Compte tenu des particularités de fonctionnement concernant les capteurs solaires thermiques, à savoir que son rendement est d'autant meilleur qu'il fonctionne à basse température, le principe de base d'une bonne valorisation de l'énergie solaire récupérée par un capteur est de favoriser au maximum son transfert jusqu'au circuit utilisateur. Pour cela, on cherchera à utiliser le minimum d'échangeurs thermiques entre le capteur et l'utilisation (car un échangeur introduit un écart de température qui impose au capteur une température de fonctionnement plus élevée). Les échangeurs nécessaires seront dimensionnés avec la surface d'échange la plus grande possible compatible avec un coût raisonnable.
L'intermittence de la ressource, et le déphasage entre cette ressource et les besoins rendent un stockage thermique quasiment indispensable. Les applications telles que les piscines et dans certains cas le rafraîchissement solaire peuvent fonctionner au fil du soleil. Pour certains usages, ou des besoins particuliers, la recherche d'un niveau de température suffisant pour se passer d'appoint peut conduire à déroger au principe du plus bas niveau déjà évoqué : on parle alors de systèmes "low-flow" (= bas débit)

Des exigences parfois contradictoires

La conception d'un système solaire thermique est donc en général une question de compromis entre des exigences contradictoires :
La recherche de pertes de charges minimales dans les capteurs ou d'un niveau de température "suffisant" conduit à diminuer le débit irrigant les capteurs.
Inversement, la recherche d'un rendement maximum conduit à augmenter le débit.