自上世纪80年代中期以来，集中太阳能(CSP)发电厂已经产生清洁能源，为我们的家庭、学校、办公室和社区提供电力。然而，CSP电站的一个持续的挑战是氢气积聚，这可能是昂贵的减缓和降低电站效率。NREL的资深科学家Greg Glatzmaier花费了他职业生涯的大部分时间来寻找解决方案。

到目前为止，最常见的CSP装置是基于抛物线槽式设计，即吸收热管沿着弯曲的聚焦镜运行以吸收太阳的能量。在运行过程中，从抛物线槽接收器向发电的汽轮机传递热量的有机流体经历了一个小但持续的热故障。虽然是微乎其微的，但产生的氢气逸出会造成严重的热损失，这可能会降低整个工厂的效率和收入15%。全球有80多家CSP抛物线槽电厂在运行，合计约750兆瓦的发电能力损失和每年约2.5亿美元的收入损失。

不可避免的是，所有的CSP抛物线槽电厂都将遭受氢气堆积的问题。

为这个棘手的问题开发一个有效的解决方案需要Glatzmaier所有的侦查技能:敏锐的观察力，CSP工厂操作的实践知识，以及计算建模的专业知识。多年来，一些有希望的解决方案要么在测试中失败，要么只能提供5到7年的修复，这对于使用寿命至少为30年的CSP电厂来说是不够的。一旦单个接收器的效率降低，更换它们是一个过于昂贵的选择。氢气是这个问题中看不见的罪魁祸首，它就藏在人们的视线中。

因此，在能源部太阳能技术办公室的支持和资助下，Glatzmaier与Acciona Solar Power合作开发了一个系统的缓解过程，该过程可以永久地控制接收器中的氢，以延长或恢复原来的发电厂效率和收入。

“对我来说，创造一些对技术和行业有实际用途和价值的东西一直是优先考虑的事情，”Glatzmaier说。

侦查技巧为解决方案指明了道路

在寻找解决方案时，格拉茨迈尔与其他研究人员一起在莫哈韦沙漠CSP发电厂中上下推动收集器排，拍摄接收器的红外图像以监视玻璃套管的温度，该玻璃套管封闭了输送加热流体的管子。接收器设计为在140°F的玻璃表面温度下运行。然而，红外图像测量的某些接收器的玻璃表面温度为284°F至320°F。玻璃套管的绝缘值以某种方式受到损害，并且发生了热损失。

研究人员了解到，传热流体可以排出氢气，氢气可以通过钢管泄漏，氢气是热的良好导体。这三种情况在接收器中都存在，而玻璃表面出人意料的高温度提供了第一个线索。研究人员发现了热损失的原因，但发现氢气积聚的问题被证明比设计一个解决方案来消除它要简单得多。

Glatzmaier是一位敏锐的观察者，他对CSP电厂的运作有着丰富的知识。当他考虑不同的解决方案时，他意识到如果要去除氢气，就必须在一个单一的地点进行。由于熟悉工厂是如何布置的，它是如何运作的，以及热传导流体是如何循环的，他考虑了哪些组件可以看到所有的热传导流体流过工厂。他把注意力集中在膨胀罐上，它容纳了所有不在循环中的传热流体。

内华达州博尔德市内华达州Solar One发电厂的近20,000个接收器的部分视图。

设计原型的基本要点

在能源部太阳能技术办公室和CSP工厂开发商Acciona Solar Power的支持下，Glatzmaier在五年的合作中开发了自己的分步解决方案。他首先建立了一个计算模型，以确定维持循环传热流体中可接受的氢浓度所需的氢提取速率。接下来，他开发了一种氢气传感器，可以每隔一到两分钟进行一次气体浓度测量。准确实时地测量氢气的量至关重要，但是现有的传感器要求将样品发送到实验室进行分析。

第三个任务是开发一种从膨胀罐顶部空间气体中提取氢气的简单方法。使用钯膜分离出氢气，然后通过真空泵将其提取到催化氧化剂中，以水蒸气形式排放。最后的任务是将氢感测和提取结合起来，并将其集成到一个物理原型中，该原型可以用作CSP工厂规模模块的模型。原型被制造出来，NREL的实验室评估证明了其成功解决氢积累问题的能力，从而为构建和测试现场模块扫清了道路。

集成的氢气传感器/分离器模块为CSP工厂带来了新的生命

在Acciona的内华达州Solar One CSP工厂设计并实施了一个完整的集成式氢传感器/分离器模块。正在进行的评估表明它已按设计成功运行。但是，该模块远远超出了防止新接收器将来效率下降的范围，它通过将氢气从玻璃套管中抽出来逐步清洁现有的受污染接收器，并将其恢复到原来的运行效率。

在内华达州太阳能一号工厂安装了集成式氢气传感器/分离器模块。

在内华达太阳能一号大楼，仅用了两个月就收回了50万美元的投资。与在现场使用寿命中更换退化的太阳能接收器将近2,000万美元的成本相比，集成的氢传感器/分离器模块不仅便宜，还可以改变游戏规则。另外，安装过程中不会对工厂的发电量造成任何昂贵的中断，从而提高了该技术对注重成本的工厂操作人员的吸引力。

集成的氢气传感器/分离器模块是将技术从NREL转移到工业领域的绝佳示例。正如Glatzmaier指出的那样：“对我来说，始终能够指出并说我开发的产品正在运行，这一直是一个目标，并且这项技术具有明显的效率和经济利益。”

为确保在内华达太阳能一号中学到的教训能带来更广泛的好处，NREL正在探索在其他CSP工厂安装集成式氢气传感器和分离器模块的机会。