尽管水电被认为是一种可再生能源，但由于大坝对环境的影响，其可持续性有时受到质疑，这也是部署大中型水电项目的主要障碍。
人们对利用小水电资源的兴趣越来越大，由于其在规模（即小）、部署时间（即短）和对环境的影响（即低）方面的优势，该技术正在全世界范围内得到发展。
到目前为止，主要集中在小水电技术上使用2米到30米之间的低水头或水动能转换技术。
然而，在以下情况下，对水能的开发还没有给予足够的重视水力压头在0米至3米之间（即超低水头[ULH]），因为这些资源的经济效益不佳。
通过水轮机的进步、简化的土建工程和降低的项目成本，超低硫水电将成为一种有吸引力的、可再生的和可持续的资源。
此外，这种水能技术的优势在于它可以广泛分布，并在人类活动附近实施，而且它被普遍认为是无害环境的。
具体来说，超高压水电的低环境影响主要体现在以下两点：（1）宽大的叶片通道和低转速可以大大减少对鱼类的碰撞损害；（2）由于不涉及大坝或很低的大坝，避免了鱼类迁移和航行的障碍，确保了下游的水流量。
尽管通常被认为是对环境无害的，但该技术的不适当应用会导致致对环境的有害影响。
超低空水能指的是水头小于3米或流速大于0.5米/秒且水头为零的情况。
ULH水力发电根据输出量的不同，可以是微型水电（小于5千瓦）、微型水电（5千瓦-100千瓦）、微型水电（100千瓦-1兆瓦）、小型水电（1-15兆瓦）或中型水电（15-100兆瓦）。
许多低水头项目寻求最小化基础设施和成本，因此，低水头水电项目几乎都是“沿河”安装（即蓄水能力很小甚至不存在）。
ULH水能资源的讨论和实验研究应根据水能资源的时间和空间流动特性进行综合评估，以确认候选地点的经济价值。
然而，由于超低频水能资源在世界各地的地理分布很广，要进行调查以获得可靠的统计数据是很困难的。
因此，我们将现有的超低硫水力发电站按以下分类进行介绍：（1）河流和溪流；（2）运河、水闸和泵站；（3）水电站。
管道系统；（4)废水水电；（5)电站的尾流；6)潮汐能源；以及（7)其他地点。
世界上许多未开发的河流或溪流含有丰富的超低频水力资源，可以通过安装在简单的现场结构中的合适的水力装置来产生电能。
在越南，已经使用了利用当地木材和竹子的建筑，并且已经安装了几个200W的低水头的微型水力装置来发电。
单纯的水流（即没有水头）可用于使用水力动能涡轮机发电。
从一个潜在的水力发电点可获得的功率取决于水流的速度和深度，这决定了可使用的涡轮机的大小。
电力研究所（EPRI）进行的一项研究估计，美国河流的水动力技术上可回收的电力为119.9TWh/年。
例如，使用水轮机，可以在纽约市东河的东航道上产生1兆瓦的电力，而对河道内的平均水速影响很小。
站水流速度大于1.5米/秒的运河和其他人工水道，由于其可控性、可预测性和相对清洁的特点，是理想的超高压能源转换场所。
这美国能源部风力和水力发电技术支持在现有运河系统内开发水力动能，如华盛顿州的罗萨运河。
英国水道公司报告了以下计划：（1）利用英国3541公里的运河和河流；（2）建设25个小型水电计划，总发电量为40兆瓦，足以为4万个家庭供电。
适用于中小型渠道的水力动能涡轮机技术是清洁能源生产的一个突破口，并分析了皮埃蒙特地区（意大利西北部）灌溉渠的数据库，绘制了该资源的能源生产潜力图。
总的来说，水流水动力发电在水速很高的水道和运河中是可行的。
此外，水的流速越快，发电的工业冷却水循环系统的管道、水厂和水电站的供水管道都有不同程度的剩余水头。
另外，有一个案例，在一个冷却塔管道系统中存在从39到147千帕的剩余压力。
安装了一个改良的混流式水轮机来收集冷却系统中以前浪费的能量。
通过研究了300千瓦的小型水轮机组，发现它可用于取代水电站供水系统中的降压阀。
许多水处理厂的引水管道中的过剩压力也可以被利用来发电。
在供水网络中使用微型水力系统可以在发电的同时控制系统压力。
但是，在探索城市供水网络的潜在能量回收时，必须注意避免对水质的影响。
此外，还可以设置旁路管道，以防止发生影响正常供水的事故。
因此，所提出的方法的最佳规划、设计、实施和管理对于获得最大的环境、社会和经济效益非常重要。
尽管在污水厂实施水力发电仍处于发展阶段，但随着新的低水头涡轮机系统技术的出现，这些设施中现存的水能已受到更多关注。
在最近对美国七个州（即加利福尼亚州、德克萨斯州、佛罗里达州、宾夕法尼亚州、新泽西州、纽约州和马萨诸塞州）的调查中，确定了高能源价格和大量的污水处理厂，这将使这些地方成为污水水电装置的有吸引力的候选地。
通过研究了马萨诸塞州的八个污水处理厂，并报告了平均流量从0.05到15.99米/s，可用水头约为1.22到5.18米。
位于马萨诸塞州波士顿附近的鹿岛污水处理厂，自2002年以来一直在从该厂流出的水中回收能源。
该厂安装的两台1兆瓦水力发电机每年可生产600多万千瓦时，每年可节省约60万美元。
马萨诸塞州米尔伯里的一个污水处理设施的可用水头为1.7米，平均流量为1.4米3/s，可以产生约20千瓦的电力。
一般来说，在污水处理厂附近安装水力装置有两种方案。
在第一种方案中，水电机组安装在污水处理厂的上游。
在这种情况下，水轮机组件应更耐腐蚀，分流管入口必须配备薄的垃圾架。
在第二个方案中，水力装置安装在下游，水力装置遇到的水比较干净，所以装置中使用的部件材料可以不那么耐腐蚀；但是，现场的空间限制可能成为一个重要问题。
电站的尾流水电站大坝脚下的保留流量或补偿流量或从引水管流出的水仍有相当大的水动能。
使用这些流量来发电将导致较低的流速，从而减少对岸边下游水力结构的侵蚀。
使用一个三维计算流体动力学模型来模拟堪萨斯州米尔福德大坝尾流的流速。
结果表明，尾水渠中的强流的速度可达到1.4-1.7米/秒。
华盛顿州东南部Wanapum大坝的尾流区域的定量流场可视化提供了流量矢量的分布情况，并为水电机组的选址提供了有用的参考点。
除了从尾流中提取能量外，火力发电站的冷却水被输送到水力发电站，通过卡普兰涡轮机和发电机发电。
总的来说，通过从总的水力发电量中提取0.1%的水能，到2020年，全世界可以通过尾闾水电增加12吉瓦的发电量。
2.6.潮汐能源潮汐能包含势能和动能成分，可分别由挡潮闸和潮汐涡轮机来利用。
理论上全球潮汐资源估计为8800太瓦时/年。
技术上可回收的潮汐能源潜力被预测为800太瓦时/年。
国家可再生能源实验室和EPRI估计，目前美国所有海洋可再生能源的总潜力超过了国家的电力需求。
到2025年，总共可以部署13吉瓦的新水动力技术，至少可以供应美国10%的电力需求。
目前有许多潜在的能源地点，包括爱尔兰、亚马逊河、英吉利海峡、直布罗陀海峡、斐济岛、墨西拿海峡、伊朗南部海岸和韩国。
在欧洲，EU-JOULECENEX项目包括资源评估，并汇编了一个欧洲地点的数据库，其中确定了100多个海床面积从2到200公里的地点，许多地点的功率密度超过10兆瓦/公里。
中国丰富的潮汐能资源具有巨大的开发潜力。
中国80%以上的潮汐能资源分布在福建和浙江两省，长江口以南的海域也有丰富的潮流能。
然而，目前潮汐能开发仍面临着复杂的海洋水动力环境、设备寿命短、维护障碍、施工困难以及需要大量资金投入等方面的挑战。
其他地方也可能存在用于开发的水能。
在溪流中安装止水坝是为了控制洪水和砾石运输，并减轻侵蚀。
由此产生的水库储存了一定量的水并形成低水头，可以通过安装在大坝上的水力装置或用虹吸管连接来发电。
海水淡化厂使用反渗透法，在7兆帕左右的高压下，通过半透膜将水与溶解的盐分分离。
仍处于高压状态的过程中的残留水可以通过涡轮机来回收用于驱动反渗透过程的部分能量。
在另一个例子中，必须安装一个吸引流，以便向上游迁移的鱼能找到鱼道系统的入口。
这种吸引流可以通过从上游盆地到鱼道系统入口处放置一个笔架来创造。
在这种情况下，能量回收将涉及安装一个涡轮机，利用吸引流和上游盆地与鱼道入口之间的水位差。
为超高压应用选择涡轮机选择合适的水力涡轮机用于超高压水能开发是非常重要的。
常规水轮机可分为冲力式水轮机和反应式水轮机。
传统水轮机类型主要包括佩尔顿水轮机、图尔格水轮机、贯流式水轮机、混流式水轮机、卡普兰水轮机和管式水轮机。
此外，还有20多种用于电流能量转换的新兴水动能涡轮机。
这些新兴的水动能涡轮机可分为升力型和阻力型，其类型基于作用在叶片上的水力原理，或者对于水平轴和垂直轴涡轮机，基于水流方向和旋转轴之间的关系。
涡轮机选择图通常用于选择涡轮机进行考虑，并对它们进行技术和经济比较。
可用和更新的涡轮机选择图涡轮机选择图表可以提供基本信息，有助于确定可能适合特定地点的涡轮机。
这些图表还可以帮助制造商验证涡轮机是否合适。
针对具体地点的条件。
在一些教科书和已发表的文献中提供了涡轮机选择图。
作为一个典型的例子，涡轮机选择图显示了涡轮机的类型，可用于水头范围从1到1000米，排放范围从1到100米3/s。
然而，它没有考虑可以在超低水头和排放条件下运行的创新涡轮机技术。
据报道，一些结构简化的混流式水轮机可以应用于水头小于3米的情况，重新设计的贯流式水轮机可以在没有水头的情况下作为水动力水轮机运行以利用这些小的水位差，但它们通常依赖于水流中的动能，而不是与水头有关的势能。
现有的水轮机选择图在包括水轮机类型和应用范围方面并不全面，因此该图没有提供满意的超低频涡轮机选择指南。
因此，我们利用相关的研究成果创建了一个适合在超低空作业现场使用的涡轮机选择表。
该表考虑了技术和经济的可行性，即使在最低水头（0.5米）或最慢速度（0.5米/秒）的极端条件下，仍然可以选择涡轮机。
当然，水轮机的使用范围可以随着环境的变化而变化，图表中的水轮机类型应定期更新，以反映新技术的出现。
典型涡轮机的优点和缺点一般来说，开流式混流式水轮机很少用于超高压应用。
在排水量小于1米3/秒的情况下，混流式水轮机由于尺寸小、叶片数量多，加工起来很困难，而且成本高。
与卡普兰式水轮机相比，混流式水轮机在相同的超高压条件下表现出较差的流通能力和较低的功率输出。
混流式水轮机优于螺旋桨式水轮机，因为它们在宽水头范围或排量波动范围内具有良好的稳定性和高能效性。
卡普兰式水轮机在大范围内也有较好的表现，因为其具有双重调节能力（即转轮叶片和导叶都可以调节）。
然而，叶片调节机制很复杂，需要在转轮轮毂中有足够的安装空间。
因此，由于这种复杂性，卡普兰机组很昂贵，为了经济起见，更适合于水力压头很低的大流量情况。
固定叶片的螺旋桨式水轮机比卡普兰式水轮机的成本效益高得多，更适合于超低流量的应用；但是，螺旋桨式水轮机的最佳功率运行范围更有限。
管式水轮机是超高压条件和大排量条件的良好选择，因为水直接通过水轮机，导致低水力损失。
对于总流量较低的地方，可以使用单调节或无调节的管式水轮机，而不是双调节的类型，以减少复杂性和由此产生的系统成本。
此外，导叶和转轮叶片的几何形状和数量可以合理简化，以降低卡普兰和管式水轮机的制造成本。
近年来，一种极低水头的涡轮机已被证明适合在超低水位条件下运行，是一种创新的轴流式水轮机。
传统的贯流式水轮机由水射流推动，通常用于5到200米的广泛水头。
贯流式水轮机的最佳效率比卡普兰式或混流式水轮机要低一些。
但是，横流式水轮机在不同的负荷下具有平坦的效率曲线，而且其结构要求简单，具有自净能力。
此外，横流式水轮机可以改进为半潜式或全潜式，以转换电流能量，并具有更大的灵活性。
更高的能效。
因此，横流式水轮机可能是一种理想的水能转换器，可用于超低速公路。
一系列新的阿基米德螺杆式水轮机已被设计用于低水头条件（即1-10米）和大排放范围（即0.1-15米3/s）。
这些螺杆式水轮机的一个显著优势是对碎片的容忍度。
阿基米德螺旋式水轮机有可能是对鱼类友好，对环境影响小，旋转速度低，结构要求相对简单。
利用多标准分析工具认为阿基米德螺杆是最适合低水头水力发电的涡轮机。
但阿基米德螺杆式水轮机的体积较大，因此在运输和安装方面不太理想。
基于这些涡轮叶片转换水能的原理，应进行更多的测试，以验证这些机械的效率。
当超低或零水头条件存在时，水力动能涡轮机由自由流驱动。
这种类型的涡轮机通常应用于自然溪流（如河流）、潮汐、洋流、人工水道和其他有足够水速的场所。
水动能系统可以将流水的能量转化为电能，并且可以通过部署像风电场一样的多单元阵列来增加电力生产。
此外，这些系统的结构要求也很低。
适配发电机的布置然而，其相对较低的效率、气蚀、高安装成本和维护困难是推进水动力技术的最大挑战。
与涡轮机相匹配的发电机在不同的水头和流速条件下，选择合适的发电机进行高效的超低频水能转换是非常重要的。
通常情况下，超低频水力发电的特点与风力发电的特点相似，如输出功率低，转速波动慢。
因此，对于发电机的选择，可以从风力发电行业学到很多东西。
列出一些类型的发电机：（1）松鼠式笼式感应发电机和（2）永磁同步发电机。
这两种类型都已被采纳为超高压发电的成本效益选择。
鼠笼式感应发电机鼠笼式感应发电机的名称来自于其转子结构与鼠笼的相似性。
尽管与同等的永磁同步机相比效率较低，而且需要以或多或少的固定速度运行，但这种类型的感应发电机是皮米/微型/迷你规模水力发电的一个有吸引力的选择，因为它有以下优点：成本低、坚固、启动简单、控制简单。
此外，鼠笼式发电机由于其简单而坚固的无刷转子结构，需要的维护量最小。
但是，应该安装一个可靠的控制器来调节电压和频率。
至于永磁同步发电机低水头水力设施通常会经历流量和水头的极端变化，这就要求发电机能够容忍输入功率的变化。
基于永磁机的发电机非常适用于慢速和变速情况，因为它们的性能可以在不同的旋转速度下保持。
然而，永磁发电机有与磁衰减有关的缺点；也就是说，励磁是固定的，因此，输出电压随负载而变化。
模块化单元模块化机组集成了涡轮机、发电机、控制和保护设备以及支持结构。
模块化机组也被称为“即插即用”或“独立”的机组。
这些新技术可以最大限度地减少或取消传统的动力室并简化施工。
已经开发了结合改良的灯泡式水轮机设计的模块化小水电系统，用于低水头、无动力的大坝和船闸现场。
极低水头的水轮机通常安装在现有的渠道中，因此结构上的修改最小化或不存在。
尽管许多国家都有丰富的超低硫水力资源，但由于没有建立全面的数据库来收集广泛的相关信息，因此调查任务是困难的。
由于每个超高压水电项目的现场条件和部署方法不同，未来需要建立一个更准确的超高压水电项目成本评估模型。
ULH水电站的前景对于ULH水电站，未来的发展目标总结如下：首先，具有大流量的高能效涡轮机应被设计为生产更多的电力。
第二，在可行的情况下，应调查和采用轻质、廉价的材料，以降低制造成本、运输和安装，同时能够满足机械规格。
最后，为了延长使用寿命，涡轮机必须由耐腐蚀的材料制成。
具备良好的密封性，并配备有轴承。
润滑系统。
带有变速发电机的非调节型水轮机对水头或流量波动的容忍度很高，因此，可以获得最大的功率输出。
超低频电源系统的理想发电机需要是小型的、直接驱动的和变速的，并且必须具有良好的自我保护能力。
使用模块化单元、当地可用的材料和现有的设施可以大大降低项目成本。
总的来说，毫无疑问，可靠技术的可用性和低实施成本将是影响采用超低频水电的两个关键因素。
