封闭式循环系统系利用低沸点的工作流体作为工质。其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵。因为工作流体系在封闭系统中循环，故称为封闭式循环系统。当温海水泵将温海水抽起，并将其热源传导给蒸发器内的工作流体，而使其蒸发。蒸发后的工作流体在涡轮机内绝热膨胀，并推动涡轮机的叶片而达到发电的目的。发电后的工作流体被导入冷凝器，并将其热量传给抽自深层的冷海水，因而冷却并且再恢复成液体，然后经循环泵打至蒸发器，形成一个循环。工作流体可以反覆循环使用，其种类有氨、丁烷、氟氯烷等密度大、蒸气压力高的气体冷冻剂。以氨及氟氯烷22为最有可能的工作流体。封闭式循环系统之能源转换效率在3.3%～3.5%。若扣除泵的能源消耗，则净效率在2.1%～2.3%。
开放式循环系统并不利用工作流体作为工质，而直接使用温海水。首先将温海水导入真空状态的蒸发器，使其部分蒸发，其蒸气压力约为3kPa（25℃），相当于0.03大气压力而已。水蒸气在低压涡轮机内进行绝热膨胀，做完功之后引入冷凝器，由冷海水冷却成液体。冷凝的方法有两种：一种是水蒸汽直接混入冷海水中，称为直接接触冷凝；另外一种是使用表面冷凝器，水蒸汽不直接与冷海水接触。后者即是附带制备淡水的方法。虽然开放式系统的能源转换效率高于封闭式系统，但因低压涡轮机的效率不确定，以及水蒸气之密度与压力均较低，故发电装置容量较小，不太适合大容量发电。
混合式循环系统与封闭式循环系统有些类似，唯一不同的是蒸发器部分。混合式系统的温海水系先经过一个闪蒸蒸发器（flashevaporator，一种使流体急速压缩，然后急速解压而产生沸腾蒸发的设备），使其中一部分温海水转变为水蒸气；随即将蒸气导入第二个蒸发器（一种蒸发器与冷凝器的组合设备）。水蒸气在此被冷却，并释放潜能；此潜能再将低沸点的工作流体蒸发。工作流体于此循环而构成一个封闭式系统。设计混合式发电系统的目的，在于避免温海水对热交换器所产生的生物附着。该系统在第二个蒸发器中还可以有淡水副产品的产出。同时，开放式发电系统的低容量缺点亦可获得改善。
世界上发展海洋温差技术的国家不多，日本、法国、比利时等国已经建成了一些海洋温差能发电站，功率从100kW至5MW不等。日本在海洋温差能研究开发方面投资力度很大，并在海洋热能发电系统和换热器技术方面领先于美国，迄今共建造了3座海洋温差试验电站，均为岸基式。预计到2010年全球将有1030座海洋温差能发电站问世。
