海洋温差能发电方式采用热机组成的热力循环将海洋温差能转换为电能。根据所用工质及流程，热力循环一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环。

利用温海水作为工作介质实现海洋热能转换的系统，作为工作介质的海水与外界相通，又称闪蒸法或扩容法。温海水在具有真空度的闪蒸器内蒸发变成气体，然后进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；蒸汽通过汽轮机后在冷凝器内被冷海水泵抽上来的深层冷海水冷却，凝结成液态水后排出。系统主要由真空泵、闪蒸器、冷凝器、汽轮机、发电机、温海水泵和冷海水泵等组成。

利用低沸点物质，如氨、氟利昂等作为工质，在一封闭回路中完成热力循环，又称中间介质法。海洋温差发电闭式循环有朗肯循环、卡利纳循环、上原循环、国海循环等。温海水泵将表层温海水送往蒸发器，蒸发器内的低沸点工作介质通过换热吸收温海水热量变为蒸汽，蒸汽通过透平膨胀做功，进而带动发电机发电。透平排出的低温蒸汽进入冷凝器，由冷海水泵抽出的深层冷海水进行冷却重新变为液态；然后工质泵把液态工作介质压进蒸发器重新蒸发，使其循环使用。系统主要由蒸发器、透平、冷凝器、工质泵、温海水泵和冷海水泵等组成。

综合开式循环和闭式循环系统的优点，与闭式循环系统类似，差别仅在于蒸发器部分。