Güneş enerjisi uygulamaları ısı ve elektrik üretimi olarak ikiye, ısı üretimi ise düşük, orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları olmak üzere üçe ayrılabilir. Düşük sıcaklık uygulamalarının bilinen en yaygın örneği düzlemsel güneş kollektörleridir. Orta sıcaklık uygulamaları çizgisel yoğunlaştırma yapan sistemler (parabolik oluk sistemleri), yüksek sıcaklık uygulamaları ise noktasal yoğunlaştırma yapan (Parabolik çanak ve merkezi alıcılar) sistemleridir. Güneş enerjisinin en yaygın ve bilinen kullanım alanlarından biri düzlemsel güneş kollektörleridir. En çok evlerde sıcak su ısıtma amacı ile kullanılan bu sistemler, güneş enerjisini toplayarak bir akışkana ısı olarak aktaran çeşitli tür ve biçimlerde imal edilmektedir. Bu sistemler içerisinde dolaşan akışkan 70-80oC sıcaklığa kadar çıkabilmektedir. Evlerin sıcak su ihtiyacı dışında, yüzme yavuzları ve sanayi tesisleri için de sıcak su sağlanmasında da kullanılmaktadırlar. Vakumlu düzlemsel toplayıcılarda ise 120oC sıcaklığa kadar çıkabilmektedir. Düzlemsel güneş kollektörleri dışında ki termal güneş enerjisi uygulamalarının diğer örnekleri ülkemizde olduğu gibi Dünya’da da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerden bazıları; güneş havuzları, su arıtma sistemleri, ürün kurutma sistemleri, güneş ocakları ve güneş mimarisi gibi örneklerdir.
Isıl güneş enerjisi uygulamalarının ikinci büyük grubu da elektrik üretmekte kullanılan santrallerdir. Parabolik oluk kollektörü, parabolik çanak kollektörü yada merkezi alıcı tipte (güneş enerjisi yoğunlaştırıcıları) olabilmektedirler. Yoğunlaştırıcı toplayıcılarda geometrisine bağlı olarak doğru üzerine yoğunlaştırmada yani parabolik oluk kollektörde 400oC sıcaklığa, üç boyutlu yani çanak kollektörlerde 1400oC sıcaklığa kadar çıkabilmektedir. Odaklı güneş enerjisi toplayıcılarıyla belirli sıcaklıklarda kızgın su, doymuş buhar ve kızgın buhar elde etmek mümkündür. Elde edilen kızgın su yada buhar enerjisi endüstri tesislerinde direkt olarak kullanılabilir. Dünyada güneşten elde edilen kızgın buhar ile çalışan birçok termik santral bulunmakla birlikte halen araştırmalar devam etmektedir.
Atmosfere gelen güneş radyasyonunun yaklaşık %17,5’i atmosferi ısıtmak için harcanır. Yaklaşık %35’i bulutlardan ve yerden yansıyarak tekrar uzaya döner. Güneşten gelen radyasyonun tümü 100 birim kabul edersek atmosferi ısıtmak için harcanan ve yansıyarak uzaya dönen değerlerin toplamından sonra geriye 47,5 birim kalır ki bu miktar yeryüzüne düşmekte ve burada ısıya dönüşmektedir. Yeryüzüne gelen ortalama güneş ışınımı değeri mevsim ve enleme bağlı olarak yaklaşık 300-1000 W/m2’dir.
Bu sistemler yoğunlaştırma yaptıkları için daha yüksek sıcaklığa ulaşabilirler. Parabolik oluk kollektörü santraller ticari ortama girmiş olup, bu sistemlerin en büyük ve en tanınmış olanı 350 MW gücünde ki ABD LUZ International santralleridir.