Pojedynczym, podstawowym elementem tego typu kolektora jest rura szklana o podwójnej ściance, wykonywana przeważnie ze szkła borowo-krzemowego, której końce są ze sobą stopione na podobieństwo bańki termosu. Z przestrzeni pomiędzy ściankami rury zostało wypompowane powietrze tak, że powstała tam próżnia rzędu 10-4 barów, która spełnia funkcje doskonałej izolacji cieplnej. Warstwa absorbująca promieniowanie słoneczne naniesiona jest przeważnie na zewnętrznej powierzchni, wewnętrznej ścianki rury szklanej. Ciepło z rury odbierane jest przez przylegającą do wewnętrznej powierzchni rury, w sposób zapewniający kontakt cieplny, przeważnie na całym obwodzie, cienką blachę przewodzącą ciepło (miedzianą lub aluminiową). Z kolei blacha ta uformowana jest w taki sposób, że przylega do rur, przez które przepływa ciecz odbierająca ciepło. Ogrzewanie płynu w rurach może odbywać się na dwa sposoby, w zależności od wykonania:
– podobnie jak w kolektorach płaskich poprzez kanały przepływowe z czynnikiem grzewczym, które mają postać litery U wewnątrz rury szklanej (ogrzanie płynu następuje przy jego przepływie przez rurę); warstwa absorbująca promieniowanie słoneczne jest umieszczona na płaszczyźnie bezpośrednio przylegającej do rur przewodzących ciecz;
– poprzez zamkniętą pojedynczą rurę, nazywaną także rurą ciepła (heat pipe). Rura ciepła ma przeważnie średnicę 8 mm i wypełniona jest nisko wiążąca cieczą (np. freonem), który skrapla się w jej górnej części, oddając ciepło w kondensatorze cieczy chłodzącej (przeważnie 50-miłimetrowym odcinku rurki o średnicy 12 mm).
Pojedyncze rury szklane łączone są w większe zespoły. Umożliwia to ewentualną wymianę uszkodzonego elementu.
Kolektor próżniowo-rurowy ma większą wydajność w miesiącach zimowych, jak i wiosenno-jesiennych. Jest to wynikiem lepszego odbioru promieniowania rozproszonego przez kolektor próżniowo-rurowy. Zastosowanie tego typu kolektorów posiada kilka zalet, takich jak: łatwość montażu i konserwacji czy możliwość demontażu poszczególnych rur bez konieczności opróżniania instalacji z czynnika przenoszącego ciepło.
Wyższość kolektorów próżniowych jest bardziej wyraźnie zauważalna w przypadkach, gdy mamy doczynienia z podwyższonymi temperaturami czynnika grzewczego. Ma to miejsce, zwłaszcza w instalacjach o wysokim rocznym stopniu pokrycia zapotrzebowania łącznego na c.w.u. + c.o. Dla większych instalacji z kolektorami słonecznymi, które dobiera się na niższe stopnie pokrycia potrzeb (np. c.w.u. rzędu 20-40% rocznie), okazuje się, że różnica w pracy pomiędzy kolektorami płaskimi a próżniowymi jest nieznaczna. Porównanie to tłumaczy tendencję stosowania kolektorów płaskich w instalacjach wielkowymiarowych, co zapewnia niższe koszty inwestycji i wysoką efektywność pracy kolektorów słonecznych. Wysoka efektywność pracy wynika z niskich temperatur czynnika roboczego na wejściu do kolektorów słonecznych oraz braku przestojów w pracy instalacji grzewczej (ciągły odbiór ciepła).
Kolektory próżniowe poleca się również do stosowania, jako alternatywę dla kolektorów płaskich, w sytuacji, kiedy powierzchnia zabudowy na budynku jest ograniczona. Wówczas, wg niektórych autorów, ten sam efekt wydajności cieplnej jak dla kolektorów płaskich o powierzchni np. 5 m² uzyska się z kolektora próżniowego o powierzchni 3 m².
Poniżej zestawiono cechy konstrukcyjne i funkcjonalne, jakimi różnią się kolektory płaskie i rurowo-próżniowe:
– izolacja – w odróżnieniu od kolektorów płaskich w rurowo-próżniowych wykorzystuje się próżnię, najlepszą znaną izolację cieplną w przyrodzie;
– sposób wymiany ciepła – w kolektorze próżniowym wymiana ciepła często jest dwufazowa, dzięki czemu uzyskuje się wysokie temperatury przy niskich oporach przepływu, podczas gdy w płaskim wymiana jest jednofazowa, uzyskuje się niższe temperatury przy większych oporach przepływu;
– ze względu na dużą ilość spawów kolektor płaski jest teoretycznie bardziej awaryjny od próżniowego; w praktyce ciągle jeszcze producenci kolektorów słonecznych płaskich dysponują większym doświadczeniem technologicznym i to przekłada się także na udzielne przez nich dłuższe okresy gwarancji;
– łatwość montażu i eksploatacji – w razie awarii należy zdemontować cały kolektor płaski. Wymiana kolektora płaskiego jest czasochłonna i niewygodna (średnia waga kolektora to 40 kg), podczas gdy w kolektorze próżniowym przeważnie wystarczy wymienić pojedynczą rurę.