thumb|right|240px|Sistema de energía solar térmica para el calentamiento de agua en Santorini, Grecia.
La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente, puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío, con el que se puede acondicionar el aire de los locales. También puede utilizarse en la agricultura, para los invernaderos solares o los secaderos agrícolas. Por último, pueden utilizarse también en plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible.
Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura. Los colectores de baja temperatura, generalmente, son placas planas usadas para calentar agua. Los colectores de temperatura media también, usualmente, son placas planas usadas para calentar agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar usando espejos o lentes y, generalmente, son usados para la producción de energía eléctrica. La energía solar térmica es diferente y mucho más eficiente que la energía solar fotovoltaica, la que convierte la energía solar directamente en electricidad. Mientras que las instalaciones generadoras proporcionan solo 600 megavatios de energía solar térmica a nivel mundial a octubre de 2009,De acuerdo al Dr. David Mills de Ausra. otras centrales están bajo construcción por otros 400 megavatios y se están desarrollando otros proyectos de energía termosolar de concentración por un total de 14 gigavatios. Agua caliente sanitaria (ACS)
thumb|280px|Generación de agua caliente con una instalación de circuito cerradoEn cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios (también llamada «agua de manos»), hay dos tipos de instalaciones de los comúnmente llamados calentadores: las de circuito abierto y las de circuito cerrado. En las primeras, el agua de consumo pasa directamente por los colectores solares; este sistema reduce costos y es más eficiente (energéticamente hablando), pero presenta problemas en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, así como en zonas con alta concentración de sales minerales que acaban obstruyendo los conductos de los paneles. En las instalaciones de circuito cerrado se distinguen dos sistemas: flujo por termosifón y flujo forzado. Los paneles solares térmicos tienen un muy bajo impacto ambiental.
Este tipo de energía podría ayudar a la reducción de más del 25 % del consumo de energía convencional en viviendas de nueva construcción, con la consiguiente reducción de quema de combustibles fósiles y deterioro ambiental. La obtención de agua caliente supone en torno al 28 % del consumo de energía en las viviendas.
Israel fue pionero en la adopción masiva de calentadores solares de agua. Desde principios de la década de 1980, la normativa de edificación exige sistemas solares térmicos en la mayoría de las viviendas nuevas; el resultado ha sido una de las penetraciones residenciales más altas del mundo y un ahorro estructural de combustibles fósiles para agua caliente sanitaria. El caso israelí se cita con frecuencia como ejemplo de política pública que convierte una tecnología ya conocida (el colector plano) en infraestructura cotidiana, más que como invención del calentador solar.
Calefacción y frío solar
La energía solar térmica puede utilizarse para dar apoyo al sistema convencional de calefacción (a gas o eléctrica) mediante colectores solares térmicos y tanques de almacenamiento («boiler»), apoyo que, habitualmente, consiste entre el 10 % y el 40 % de la demanda energética de la calefacción, de acuerdo al nivel de aislación de la construcción. Para ello, la instalación o caldera ha de contar con intercambiador de placas, (que permitirá conectar el sistema de calefacción solar con la caldera) y un regulador (que dé prioridad en el uso del agua caliente para ser empleada en agua de manos). alt=Calefacción y ventilación solar|miniaturadeimagen|Calefacción y ventilación solar
La calefacción es la aplicación más evidente, pero también es posible lograr la climatización o refrigeración solar —tanto para edificios individuales como para redes de refrigeración urbana— mediante el uso de enfriadoras (bombas de calor) de absorción o adsorción accionadas por calor. Existe una coincidencia favorable: cuanto mayor es el calor motriz generado por la radiación solar, mayor es la capacidad de refrigeración obtenida. En 1878, Augustin Mouchot fue pionero en la refrigeración solar al producir hielo utilizando una máquina de vapor solar acoplada a un dispositivo de refrigeración.
Estos sistemas de calefacción y ventilación solar por aire están ampliando su uso, debido a las ventajas que tiene por su bajo costo, ahorro de energía de calefacción y mejora de la calidad del aire interior.
Climatización solar de piscinas Otro de los usos importantes de la Energía Solar Térmica es la climatización de piscinas o piletas de natación. Para este fin, se utilizan colectores solares descubiertos («unglazed solar collectors», en inglés), normalmente, fabricados en polipropileno, EPDM o polietileno. Su funcionamiento es muy simple, ya que toma agua de la misma bomba de filtrado, la lleva hacia un grupo de colectores colocados normalmente en un techo cercano, calienta el agua y retorna a la piscina, como puede observarse en este video. Mediante estos equipos, se puede extender la utilización de las piscinas desde la primavera hasta el otoño en climas templados, y a todo el año en climas cálidos. Su instalación es muy económica en comparación a la utilización de calderas a gas o eléctricas y, además, no consume energía. Su uso está muy extendido en países como Estados Unidos, Canadá, Australia, Brasil, México y Sudáfrica.
Componentes de la instalación
Una instalación solar térmica está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona por termosifón, será la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el líquido; si el sistema es forzado, entonces necesitaremos además: bombas y un panel de control principal.
Captadores solares
Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica, es decir, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planos (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más.
El vidrio que cubre el captador no solo protege la instalación, sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.
Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio eloxat, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico respetuoso con el medio ambiente de lana de roca, cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y, finalmente, por tubos soldados ultrasónicos.
Los colectores solares se componen de los siguientes elementos:
Cubierta: Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también se utilizan de plástico, ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación, y por eso debe tener una transmitancia solar lo más alta posible.
Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción/emisión.
Tubos o conductos: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación.
Capa aislante: La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja conductividad térmica.
Captadores solares de placa plana
thumb|280px|Dos colectores solares planos, instalados en un tejado El alma del sistema es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conducen el agua fría en paralelo, conectados por abajo por un tubo horizontal en la toma de agua fría, y por arriba por otro similar al retorno.
La parrilla viene encajada en una cubierta, como la descrita más arriba, normalmente con doble vidrio para arriba y aislante por detrás.
En algunos modelos, los tubos verticales están soldados a una placa metálica para aprovechar la insolación entre tubo y tubo.
Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio", sin tubo de cobre
thumb|right|Panel solar de tubos de vacío instalado sobre un tejado thumb|Un sistema de paneles solares de tubos de vacío
En este sistema los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio, introducidos, de uno en uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Estos equipos pueden tener un rendimiento mayor a los de placa plana a temperaturas elevadas de agua caliente o climas muy fríos pero tienen rendimientos menores a temperaturas cercanas al consumo doméstico típico (45°C) o climas templados o cálidos.
Los costos de fabricación son mucho menores que las placas planas. Ya que son fabricados al 100% en cristal borosilicato, por el contrario, los colectores planos son fabricados en cobre por lo que son más costosos de fabricar.
También una ventaja adicional de los tubos de vidrio es su mayor versatilidad de colocación, tanto desde el punto de vista práctico como estético. Al ser cilíndricos, toleran variaciones de hasta 25° sobre la inclinación idónea sin pérdida de rendimiento. Por este motivo es posible adaptarlos a la gran mayoría de las edificaciones existentes. Otro aspecto interesante es que necesitan una superficie de captación solar menor debido a su mayor eficiencia. Además por su forma cilíndrica también son mucho más eficientes, ya que reciben los rayos solares perpendicularmente durante todo el día. Por el contrario los colectores planos son solo efectivos cuando tienen el sol perpendicularmente.
Captadores solares de tubos de vacío con «tubos de calor» por cambio de fase, con tubo de cobre
Este sistema aprovecha el cambio de fase de vapor a líquido dentro de cada tubo, para entregar energía a un segundo circuito de líquido de transporte.