人类利用水能的历史是十分悠久的。古人已利用水能推动水轮带动磨盘磨面，带动水碓脱粒，带动面罗筛面，带动水排鼓风，带动纺机纺纱。此外，人们还乘木船和皮筏航行和运输，利用刻漏浮箭报时和利用水力推动浑仪进行天文观测，等等。由此可见，水力的用途不可谓不广泛吧！现代社会中水能的利用主要是将水流的动能变为二次能源的电能，再加以利用。像风能一样，水能也是可再生能源和清洁能源。由于大自然的慷慨，水能的运营成本是非常低的。此外，人们在开发水能时也常常将灌溉、防洪、航运和环保作综合考虑。这样，就可以使水能具有更好的经济效益和社会效益。特别是大型水电站，虽然一次投资很大，但一旦建成，对经济发展会产生极大的作用。
水轮
水力资源
据现在的估计，全世界的水能资源总储量为5000吉瓦，可用于发电的储量为2300吉瓦，每年可发电9.8万亿千瓦时。到今天为止，利用的发电储量也只有1／5左右，发达国家利用的比例也不足一半。
中国的地势是西高东低，江河之水的来源主要是西部高原覆盖的冰雪融化，以及大量的雨水汇合流入江河。它们多是从西向东流向大海，正如唐代大诗人李白的诗：“黄河之水天上来，东流到海不复回。”中国大地江河纵横，蕴涵着丰富的水能资源，估计总储量为680吉瓦，可开发的储量为370吉瓦，年发电量可达2万亿千瓦时，均居世界首位。仅西南地区的金沙江、雅砻江和大渡河就拥有可开发的水力资源60吉瓦，为三峡水电站的3倍以上。但目前只开发了5％，还有相当大的潜力。当前正在兴建的三峡水电站，其总装机容量为18.2吉瓦，年发电量可达840亿千瓦时。
一般来说，太阳是一个巨大的“水泵”，它将大量的海水和陆地表面的河水、植物叶子表面的水分蒸发到空中，这使得地球大气中的水蒸气含量达100亿吨。在大气中的水蒸气来源中，海水占首要地位，一是因为海面占地球表面70％，二是因为海洋水蒸发速度也要快些。空气中的水蒸气在上升过程中，由于温度下降便凝聚成雨、雪、雹、露等再降回地面。
由于重力的作用，河水是从高处流向低处。这样的水流所具有的能量就形成了我们所说的水力资源或水能。在一些落差很大和流量很大的地方还可以形成大瀑布，如我国贵州省的黄果树瀑布、黑龙江省的镜泊湖吊水楼瀑布、吉林省的白头山天池瀑布、黄河壶口瀑布等。世界上也有一些有名的大瀑布，如位于非洲赞比亚与津巴布韦之间的赞比亚河上的维多利亚大瀑布，断崖高达125米，宽1800米，平均流量达5620立方米／秒。
我国70％以上的水力资源集中在西南地区，这里有金沙江、岷江、雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、红河等。以金沙江为例，它全长近3000千米，全部落差为4800米，占长江总落差的95％左右，为水力发电展示出极好的前景。
世界各大洲中，以非洲的水力资源最为丰富，占世界第一位。由于它的北部多处于热带地区，降水量大，使河水流量增大。河流流经高原，顺流而下，形成了许多急流与瀑布。非洲河流中以刚果河的水力资源最丰富，它的总量超过了全欧洲的水力资源蕴藏量的总和。
水力发电是将水能（势能）转变为电能。由于水能可以再生，发电成本低，且可以节省宝贵的石油、煤炭和天然气资源，因此在电力工业发展初期就受到重视。
水力发电的原理
像火力发电需要汽轮机一样，水力发电则需要水轮机。水轮机是一种将水流能量转化为机械动力能量的涡轮机，它是从原始的水车发展而来的。当水落差不同时，水轮机的结构是有些差别的。当水落差大于600米时，水轮机采用冲击式。冲击式水轮机的工作原理是，当水流下时，水的重力势能转化为动能，将高速水流引入一个喷管中，从喷管喷出的高速水流再喷射到叶片上，使叶片带动主轴转动，进而带动发电机发电。当水落差小于600米时，水轮机采用反击式。反击式水轮机的工作原理是，先将水流旋转起来，并将引水导管和导向叶片制成螺旋状，使叶片一边随轮旋转，一边得到水的推力。同冲击式水轮机一样，进而带动发电机发电。
水力发电的开发历程
对于水利电力的开发，美国进行得最早。1882年，爱迪生在威斯康星州创建了亚普尔顿水电站。这是世界上最早的水电站。他的水头为3米，装机容量为10.5千瓦。美国对密西西比河的开发非常重视，到1913年，总装机容量为147兆瓦，到1930年达9150兆瓦。
20世纪30年代，美国开始注意对河流的梯级开发，以期得到更大的经济效益。据统计，1926年，美国的水力资源利用程度不到4％，1950年也不到15％，到1980年接近40％，水电占全国发电量的11％。利用率不高的原因是北部（阿拉斯加）地区水力开发水平低，另外，为了保持自然风貌，保护生态环境，有意识不开发某些水力资源，转而对旅游资源进行开发，这是很有战略眼光的。
由于国家经济的发展和人民生活的改善，对电力需求日益增长，很多国家重视对水力资源的开发和利用。1950年，装机容量超过1000兆瓦的水电站只有2座（都建在美国）；80年代以来，装机容量在2000兆瓦的水电站超过30座，其中超过4000兆瓦的超过10座。比较有名的是美国大古力水电站，装机容量近6500兆瓦，巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，装机容量达12600兆瓦。
我国于1907年开始建设水电站，在云南螳螂川建设的石龙坝水电站，安装了2台300千瓦的水轮发电机。这是我国最早的水电站。到20世纪40年代中期，全国水电站装机容量达1023兆瓦。从50年代以来，水电技术和水电建设都得到很快的发展，到80年代中期，水电容量达25000兆瓦，发电量864亿千瓦时，分别占全国总量的1／3和1／4。其中最有名的水电站有甘肃于1975年在黄河上建成的刘家峡水电站，它的装机容量为1225兆瓦。仅这一座水电站就超过40年代全国的水电装机容量，这也是中国水电建设史上第一个超过1000兆瓦的大型水电站。刘家峡水库的拦河大坝高147米，这是我国建成的第一座拦河高坝。水电站有5台水轮机组，其中260兆瓦的水轮发电机是我国自行研制的第一台单机容量最大的双水内冷式水轮发电机。
另一个最有名的水电站是湖北葛洲坝水电站。它位于三峡东出口外。发电机组有2台170兆瓦和17台125兆瓦水轮发电机，其中2台170兆瓦的水轮机为转桨式水轮机，它的转子直径为11.3米，为四川省德阳东方电机厂生产，是世界上最大的转桨式水轮机。它有4个叶片，每片叶片重达40吨。这座水电站总装机容量为2715兆瓦，年发电量达140多亿千瓦时。这是我国最大的水电站，并且也是世界上最大的水电站之一。
中国的水力资源十分丰富，水力蕴藏量680吉瓦，可开发量达380吉瓦，居世界第一位。除了上述的刘家峡和葛洲坝水电站外，中国靠自己的力量还兴建了一些水电站，例如，大渡河上的龚嘴水电站（700兆瓦）、乌江渡水电站（630兆瓦）、汉江上的丹江口水电站（900兆瓦）、新安江水电站（662.5兆瓦）等。
进入20世纪90年代，我国的水电事业发展更快，1998年，中国水电工程以50多吉瓦的工程总量排在世界第一位。截至到2000年已建成和在建的装机容量超过1300兆瓦的大型水电站有12座。
在已建成的水电站中，葛洲坝水电站仍居首位。二滩水电站是投产在望，建成后将取代葛洲坝而跃居首位。但它的纪录是不会长的，因为我国正在建设的三峡水电站更是世人瞩目，也许它将永居冠军的地位，并且是世界最大的水电站。
说到三峡水利枢纽工程的建设，它是开发和治理长江的关键性骨干工程，我国的跨世纪宏伟工程，具有防洪、发电、航运等综合效益。三峡工程的坝址在湖北宜昌三斗坪，距葛洲坝只有40千米。水库的正常蓄水位是175米，总库容393亿立方米。年发电量可达841.8亿千瓦时。
三峡工程有一系列的世界第一。首先是大坝混凝土的工程量，目前世界上已建的混凝土坝中，俄罗斯的萨扬舒申斯克坝混凝土量最大，为908万立方米，而三峡大坝的混凝土量为1599万立方米，约为前者的1.8倍。其次是水轮机的直径，目前世界上最大的水电站是巴西和巴拉圭的伊泰普水电站，装机容量与三峡水电站在同一数量级上，单机容量相同，但三峡的额定水头较低，所以水轮机直径更大，为9.8米。第三是船闸和升船机，三峡永久船闸的闸室尺寸与世界上最大的船闸差不多，但总水头为113米，远高于目前世界最高的大型船闸（俄罗斯的布赫塔明船闸总水头为68米）；三峡升船机的过船吨位（可通过1艘3000吨级客货船或1500吨级船队）和提升高度（113米）也是世界第一。所以，从大坝、电站、船闸和升船机的规模，从防洪、发电和航运等各方面综合评价，三峡工程是当今世界最大的水利工程。
磁流体发电
常规火力发电使用的主要燃料是煤炭，特别是像我们中国这样的煤炭大国，更是以煤炭为主要燃料。在煤炭中含有硫元素，燃烧后会排放出大量的二氧化硫气体，造成严重的空气污染，并导致酸雨。这就需要建造大型净化设备或脱硫设备，因而降低了电站的经济效益。此外，由于在火力发电的能量转换过程中，能量的损失也大大降低了发电的效率，使发电的效率只达40％左右。从理论上讲，43％的效率是现代热力发电的极限。若要提高发电的效率就要另辟途径。这样，许多科学家就自然地想到，能否找到一条“直接发电”的路子呢？由于火力发电主要以煤炭为燃料，所以为了提高发电的效率。科学家在全力研究先进的燃煤发电技术。20世纪50年代以来，人们开始注意到磁流体发电的技术。1959年，美国率先研制成功“阿夫柯1”号磁流体发电机。
磁流体发电也被称做“等离子体发电”，这是一种将热能直接转换成电能的新型发电技术。这种技术的基本原理和传统发电机一样，用导体切割磁力线产生感应电动势。但是，磁流体发电中是用导电流体来代替金属导体的。又由于磁流体发电机的排气温度高，其余热可产生蒸汽以驱动汽轮发电机，这就可以构成磁流体-蒸汽联合循环系统，以提高发电机的效率。导电流体的高温既可以通过矿物燃料燃烧时获得，也可以利用核反应堆的核燃料释放能量获得。用矿物作燃料就形成开环磁流体联合循环发电，利用核反应时就形成闭环磁流体联合循环发电。目前，使用矿物燃料的开环磁流体发电技术是主要的研究对象。
磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体3部分组成。燃料在燃烧室与氧化剂充分混合燃烧，可以产生3000K的高温等离子燃气，并以800米／秒的速度进入垂直置于磁场中的通道在通道中，导电气流切割磁力线，在垂直于磁场和气流的方向上产生感应电动势。
与常规火力发电技术相比，燃煤磁流体发电技术具有热效率高、用水少、结构简单等优点。由于磁流体发电机没有转动部件，启动较快，可用作大功率短时间的特种电源。磁流体发电机与常规燃煤发电机相比，后者由于受到热机理论的限制，其发电效率不超过40％；而磁流体发电技术中，燃煤磁流体发电的温度达3000K，磁流体一蒸汽联合循环发电系统的早期效率为46％～48％，进行技术改进之后的效率可达55％～60％，约可节约燃料35％。这是一种很有前途的发电技术。
细菌发电
发电其实就是将水力、风力、核能、太阳能、或火力转化为电力。自然界有大量的细菌，它们消化了大量的腐殖质，功劳不小。但如果说用细菌发电，也许就是笑谈了。然而，这并不是笑谈。
1910年，英国植物学家马克·皮特作了一个实验。他用铂作电极，并把电极放入大肠杆菌溶液或酵母菌溶液中，这种溶液产生了电流。这样，皮特制造成功的世界上第一个细菌电池。1984年，美国科学家设计出一种新型的细菌电池，以供太空环境下的宇航员使用。这种细菌电池中的活性物质是利用宇航员的尿液和活细菌。
这种宇航员使用的细菌电池效率很低，难以投入使用。到20世纪80年代末，英国化学家彼得·彭脱的研究有了新的进展。他让细菌在电池组内分解溶液的分子，以释放出电子向阳极运动，进而输出电能。在糖溶液中，彭脱又添加了用于染料的芳香族化合物，以用作稀释剂，使生物系统输送电子的能力得以提高。据测算，这种电池消耗100克糖可获得近1.4兆库仑的电量。它的效率可达40％，已经高于目前使用电池的效率。估计这种细菌电池的效率还可提高10％左右。如果细菌电池不断补充糖，可获得2安培的持续电流。
人们对细菌电池还进行了改进，将两种细菌放入电池中特制的糖溶液。其中一种细菌吞噬溶液中的糖，以产生酸；另一种细菌再将这些酸转化为氢气，氢气进入燃料电池发电。还有一种巧妙的方法，它不直接使用糖，而是利用单细胞藻类；太阳光将藻类中的二氧化碳和水转化为糖，而后细菌利用这些糖发电。
研究中人们还发现，细菌具有一种特殊的本领。它可以捕捉太阳能，并将太阳能直接转化为电能。例如，美国科学家找到一种嗜盐杆菌，它们含有一种紫色素。这种紫色素可将接受到的太阳光的10％转化为化学能，并同时产生电能。利用这种杆菌制成的小型细菌电池可产生几分之一伏特的电压。
可利用的物质还有好多，如锯末、秸秆、稻草、落叶，以及化学工业废弃物，它们都可以用于细菌发电。这样可以大大降低发电的成本。此外，利用细菌发电原理还可以建成电站。一般来说，建设一座1兆瓦的细菌发电站只需1000立方米的细菌培养液，每小时消耗的糖2吨。这种新型电站是不污染环境的，它的重要废弃物是二氧化碳和水。也许在不久的将来，我们的电网中就有利用细菌发出的电能了。
