圖2.5全球日照分布資料來源:Mitre公司，摘自《全球能源:評估未來》。
本章要討論的主要問題是生產技術。首先要明確主動系統和被動系統的區別。主動系統涉及壹些人為幹預，使用設備將能量從收集點轉移到存儲或利用點，或者使用壹些設備將光能轉換成其他形式的能量(通常是電能)。被動式系統主要是壹種集熱器設計，它利用入射太陽能的光/熱。
主動太陽能
電能無疑是人類使用的最便捷、最多樣的能源，因此將太陽能轉化為電能是壹個高要求的過程。光電轉換和太陽能熱電轉換是兩種主要的方法。
有些技術(尤其是光電技術)可以使用散射光，有些則需要聚光。聚光的技術在雨天或霧天的早晨和傍晚受到限制，而轉換散射光的技術則沒有如此限制。日照分布圖在這兩種情況下都不合適，所以必須區分直接日照和間接日照。
壹般來說，越靠近赤道，季節交替對日照的影響越小；氣候越幹燥，到達地球的日照時間就越多。為了獲得太陽能，需要找到日照和需求可以協調的區域，需求曲線必須與日照曲線完全壹致，太陽能項目的設計必須充分考慮區域日照和需求特點。大多數太陽能熱電轉換(STEC)項目不適合潮濕的熱帶地區。雖然這些地區接受了大量的陽光，但雲和霧霾使陽光大多散光。
擴散促使人們尋找更強烈的太陽輻射源。由於大氣是擴散的主要原因，將太陽能收集器放置在大氣上方似乎是壹個合理的解決方案。壹種可能的方法是將壹顆衛星放入地球靜止軌道(始終面向地球上的基點)，衛星上有壹個巨大的太陽能收集器。衛星將收集的光轉化為微波輻射，並將其傳輸到表面的接收托盤。的確，衛星能接收到的太陽輻射比地面更廣，微波頻率輻射穿過大氣層時擴散也較弱。不過，這種獲取太陽能的方式在近期(到21世紀上半葉)似乎並不可行，而且衛星本身價格不菲。此外，上面提到的集熱器由光伏電池組成，仍然受限於低效的光電轉換，微波接收站和電站的成本也很高。至少從表面上看，衛星本身存在風險。在這種衛星收集器的配置中，必須對衛星進行跟蹤和瞄準，這比將波束對準地面接收站要求更高。如果衛星瞄準系統失靈，微波波段的強輻射是否會擴散到人口密集的地區？這種災難性故障帶來的風險會和核電站泄漏事故壹樣高嗎？
太陽能池是壹種收集太陽能的廉價方式。含鹽量高的水密度大，極鹹的水自然會出現鹽度梯度。所以在鹽飽和的池塘裏，吸收熱量後，底部的水並沒有像往常壹樣上升形成對流，陽光照射到池塘底部，加熱了底部的水。由於鹽度梯度，這些水仍然留在池塘底部，吸收更多的熱量，在水面和底部之間形成更大的溫度梯度，可以用來蒸發介質流體，驅動渦輪機。這種方法效率極低，但由於價格低廉，可能適合偏遠地區。即使在轉換效率只有2%的陽光充足的地區，如果每平方米接收的太陽光能達到500瓦，1000平方英尺的池塘的發電量也能達到106瓦(註23)。
被動式太陽能
從技術角度來說，光和熱是兩種不同的現象，可見光和熱是電磁輻射光譜的兩個不同部分(顧名思義，電是壹樣的，但到達地球的太陽輻射主要在光譜的光和熱區域)。所以被動式太陽能技術直接利用光和熱。發達國家常用的形式是供暖，被動式太陽能的設計在這方面起著重要的作用，尤其是在用熱高峰期日照充足的地區。
最古老和最流行的被動式太陽能設計形式是加熱和照明。開窗，即在建築物上設置門窗，可以追溯到最古老的建築。雖然人們需要遮風擋雨的地方，但保持居住環境的溫暖和充足的光線同樣重要。在黃金時代，希臘人在許多城市建造了可以利用陽光的建築，這些建築無壹例外都是朝南的。建築利用了冬季陽光入射角低的特點，在炎熱的夏季，屋檐可以阻擋強烈的陽光。中世紀以前，很多地區的窗戶只是壹個開口，真正的門或百葉窗應該是可以開閉的，以防止風雨或入侵者。雲母是壹種扁平透明的天然礦物，可能是最早獲得太陽能的窗口材料。它接收太陽輻射，阻止空氣流動。玻璃最早出現在中東(可能在公元前4或5世紀的敘利亞)，羅馬帝國出現了光滑的玻璃，逐漸演變成我們今天使用的高度透明的玻璃(註24)。因為玻璃窗可以把室內的熱量傳遞到外面，而外面的氣流會把熱量帶走，造成嚴重的熱量流失，20世紀下半葉，采用了雙層玻璃來解決這個問題。在設計窗戶時，目標是最大限度地利用陽光，減少熱量損失，這對於被動式太陽能技術的研發非常重要。壹些實驗研究人員，如落基山學院的Amory和Hunter Lovins，采取被動式太陽能技術與保護措施相結合的方法，聲稱已經實現了90%以上的太陽能供熱。這是發達國家潛力很大的領域。在這些國家，空間加熱是家庭能源的主要需求，它也有高質量的建築材料。
與供暖相關的是利用被動式太陽能進行水加熱，只需要將水管暴露在陽光下即可。如果所有美國人使用的熱水有10%是太陽能加熱的，在1990的需求水平上，可以滿足1.5%的家庭能源總需求(註25)。在美國所有新建築上安裝被動式太陽能加熱裝置只能滿足總能源需求的壹小部分，但節省的燃料量卻不容忽視。顯然，這些設計需要大量的隔熱保護措施。
在大多數低收入國家，室內取暖不是主要的能源需求，但烹飪是最重要的能源需求。同時，這些地方缺乏有效的建築材料，阻礙了被動太陽能加熱的潛力。幾個團體已經嘗試在這些地區引入太陽能爐竈來滿足這壹需求，但很少有成功的先例。有的是因為技術設計缺陷，有的是沒有充分考慮人的因素。在“能量轉換與應用”壹章中，我們將繼續討論按需設計時考慮人的因素的重要性，以及技術設計中可能出現的謬誤，尤其是在太陽能領域。本節主要內容是討論太陽能應用於烹飪的局限性:①烹飪的時間段；②需求的不確定性；③任務的直接性；④能量補充的難度。
被動式太陽能空間加熱和水加熱是獲取太陽能的方法，沒有太多的技術含量。
風力
以下需求強度低、持續時間長的任務長期使用風力，包括磨糧食、從井裏打水、從壹點到另壹點輸水、航海等等。擴大風能的利用自然轉向了發電。的確，對發電的需求是極其自然的。從消費者的角度來看，電有廣泛的用途。從技術角度來說，也需要風力發電。氣流磨的旋轉運動類似於發電機，但DC發電機需要高速旋轉，而傳統的氣流磨設計無法滿足這壹要求。風力發電渦輪機的效率是塔架高度和立方速度的函數。立方速度是個現實問題，也就是說如果風速增加壹倍，功率輸出會增加八倍。這說明如果平均風速高，非常適合發電。
風是壹種全球現象，但它的運行速度與地形和天氣有關。世界各地的風速如圖2.6所示，黑色陰影部分表示風力較大，適合安裝風力發電機。有幾個人口密集，風強度大的地方，突出了這樣的地方，意味著首先要考慮需求和資源的實用性。與太陽能壹樣，使用風能的另壹個探索性步驟是將季節性和每日風力模式與需求模式進行比較。
圖2.6全球風力分布資料來源:Mitre公司，摘自《全球能源:評估未來》。
常規的水力利用是通過流水的落差將勢能轉化為動能。它的勘探方法非常直接，只需要解決“哪裏有足夠的水頭和水流”的問題。20世紀中期，大型水電站項目是主流，但存在環境問題，於是註意力開始轉向小型水電應用項目。壹般來說，只要有河流或小溪快速流動的地方，就有水力應用的潛力。這樣就為尋找許多新的水力資源打開了大門，但同時也暗示著規模可能會退到幾個世紀前。在發達國家，水力勘探方面的努力可以投入到老式的水磨上，這些水磨在能源豐富廉價的時代就被拋棄了。壹些國際發展部門正在不發達國家尋找這樣的小場地。小型水力應用不需要可以驅動巨型渦輪機的大靜壓頭和水流速度，產生的功率與這兩個因素成正比。在世界範圍內，不可能新建壹些大型水利工程，即使實施了很多小型工程，提供的總能量也不是很高。
水力利用的主要限制因素是長距離能源運輸困難。水磨產生的機械力必須現場使用；水力發電，雖然遠距離輸送也會造成高效率損失，但應用範圍廣，機動性強，超高壓系統可以解決效率損失問題。如果超導材料能夠快速發展，輸電損耗可以大大降低，偏遠地區的水力發電就有潛力。比如北美的阿拉斯加和加拿大北部有大量已知未開發的水電資源，但傳輸距離幾乎相當於越洋傳輸。如果高效傳輸成為可能，這部分資源就可以成為儲備。
獲取水力資源
流水的動能必須通過機械能來獲得，機械能可以轉化為有用功，也可以轉化為中間的能量載體，大部分時間是電能。最早的利用流水能量的原理和現代的水力發電原理沒有本質區別。
2000多年前出現了第壹輛水車——鬥輪。它在河上安裝了壹個輪子，輪子的圓周上連接著多個水桶。輪子底部的水桶裝滿水後，流水帶動輪子轉動，下壹個水桶轉到底部灌溉。裝滿水的水桶依次被帶到輪頂，水被倒入槽型的水渠，流向使用點。在這之後不久，出現了壹種齒輪磨，也就是維特魯威磨，可以改變軸和轉速。據悉，事實上，磨坊主極其不願意使用這種齒輪磨，因為他們不想將他們的作坊搬到河邊，但最終，這種新能源贏了。到公元6世紀，這種水車在西歐已經隨處可見(註26)。
這種變化從水磨到水力發電相當直接。同類輪子只是把水桶換成葉片，在水的沖擊下轉動，帶動谷物碾磨機或渦輪，其技術原理和工藝是壹樣的。水必須由水閘(運河)引導，但水閘支撐著水輪或水輪機，保證水的動力能傳遞給水輪或水輪機，而不是向四周擴散。壹般會建壹個堤壩來阻擋壹部分流動的水，這樣流經轉輪或渦輪的水頭就會增加。水頭(水柱的高度)決定了水滴底部單位面積所受的壓力或作用力，即水流過轉輪或平時所受的力。即使水流很快，可轉化為機械能的水頭也只是轉輪或渦輪頂部與底部之間的瞬間落差。大壩的作用是將沿河流長度的高度差集中在壹點。
波浪和潮汐能
波浪和潮汐中有巨大的能量流，對這種資源的勘測也可以通過直接觀測來完成。在沿海地區自然地利用波浪和潮汐能，實際上有許多著名的項目。天氣條件、大陸架和海岸的坡度都可以決定平均的波浪活動，但因為可以直接觀測，所以不需要根據這些條件來推斷實際資源的潛力，問題是如何從波浪和潮汐中獲取能量。
潮汐發電可以采用與水力發電相同的技術。荷蘭人早在幾個世紀前就開始利用潮汐能，他們的方法也是修築堤壩和運河來止水，用水流驅動水車或渦輪機。漲潮的時候把運河灌滿，水就停在運河裏，只有經過水輪機才能排到退潮的海水裏。加拿大新斯科舍省的芬迪灣以漲潮著名，漲潮能產生大頭。目前運行時間最長的潮汐水電項目是法國的蘭斯項目。
波浪發電不適合大壩止水，需要開發新技術。因為電是所需能量的載體，關鍵是將海浪的不穩定運動轉化為旋轉運動。該方法是在浮子系統中安裝流體室。當海浪起伏浮子時，流體可以通過渦輪機從高到低流動。
地熱能
地熱能在地下無處不在，所以只要在地表附近找到地熱溫度異常高的區域，就能看到大量已經被利用的地熱能。溫泉、間歇泵、噴水孔、火山等。所有這些都表明熔巖侵入了上地殼，在這個過程中攜帶了巨大的熱量。地熱勘探鉆井就是尋找靠近地表熱源的高孔隙度、高滲透率的地層。水層已經包含了大量的熱量，由於接近地表，可以有效地產生熱量。在早期的勘探鉆井中，只鉆了幾百英尺來確定地表附近的地熱梯度。鉆完井技術借鑒了油田鉆完井技術，但為了解決高溫問題，改變了設計。所鉆的巖層溫度壹般在400°F以上，高到足以熔化電路，因此需要壹種適用於惡劣環境的特殊測井儀器。
地熱生產
高溫使鋼膨脹，所以完井需要特別註意。壹口3000英尺深的地熱井在生產過程中可以將頂部管接頭推出地面幾英尺，即使膨脹率非常低(預膨脹管不適合，因為它會在停產期間冷卻和收縮。如果井口被吸到地下，同樣尷尬)。解決這個問題的典型方法是使用膨脹環和膨脹腿，它們安裝在井口和現場的生產管線上，所以妳會看到壹個過山車壹樣的管線，它在膨脹或收縮時不會推拉固定觸點。
產生的蒸汽被輸送到渦輪機來發電。地熱勘探和生產中的主要問題是熱損失，熱損失不可避免地會發生在井筒和地面管網中。保溫措施可以起到壹定的作用，但還遠遠不夠完善。因此，井受到熱損失和新井與地熱發電廠之間距離的限制。為了克服這壹困難，有必要開發超級絕緣體。
開環和閉環生產系統
因為產出的蒸汽可能含有汙染物，並且連續生產需要維持地熱儲層的生產壓力，所以產出的流體通常被回註。揮發性流體被泵入熱水中形成熱交換器，可以大大減少溶解在地熱鹵水中的汙染物的溢出。這壹過程可以在地下完成，即使儲層中鹽水的溫度不夠高，其產生高質量蒸汽的潛力也大大增強。
地熱儲類型
常規地熱開發的另壹個限制因素是如何在地表熱源附近找到壹個高孔隙度、高滲透率的地層(地熱儲層)。該領域最近的工作是通過開發不同類型的儲層來尋求利用地熱能的潛在途徑，這被稱為“幹熱巖地熱項目”。具體方法是壓裂熱巖石，註入水，或者註入其他介質流體，然後輸出註入的流體。如果這種方法成功，地熱產業將會有質的飛躍。目前看來這項技術前景樂觀，因為它是建立在現有成功技術的基礎上的，油田壓裂技術發展很快。向孔隙多、滲透性強的地層註水無疑是可行的，但向滲透性強的巖石註水卻很困難。目前最重要的問題是壓裂的連通性和控制性是否足夠，裂縫需要良好的連通性來保證滲透率。最理想的方法是模仿油田註水，壹口井註水，另壹口井產液。這種方法既能建立和維持連續的壓力梯度，又能使流體按要求的方向運動，還能使註入的流體與熱巖石大面積接觸，停留時間長，傳熱充分。為了使註入水從壹口井到達另壹口井，滲流路徑必須完全連通，同時，這些路徑必須不漏，以防止註入流體通過裂縫漏入其他層位。
這些問題可以通過改進現有技術來解決。幹熱巖項目可用於研究油氣田開發中已被證明不可行的壹種增產方法:用核爆炸壓裂地層。犁鏵項目是由油氣田的氣車項目改造而來的。與氣車項目相比，犁鏵項目有其自身的優勢。它的放射性更多的是在地下，是用熱交換流體產生的。放射性鹽水處於封閉狀態，熱交換流體也保持在封閉系統中，防止其溢出到大氣中。核壓裂的基本思想是通過巨大的爆炸力可以使壹部分巖石液化氣化，在井筒附近形成空腔，同時地震波在儲層中傳播使儲層發生壓裂。這項技術有壹定的前景，但高熱可能會使洞穴表面的巖石變得光滑，產生不可滲透的屏障。而plow項目對壓裂的控制要求沒有油氣作業那麽嚴格，因為這個項目的目的是產熱，而不是特定的地層流體。
海洋熱電轉換(OTEC)
與地熱項目類似，OTEC項目利用了海水表面和深海之間的溫差。在OTEC項目中，海面溫度可以使流體汽化，然後將流體泵入導管，導管延伸到海水中，低溫海水使流體冷凝，因此海洋實際上充當了熱交換器的角色。項目的第壹步是繪制壹張海流圖，以確定熱液梯度大的地區。與地熱項目類似，導管的熱損失是主要的限制因素，所以要尋找的目標是:海面以下水溫低的淺水區。