Faits:
A. Les Services Industriels de Genève sont propriétaires de la parcelle n° 8217 du registre foncier de Collonge-Bellerive (GE), sise en zone à bâtir (zone villas; 5e zone) et sur laquelle est construite une station électrique. Le 22 décembre 2000, la société Orange Communications SA (ci-après: Orange) a déposé une demande d'autorisation de construire visant à installer des équipements de téléphonie mobile sur cette parcelle. Le Département de l'aménagement, de l'équipement et du logement du canton de Genève (appelé aujourd'hui Département des constructions et des technologies de l'information, ci-après: le département) a traité cette demande par voie de procédure accélérée et il a accordé l'autorisation sollicitée par décision du 26 juillet 2001. Cette autorisation a été annulée par arrêt du 21 janvier 2003 du Tribunal administratif du canton de Genève, au motif qu'une requête en procédure ordinaire était nécessaire.
Suite à cet arrêt, Orange a déposé une nouvelle demande le 4 juillet 2003. Le projet définitif consiste à fixer sur la station électrique existante un mât d'une hauteur de 19 m, supportant deux antennes combinées ayant chacune une puissance de 1280 watts pour le GSM 1800 et de 880 watts pour l'UMTS. Les commissions et services compétents ont donné des préavis favorables. Seule la commune de Collonge-Bellerive a émis un préavis négatif. Par décision du 30 novembre 2005, publiée dans la Feuille d'avis officielle du canton de Genève du 5 décembre 2005, le département a délivré l'autorisation de construire requise.
B. Cette décision a été contestée devant la commission cantonale de recours en matière de constructions, notamment par A._ et consorts. La commission précitée a rejeté les recours par décision du 1er septembre 2006. Les personnes susmentionnées ont recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif, qui a rejeté leur recours par arrêt du 20 novembre 2007. Cette autorité a considéré en substance que les conditions de l'octroi d'une dérogation au sens de l'art. 26 al. 1 de la loi d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire (LaLAT; RS/GE L 1 30) étaient réunies: l'implantation des antennes à l'endroit choisi était justifiée par les circonstances et le voisinage n'avait pas à subir d'inconvénients graves du fait de ces installations. Par ailleurs, le département n'avait pas abusé de son pouvoir d'appréciation concernant la clause d'esthétique contenue à l'art. 15 de la loi cantonale sur les constructions et les installations diverses (LCI; RS/GE L 5 05). Enfin, les antennes litigieuses n'étaient pas soumises aux prescriptions relatives à la hauteur des constructions, dès lors qu'elles ne devaient pas être considérées comme des constructions indépendantes.
C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ et consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt. Ils se plaignent d'une violation de l'art. 3 de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700) et d'une application arbitraire (art. 9 Cst.) de diverses dispositions de droit cantonal. Ils requièrent en outre l'octroi de l'effet suspensif. Le Tribunal administratif se réfère aux considérants de son arrêt. La commune de Collonge-Bellerive a renoncé à formuler des observations. Orange Communications SA et le département se sont déterminés; ils concluent au rejet du recours.
D. Par ordonnance du 7 février 2008, le Président de la Ire Cour de droit public a accordé l'effet suspensif au recours.
Considérant en droit:
1. Le Tribunal fédéral examine d'office et librement la recevabilité des recours qui lui sont soumis (ATF 133 I 206 consid. 2 p. 210; 132 I 140 consid. 1.1 p. 142; 130 I 312 consid. 1 p. 317 et les arrêts cités).
1.1 La voie du recours en matière de droit public, au sens des art. 82 ss de la loi sur le Tribunal fédéral (LTF; RS 173.110) est ouverte contre une décision portant sur l'octroi d'une autorisation de construire des antennes de téléphonie mobile (ATF 133 II 409 consid. 1.1 p. 411). Selon l'arrêt attaqué, la plupart des recourants habitent à l'intérieur du rayon fixé par la jurisprudence pour leur reconnaître la qualité pour agir (ATF 128 II 168 consid. 2.3 p. 171; arrêt 1A.78/2003 du 20 juin 2003 consid. 2.2 in DEP 2003 p. 697). Ils sont donc touchés plus que quiconque dans leurs intérêts dignes de protection et sont habilités à recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF (cf. ATF 133 II 249 consid. 1.3.1 p. 252). La qualité pour recourir des voisins les plus éloignés de l'installation litigieuse peut dès lors demeurer indécise.
1.2 Les recourants n'ont formulé qu'une conclusion cassatoire, alors que le recours en matière de droit public - contrairement au recours de droit public (art. 84 ss OJ) - n'est pas un recours en cassation mais un recours en réforme (art. 107 al. 2 LTF; cf. ATF 133 III 489 consid. 3.1). Il ressort cependant clairement de leur mémoire que les recourants entendent demander également l'annulation de l'autorisation de construire délivrée le 30 novembre 2005. Comprise dans ce sens, leur conclusion cassatoire ne s'oppose pas à l'entrée en matière sur le recours.
1.3 Pour être recevables, les griefs présentés au Tribunal fédéral doivent être motivés et exposer au moins succinctement en quoi l'acte attaqué viole le droit (art. 42 al. 2 LTF). Le grief relatif à l'art. 3 LAT ne respecte pas ces exigences. Les recourants se bornent en effet à reproduire partiellement le texte de cette disposition avant d'affirmer de manière générale que les principes qu'elle contient n'ont pas été "retenus" par le Tribunal administratif, sans expliquer concrètement en quoi le droit fédéral aurait été violé. Ce moyen est donc irrecevable.
1.4 Pour le surplus, interjeté en temps utile contre une décision finale prise en dernière instance cantonale non susceptible de recours devant le Tribunal administratif fédéral, le recours est recevable au regard des art. 86 al. 1 let. d, 90 et 100 al. 1 LTF.
2. Les recourants font grief au Tribunal administratif d'avoir appliqué de manière arbitraire diverses dispositions de droit cantonal. Ces moyens sont recevables au regard de l'art. 95 let. a LTF, l'application du droit cantonal pouvant être constitutive d'une violation du droit fédéral, telle que l'interdiction de l'arbitraire. Sur ce point, la loi sur le Tribunal fédéral n'apporte aucun changement à la cognition du Tribunal fédéral qui prévalait sous l'angle de la loi fédérale d'organisation judiciaire (cf. Message concernant la révision totale de l'organisation judiciaire fédérale du 28 février 2001, FF 2001 p. 4133).
Appelé à revoir l'interprétation d'une norme sous l'angle restreint de l'arbitraire (pour une définition de l'arbitraire, cf. ATF 133 I 149 consid. 3.1 p. 153), le Tribunal fédéral ne s'écarte de la solution retenue par l'autorité cantonale de dernière instance que si celle-ci apparaît insoutenable, en contradiction manifeste avec la situation effective, adoptée sans motifs objectifs et en violation d'un droit certain. En revanche, si l'application de la loi défendue par l'autorité cantonale ne s'avère pas déraisonnable ou manifestement contraire au sens et au but de la disposition ou de la législation en cause, cette interprétation sera confirmée, même si une autre solution - éventuellement plus judicieuse - paraît possible (ATF 133 II 257 consid. 5.1 p. 260 s. et les arrêts cités).
3. Dans un premier grief, les recourants se plaignent d'une application arbitraire de l'art. 26 al. 1 LaLAT, réglant l'octroi de dérogations en zone à bâtir. Aux termes de cette disposition, lorsque les circonstances le justifient et s'il n'en résulte pas d'inconvénients graves pour le voisinage, le département des constructions et des technologies de l'information peut déroger aux dispositions des articles 18 et 19 LaLAT quant à la nature des constructions. L'art. 18 LaLAT prévoit que le territoire du canton de Genève est réparti en différentes zones. L'art. 19 al. 3 LaLAT définit la 5e zone comme étant une zone résidentielle destinée aux villas, des exploitations agricoles pouvant également y trouver place.
3.1 Le Tribunal administratif a estimé que le droit cantonal applicable ne permettait de délivrer l'autorisation de construire que moyennant une dérogation au sens de l'art. 26 al. 1 LaLAT. Dans sa détermination, le département relève cependant qu'une dérogation n'était pas nécessaire, dans la mesure où l'installation litigieuse devait être considérée comme une infrastructure, admissible dans la zone villas concernée. Il est vrai que l'on peut s'interroger sur l'opportunité de recourir à une dérogation pour autoriser l'installation de téléphonie mobile litigieuse. L'octroi d'une dérogation suppose en effet une situation exceptionnelle et ne saurait devenir la règle, à défaut de quoi l'autorité compétente pour délivrer les permis de construire se substituerait au législateur cantonal ou communal par le biais de sa pratique dérogatoire (ATF 112 Ib 51 consid. 5 p. 53). Cela étant, les autorisations de construire dans les zones à bâtir sont régies par le droit cantonal, que le Tribunal fédéral n'examine en principe que sous l'angle de l'arbitraire. La question de savoir si la voie de la dérogation était ou non justifiée en l'espèce peut donc demeurer indécise, ce d'autant plus que le recours ne porte pas sur ce point. Il y a donc lieu d'examiner uniquement si le droit cantonal régissant la dérogation a été appliqué de façon arbitraire.
3.2 Les recourants soutiennent que l'octroi d'une dérogation n'était pas justifiée par les circonstances au sens de l'art. 26 al. 1 LaLAT, car l'installation litigieuse ne serait pas nécessaire à l'établissement d'un réseau de communication adéquat. Se référant au site internet de la société intimée, ils affirment que le territoire de la commune de Collonge-Bellervie bénéficie d'une couverture plus que suffisante. Dans sa réponse, l'intimée expose que les cartes présentées sur son site internet sont "des supports commerciaux qui ne peuvent pas être utilisés de façon fiables pour une étude technique" et que la couverture réelle ressort du rapport technique du 10 avril 2006 déposé devant la commission cantonale de recours en matière de constructions, qui démontrerait le besoin d'amélioration de la couverture GSM et UMTS
3.3 Le Tribunal administratif a considéré qu'une dérogation était justifiée par les circonstances au sens de l'art. 26 LaLAT, dans la mesure où l'installation d'une antenne de téléphonie mobile à l'endroit choisi par l'intimée répondait à l'intérêt public d'établir un réseau de communication adéquat. Il est vrai que l'arrêt attaqué est pour le moins succinct sur ce point, puisqu'il se réfère uniquement à "l'instruction de la cause" et aux "circonstances", mais les recourants n'invoquent pas un défaut de motivation au sens de l'art. 29 al. 2 Cst. Il ressort au demeurant du rapport technique susmentionné que l'implantation d'antennes supplémentaires sur le territoire de la commune de Collonge-Bellerive répond à un certain besoin en termes de couverture, de sorte que les cartes inexactes publiées par l'intimée sur internet à des fins publicitaires n'apparaissent pas déterminantes. Les recourants ne sauraient dès lors se fonder sur ce seul élément pour démontrer que les installations litigieuses n'étaient pas justifiées par les circonstances.
Quoi qu'il en soit, l'appréciation des autorités compétentes à cet égard n'apparaît pas d'emblée insoutenable ni en contradiction manifeste avec la situation effective. Il est en effet établi que la solution alternative consistant à regrouper les antennes des différents opérateurs sur les pylônes du stade communal n'est plus envisageable et aucun autre emplacement possible ne ressort du dossier. Dans l'appréciation des circonstances du cas d'espèce, il n'y a donc pas de raisons de remettre en cause l'intérêt public lié à la nécessité d'assurer une couverture adéquate du réseau de téléphonie mobile, qui découle de l'art. 92 al. 2 Cst. et de l'art. 1er al. 1 et 2 de la loi fédérale sur les télécommunications (LTC; RS 784.10). Dans ces conditions, l'art. 26 al. 1 LaLAT n'a pas été appliqué d'une manière qui puisse être qualifiée d'arbitraire au sens de la jurisprudence précitée, de sorte que ce premier moyen doit être rejeté.
4. Les recourants invoquent également une application arbitraire des art. 61 et 69 LCI, relatifs à la hauteur des constructions et aux distances. Ils reprochent au Tribunal administratif d'avoir considéré à tort que ces prescriptions n'étaient pas applicables à l'installation litigieuse. La LCI règle le gabarit de hauteur des constructions (section 2; art. 60 à 66) et le rapport des constructions avec les limites de propriété (section 3; art. 67 à 71). Ces dispositions ne définissent pas précisément le type de constructions qui est visé. Une interprétation littérale révèle cependant qu'à première vue seuls sont concernés les bâtiments, à savoir les constructions comportant des façades et un toit. En effet, le gabarit est défini en fonction de la "ligne verticale de façade" (art. 60 al. 1), du "nombre d'étages" (art. 61 al. 1) et de la "dalle de couverture". De plus, le législateur évoque les "faces" des constructions et leurs "murs" (art. 60 al. 2), leurs "toitures" (art. 64), leur "toit" ou leur "terrasse" (art. 65). Dans ces conditions, en l'absence d'éléments permettant de retenir une interprétation différente, il n'apparaît pas d'emblée que les dispositions en cause s'appliquent à des installations telles qu'un mât supportant des antennes de téléphonie mobile. En considérant que l'installation litigieuse n'était pas soumise à ces règles, le Tribunal administratif n'a dès lors pas fait preuve d'arbitraire au sens de la jurisprudence susmentionnée.
5. Enfin, les recourants se prévalent d'une application arbitraire de l'art. 15 LCI, qui prévoit notamment que le département peut interdire ou n'autoriser que sous réserve de modification toute construction qui, par ses dimensions, sa situation ou son aspect extérieur nuirait au caractère ou à l'intérêt d'un quartier, d'une rue ou d'un chemin, d'un site naturel ou de points de vue accessibles au public (al. 1).
5.1 Il y a lieu de constater avec le Tribunal administratif que cette disposition renferme une clause d'esthétique. Sous l'empire de l'ancienne loi fédérale d'organisation judiciaire, la jurisprudence considérait que les voisins du projet contesté ne pouvaient pas invoquer une telle clause car elle visait exclusivement à protéger l'intérêt public et non pas leur intérêt de voisins, même accessoirement (ATF 118 Ia 232 consid. 1b p. 235 et les arrêts cités). Cette jurisprudence concernait la recevabilité du recours de droit public (art. 84 ss OJ), pour lequel on exigeait un intérêt juridiquement protégé (cf. notamment ATF 133 I 206 consid. 2.1 p. 210; 129 I 217 consid. 1 p. 219). Or, dans la mesure où un tel intérêt n'est pas exigé pour former un recours en matière de droit public (art. 89 al. 1 LTF), les griefs relatifs à l'esthétique peuvent en principe être présentés dans ce cadre. Il n'en demeure pas moins que les prescriptions en question doivent avoir une influence sur la situation du voisin qui s'en prévaut, les recours formés dans l'intérêt général ou dans l'intérêt d'un tiers demeurant irrecevables (ATF 133 II 249 consid. 1.3.2 p. 253).
En l'espèce, le projet litigieux est constitué d'un mât d'une hauteur de 19 m supportant deux antennes de téléphonie mobile. Les recourants ont un intérêt digne de protection à pouvoir critiquer ce projet sous l'angle de l'esthétique, dans la mesure où cette installation imposante serait érigée dans leur quartier et dès lors qu'elle serait bien visible depuis les parcelles de plusieurs d'entre eux. Leur grief est donc recevable.
5.2 Le Tribunal fédéral fait preuve de retenue dans l'appréciation des circonstances locales, notamment lorsqu'il s'agit d'examiner l'application de clauses d'esthétique. Dans ces domaines, les autorités locales disposent donc d'un large pouvoir d'appréciation (cf. ATF 129 I 337 consid. 4.1 p. 344 et les références; arrêt 1P.678/2004 du 21 juin 2005 consid. 4, publié in ZBl 107/2006 p. 430). En l'occurrence, le Tribunal administratif a confirmé l'appréciation de la commission cantonale de recours en matière de constructions selon laquelle le département qui a délivré le permis de construire n'avait pas abusé de son pouvoir d'appréciation en matière d'esthétique. Il a relevé que cette commission était formée en partie de spécialistes et que l'autorité compétente pouvait s'appuyer sur le préavis positif de la commission d'architecture, elle aussi composée de spécialistes. Dans ces conditions - et compte tenu du fait que tant la commission de recours que le Tribunal administratif ont procédé à des inspections locales - les recourants devaient à tout le moins présenter des éléments concrets contredisant clairement l'appréciation des autorités précitées. Or, ils se bornent pour l'essentiel à exposer leur propre appréciation, en rappelant que l'installation serait érigée dans une zone résidentielle et en relevant qu'elle ne serait que partiellement cachée par la végétation. Pour le surplus, sur le vu du dossier il n'apparaît pas que le quartier présente des caractéristiques nécessitant une protection particulière. Les recourants reconnaissent d'ailleurs que le bâtiment des services industriels sur lequel sera fixé le mât supportant les antennes litigieuses est déjà en lui-même "inesthétique et mal intégré". En définitive, les recourants ne démontrent pas en quoi l'arrêt attaqué consacrerait une appréciation manifestement insoutenable des circonstances et il y a lieu de constater que l'art. 15 LCI n'a pas été appliqué de façon arbitraire.
6. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté, dans la mesure de sa recevabilité. Les recourants, qui succombent, doivent supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF). Il n'y a pas lieu d'accorder des dépens à l'intimée, qui n'a pas eu recours à un avocat (art. 68 al. 1 et 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté, dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3000 fr., sont mis à la charge des recourants.
3. Il n'est pas alloué de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué au mandataire des recourants, à l'intimée, à la Commune de Collonge-Bellerive, au Département des constructions et des technologies de l'information et au Tribunal administratif du canton de Genève.
Lausanne, le 15 avril 2008
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Féraud Rittener