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Die Solarthermie wiederholt in kleinem Maßstab, was bei der Erwärmung der Erde durch die Sonne passiert: An die Stelle der Erdoberfläche tritt der Absorber und an die Stelle der Lufthülle eine Glasscheibe. Das Gesamtsystem wird als "Kollektor" bezeichnet. Das Ergebnis ist ebenfalls ein Treibhauseffekt bzw. eine "Wärmefalle".
Der einfachste Kollektor - und praktisch mit dem Absorber identisch - ist ein schwarz angestrichener Behälter. Wird er mit Wasser gefüllt und der Sonne ausgesetzt, hat man mit minimalem technischen Aufwand eine Anlage zur solaren Warmwasserbereitung. Es wird sogar auf die Glasabdeckung verzichtet. Man begnügt sich mit der Lufthülle.
In sonnenreichen, heißen Gegenden kann ein solcher schwarzer Wasserbehälter auf dem Dach genügen, um ausreichend Warmwasser zu haben. Auch in unseren Breiten tut es im Sommer - bei starker Sonneneinstrahlung und hohen Umgebungstemperaturen - schon ein ausgelegter Gartenschlauch, um Wasser für eine warme Dusche zu gewinnen. Selbst Freibäder lassen sich auf diese einfache Weise beheizen, wenn es nur darum geht, die Temperatur des Wassers um einige Grad - etwa von 18 °C auf 21°C - zu erhöhen. Der Gartenschlauch wird für diesen Zweck lediglich etwas verlängert und perfektioniert. In der Praxis verwendet man ein Röhrensystem in Form von Kunststoff-Matten, das auf Dächern oder anderen sonnigen Flächen ausgelegt wird.
Trotz der simplen Ausführung können solche Schwimmbad-Kollektoren unter sommerlichen Bedingungen einen Wirkungsgrad von 40 bis 45 Prozent erreichen. Es würde unter Umständen sogar eine Leistungsminderung bewirken, einen höheren Aufwand treiben zu wollen. Da der Absorber bei dieser Kollektor-Bauweise vollkommen offen liegt - von der umgebenden Lufthülle mal abgesehen - , vermag er nämlich auch die Infrarotstrahlung zu verwerten, die durch das Sonnenlicht direkt oder indirekt anfällt. Das verhilft den Schwimmbad-Kollektoren in ihrem speziellen Bereich zu einem teilweise überlegenen Wirkungsgrad gegenüber aufwendigeren Konstruktionen, bei denen ein Teil der Infrarotstrahlung durch die notwendige Glasabdeckung geschluckt wird.
Für den Betrieb bei höheren Temperaturdifferenzen - etwa zur Beheizung eines Hallenbads im Winter - taugen solche einfachen Schwimmbad-Kollektoren aber nicht. Der Absorber gibt dann nämlich an die ihn umgebende Luft entsprechend mehr Energie ab (Konvektion). Zugleich erhöht sich die Rückstrahlung des Absorbers an die kältere Umgebung. Denn jeder gute Absorber ist zugleich ein guter Wärmestrahler, sofern seine Oberfläche nicht "selektiv" beschichtet worden ist (siehe unten). Mit wachsender Temperaturdifferenz tendiert deshalb der Wirkungsgrad von offenen Absorbern rasch gegen Null.
Um die Verluste durch Konvektion und Rückstrahlung bei einer erheblich kälteren Umgebung zu verringern, schließt man den Absorber in eine Art Vitrine ein. Das Ergebnis sind jene "Flachkollektoren", die in südlichen Ländern auf jedem zweiten Dach stehen und auch bei uns immer häufiger zu sehen sind. Durch das Glas kann die Sonnenstrahlung die Absorber-Röhren mit dem darin zirkulierenden Wasser ohne größere Verluste erreichen. Die Wärmeverluste des Absorbers durch Konvektion werden jedoch stark verringert, da die Luft den Absorber nicht mehr frei umströmen kann.
Die Glasabdeckung reduziert auch die Rückstrahlung des Absorbers, da diese langwelliger ist als die Einstrahlung und deshalb vom Glas in der umgekehrten Richtung nicht so leicht durchgelassen wird. Eine noch wesentlich stärkere Verringerung der Rückstrahlung läßt sich durch "selektive" Beschichtung des Absorbers erreichen. Diese Beschichtung sorgt dafür, daß der Absorber die kurzwellige Strahlung der Sonne relativ gut aufnimmt, zugleich aber relativ wenig von dieser Energie wieder als langwellige Wärmestrahlung an die Umgebung abgibt.
Noch höhere Wirkungsgrade erreichen Vakuum-Kollektoren, bei denen sich der selektiv beschichtete Absorber im luftleeren Raum befindet und deshalb keine Wärme über das Medium Luft verloren gehen kann.
Doppelverglasung, reflektierende Wände und sonstige technische Kniffe steigern die Effizienz weiter. Das vorläufige Nonplusultra sind Sonnenkollektoren, bei denen der Absorber auf zwei Seiten mit Glasabdeckung plus einer transparenten Wärmedämmung umgeben ist und die Sonnenstrahlung durch eine Spiegelwanne zusätzlich auf die Rückseite des Absorbers reflektiert wird.
Für alle Kollektoren gilt, daß sie zunächst ihre Eigenverluste gegenüber der Umgebung ausgleichen müssen, ehe sie nutzbare Wärme abgeben können. Die Eigenverluste wachsen mit der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft überproportional. Dies führt wiederum dazu, daß der Wirkungsgrad des Kollektors nicht linear der Sonneneinstrahlung folgt, sondern mit wachsender Temperaturdifferenz überproportional abnimmt. Auch bei hochwertigen Kollektoren kann deshalb der Wirkungsgrad an kalten, trüben Wintertagen auf Null fallen.
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Um einen gewissen Vorrat an solar erwärmtem Wasser zu haben, benötigt man außer dem Kollektor noch einen Speicher, der das in den Absorber-Röhren erwärmte Wasser aufnimmt. Die einfachste und zugleich eleganteste Lösung ist es, diesen Speicher oberhalb des Kollektors anzubringen. Dadurch steigt das Wasser aus dem Kollektor von selbst nach oben in den Speicher, da es wärmer und deshalb leichter ist als das nachströmende Frischwasser. Diese Bauweise wird als Thermosiphon-Anlage bezeichnet.
Kann der Speicher nicht oberhalb des Flachkollektors angebracht werden, muß der Wasser-Kreislauf durch eine Pumpe bewerkstelligt werden. Ein Temperaturfühler "sagt" ihr, wann sie in Aktion treten muß.
In unseren Breiten würden einkreisige Thermosiphon-Anlagen, wie sie für die südlichen Dächer typisch sind, im Winter einfrieren. Deshalb werden ganzjährig betriebene Anlagen grundsätzlich zweikreisig ausgeführt: Durch die Absorberstränge zirkuliert eine frostgeschützte Flüssigkeit, welche die von der Sonne aufgenommene Energie über einen Wärmetauscher an das zum Verbrauch bestimmte Wasser abgibt. Für den Fall, daß mehr warmes Wasser benötigt wird, als der Kollektor zu liefern vermag, wird im Speicher eine Zusatzheizung installiert.
Speicherkollektoren funktionieren ähnlich wie Thermosyphon-Anlagen, doch entfällt hier der separate, über dem Kollektor angebrachte Speicher. Stattdessen ist der Speicher in den Kollektor integriert. In der einfachsten Ausführung besteht der Speicherkollektor aus einem Wasserbehälter, der mit seiner sonnenzugewandten Seite die Strahlung absorbiert. Vom Kaltwasser-Einlauf im unteren Teil des Behälters steigt das erwärmte Wasser nach oben zum Warmwasser-Ventil und kann dort abgezapft werden. Die verbrauchte Menge wird dann durch nachfließendes Kaltwasser ersetzt. Solche Speicherkollektoren müssen rundum gut gegen Wärmeverluste isoliert sein. An der Absorber-Seite wird deshalb die Glasabdeckung noch durch eine transparente, wabenähnliche Wärmedämmung ergänzt. Die allseitige Wärmedämmung hat den Vorteil, daß Speicherkollektoren auch in unseren Breiten als einkreisige Anlagen ausgeführt werden können. Das heißt, daß bei mäßigen Kältegraden kein spezielles Wärmeträger-Medium und kein Wärmetauscher erforderlich sind, um das Einfrieren der Anlage im Winter zu verhindern. Das erwärmte Leitungswasser wird vielmehr direkt dem Kollektor entnommen.
Nach dem Kollektor-Prinzip lassen sich auch Warmluft-Anlagen konstruieren. In Verbindung mit öl- oder gasbefeuerten Umluftanlagen können solche Warmluft-Kollektoren - z.B. auf Flachdächern von Fabrikhallen oder Schulen - die Luft vorerwärmen und so Energiekosten einsparen helfen. Die Ergiebigkeit solcher Anlagen ist allerdings dem tatsächlichen Bedarf an Warmluft im jahreszeitlichen Verlauf (Sommer/Winter) entgegengesetzt. Auch läßt sich Warmluft nicht so einfach speichern wie warmes Wasser. Für Wohnhäuser kommen sie deshalb derzeit kaum in Betracht.
Flachkollektoren nehmen am meisten Energie auf, wenn die Sonne senkrecht einstrahlt. Am besten wären deshalb Kollektoren, die dem wechselnden Stand der Sonne folgen. In der Praxis ist dies allerdings zu aufwendig. Man begnügt sich deshalb mit der starren Montage des Flachkollektors in Richtung der vorherrschenden Sonneneinstrahlung, wobei auch Richtung und Neigung des Daches berücksichtigt werden müssen. Die damit verbundenen Einbußen halten sich in Grenzen, da Flachkollektoren auch das diffuse Licht verwerten können, das durch Reflexion in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche entsteht.
Mit Flachkollektoren lassen sich Stillstands-Temperaturen bis 180°C erreichen. Mit Vakuum-Röhren sind bis 230°C und unter Ausnutzung aller sonstigen technischen Möglichkeiten sogar 300°C möglich. Für die praktische Nutzung des mit Flachkollektoren erwärmten Wassers rechnet man mit Temperaturen von maximal 70 bis 85°C. Flachkollektoren bieten in diesem Bereich - einen entsprechenden Bedarf an Warmwasser oder Warmluft vorausgesetzt - eine umweltfreundliche und evt. auch wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Energiequellen.