L'energia raggiante prodotta nel Sole per effetto di reazioni nucleari viene trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'intensità della radiazione solare, cioè la quantità di energia che il Sole irraggia ogni secondo su 1 cm2 di superficie terrestre, è detta costante solare; il suo attuale valore, calcolato quando la Terra si trova a una distanza media dall'astro, è 1,37 × 106 erg s-1 cm-2 (1,97 cal/cm2 al minuto) ma sembra variare dello 0,2% in trent'anni.

Questa stima tuttavia prevede che l'atmosfera sia assolutamente trasparente alla radiazione, mentre gli effetti di assorbimento e di dispersione riducono molto l'ammontare di energia effettivamente disponibile.

Trasformazione naturale dell'energia solare

L'energia solare accumulata nell'atmosfera terrestre, negli oceani e negli organismi vegetali, è fondamentale per la maggior parte dei processi vitali e dei fenomeni fisici che hanno luogo sulla Terra: è indispensabile nel processo di fotosintesi, che consente lo sviluppo della vita vegetale; è importante per il ciclo cui sono associate le precipitazioni; è responsabile dei venti, tuttora utilizzati come risorsa locale di elettricità. Per sottolineare il valore di questa fonte di energia, basti pensare che senza di essa non si sarebbe verificata la formazione di biomasse e, quindi, di tutti i combustibili fossili come carbone, petrolio e gas naturale; non sarebbe inoltre possibile nemmeno lo sfruttamento del legno. Le biomasse possono essere utilizzate anche per la produzione di metano o di alcol, attraverso processi di fermentazione o distillazione.

L'energia solare accumulata negli oceani dà luogo a gradienti verticali di temperatura che, inquadrati nell'ambito di un ciclo termodinamico, potrebbero forse essere sfruttati per produrre energia meccanica trasformabile in elettricità; questa possibilità, finora puramente teorica, richiederebbe l'impiego di dispositivi di dimensioni colossali.

Raccolta diretta di energia solare

Per sfruttare la radiazione solare si ricorre a impianti a pannelli solari, o collettori solari. L'energia così ottenuta può essere usata sotto forma di calore per riscaldare un gas o un fluido, oppure può essere convertita direttamente in elettricità sfruttando l'effetto fotovoltaico e le proprietà fisiche di particolari materiali. Esistono due tipi fondamentali di collettori: a pannello e a concentrazione.

Collettori a pannello

Un pannello solare è composto essenzialmente da una superficie metallica che si riscalda per effetto della radiazione solare; il calore viene poi ceduto a un liquido termovettore che circola in una serpentina e, successivamente, viene trasferito al sistema utilizzatore, ad esempio l'acqua dell'impianto di riscaldamento domestico. In particolare i collettori a pannello sono in grado di riscaldare i fluidi di trasporto fino a circa 80 °C , con rendimento compreso tra il 40% e l'80%. Questi dispositivi sono particolarmente adatti per il riscaldamento domestico: di solito i collettori vengono installati sui tetti e orientati opportunamente in relazione alla posizione geografica del luogo. Oltre ai pannelli, i sistemi di riscaldamento a energia solare devono comprendere pompe idrauliche, sensori di temperatura, controlli automatici e sistemi di immagazzinamento del calore. Il fluido di trasporto del calore può essere costituito da aria, acqua o altri liquidi; come serbatoio di calore si può impiegare una cisterna d'acqua ben isolata termicamente.

Collettori a concentrazione

Per particolari applicazioni industriali sono necessari collettori più complessi e costosi che, focalizzando i raggi solari incidenti in un'area ristretta, permettono di raggiungere temperature di diverse centinaia o addirittura migliaia di gradi Celsius. Per migliorarne l'efficienza, i concentratori sono comandati da dispositivi elettromeccanici per l'inseguimento del tragitto del Sole durante l'arco del giorno.

Ricevitori centralizzati

La produzione centralizzata di energia elettrica da energia solare è attualmente in fase di sviluppo. Un progetto di centrale prevede che una schiera di riflettori mantenuti costantemente orientati verso il Sole focalizzi i raggi su una caldaia ad acqua, montata su una torre. Il vapore cosÏ generato può essere usato in un ciclo convenzionale di generazione elettrica.

Raffreddamento solare

L'energia solare può essere utilizzata anche nei processi di raffreddamento, poiché un normale ciclo di refrigerazione richiede l'impiego di una fonte di calore. Dato che per un funzionamento efficiente dei dispositivi di assorbimento occorrono temperature superiori ai 150°C, per questo tipo di applicazione è indispensabile l'uso di collettori a concentrazione.

Energia solare dallo spazio

Un modello puramente teorico proposto per produrre energia solare su vasta scala prevede la collocazione di moduli solari giganti in orbita geostazionaria. Qui l'energia generata dalla luce del Sole verrebbe convertita in microonde per essere poi inviata a terra e riconvertita in energia elettrica.

Immagazzinamento dell'energia solare

La natura intermittente della radiazione solare come fonte energetica rende indispensabile l'uso di dispositivi di accumulazione dell'energia prodotta in esubero durante le ore o i periodi favorevoli, in modo che essa possa essere resa disponibile, ad esempio, durante la notte. Oltre alla semplice acqua, si possono impiegare apparecchi più compatti che si basano sulle proprietà di cambiamento di fase di particolari miscele saline. Anche le batterie possono essere usate per serbare l'energia elettrica in eccesso prodotta dal vento o da dispositivi fotovoltaici.