首次提出利用海水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔。1926年，阿松瓦尔的学生克劳德试验成功海水温差发电。1930年，克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站，获得了10千瓦的功率。1979年，美国在夏威夷的一艘海军驳船上安装了一座海水温差发电试验台，发电功率达53.6千瓦。1981年，日本在南太平洋的瑙鲁岛建成了一座100千瓦的海水温差发电装置，1990年又在鹿儿岛建起了一座兆瓦级的同类电站。
海洋温差能发电原理如下：深层低温海水由冷水泵通过冷水管抽入冷水工作管道，表层温水由温水泵通过温水管抽入温水工作管道。温水通过管道流经充满氨水的蒸发器将氨水加热为氨气，氨气通过工作管道被输送到涡轮机并带动涡轮机运转，涡轮机带动发电机发电。从涡轮机出来的氨气沿工作管道被输送到冷凝器，深层冷海水流经冷凝器将氨气转换为氨水。氨水由工作流体泵被继续输送到蒸发器，冷水与温水被排水管排回海洋。如此反复循环，以达到利用海洋温差能的目的。
温差发电是海洋温差能利用的主要方式。按照工质及流程的不同，海洋温差发电的工作方式可分为有闭式循环和开式循环。两种循环方式各有优缺点。
1.开式循环
当温海水进入热交换器(蒸发器)加热氨等低沸点工质，使之蒸发，产生绝对压力约2.4千帕的蒸汽。该蒸汽膨胀后，驱动低压汽轮机转动，产生动力。该动力驱动发电机产生电力。做功后的蒸汽经冷海水降温而冷凝，减小了汽轮机背后的压力，同时生成淡水。开式循环过程中要消耗大量的能源：在海水进入真空室前，需要开动真空泵将温海水中的气体除去，造成真空室真空;在淡水生成之后，需要用泵将淡水排出系统;冷却的冷海水要从深海抽取。这些都需要从系统产生的动力中扣除。当系统存在效率不高、损耗过大、密封性不好等问题时，就会造成产能下降或耗能增加，系统扣除耗能之后产生的净能就会下降，甚至为负值。因此，降低流动中的损耗，提高密封性，提高每个泵的工作效率，提高换热器的效率，就成为系统成败的关键。
开式循环的优点在于产生电力的同时还产生淡水;缺点是用海水作为工质，沸点高，汽轮机工作压力低，导致汽轮机尺寸直径约5米，机械能损耗大，单位功率的材料占用大，施工困难等。目前世界上净输出最大的开式循环温差能发电系统是1993年5月在美国夏威夷研建的系统，净输出功率达50千瓦，打破了日本在1982年建造的40千瓦净输出功率的开式循环温差能发电记录。
2.闭式循环
在闭式循环中，温海水通过热交换器(蒸发器)加热氨等低沸点工质，使之蒸发。工质蒸发产生的不饱和蒸汽膨胀，驱动汽轮机，产生动力。闭式温差发电。该动力驱动发电机产生电力。做功后的蒸汽进入另一个热交换器，由冷海水降温而冷凝，减小了汽轮机背后的压力。冷凝后的工质被泵送至蒸发器开始下一循环。闭式循环的优点在于工质的沸点低，故在温海水的温度下可以在较高的压力下蒸发，又可以在比较低的压力下冷凝，提高了汽轮机的压差，减小了汽轮机的尺寸，降低了机械损耗，提高了系统转换效率;缺点是不能在发电的同时获得淡水。从耗能来说，闭式系统与开式系统相比，冷海水和温海水流动上所需的能耗是一致的，不一致的是工质流动的能耗以及汽轮机的机械能耗，闭式系统在这两部分的能耗低于开式系统。
无论是开式循环还是闭式循环，都类似于常规热电站的工作方式，不同的是海洋温差发电工作温度低些，所需热最来源于海水而不是燃料燃烧产生的热能。海洋温差能发电与潮汐能和波浪能发电不同之处在于它可提供稳定的电力。为使海洋温差发电实现大规模商业化应用，目前各国正致力于相关技术难题的攻关。
海水温差发电涉及耐压、绝热、防腐材料、热能利用效率等诸多问题，目前各国仍在积极探索中。出于对地理因素影响与经济效益的考虑，世界各国对于温差发电的推动尚无出色的成绩。我国地理环境适合，在提倡利用可再生能源的今天，对于温差发电的相关研究工作，国家应该给予更多的支持。
我国是国际公认的最有开发海洋温差发电潜力的地区之一。台湾东部面临太平洋，沿岸陡降，离岸不远处水深即可达1000米，海水温差经年维持在20℃以上，且有黑潮暖流通过，有利于温差的提高。我国东部海域蕴藏着3000兆瓦的海洋温差能源尚待开发。
