020年以后的任何技术或成本改进。我们还假设全国能源需求将每年增长1%。在这种情况下，到2050年，太阳能发电厂将供应美国69%的电力和35%的美国总能源。这个数量包括足够供应3.44亿辆插电式混合动力汽车消耗的所有电力，这将取代汽油汽车，这对于减少对外国石油的依赖和缓解温室气体排放至关重要。将创造约300万个国内新工作岗位——尤其是在制造太阳能组件方面——这比当时日渐衰落的化石燃料行业将失去的美国工作岗位数量多出几倍。
假设原油价格为每桶60美元（2007年平均价格更高），大幅减少进口石油将每年降低3000亿美元的贸易收支。一旦安装了太阳能发电厂，就必须对其进行维护和维修，但阳光的价格永远是免费的，年复一年地复制这些燃料节省。此外，太阳能投资将增强国家能源安全，减轻军队的财政负担，并大大降低污染和全球变暖的社会成本，从人类健康问题到海岸线和农田的破坏。
具有讽刺意味的是，太阳能宏伟计划将降低能源消耗。即使需求每年增长1%，2006年消耗的100万亿英热单位也将到2050年降至93万亿英热单位。这种不寻常的抵消是由于消耗了大量能源来开采和加工化石燃料，并且在燃烧它们和控制其排放时浪费了更多能源。
为了实现2050年的预测，光伏和聚光太阳能装置将需要46,000平方英里的土地。这个面积很大，但仅占西南部适宜土地的19%。这些土地大部分是贫瘠的；没有竞争的使用价值。而且土地不会被污染。我们假设到2050年，只有10%的太阳能容量将来自分布式光伏装置——那些位于全国各地的屋顶或商业用地上。但是随着价格下降，这些应用可能会发挥更大的作用。
2050年及以后
尽管不可能准确预测50年或更久以后的情况，但作为展示太阳能全部潜力的练习，我们构建了一个2100年的情景。到那时，根据我们的计划，能源总需求（包括交通运输）预计将达到140万亿英热单位，是当今发电能力的七倍。
为了保守起见，我们再次估算了在西南部历史上最恶劣的太阳辐射条件下（根据1961年至2005年国家太阳辐射数据库的记录，这种情况发生在1982-1983年的冬季以及1992年和1993年皮纳图博火山爆发之后）需要多少太阳能电站容量。我们再次假设，即使几乎可以肯定在80年内，正在进行的研究将提高太阳能效率、成本和存储，但2020年以后不会有任何进一步的技术和成本改进。
在这些假设下，美国的能源需求可以通过以下容量来满足：2.9太瓦（TW）的光伏电力直接输送到电网，另有7.5太瓦用于压缩空气存储；2.3太瓦的聚光太阳能发电厂；以及1.3太瓦的分布式光伏装置。供应将通过1太瓦的风力发电场、0.2太瓦的地热发电厂和0.25太瓦的生物质生产燃料来补充。该模型包括0.5太瓦的地热热泵，用于直接建筑物供暖和制冷。太阳能系统将需要165,000平方英里的土地，仍然小于西南部合适的可用面积。
到2100年，这种可再生能源组合可以产生美国100%的电力和超过90%的美国总能源。在春季和夏季，太阳能基础设施将产生足够的氢气，以满足超过90%的交通燃料需求，并将取代用于辅助压缩空气涡轮机的一小部分天然气供应。增加480亿加仑的生物燃料将覆盖剩余的交通能源。与能源相关的二氧化碳排放量将比2005年水平降低92%。
谁来支付？
我们的模型不是一项紧缩计划，因为它包括每年1%的需求增长，这将维持类似于今天的，通过预期的能源生产和使用效率提高的生活方式。也许最大的问题是如何支付国家能源基础设施4200亿美元的全面改造费用。最常见的想法之一是碳税。国际能源机构建议，每吨煤炭征收40至90美元的碳税，才能促使发电商采用碳捕获和储存系统来减少二氧化碳排放。该税相当于将电价提高每千瓦时1至2美分。但我们的计划成本更低。4200亿美元可以通过每千瓦时0.5美分的碳税产生。鉴于今天的电价通常为每千瓦时6至10美分，每千瓦时增加0.5美分似乎是合理的。
国会可以通过采纳国家可再生能源计划来建立财政激励措施。考虑一下美国农场价格支持计划，该计划以国家安全为理由而得到辩护。太阳能价格支持计划将确保国家的能源未来，这对国家的长期健康至关重要。补贴将从2011年到2020年逐步部署。按照标准的30年回报间隔，补贴将在2041年至2050年结束。高压直流输电公司将不必获得补贴，因为它们将像现在为交流线路融资一样为线路和换流站的建设融资，并通过输送电力赚取收入。
尽管4200亿美元是巨大的，但年度支出将低于当前的美国农场价格支持计划。它也低于过去35年中为建设该国高速电信基础设施而征收的税收补贴。它还使美国摆脱了由国际能源冲突驱动的政策和预算问题。
如果没有补贴，太阳能宏伟计划是不可能实现的。其他国家也得出了类似的结论：日本已经在建设大型补贴太阳能基础设施，德国已经启动了全国性计划。尽管投资很高，但重要的是要记住，能源来源阳光是免费的。没有像煤炭、石油或核电那样的年度燃料或污染控制成本，压缩空气系统中天然气的成本也很低，尽管氢气或生物燃料也可以取代它。当燃料节省被考虑在内时，太阳能在未来几十年内的成本将是一笔划算的买卖。但我们不能等到那时才开始扩大规模。
批评人士提出了其他担忧，例如材料限制是否会扼杀大规模安装。随着快速部署，可能会出现暂时的短缺。但是存在几种使用不同材料组合的电池类型。更好的加工和回收也在减少电池所需的材料量。从长远来看，旧的太阳能电池在很大程度上可以回收成新的太阳能电池，从而将我们的能源供应图景从可耗尽的燃料转变为可回收的材料。
实施可再生美国能源系统的最大障碍不是技术或金钱，而是公众缺乏对太阳能是一种切实可行的替代方案——并且可以为交通运输提供燃料——的认识。有远见的思想家应该尝试启发美国公民及其政治和科学领导人，让他们了解太阳能的巨大潜力。一旦美国人意识到这种潜力，我们相信对能源自给自足的渴望以及减少二氧化碳排放的需求将促使他们采纳国家太阳能计划。