汽油和家用取暖油的高價格將持續存在。美國在中東開戰，至少部分是為了保護其外國石油利益。隨著中國、印度和其他國家迅速增加對化石燃料的需求，未來圍繞能源的爭奪戰隱約可見。與此同時，燃燒煤炭、石油和天然氣的發電廠，以及各地的車輛，繼續每年向大氣中排放數百萬噸汙染物和溫室氣體，威脅著地球。
善意的科學家、工程師、經濟學家和政治家們提出了各種可能略微減少化石燃料使用和排放的措施。這些措施還不夠。美國需要一項大膽的計劃，擺脫對化石燃料的依賴。我們的分析使我們確信，大規模轉向太陽能是合乎邏輯的答案。
太陽能的潛力是無限的。照射地球40分鐘的陽光所蘊含的能量相當於全球一年的能源消耗。美國很幸運擁有豐富的資源；僅西南部至少有25萬平方英里的土地適合建設太陽能發電廠，而這片土地每年接受超過4500萬億英制熱單位（Btu）的太陽輻射。如果僅將其中2.5%的輻射轉化為電力，就足以滿足美國2006年的總能源消耗。
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為了將國家轉變為太陽能，必須用光伏板和太陽能加熱槽覆蓋大片土地。還必須架設直流（DC）輸電主幹網，以便在全國範圍內高效地輸送能源。
技術已經成熟。在接下來的幾頁中，我們將介紹一項宏偉計劃，到2050年，太陽能可以提供美國69%的電力和35%的總能源（包括交通運輸）。我們預計，這種能源可以以相當於當今傳統能源的價格（約每千瓦時5美分）出售給消費者。如果風能、生物質能和地熱能也得到開發，到2100年，可再生能源可以提供全國100%的電力和90%的能源。
聯邦政府需要在未來40年內投資超過4000億美元才能完成2050年的計劃。這項投資是巨大的，但回報也更大。太陽能發電廠幾乎不消耗燃料，每年可節省數十億美元。基礎設施將取代300座大型燃煤發電廠和另外300座大型天然氣發電廠以及它們消耗的所有燃料。該計劃將有效地消除所有進口石油，從根本上減少美國貿易逆差，緩解中東和其他地區的政治緊張局勢。由於太陽能技術幾乎無汙染，該計劃還將每年減少發電廠17億噸的溫室氣體排放，而插電式混合動力汽車（由太陽能電網充電）將取代汽油車輛，再減少19億噸的溫室氣體排放。到2050年，美國二氧化碳排放量將比2005年水平降低62%，從而大大減緩全球變暖。
光伏農場
在過去幾年中，生產光伏電池和元件的成本已大幅下降，為大規模部署開闢了道路。存在各種電池型別，但目前最便宜的元件是碲化鎘薄膜。為了到2020年以每千瓦時6美分的價格供電，碲化鎘元件的電力轉換效率必須達到14%，並且系統的安裝成本必須為每瓦1.20美元。目前的元件效率為10%，安裝系統成本約為每瓦4美元。顯然需要取得進展，但技術正在快速進步；商業效率在過去12個月中已從9%上升到10%。同樣值得注意的是，隨著元件的改進，屋頂光伏系統對於房主而言將更具成本競爭力，從而降低白天用電需求。
在我們的計劃中，到2050年，光伏技術將提供近3000吉瓦（GW），即數十億瓦的電力。將需要豎立約30,000平方英里的光伏陣列。儘管這個面積聽起來可能很大，但已安裝的設施表明，在西南部生產每吉瓦時太陽能所需的土地少於燃煤電廠，如果將煤礦開採所需的土地考慮在內。科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室的研究表明，西南部有足夠的土地可用，而無需使用環境敏感區域、人口中心或地形困難的地區。亞利桑那州水資源保護部發言人傑克·拉維爾指出，該州80%以上的土地不是私有的，亞利桑那州對開發其太陽能潛力非常感興趣。光伏電站的良性性質（包括不耗水）應將環境問題降至最低。
因此，所需的主要進展是將元件效率提高到14%。儘管商業元件的效率永遠無法達到實驗室中太陽能電池的效率，但國家可再生能源實驗室的碲化鎘電池現在已達到16.5%並不斷上升。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年間將元件效率從6%提高到10%，併力爭到2010年達到11.5%。
加壓洞穴
當然，太陽能的最大限制因素是，當天空多雲時，它產生的電力很少，而在夜間則根本不發電。因此，必須在陽光充足的時候生產過剩的電力，並儲存起來供黑暗時段使用。大多數儲能系統（如電池）都很昂貴或效率低下。
壓縮空氣儲能已成為一種成功的替代方案。來自光伏電站的電力壓縮空氣並將其泵入空置的地下洞穴、廢棄的礦山、含水層和枯竭的天然氣井中。加壓空氣按需釋放，以轉動渦輪機發電，並輔以少量天然氣燃燒。自1978年以來，德國的洪托夫和自1991年以來，阿拉巴馬州麥金託什的壓縮空氣儲能電廠一直在可靠執行。渦輪機僅燃燒40%的天然氣，如果它們僅以天然氣為燃料，而更好的熱回收技術會將這一數字降低到30%。
加利福尼亞州帕洛阿爾託市電力研究院的研究表明，如今壓縮空氣儲能的成本約為鉛酸電池的一半。研究表明，這些設施將使光伏發電每千瓦時增加三到四美分，使2020年的總成本達到每千瓦時八到九美分。
來自西南部光伏農場的電力將透過高壓直流輸電線路輸送到全國各地的壓縮空氣儲能設施，渦輪機將在那裡全年發電。關鍵是找到合適的地點。天然氣行業和電力研究院的繪圖顯示，全國75%的地區都存在合適的地質構造，通常靠近大都市區。實際上，壓縮空氣儲能系統看起來類似於美國的天然氣儲存系統。該行業在400個地下儲氣庫中儲存了8萬億立方英尺的天然氣。到2050年，我們的計劃將需要5350億立方英尺的儲存空間，空氣壓力為每平方英寸1100磅。儘管開發將是一個挑戰，但有大量的儲氣庫可用，天然氣行業投資於這樣的網路是合理的。
熱鹽
另一種可能在我們的願景中提供約五分之一太陽能的技術被稱為聚光太陽能。在這種設計中，長長的金屬鏡片將陽光聚焦到裝滿流體的管道上，像巨大的放大鏡一樣加熱流體。熱流體流經熱交換器，產生蒸汽，從而轉動渦輪機。
對於能量儲存，管道通向一個裝滿熔鹽的大型絕緣罐，熔鹽可以有效地保持熱量。熱量在夜間被提取出來，產生蒸汽。然而，熔鹽會緩慢冷卻，因此儲存的能量必須在一天內被利用。
在美國，九座聚光太陽能發電廠的總容量為354兆瓦（MW），多年來一直在可靠地發電。內華達州一座新的64兆瓦電廠於2007年3月上線。然而，這些電廠沒有蓄熱功能。第一個包含蓄熱功能的商業裝置——一座50兆瓦的電廠，具有七小時的熔鹽儲存能力——正在西班牙建設中，其他裝置正在世界各地設計。對於我們的計劃，將需要16小時的儲存時間，以便每天24小時發電。
現有電廠證明聚光太陽能是可行的，但成本必須降低。規模經濟和持續的研究將有所幫助。2006年，西部州長協會太陽能工作組的一份報告得出結論，如果建設4吉瓦的電廠，到2015年，聚光太陽能可以以每千瓦時10美分或更低的價格供電。尋找提高熱交換器流體溫度的方法也將提高執行效率。工程師們還在研究如何使用熔鹽本身作為傳熱流體，從而減少熱損失以及資本成本。然而，鹽具有腐蝕性，因此需要更具彈性的管道系統。
聚光太陽能和光伏代表了兩種不同的技術路徑。兩者都尚未完全開發，因此我們的計劃在2020年之前將兩者都大規模部署，給它們時間成熟。各種太陽能技術的組合也可能不斷發展以經濟地滿足需求。隨著裝置的擴充套件，工程師和會計師可以評估利弊，投資者可能會決定更多地支援一種技術而不是另一種技術。
直流電也是如此
太陽能的地理位置顯然與美國當前的供電方案不同。如今，燃煤、石油、天然氣和核電廠遍佈各地，相對靠近用電需求地而建。該國大部分太陽能發電將位於西南部。現有的交流（AC）電力線路系統不夠強大，無法將電力從這些中心輸送到各地的消費者，並且長距離輸送會損失過多的能量。必須建造新的高壓直流（HVDC）輸電主幹網。
橡樹嶺國家實驗室的研究表明，長距離高壓直流線路的能量損失遠小於同等跨度的交流線路。主幹網將從西南部輻射到該國邊境。線路將終止於換流站，在那裡，電力將被切換為交流電，並沿著現有的區域輸電線路輸送給客戶。
交流系統也只是容量不足，導致加利福尼亞州和其他地區出現明顯的短缺；直流線路的建設成本更低，並且比同等交流線路所需的土地面積更少。如今，美國約有500英里的高壓直流線路在執行，並且已被證明是可靠且高效的。似乎不需要重大的技術進步，但更多的經驗將有助於改進運營。德克薩斯州西南部電力池正在設計一個直流和交流輸電整合系統，以實現德克薩斯州西部10吉瓦風電的開發。TransCanada公司正在提議建設2200英里的高壓直流線路，將風能從蒙大拿州和懷俄明州向南輸送到拉斯維加斯及更遠的地方。
第一階段：現在至2020年
我們已經對太陽能宏偉計劃的部署方式進行了深入思考。我們預見到兩個不同的階段。第一個階段，從現在到2020年，必須使太陽能在批次生產水平上具有競爭力。這個階段將需要政府擔保30年貸款，同意購買電力並提供價格支援補貼。年度援助方案將從2011年到2020年穩步增加。屆時，太陽能技術將憑藉自身的優勢參與競爭。累計補貼總額將達到4200億美元（我們稍後將解釋如何支付這筆費用）。
到2020年，將建成約84吉瓦的光伏和聚光太陽能發電廠。與此同時，直流輸電系統也將鋪設。它將沿著州際公路走廊的現有通行權擴充套件，最大限度地減少土地徵用和監管障礙。該主幹網將到達西部的主要市場，如鳳凰城、拉斯維加斯、洛杉磯和聖地亞哥，以及東部的聖安東尼奧、達拉斯、休斯頓、新奧爾良、阿拉巴馬州伯明翰、佛羅里達州坦帕和亞特蘭大。
在最初五年內每年建設1.5吉瓦的光伏和1.5吉瓦的聚光太陽能發電廠將刺激許多製造商擴大規模。在接下來的五年中，年建設量將增加到每年各5吉瓦，幫助企業最佳化生產線。因此，太陽能發電將降至每千瓦時6美分左右。這個實施時間表是現實的；從1972年到1987年，美國每年建造超過5吉瓦的核電站。更重要的是，由於太陽能系統設計簡單，並且相對缺乏環境和安全方面的複雜性，因此其製造和安裝速度比傳統發電廠快得多。
第二階段：2020年至2050年
至關重要的是，主要的市場激勵措施在2020年之前保持有效，為之後的可持續增長奠定基礎。在將我們的模型擴充套件到2050年時，我們一直持保守態度。我們不包括2020年以後的任何技術或成本改進。我們還假設全國能源需求將每年增長1%。在這種情況下，到2050年，太陽能發電廠將供應美國69%的電力和35%的美國總能源。這個數量包括足夠供應3.44億輛插電式混合動力汽車消耗的所有電力，這將取代汽油汽車，這對於減少對外國石油的依賴和緩解溫室氣體排放至關重要。將創造約300萬個國內新工作崗位——尤其是在製造太陽能元件方面——這比當時日漸衰落的化石燃料行業將失去的美國工作崗位數量多出幾倍。
假設原油價格為每桶60美元（2007年平均價格更高），大幅減少進口石油將每年降低3000億美元的貿易收支。一旦安裝了太陽能發電廠，就必須對其進行維護和維修，但陽光的價格永遠是免費的，年復一年地複製這些燃料節省。此外，太陽能投資將增強國家能源安全，減輕軍隊的財政負擔，並大大降低汙染和全球變暖的社會成本，從人類健康問題到海岸線和農田的破壞。
具有諷刺意味的是，太陽能宏偉計劃將降低能源消耗。即使需求每年增長1%，2006年消耗的100萬億英熱單位也將到2050年降至93萬億英熱單位。這種不尋常的抵消是由於消耗了大量能源來開採和加工化石燃料，並且在燃燒它們和控制其排放時浪費了更多能源。
為了實現2050年的預測，光伏和聚光太陽能裝置將需要46,000平方英里的土地。這個面積很大，但僅佔西南部適宜土地的19%。這些土地大部分是貧瘠的；沒有競爭的使用價值。而且土地不會被汙染。我們假設到2050年，只有10%的太陽能容量將來自分散式光伏裝置——那些位於全國各地的屋頂或商業用地上。但是隨著價格下降，這些應用可能會發揮更大的作用。
2050年及以後
儘管不可能準確預測50年或更久以後的情況，但作為展示太陽能全部潛力的練習，我們構建了一個2100年的情景。到那時，根據我們的計劃，能源總需求（包括交通運輸）預計將達到140萬億英熱單位，是當今發電能力的七倍。
為了保守起見，我們再次估算了在西南部歷史上最惡劣的太陽輻射條件下（根據1961年至2005年國家太陽輻射資料庫的記錄，這種情況發生在1982-1983年的冬季以及1992年和1993年皮納圖博火山爆發之後）需要多少太陽能電站容量。我們再次假設，即使幾乎可以肯定在80年內，正在進行的研究將提高太陽能效率、成本和儲存，但2020年以後不會有任何進一步的技術和成本改進。
在這些假設下，美國的能源需求可以透過以下容量來滿足：2.9太瓦（TW）的光伏電力直接輸送到電網，另有7.5太瓦用於壓縮空氣儲存；2.3太瓦的聚光太陽能發電廠；以及1.3太瓦的分散式光伏裝置。供應將透過1太瓦的風力發電場、0.2太瓦的地熱發電廠和0.25太瓦的生物質生產燃料來補充。該模型包括0.5太瓦的地熱熱泵，用於直接建築物供暖和製冷。太陽能系統將需要165,000平方英里的土地，仍然小於西南部合適的可用面積。
到2100年，這種可再生能源組合可以產生美國100%的電力和超過90%的美國總能源。在春季和夏季，太陽能基礎設施將產生足夠的氫氣，以滿足超過90%的交通燃料需求，並將取代用於輔助壓縮空氣渦輪機的一小部分天然氣供應。增加480億加侖的生物燃料將覆蓋剩餘的交通能源。與能源相關的二氧化碳排放量將比2005年水平降低92%。
誰來支付？
我們的模型不是一項緊縮計劃，因為它包括每年1%的需求增長，這將維持類似於今天的，透過預期的能源生產和使用效率提高的生活方式。也許最大的問題是如何支付國家能源基礎設施4200億美元的全面改造費用。最常見的想法之一是碳稅。國際能源機構建議，每噸煤炭徵收40至90美元的碳稅，才能促使發電商採用碳捕獲和儲存系統來減少二氧化碳排放。該稅相當於將電價提高每千瓦時1至2美分。但我們的計劃成本更低。4200億美元可以透過每千瓦時0.5美分的碳稅產生。鑑於今天的電價通常為每千瓦時6至10美分，每千瓦時增加0.5美分似乎是合理的。
國會可以透過採納國家可再生能源計劃來建立財政激勵措施。考慮一下美國農場價格支援計劃，該計劃以國家安全為理由而得到辯護。太陽能價格支援計劃將確保國家的能源未來，這對國家的長期健康至關重要。補貼將從2011年到2020年逐步部署。按照標準的30年回報間隔，補貼將在2041年至2050年結束。高壓直流輸電公司將不必獲得補貼，因為它們將像現在為交流線路融資一樣為線路和換流站的建設融資，並透過輸送電力賺取收入。
儘管4200億美元是巨大的，但年度支出將低於當前的美國農場價格支援計劃。它也低於過去35年中為建設該國高速電信基礎設施而徵收的稅收補貼。它還使美國擺脫了由國際能源衝突驅動的政策和預算問題。
如果沒有補貼，太陽能宏偉計劃是不可能實現的。其他國家也得出了類似的結論：日本已經在建設大型補貼太陽能基礎設施，德國已經啟動了全國性計劃。儘管投資很高，但重要的是要記住，能源來源陽光是免費的。沒有像煤炭、石油或核電那樣的年度燃料或汙染控制成本，壓縮空氣系統中天然氣的成本也很低，儘管氫氣或生物燃料也可以取代它。當燃料節省被考慮在內時，太陽能在未來幾十年內的成本將是一筆劃算的買賣。但我們不能等到那時才開始擴大規模。
批評人士提出了其他擔憂，例如材料限制是否會扼殺大規模安裝。隨著快速部署，可能會出現暫時的短缺。但是存在幾種使用不同材料組合的電池型別。更好的加工和回收也在減少電池所需的材料量。從長遠來看，舊的太陽能電池在很大程度上可以回收成新的太陽能電池，從而將我們的能源供應圖景從可耗盡的燃料轉變為可回收的材料。
實施可再生美國能源系統的最大障礙不是技術或金錢，而是公眾缺乏對太陽能是一種切實可行的替代方案——並且可以為交通運輸提供燃料——的認識。有遠見的思想家應該嘗試啟發美國公民及其政治和科學領導人，讓他們瞭解太陽能的巨大潛力。一旦美國人意識到這種潛力，我們相信對能源自給自足的渴望以及減少二氧化碳排放的需求將促使他們採納國家太陽能計劃。