利用太阳能取暖可通过被动系统实现，即简单地让可见光和物体相互作用即可。如果被照射物体表面呈暗色，则说明它反射的入射光很少，那么物体表面没反射的光则通过光子和构成物质的原子相互作用而被物体吸收。光子与原子相互作用时，释放了一部分能量，加速了原子的运动，从亚微观角度看，一个物体的热量等于原子颗粒的动能，随着原子运动减弱，能量主要以较低水平的红外线辐射形式向周围释放，这便是我们感觉到的热。所有被动太阳能系统或太阳能加热设计中都采用了将光转为热的天然工艺，这种方法只需要一个暗色的大面积集光器，从而最大限度地将光转换成热，然后这部分热量只能也必须储存或输送到使用地点。
热量可能不是最终所需要的能量形式，但可以是转换成电力的一个步骤。用太阳能发电时，太阳辐射在入射光收集器上聚焦，将载热流体（一般是水）加热至沸腾点，产生的蒸汽可以驱动透平发电。不同的太阳能转换工艺，最重要的是要看转换成最终使用能量形式之前，需要多少转换步骤，因为每一步转换都会发生效率损失。对于太阳能热电转换来说（STEC），可见光先转换成热量，热量产生动能驱动透平，然后再发电做有用的功。这种多步骤的转换工艺无法达到最大的净效率。
光电应用
光子与电子云相互作用使一部分电子活跃起来，移动得更迅速，结果跳出其稳定的运行轨道。如果是半导体，电子跳出其轨道后，该轨道的几何特性使其形成一个导电带，此时如果有电压单位穿过半导体，电子就会流动产生弱电流。（该原理在“获取能源”一章中有详细描述。）
太阳能热电转换
光可以自然转换成物质中的热（即物质吸收光），这种转换可以产生蒸汽用来发电。聚光有助于这种工艺，因为聚光可以提高其强度，可以用镜子反射将日光聚至某一中心点或中心线，在焦点处，到达所有反射表面的太阳能都聚到能让水沸腾的那一点上。
STEC的另一种形式是动力塔（power tower），即将镜子置于地面，将光反射到塔顶，塔高可能超过120英尺。加州巴斯腾（Barstow）的一座装置采用这项技术可生产10兆瓦的电，虽然只相当于大型电站输出的1%，但也非常可观（注29）。
风力
多数现代的风力应用都是将动能转换成电。流过叶片的空气使叶片转动，旋转的叶片带动直流发电机产生电流（在本章电力部分将有详细描述），叶片驱动发电机的速度越快，产生的电量就越多。实际上，风力产生的电量是风速的指数（立方）函数，风速提高一倍，输出的电量的增长系数是八，一直达到风力透平的极限为止。
市场上出售的风力透平规范表明启动风速应在8～12英里／小时之间。怀俄明州的卡斯珀（Casper）的平均风速是12英里／小时，心理学研究表明，由于卡斯珀的平均风速异常大，这里的居民自杀率很高，不管这二者之间是否真的有因果关系，至少说明这样一个事实，即风力强的地方不太适宜居住。设想一下，平均风速为12英里／小时并不意味着透平可以持续不断地发电，即使是在卡斯珀，也有没风的时候，还有刮50英里／小时大风的时候。理论上，风速上升，透平的电输出应呈指数上升，但实际上，风力发电也有风速的极限范围。图4.1表明市场上的小型风力透平需要的启动速度在3～4英里／小时以上，但风速如果超过30～40英里／小时则出现功率损失（lose power），风速极高的情况下，风力透平会出现功率损失，理论上就丧失了达到最大电流输出的机会。
但风力发电仍不乏成功的例子。例如，在欠发达国家或偏远地区，能买得起风力透平的人发现这种东西很可靠，也很实用，不用担心燃料供给的中断；某些地区，如加州南部的山脚下，居民区附近经常刮大风，因此就在那里投产了一座风力发电站，在当地的能源市场也占了一席之地，并取得了进展。
图4.1 居民区规模风力透平的功率输出资料来源：Bergey Windpower Co.， Norman， Oklahoma.
注：风速介于16～32英里／小时之间时，小规模透平发电达1000瓦以上，但风速较高和较低时，该曲线变化都很大。风力机械无法承受大于设计范围的风速所产生的应力，风速较高时，功率输出反而降低，这是因为透平设计方面的自卷特点风力发电是一种理想的能量载体，但存在严重的效率问题，风速低时效率尤其低。不过利用风力产生机械能的做法几个世纪以前就已取得了成功，这种利用低风速的技术也许值得再研究，因为其设备所需的旋转速度更慢、更安全。
风力发电的应用特点：慢而稳
有些工作需要的动力不是很大，但要保持一定的连续性，这类工作采用风力作动力已有好几百年，风力驱动纺车、锯木机及一些简单的加工设备，还有一些成功的例子如磨坊、水泵等，美国各地的农场里随处可见这种小型的风力设备，有好几千台。由于用电泵抽水更为方便，许多美国人的家庭财力又承担得起用电的费用，因此许多这种风力设备闲置起来。
风力运输
风力运输的历史已有数千年。有一些利用太阳能的汽车设计中包括了利用顺风风力部分，这项应用的技术含量很高，但在实际操作中却有很大问题。发达国家高速公路的交通模式需要做出什么样的改变才能让风力驱动的汽车适应？设想一下往来车辆升、降帆时的情景，有多少司机愿意手忙脚乱的随时调整车帆？接听手机也会受到影响。再设想一下，顺风速度一定要超过汽车的速度，事实上太阳能汽车大赛中，还没有哪种风助力的汽车表现出良好的性能，因此高速公路上采用风助力汽车不太可能。
最现实的例子就是帆船。帆船并没有因为蒸汽机船的出现而消亡，直到20世纪中叶，由于速度的原因才使帆船退出了历史舞台，贸易投资者要求的交货期不再以周计，而是以天计。其实，操作帆船虽然需要更多的船员，但可以节省大量的燃料，操作成本总体还是很低。如果将来可燃燃料的减少导致税费和价格上涨，风力也许能在国际能源舞台上扮演重要角色。
水力发电
现代多数的水利项目是用流水的动能发电，这些项目的规模一般都很大，以使整个项目的成本分摊到大量的能量产出中。现代河流水力项目一般都是建坝拦水，生成一个强大的直接流水静压头，该压头是指水柱的高度及由水的重量在柱底所产生的压力，进入透平的水压头越大，发电的能量也越大，所以超过500英尺高的大坝并不少见。水经过压头管线（直径达30英尺的大管线）流入透平，强大的水流流经透平室驱动叶片旋转，然后到达坝底，重新流入河床。
大坝除了提供产生大量能量的高压水头外，还是一个蓄水设施，坝后可储存大量的水，在原来河床周围形成几千英亩的水域；大坝还具备防洪调控功能，巨大的水库还可用于休闲娱乐。但由于要淹没大片土地形成水库，而且还要中断河流水流，环保和经济方面都有一定的代价，大型水利项目的益处因而打了折扣，这些问题在本书的最后两章中还要详细探讨，但这却引发了对重新开发小型水力项目的思考。小型水利项目的原理相同，但其水压头的水柱高度一般低于65英尺（注30），而不是像大型项目那样超过500英尺。世界银行的资料表明，规模经济使得千兆瓦规模的发电装置的发电成本只是小规模发电装置成本的三分之一，生产能力为1000兆瓦的装置与能力为50兆瓦的装置相比，其投建成本并没有高出20倍。再者，电线及其他输电基础设施的安装也是一大笔费用，装置的规模越大，分摊到每千瓦小时中的成本就越低。不过的确有研究表明，只有在50兆瓦或规模更小的发电装置中才会出现因规模较小带来的经济损失（注31）。
地热发电
和可燃燃料发电一样，地球内部产出的流体所携带的热量经蒸汽透平转换成电。在理想的地热储层中，水以过热蒸汽的形式储存在地下储层的孔隙及自然裂缝中，蒸汽经过透平室时膨胀，带动透平叶片，水在膨胀及带动叶片过程中消耗了大部分能量，做功后开始冷凝。
如果地热储层的温度不足以让水完全汽化，则可以采用沸点低于水的工作流体。由于入口和出口的温度差就代表了蒸汽透平所生产的能量，操作中采用低沸点的工作流体更有优势。此外，二次流体还可将产出水保持在密闭回路中使其无法进入大气，这样，水中溶解的有毒污染物也不会进入大气。不过，这种方式下，热传递效率不是100%，一些适于热动力的工作流体也引起一些环保问题，如毒性氨及破坏臭氧层的碳氟化合物等。