海洋溫差發電是利用熱交換的原理來發電。

首先需要抽取溫度較高的海洋表層水，將熱交換器裡面沸點很低的工作流體（working fluid，如氨、氟利昂等）蒸發氣化，然後推動渦輪發電機而發出電力；再把它導入另外一個熱交換器，利用深層海水的冷度，將它冷凝而回歸液態，這樣就完成了一個循環。周而復始的工作。

在熱交換技術平台，有封閉式循環系統、開放式循環系統、混合式循環系統等，其中以封閉式循環系統技術較成熟。而在地點的設置上，則有岸基式、離岸式差別

溫差發電目前來說包括海水溫差發電（工質推動汽輪機做功發電）和半導體溫差發電片的應用。 海水溫差發電的話，在冷熱海水流速一定的情況下，溫差的大小直接影響發電效率。 半導體溫差發電片應用的話，按照Seebeck效應來說，只要存在溫差就能發電，但指的是存在溫差電動勢，也就是在Seebeck係數不變的情況下，溫差越大，溫差電動勢也就越大，但能否產生對應的理論電量，必須參考熱流密度，熱流量和冷端的熱沉換熱係數。 半導體溫差發電過程中的熱力學問題是很複雜的，但可以簡單的從物理學角度理解為：向P型半導體熱端提供能量（熱能），載流子（電子）吸熱逸出往冷端擴散和定向移動，從而產生溫差電動勢和電流。

1. 在熱流密度和冷端的熱沉換熱係數不變的情況下，溫差增大，溫差電動勢隨之增大，但電流下降。

2. 在溫差不變的情況下，增大熱流密度（同時加大冷端的熱沉換熱係數）到一定的值，可提高10%-25%的發電效率（視材料而定）。

3. 在溫差和熱流密度不變的情況下，加大冷端的熱沉換熱係數，電壓不變，電流增加。

4. 電偶臂越長，其內部溫度達到平衡所需的時間越長，內阻增大，導致電流變小。

5. 電偶臂截面面積越大，內阻越小，電流增大。 按現在的技術來看，因為材料問題，民用市場能買到的溫差發電片的熱電轉換效率只有4-8%左右，實用性不高。