海洋溫差能，又稱海洋熱能。利用海洋中受海洋垂直方向上有著溫度差（太陽能加熱的暖和的表層水與較冷的深層水之間的溫差）進行發電而獲得的能量。在南北緯30°之間的大部分海麵，表層和深層海水之間的溫差在20℃左右；如果在南、北緯20°海麵上，每隔15千米建造一個海洋溫差發電裝置，理論上最大發電能力估計為500億千瓦。赤道附近太陽直射多，其海域的表層溫度可達25℃～28℃，波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍，其海麵水溫可達35℃。而在海洋深處500～1000m處海水溫度卻隻有3℃～6℃。這個垂直的溫差就是一個可供利用的巨大能源。在大部分熱帶和亞熱帶海區，表層水溫和1000m深處的水溫相差20℃以上，這是熱能轉換所需的最小溫差。據估計，如果利用這一溫差發電，其功率可達2tW。
海洋熱能主要來自於太陽能。世界大洋的麵積浩瀚無邊，熱帶洋麵也相當寬廣。海洋熱能用過後即可得到補充，很值得開發利用。據計算，從南緯20°到北緯20°的區間海洋洋麵，隻要把其中一半用來發電，海水水溫僅平均下降1℃，就能獲得600億千瓦的電能，相當於目前全世界所產生的全部電能。專家們估計，單在美國的東部海岸由墨西哥灣流出的暖流中，就可獲得美國在1980年需用電量的75倍。
如何有效地利用海水溫度差能量來為人類服務呢？法國的Arsened Arson val於1881年首次提出海洋溫度差發電的構想。即發明利用海水表層（熱源）和深層（冷源）之間的溫度差發電的電站。於是1930年Claude在古巴的近海，首次利用海洋溫度差能量發電成功，但是，由於發電係統的水泵等所耗電力比其所發出的電力更大，結果純發電量為負值。然而人們並沒有泄氣。1979年，夏威夷的MINI-OTEC發電係統第一次發出了15kW的淨發電容量。
根據所用工質及流程的不同，一般可分為開式循環、閉式循環和混合式循環，目前接近實用化的是閉式循環方式。
1.開式循環發電係統
該係統主要由真空泵、冷水泵、溫水泵、冷凝器、蒸發器、汽輪機、發電機組等組成。
真空泵將係統內抽到一定真空，啟動溫水泵把表層的溫海水抽入蒸發器，由於係統內已保持有一定的真空度，所以溫海水就在蒸發器內沸騰蒸發，變為蒸汽。蒸汽經管道由噴嘴噴出推動汽輪機運轉，帶動發電機發電。從汽輪機排出的廢汽進入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上的冷海水所冷卻，重新凝結為水，並排人海中。在該係統中作為工質的海水，由泵吸入蒸發器蒸發到最後排回大海，並未循環利用，故該工作係統稱為開式循環係統。
在開式循環係統中，其冷凝水基本上是去鹽水，可以作為淡水供應需要，但因以海水作工作流體和介質，蒸發器與冷凝器之間的壓力非常小，因此必須充分注意管道等的壓力損耗，同時為了獲得預期的輸出功率，必須使用極大的透平（可以和風力渦輪機相比）。
2.閉式循環發電係統
該係統不以海水而采用一些低沸點的物質（如丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等）作為工作流體，在閉合回路中反複進行蒸發、膨脹、冷凝。因為係統使用低沸點工作流體，蒸汽的壓力得到提高。
係統工作時，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發器，通過蒸發器內的盤管把一部分熱量傳遞給低沸點的工作流體，例如氨水，氨水從溫海水吸收足夠的熱量後，開始沸騰並變為氨氣。氨氣經過汽輪機的葉片通道，膨脹做功，推動汽輪機旋轉。汽輪機排出的氨氣進入冷凝器，被冷水泵抽上的深層冷海水冷卻後重新變為液態氨，用氨泵把冷凝器中的液態氨重新壓進蒸發器，以供循環使用。
閉式循係環統的工作流體要根據發電條件（渦輪機條件、熱交換器條件）以及環境條件等來決定。現在已用氨、氟利昂、丙烷等工作流體，其中氨在經濟性和熱傳導性等方麵有突出優點，很有競爭力，但在管路安裝方麵還存在一些問題。
閉式循環係統的優點是：（1）可采用小型渦輪機，整套裝置可以實現小型化；（2）海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求。其缺點是：因為蒸發器和凝汽器采用表麵式換熱器，導致這一部分體積巨大，金屬消耗量大，維護困難。
3.混合循環發電係統
該係統基本與閉式循環相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在於減少了蒸發器的體積，可節省材料，便於維護。
從海洋溫差發電設備的設置形式來看，大致分成陸上設備型和海上設備型兩類。陸上型是把發電機設置在海岸，而把取水泵延伸到500～1000米或更深的深海處。例如1981年11月，日本在太平洋赤道地區的瑙魯共和國修建的世界上第一座功率為100千瓦的岸式熱能轉換站，即采用一條外徑為0.75米、長1250米的聚乙烯管深入580米的海底設置取水口。這種設置形式很有發展前途。海上型是把吸水泵從船上吊掛下去，發電機組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。海上設備型又可分成3類，即浮體式（包括表麵浮體式、半潛式、潛水式）、著底式和海上移動式。例如，1979年在美國夏威夷建成的“MINI-OTEC”發電裝置，即安裝在一艘268噸的海軍駁船上，利用一根直徑0.6米、長670米的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。