太阳能热利用工程通常利用太阳能集热器将太阳辐射能转化为工作流体的内部能量，这样收集的热能将由工作流体介质保存，可以直接用于给设备、空间供热，也可以存储在保温容器中以供在阴天或夜间使用[9, 10]。
对于所有太阳能热能的应用，首先是要将太阳辐射转化为热能。从材料和机械结构角度来看，关键是需要吸收尽可能多的太阳能。
2.1.1 太阳能热水器
目前家用太阳能热水器共有三种形式，即闷晒式、平板式和真空管式。它们主要为自然循环式，近年来也发展有受迫循环式[11]。
闷晒式太阳能热水器是最早使用的一种太阳能热水装置，也称整体式太阳能热水器。它的主要特点是集热器和储热水箱合为一体，实际上是一个箱体表面或底面涂黑的贮水容器。早晨将容器灌满冷水，接受太阳辐射，水在箱体内自然循环加热，晚间可供取用[12]。
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图 8 太阳能热水器（闷晒式（左）、平板式（中）、真空管式（右）） |
家用平板太阳能热水器可以分为自然循环和受迫循环两种。普通家用平板太阳能热水器由平板集热器、储热水箱、连接管道和监控器组成。储热水箱必须紧靠在集热器的上方，并保持一定的高差。普通家用平板太阳能热水器不具有防冻功能，若将其翅片管改为热管，即为热管式家用平板太阳能热水器，具有较好的防冻性能。集热器和储热水箱分开，集热器置于阳台上，储热水箱置于室内，称为分离型太阳能热水器。这种设计将明显的改善热水器的保温和防冻功能。由于集热器和水箱分开较远，因此必须采用受迫循环方式。
家用真空管太阳能热水器由多根真空管、水箱、反射板等组成。真空管的结构如同一个拉长的暖瓶胆，内外层之间为真空。在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度的吸收太阳辐射能。经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。热水始终位于上部，即水箱中。内外层之间的真空可以最大程度保温，所以太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。
2.1.2 太阳能热风系统
太阳能热风系统由最早的直接加热逐渐完善为间接加热。直接加热是：太阳辐射穿过窗户，加热室内墙壁和家具，然后通过热辐射和对流加热室内空气。间接加热是在直接加热的基础发展而来，比如双层太阳能幕墙。它烟囱效应，即利用冷热空气的密度差流动，内部空腔用于收集或疏散被表面吸收的太阳辐射。在寒冷的天气里，内层上的上下开口为风道和内部空间之间的热循环而打开，而在炎热的天气里，外部玻璃上的通风口为室外和风道之间的循环而打开。因此，在冬季热量被吸引到室内加热，在夏季热量被吸引到环境中冷却。同时，当需要新鲜空气时，外部面板的下通风口和内部面板的上通风口是打开的，以引入室外空气。
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图 9 不同天气条件下双层太阳能幕墙的运行方式 |
另外我们常见的阳光房可以看作是直接加热和太阳能幕墙的结合，（示意图如图9）。一般来说，阳光空间是一个集成了朝南(南半球是北)的储热墙的玻璃房子，就形成了一个温室来吸收热量，阳光空间减少了室内外的直接热交换，减少了冬季的热量损失。阳光房通常在一些阳光充足、冬季寒冷的地区使用，比如中国的西藏、甘肃、黑龙江等地。
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图 10 阳光房示意图[16] |
2.1.3 太阳灶
太阳灶是利用太阳辐射进行烹饪、蒸煮食物等的炊事灶具。太阳灶按收集太阳辐射的方法可以分为热箱式和聚光式两种。热箱式太阳灶是一个带有活动透明玻璃盖板的密闭箱体，底部和四壁铺设一定厚度的隔热层，表面涂黑。太阳辐射透过盖板为箱体吸收，实现光热转换。待烹饪的食物置于箱内,接受太阳辐射能加热，蒸煮为熟食。它的特点是结构简单，成本低廉，使用方便，多用于蒸煮食物，效果良好。目前它已发展有箱式、台式和回转式等诸多形式。聚光式太阳灶是利用聚光器将阳光聚焦到一个不大的焦斑区域，落在炊具上，用以烹饪食物。其焦斑温度为400~500。根据聚光方式的不同，它又可分为旋转抛物面、球面、槽形抛物面、圆锥面以及菲涅耳反射面等诸多形式。由于旋转抛物面具有较高的聚光比，从而可获得更高的焦斑温度和更好的热性能，因此目前家用反射式太阳灶都是旋转抛物面型[17]。
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图 11 热箱式太阳灶（左）和聚光式太阳灶（右） |
2.1.4 太阳池
太阳池（也称盐田）是一种以太阳辐射为能源的人造的盐水池。它是利用具有一定盐浓度梯度的池水作为集热器和蓄热器的一种太阳能热利用系统。投射到池面上的太阳辐射，大部分透过表面清水层透射到水体深处，被池底深层吸收，由此水体温度升高，形成一层热水层若水体由于温升所产生的浮升力还不足以扰乱池内盐水浓度梯度的稳定性，则浓度梯度可以有效地抑制消除因水体浮升力而可能引起产生的池水混合的自然对流趋势，从而得以保持热水层的稳定。热水层的热能只能以导热的方式向四周散发。水的导热系数较低，所以上层可以看作是隔热层。水体四周土壤的比热容很大，可以储存可观的热量，是个巨大的蓄热体。如此，太阳池就可以看作是一个具有巨大蓄热能力的闷晒式太阳能热水器。若从池底部将热水层的热水抽出，经换热器加热用水后再返回热水层，构成取热循环[19]。
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图 12 太阳池原理图 |
太阳能电站热力学包含了将太阳辐射的能量在高温下转化为热能，再将热能转化为电能的全部技术。根据太阳辐射浓度模型的不同，热力太阳能电站的配置也不同，其用途有:发电、为工业生产蒸汽或为利用生物质或化石燃料的装置提供太阳能补充[8]。
2.2.1 塔式太阳能热动力发电
塔式太阳能发电站由许多镜子(定日镜)组成，这些镜子跟随太阳，将太阳光线集中到位于塔顶的锅炉上，在发电机上的集光区受太阳光照射而温度上升，由光热转换原理令太阳能换化为热能。由于在中央接收器处可达到非常高的温度（从600°C到1000°C不等），因此常采用过热蒸气或者熔盐作为工作工质。最后携带热量的工质导向储存器或换热器，在换热器中热量传递给空气或水，温度热能通过热机（通常是蒸汽涡轮发动机）做功驱动发电机，从而产生的电力[10]。
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图 13塔式太阳能热动力发电站 |
2.2.2 槽式太阳能热动力发电
抛物面槽电站由平行排列的长半圆柱形反射镜组成，这些反射镜绕水平轴旋转以跟随太阳的运动。太阳光线集中在一个水平管中，冷却剂在其中循环，其温度通常达到400°C。这种能量从水中转移到电路中，然后产生的蒸汽驱动涡轮机产生电力[20]。
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图 14 抛物线槽式太阳能热动力发电系统 |
2.2.3 盘式（斯特林）太阳能热动力发电
抛物面镜将太阳光反射到会聚点，聚光点的是一个斯特林发动机，它的作用是由于封闭外壳中气体的温度和压力的上升，从而将太阳能热能转化为机械能，然后转化为电能。白天抛物线的底部自动与太阳一起旋转，始终保持正对太阳。本系统在非常高的温度下有效地收集太阳能，使得抛物面盘和接收器的在小尺寸情况下实现高发电功率[21]。
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图 15 盘式太阳能热动力发电 |
2.2.4 条式太阳能热动力发电
条式太阳能热动力发电电站基于菲涅耳聚光器的原理。每个镜子都可以旋转，以跟随太阳的运动，其目标是将太阳光线集中到固定的线性接收管。条式菲涅尔聚光装置结构相对简单、风载荷较低、接收器固定安装，整个结构较稳定。条形反射镜除了采用平面镜外，也可以采用略带弧形的反射镜，犹如槽镜一般，只是略带弧面而已，可以起到一定的聚光效果，这样可以采用较宽的条形反射镜，较窄的接收器，条形反射镜的数目也可少一些，减化结构与控制机构。略带弧面的反射镜无需专门制作，利用框架的作用使镜片略作弹性形变即可。在这些管道中，冷却剂循环，冷却剂可以蒸发，然后在500°C过热，产生的蒸汽使涡轮能够发电。
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图 16 带有菲涅耳反射镜的太阳能发电站 |
2.2.5太阳能烟囱热气流动力发电
太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成。太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上；集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统;集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热极覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。
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图 17 太阳能烟囱热气流电站原理图及照片 |
2.3.1太阳能吸收式制冷
利用太阳能集热器产生的高温热水作吸收式制冷机的热媒水，称为太阳能吸收式制冷它是目前太阳能制冷中最为成功的方法，易于实现，已可实用。
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图 18 太阳能吸收式空调 |
2.3.2太阳能吸附式制冷
利用太阳能吸附集热器，使吸附的制冷剂在集热器内解附，再经冷凝和蒸发循环，从而实现制冷的目的，称为太阳能吸附式制冷。在夜间的冷却状态时，吸附剂在低温低压下对制冷剂进行吸附，液态的制冷剂蒸发吸热，实现制冷。当在有阳光的加热状态时，夜间被吸附的制冷剂受热解吸为高温水蒸气，通过冷凝器时凝结为液体流回蒸发器中，进行下一个制冷循环。
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图 19 硅胶-水吸附式冷水机 |
2.3.3 太阳能除湿式制冷
利用干燥剂吸附空气中的水蒸汽以降低空气的湿度，然后进行一定的冷却和绝热加湿循环，最后达到制冷的目的。太阳能集热器为除湿系统加热，称为太阳能除湿式制冷。其制冷性能系数难以超过吸收式制冷[32]。
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图 20 太阳能除湿制冷原理图（固体（左）、液体（右）） |
2.3.4 太阳能蒸汽喷射式制冷
利用蒸汽从喷射器喷射时，周围造成低压状态使制冷剂蒸发，从而达到制冷的目的。太阳能集热器为系统加热，称为太阳能蒸气喷射式制冷。其工作原理与吸收式制冷相通，但制冷性能系数偏低[33]。
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图 21太阳能蒸汽喷射式制冷系统示意 |
以上介绍的四种太阳能制冷方法，实质上都是利用太阳能系统代替常规能源给常规制冷循环供给热媒水。其关键技术不在太阳能，而在制冷系统本身。
最初的温室概念起源于植物栽培，人工建造自然采光良好的玻璃房，辅以一定的常规能源供热，创造适宜蔬菜、瓜果生长和发育的良好环境条件，实现保护的栽培，从而达到可以长年种植各种蔬菜瓜果的目的。但现今的温室概念已经不限于此，逐渐扩展到禽畜、鱼、虾的人工饲养，以及发酵酿造等产业，成为现代农、牧、渔、副业的重要生产手段。
太阳能温室效应是利用透明材料的光学性质和保温材料的隔热性能，将投射到盖板上的太阳辐射能量尽可能多地引入室内，并尽可能减少向四周环境散失的能量，当进入室内的太阳辐射能量大于向四周环境的散失能量时，室内的空气、墙体和土壤就不断地吸收净太阳辐射能，温度就会不断地升高。
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图 22 太阳能温室大 |
在太阳能干燥系统中太阳能转化为热能，随后被用来直接(对流)、间接(传导)、通过辐射或其中任何一种的组合从产品中除去水分。应用太阳能干燥不仅可以减少采后损失，而且与直接晾晒相比，可以显著提高干燥产品的质量，还可以节约能源、减少污染排放。太阳能干燥系统一般可按干燥类型或空气循环方式进行分类。直接式、间接式、组合式和混合式四种太阳能干燥机已成功应用于农作物干燥，干燥机的气流机理主要是基于自然对流或强制空气循环的方式。
（1）太阳能直接干燥
太阳能直接干燥机，产品直接由太阳辐射加热，潮湿产品的水分通过自然对流去除。
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图 23 太阳能直接干燥装置示意 |
（2）间接太阳能干燥
间接太阳能干燥主要由两部分组成:太阳能热能吸收装置(称为太阳能集热器)和作物脱水装置（称为干燥室）
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图 24 强制对流的间接太阳能干燥机 |
（3）组合太阳能干燥
混合模式太阳能干燥器由直接和间接太阳能干燥器组成，该干燥器利用太阳能集热器和干燥室顶板收集太阳能热能。
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图 25 组合模式太阳能干燥机原理图 |
（4）混合太阳能干燥
混合动力同时使用直接和间接太阳能干燥系统的特点，以确保适当的干燥条件。干燥操作并不完全取决于太阳辐射强度。在晚上和雨季，混合太阳能干燥机可结合固体生物质燃料，化石燃料和电力等能源替代太阳能成为新的热源。
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图 26 综合混合太阳能干燥系统原理图 |
利用太阳能进行海水淡化有直接和间接两种方式。在直接模式下，太阳能通过太阳能集热器直接转换为盐水内能；而在间接模式下，太阳能先在一个集热系统中转换为热能，随后该集热系统能量传输至蒸馏系统处理海水。
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图 27 太阳能海水淡化技术方法分类示意图 |
除了上图所示的太阳能海水淡化分类方法之外，如果从太阳能的转化方式分类，又可简单地分为光热利用法和光电利用法两类：通过光热过程将太阳能转换为热能，利用热能使海水蒸馏或使空气加湿生产淡水，简称为热法；以及通过光伏过程将太阳能转换为电能，再用电能驱动反渗透装置或其他联合装置生产淡水，简称为膜法。
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