敦煌100兆瓦熔盐塔式光热电站全景,定日镜呈同心圆排列
首航高科敦煌100兆瓦熔盐塔式光热电站的鸟瞰图,上万个定日镜以吸热塔为中心呈同心圆排列,面积超过140万平方米。塔顶的光点汇聚了整片戈壁的太阳能量。图源:中国太阳能光热产业技术创新战略联盟 (cnste.org

从敦煌市区沿国道向西,经过七里镇之后,戈壁取代了农田。沿途能看到路牌指向"光电产业园区",但真正进入电站范围之前,视野里只有戈壁、远处的祁连山轮廓和偶尔经过的卡车。再开几分钟,地平线上出现一片银白色的反光,那是上万面镜子组成的同心圆阵列,中心竖立着一座260米高的塔。塔顶有一个肉眼可见的光点,像一颗停在半空的星星。这是首航高科敦煌100兆瓦熔盐塔式光热电站,2018年12月并网发电,是中国建成规模最大的同类电站。这个画面本身就在说一件事:敦煌能从阳光里获取的能量,可以养活绿洲里的农作物,也可以点亮敦煌城市的万家灯火。

戈壁上的风裹着沙砾打在脸上,四周除了镜子转向时的机械声之外没有别的动静。260米的塔在空旷的地平线上被镜阵反射的光包围,塔尖那个光点稳定地亮着,像太阳在地面上的一个落点。这个地方没有售票处、没有游客中心,只有戈壁、镜子和一座塔。它在敦煌的存在感很低:大多数游客不会经过这里,旅游指南上也没有它的名字。

定日镜阵列鸟瞰:同心圆排列的上万面镜子围绕260米吸热塔
从空中看,定日镜以吸热塔为中心呈同心圆排列,镜面总面积超过140万平方米。图源:中国太阳能光热产业技术创新战略联盟

同一束阳光的两种路径

要理解这个电站的特殊之处,先看一组数字。敦煌全年日照超过3258小时,每平方米土地每年接收的太阳能,折算下来相当于燃烧200多公斤标准煤。这笔能量在古代只有一种提取方式:通过植物光合作用和水分蒸发,间接驱动绿洲农业。党河从祁连山带下的融水加上充足的阳光,让敦煌在沙漠包围中长出农田和树木。那时候阳光扮演的是"驱动者"角色,它让水变成水汽蒸发,让作物生长,让绿洲得以维持。换句话说,古代敦煌人用阳光,必须经过水和植物这两层中介。敦煌绿洲上种植的棉花、葡萄和哈密瓜,本质上都是阳光通过水和植物转化后的产物。

光热电站提供了第二条路径,一条不需要水和植物的路径。电站核心是一套"镜子、熔盐、汽轮机"的链条。先看地面上最直观的部分:大约12000面定日镜,每一面约115平方米,相当于一个标准网球场的大小。这些镜子排成同心圆,从塔基向外一圈一圈扩散。站在远处看,整个镜场像一个巨大的银色向日葵田,但走近了才发现每一面镜子的支架底部都有电机和齿轮,由中央控制系统实时调整朝向。它们不是固定朝向天空的静态镜面,而是由计算机控制的追日系统驱动,每秒都在微调角度,确保每束反射光精确落在塔顶的吸热器上。如果你站在镜场中间的参观通道上,能隐约看到整片镜面的角度在随太阳位置缓缓变化,像一片机械版的向日葵田。

整个敦煌光电产业园区内有多个项目,其中首航高科的塔式电站是核心。园区还包含一座50兆瓦的线性菲涅尔式光热电站,使用弧形长条镜面而非独立的定日镜,同样以熔盐储能。两种不同的光热技术路线在同一块戈壁上并列运行,本身就是一份可对照阅读的技术演化样本。

回到地面上那些镜子。每一面定日镜由几十块更小的方形镜片拼成,从远处看是一个整体,走近了才能看到镜片之间的接缝和背后的钢架结构。单面镜子的支架由镀锌钢材焊接而成,底部有混凝土基座固定在戈壁地表下。这些基座在施工时逐个浇筑,每块混凝土基座的位置经过精确测量,确保镜子展开后不影响相邻镜面的旋转范围。镜面微微内凹,在光学上属于"凹面镜"的范畴,目的是把散射的光聚成更窄的反射束,提高聚焦到塔顶的效率。每一面镜子的曲率是出厂时精确校准过的,戈壁上的风沙会逐渐磨损镜面,所以电站团队需要定期检查每面镜子的反射率。镜子的背面连接着两个轴:一个控制上下俯仰,一个控制左右旋转。这两个轴由伺服电机驱动,根据中央计算机发出的指令每秒钟调整一次。计算机的输入来自安装在塔顶和场内的多个太阳位置传感器,以及预先计算好的全年太阳轨迹数据库。这套系统的最终目标是把12000束反射光全部对准塔顶面积不大的吸热器,一个相当于几层楼高的金属装置。

定日镜近景
每面定日镜由数十块小镜组成,底部有双轴追日机构。图源:搜狐·掌上敦煌

上万束光在塔顶汇聚,把吸热器加热到超过565℃。但热能和电能之间还需要一个中介,这就是熔盐。电站使用硝酸钾和硝酸钠的混合盐,常温下是白色固体颗粒,在290℃以上变成液态。运行时,液态熔盐被泵到塔顶吸收热量,然后流回地面的保温储罐。需要发电时,高温熔盐与水换热产生蒸汽,推动汽轮机组。这个过程的巧妙之处在于:光伏电池板把光直接转为电,产生的电难以低成本大规模储存;光热电站的中间产物是热,而热可以储存在熔盐罐里,成本低、规模大、保持时间长。敦煌光热电站的储热设计,让它在太阳下山后继续发电11到15个小时。换句话说,白天收集的阳光可以存到晚上用。

整个电站占地7.8平方公里,相当于1000多个标准足球场。从镜场边缘看过去,定日镜阵列像从塔基向外辐射的同心圆,逐层铺满整个戈壁面。如果只是开车经过,隔着好几公里就能看到260米塔顶的反光。在这片原本只有沙砾和骆驼刺的戈壁上,塔和镜群构成了一个全新的人造地标。电站的设计年发电量约3.9亿千瓦时,按敦煌常住人口约18万计算,相当于人均每年2000多千瓦时。同时每年减排二氧化碳约35万吨。

熔盐是这套系统的关键,但它的运行方式普通人很难直接感知。可以这样想象:塔顶的吸热器内有管道网络,熔盐在管道中流动,被汇聚的阳光加热到565℃后流入地面的保温储罐,一种工业级的热水瓶。保温罐壁厚超过一米,外层是隔热材料,能把565℃的熔盐温度保持数小时。傍晚太阳下山之后,定日镜停止追日,但熔盐罐里的热量还在。电站打开阀门,让高温熔盐流经换热器,把水变成蒸汽推动汽轮机,继续发电直到深夜或次日凌晨。

维持这个庞大的镜场需要持续的清洁和维护。戈壁上风沙大,镜面几个小时就会积灰,影响反射效率。电站配备有专门的镜面清洗车,定期沿镜场道路喷洒去离子水,刷洗每一面镜面的表面。冬季敦煌气温低于零下20℃,熔盐需要维持温度防止凝固,管道系统配有电伴热。这些日常运行的细节,在远处看只是镜面在反光,走近了才知道背后是一整套工业后勤在支撑。

从投资规模看,这座电站总投资约30亿元人民币,是中国首批光热发电示范项目之一。2016年启动建设,2018年底并网,2020年进入商业运营。它的政策背景是:中国政府希望通过一批示范项目,探索光热发电的技术路线可行性和商业化前景。敦煌因为日照条件极端优越、戈壁土地成本低,成为这批示范项目的首选选址之一。在此之前,中国的光热发电几乎为零。

从戈壁地面看镜场与吸热塔
从戈壁地面平视,定日镜阵列一字排开,远处可见吸热塔。图源:人民网

戈壁上的两代人

如果说上面这些是技术层面的解读,那么把视野拉远一点,这个电站还有一个更大的叙事背景。敦煌年日照时数约3258小时,太阳能年辐射总量6882兆焦/平方米,这个数字在全国排在前列。对古代敦煌来说,强日照是一个限制条件。它意味着蒸发量大、水资源紧张、绿洲面积只有全市总面积的4.5%。莫高窟开凿者面临的工程难题、历代屯田者面对的灌溉极限,根源都在同一件事:阳光太强、水太少。

对现代敦煌来说,同样的物理条件变成了资源禀赋。强日照使光热发电在这里有天然优势。定日镜阵列捕捉到的太阳能,恰好是当年限制绿洲扩张的那个"过多"的部分。同一个物理量,在不同技术框架下意味着不同的东西。这就是文章开头说的"同一束阳光的两种用法"。

从用地方式看,这座电站和传统农业也有有趣的对照。农业需要平坦的耕地、水源和适宜的温度,光热电站需要平坦的空地、低湿度和高日照。敦煌绿洲内的每一块可耕地都被使用了上千年,而戈壁滩上的土地在光热电站之前几乎没有经济用途。两种"用光"的方式,实际上争的是不同类型的土地:农业用绿洲内的水土保持型土地,光热用绿洲外的荒漠型土地。它们不竞争同一块地表面积,这是光伏和光热电站常被建在戈壁和沙漠地区的原因之一。

电站的视觉面貌在一天之内也在变化。清晨光线弱时,镜面呈淡灰色,塔顶没有明显光点。接近正午,镜面的反光越来越强,塔顶的光点逐渐亮起来,到午后成为沙漠地平线上最亮的人造物。接近日落,夕阳从西侧照射镜面,整片镜场泛出金色光泽,然后随着太阳角度降低,定日镜逐一失去反光,塔顶的光点也暗淡下去。这个过程像一个庞大的日晷,用机械和镜面把太阳一天的轨迹翻译成了可见的光影变化。

如果把敦煌的几类主要景观放在一起看,这种对比会更清晰。向南看,鸣沙山和月牙泉由阳光驱动蒸发,形成了沙海与泉水共存的景观。向东看,莫高窟崖壁的侵蚀地貌由阳光和风沙共同塑造。向西看,戈壁上的定日镜阵列用熔盐捕获阳光。三种景观、三种"用光"的方式,分布在40公里半径之内。古代农业式的间接利用(通过水和植物)、自然地貌式的被动利用(阳光作为侵蚀力量)、现代工业式的直接捕获(通过镜面和熔盐),同在敦煌这一小块绿洲周围可见。

值得注意的是,这个电站在敦煌的旅游叙事里几乎不存在。大部分游客的行程集中在莫高窟、月牙泉和鸣沙山,很少有人知道城西戈壁上有这样一座电站。它不是景区,不需要门票,也没有纪念品商店。它不属于"遗产"范畴,2018年才并网发电的工业设施离"遗产"还很远。但它确实在改变敦煌的地景:在戈壁滩上新增的这座260米高塔和覆盖7.8平方公里的镜场,是这一代人留给敦煌地表的最显著的人工痕迹。和莫高窟洞窟里一千年前画师留下的壁画相比,这两种"人工痕迹"的时间尺度完全不同,但来源一样:都是人对"这里有什么资源"的判断和利用。

这个电站也提出了一个值得思考的问题:一种资源什么时候才能成为"资源"?敦煌的强日照在农业时代只是气候限制,它蒸发水分、缩小绿洲、限制人口规模。只有到了光热发电技术变得成熟、国家对清洁能源有需求的时候,同一束阳光才从"限制条件"变成了"资源禀赋"。敦煌的光电园区不是一个孤立的工业项目,它是一个关于"资源定义权随技术变迁"的现场教学。

把视线从戈壁上的镜场移开,重新看向整个敦煌:莫高窟依赖的是文化资源:壁画和写本历经千年才被重新发现。月牙泉依赖的是地质资源,地下水位和沙丘的共存格局维持了数百年。光电园依赖的是气候资源,太阳辐射每年定量到达地表。三者在40公里半径内共存,各自代表敦煌可被"利用"的不同层面,也各自处在不同的时间尺度上。文化遗产的利用走了千年;工业资源的利用走了不到十年。敦煌过去是丝绸之路上的驿站,地理位置是它的资源。今天阳光本身变成了资源,因为它具备了被经济地捕获和转换的技术条件。

敦煌会不会出现下一个"资源定义转移"?光电园区旁边的戈壁上完全可能再建另一座电站或者另一种产业,因为驱动这种转移的变量(日照、土地、政策)都在,只缺一种能把"接收太阳辐射"这件事变成另一种经济产出的技术框架。从这个角度看,光电园区在敦煌的意义要超过一座电站本身,它更像一个预告:在这个绿洲上,资源是什么、怎么用,还会继续被重新定义下去。

如果去现场,带五个问题

第一,站在镜场边缘,先看塔顶的光点。 一万两千面镜子同时对准一个塔顶,需要多大的计算量?为什么每面镜子每秒钟都要重新校准,而不是一天只对准一次?

第二,走近看一面定日镜,找它的底部机构。 双轴追日系统长什么样?它和向日葵的"追日"有什么相似,有什么不同?

第三,找到镜场和戈壁的交界线。 镜阵铺到哪里为止?戈壁的地表在镜子覆盖和未覆盖的区域有没有视觉差异?

第四,对比"阳光的三种用法"。 从城西看戈壁上的镜阵,再想一想城东莫高窟和城南月牙泉依赖阳光的方式:这三种用光方式在同一个四十公里半径内共存,你能看出它们分别对应了人类利用太阳能的哪个阶段吗?

第五,如果开放展示区,找熔盐的实物样品。 白色颗粒状的固体,常温下和食盐差不多,为什么加热到565℃后就能存住足够让汽轮机转一整夜的热量?