หลักการของการผลิตไฟฟ้าพลังงานน้ำ คือ การเปลี่ยนแปลง สภาพของน้ำ จากสถานะพลังงานศักย์ เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยความแตกต่าง ของระดับน้ำเหนือเขื่อน และท้ายเขื่อน มาใช้หมุนกังหันน้ำ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งการเปลี่ยนแปลง ดังกล่าวเกิดขึ้น ได้ตามลำดับดัง ต่อไปนี้ ดังแสดงในรูปที่ 4.1-5
ในระหว่างกระบวนการ เปลี่ยนสภาพพลังงาน ขั้นตอนต่างๆ ที่แสดงไว้นี้จะมีความสูญเสีย (Loss) ต่างๆ ของพลังงานเกิดขึ้น เช่น ความสูงของหัวน้ำ, ความเร็วของน้ำ, ความฝืด, การรั่วไหลของน้ำ, การสั่นสะเทือน, การเสียดสีระหว่างเพลากับแบริ่ง ฯลฯ สำหรับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ เมื่อหักความสูญเสียต่างๆ เหล่านี้ออกแล้ว จะได้พลังงานสุทธิ คิดเป็นประสิทธิภาพ โดยประมาณ คือ ท่อส่งน้ำ (penstock) 90% ของกังหันน้ำ (turbine) 93% เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) 97% ประสิทธิภาพเบ็ดเสร็จ (overall efficiency) = 81%
สูตรแสดงความสัมพันธ์ของกำลังการผลิต คือ P = 9.8 ?H.Q. กิโลวัตต์
เมื่อ
P = กำลังผลิต เป็นกิโลวัตต์
? = ประสิทธิภาพเบ็ดเสร็จ เป็นเปอร์เซ็นต์
H = หัวน้ำยังผล (effective head) เป็นเมตร
Q = ปริมาณน้ำที่ไหลผ่านกังหันน้ำ (discharge) เป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที
จากสูตรนี้ จะเห็นว่ากำลังผลิตไฟฟ้า นั้นเป็นผลคูณ ระหว่างความสูง ของระดับน้ำ กับปริมาณน้ำที่ไหลผ่านกังหัน ดังนั้น ควรต้องพิจารณาว่า จะทำอย่างไร จึงจะสร้าง หัวน้ำให้ได้สูง และอัตราการไหลของน้ำ ที่ผ่านกังหันให้ได้ปริมาณมาก ปัจจุบันการพัฒนาพื้นที่แหล่งน้ำ มักจะมุ่งประโยชน์หลายด้าน มีการสร้างเขื่อน เพื่อเอนกประสงค์ เช่น เพื่อการป้องกันอุทกภัย การชลประทาน การผลิตน้ำประปาสำหรับใช้ทั่วไปและงานอุตสาหกรรม รวมทั้งการผลิตไฟฟ้าด้วย
ลักษณะการออกแบบ สร้างเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำนั้น ต้องอาศัยหลักวิชาด้านอุตุนิยมวิทยา อุทกศาสตร์ และธรณีวิทยา โดยจะต้องมีการสำรวจ บริเวณต้นน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในบริเวณที่มีทางน้ำไหล มีการบันทึกสถิติปริมาณน้ำฝนที่ตก สำรวจจำนวนพื้นที่ที่รับน้ำฝน วิศวกรผู้ออกแบบ จะสามารถคำนวณ ล่วงหน้าได้ว่า เมื่อสร้างเขื่อนเสร็จแล้ว จะเก็บน้ำได้จำนวนเท่าใด มีปริมาณมากพอและมีหัวน้ำ (head) สูงพอหรือไม่ ปกติเขื่อนนั้นจะสร้างระหว่างช่องเขา โดยสร้างปิดกั้นช่องเขาให้สูงพอที่จะกั้นน้ำไว้เหนือเขื่อนได้ ซึ่งจะต้องสามารถคำนวณได้ว่าเขื่อนนั้น จะสามารถเก็บน้ำได้ กี่ล้านลูกบาศก์เมตร จะมีพื้นที่ เป็นทะเลสาบ เหนือเขื่อนขนาดเท่าใด จะต้องคาดการณ์ได้ว่าระดับน้ำสูง-ต่ำเป็นเท่าใด