日光驅動弗賴堡

面對日益惡化的生存環境、難以回避的能源危機與亟待拯救的生態平衡，人類的未來在哪里？太陽之城弗賴堡為未來的生態城市提供出一座可供借鑒的樣板城。

站在弗賴堡體育館內的淋浴噴頭下，戈爾茨有些憤懣。剛剛結束的與云達不萊梅的比賽，弗賴堡隊凈吞六蛋。作為弗賴堡隊的門將，戈爾茨覺得自己真是倒霉透了，都怪該死的雨。將水龍頭擰到最大，他用熱水沖去疲憊，心情漸漸回復平靜。在他頭頂上方，體育館屋頂有著60 平方米的太陽能板，熱水并沒有因為雨而停止供應，因為它在昨天已經積蓄了足夠的能量。太陽能板每年個提供25MWh/a（兆瓦安培）的能量，供應著體育館內60%的熱水使用。

弗賴堡位于黑森林西南邊緣，是德國光照最充足的區域之一。對于一年中陽光照射時間約1800 小時的弗賴堡來說，一點雨當然不會是問題。城市中，太陽能收集設施隨處可見。弗賴堡卡斯諾醫科大學的屋頂安裝著153 平方米的光伏太陽能電池和272 平方米空氣收集器。空氣收集器收集空氣中的熱量，在冬天加熱屋內的空氣，在夏天加熱水。每年它們可以提供105MWh（兆瓦時）的能量，約占總消耗的15%，為水提供68MWh 的能量，約為總消耗的20%。在中央車站南面矗立著19 層樓高、由240 個單元組成的太陽能電池組。天氣晴朗時，表層的透明導電膜(TCO) 每時每刻都有億萬的電子在硅晶體內的空穴間移動，經過逆變器轉化為交流電后進入國家電網。

太陽能社區

在弗賴堡眾多的太陽能建筑中，最負盛名的是可以隨著太陽自傳的房屋Heliotrop。它是德國第一個增能房屋（Plus energy house），是羅爾夫#8226; 迪施（Rolf Disch） 在1995 年設計的。Heliotrop 的設計運用了機械構造原理，可以隨著太陽的運行緩慢自轉。位于屋頂40 平方米的太陽能光電板則以最大日照的角度對準太陽，四周的太陽熱能集熱器也面對著直射的太陽，以獲取最多的太陽能。

在2004 年，羅爾夫#8226; 迪施完成了在弗賴堡Vauban 區規模更大的增能房屋社區建設。這里有50 座使用太陽能的“增能房屋”，屋頂放置著太陽能電池板陣列，每一座房屋就像一個小型的發電廠。它們產生的能量大于消耗的能量，多余的能量被輸入到電網內。為了增加房頂面積并且安裝更多的太陽能板，這里的屋頂被設計成了不對稱的三角形。在面向太陽的一面有伸出的屋棚。這些屋棚可以讓冬天入射角度小的陽光照射到屋內，并且阻止夏日猛烈的陽光。這些顏色明亮的房屋只需要弗賴堡其他低能耗家庭15% 的能量，一年之中只有幾個星期需要額外的能量輸入。

芭芭拉#8226; 西維爾（Barbara Schweer） 和丈夫馬丁#8226; 霍耶爾（Martin Hoyer）以及女兒住在其中一座房子里已經兩年了。他們的房門背后用圖釘釘著一張紙，上面畫著兩條曲線。“一條顯示我們消耗了多少能量，另一條顯示我們生產了多少能量。#8943;#8943;我們生產的能量是消耗的能量的3 倍”，霍耶爾介紹說。

他們的能源消耗令人心動：整個家庭一年用于取暖和熱水的能量不超過4000 千瓦時，約為400 升油產生的熱量。暖氣從附近的燃木電廠輸送過來。“第一年我們用于取暖的費用僅僅300 歐元。”西維爾介紹。這對于一座使用面積為167 平方米的房子來說實在是一個不小的成就。理想的隔熱是取得這個成就的原因。即使在氣溫降到冰點附近的一月份里，只要太陽從云層中出現一會兒，房子就不需要任何的暖氣。

不過這樣的房屋并不便宜，每平米的價格是230 歐元。“如果不是我丈夫繼承的遺產的話，我們根本買不起這樣的房屋，因為它不是一般的房屋，#8943;#8943;這棟房屋的能耗只是其他房屋的1/5，我們購買的太陽能電池板固然能帶來收入，但是真正的盈利要等到10 多年后了”，西維爾抱著雙肩說。

相比而言，設計師羅爾夫#8226; 迪施就樂觀地多。他算了一筆賬，屋頂的太陽能電池組一年向電網內輸送的電量將近9000 千瓦時。如果減去家庭用電和取暖的消耗，還將有大約2000 千瓦時的盈余。這是一筆不小的收益：一個月用電和取暖的費用不超過100 歐元。同時，根據德國2000 年通過的《再生能源法》，弗賴堡所有的太陽能電力，全部由電力公司以正常電價3~4 倍的價格購買。由于這種補貼政策，用太陽能發電的收益可以超過400 歐元。羅爾夫#8226; 迪施稱之為“月能量收入”，并預言：“多出的建筑費用將最終變成多出的收入。”

在弗賴堡，太陽能設施無處不在。除了動輒幾十平米的大型太陽能電池組用于供電和取暖，還有太陽能路燈、太陽能泳池、太陽能暖房等“常規應用”。如果天氣好的話，不妨走出閉塞擁擠的廚房，到院子里讓太陽幫忙燒飯。太陽能灶的主體由一個直徑約2 米的凹鏡和支架組成。鍋放在凹鏡的焦點上。一旦安置好后，凹鏡將自動保持和太陽垂直，并隨太陽繞著通過焦點的軸線旋轉。太陽灶的支架由三組可獨立旋轉的半圓弧組成。若是到了秋季，可以通過它們調整鏡子的傾斜角度，并將鏡子截面的拋物線放開，以便接受更多的陽光。僅僅需要20分鐘，飯菜就可香飄滿院。

太陽能工廠

太陽之城弗賴堡也是太陽能的技術之都。當地太陽能的廣泛應用和本地發達的太陽能工業與對太陽能的研究工作相互促進。

在Solar-Fabrik 公司，太陽能電池正在源源不斷地生產出來。太陽 能電池在屋頂上閃爍著藍光，但剛進車間的原材料卻很普通。這個華麗變身的背后是生產線上化學溶劑的洗禮和高溫的煎熬。

叉車將原材料運進車間。首先它們要接受體檢，證明自己擁有合適的尺寸和重量，并且邊緣整齊、表面光滑。幸運者隨后被傳送帶送到塑料箱中，100 片一箱碼好。機械手抓住整個箱子，放入旁邊氫氧化鉀溶液中，機械手上下抖動，利用溶液的腐蝕性把粗糙的外表面剝除。經過5 分鐘的洗禮，它們被送入到擴散爐中接受更苛刻的考驗。

太陽能電池由大量的PN 結構成。為生成PN 結，它們作為正極導體被推入擴散爐中。擴散爐中的溫度高達900 攝氏度，且充滿氯酸磷（POCl3）蒸汽，所以要坐著“石英船”才被準許進入。在爐內的高溫下，磷原子部分擴散到原材料中，在表面生成一層負極導體，使其從P 極轉為N 極。塑料箱的任務到此完成，在擴散爐中魂飛魄散。從擴散爐中出來的可以算作電池的半成品，為了檢測擴散過程的質量，每隔六個就要對它們的薄膜電阻進行抽查測試。

為了在邊緣得到界限分明的正負層，帶著絕緣手套的工人將它們放入等離子體腐蝕器中。CF4 和氧氣被等離子體激活，開始強烈地腐蝕電池的邊緣，最終在正負極之間生成清晰的界限。反應過程中的副產物是磷化硅酸鹽玻璃，不用急，緊接著的腐蝕池可以搞定它們。為了保證最大程度的利用陽光，電池表面被鍍上一層硝酸鹽 —— 這就是它們呈現藍色的原因——其中硝酸硅中的氫氧根可以顯著增加太陽電池的效率。

從電池上提取出來電，需要在電池正面用絲網印刷印上一層銀做的柵格。背面除了要印兩層這種柵格外，還有一種被稱為襯底的鋁層，再經過電處理它們變得像鏡子一樣。隨后，所有的東西都在一個烤箱中加熱到900℃結合到一塊兒。高溫使銀柵格穿透硅層，形成一種可靠的電接觸。經過這道工序，它們就可以單獨使用了。不過為了更好地區分不同質量的產品，它們尚需要一次定級測驗。它們在一個太陽模擬器盡情吸收光能轉化為電能，根據表現，它們被分成48 個等級。如此嚴格的定級是為了保證這些電池能有清晰的性能指標。

大型的太陽能電池組，需要將很多單一的電池連接到一塊。以36塊電池組成的電池組為例，首先把單個電池焊上柔軟的導線，然后放入托架進入70℃的水中，使用超聲波清洗，清洗干凈的電池單元烘干后就可以用于裝配了。把9 個單元的導線連接在一起形成一組，然后4 組一塊36 個單元被連接成4×9 的方陣。所有單元都到了正確的位置，再在短邊的小槽內穿一條6 毫米寬的導線將四組連接在一起。焊接完成的單元被放在透明的玻璃薄膜上，上面鋪好保護層，就可以把它們一起放入電熱爐中，為了將幾層合并在一起增加剛度，爐中的空氣被連續抽出#8943;#8943;80℃，45 分鐘后，玻璃膜、電池和保護層合為一體。完成后的電池組，還需要進一步測試。在太陽模擬室中，強光燈打開，紅色的指示燈亮，表示有電流通過。一切正常，再給這些電池組加上ABS 塑料邊框，多晶體硅太陽能電池組就新鮮出爐了。

1997 年成立的Solar-Fabrik 不僅產品環保，生產也環保——整個過程產生的二氧化碳量為零。包括一個570 平米的光伏電池組和油菜籽油做燃料的發電廠在內，Solar-Fabrik 使用的全部是可再生能源。Solar-Fabrik 工廠建筑物上的整片玻璃，引進自然光源的設計；整棟建筑有著特殊的對流系統，讓新鮮空氣能藉由地底導管傳送至室內。

弗賴堡的太陽能工廠不只Solar-Fabrik 一家。生產聚焦式太陽能發電廠的Concentrix Solar，用一種由菲涅爾透鏡（Fresnel lenses ）組成的光學系統將太陽光聚焦到小的高性能電池上，這些轉化率高達35% 的太陽能電池將幾乎500 倍于正常光照的能量直接轉化成電能。公司總裁漢斯約格#8226; 萊欣穆勒表示：“高性能的電池及其精確的安裝和集中的光照，使得Concentrix 的模塊效率高于26% 的水平。”此外，成立于2001 年的國際太陽能發展機構（Solar Promotion International GmbH）和歐洲最大的太陽能研究機構——弗朗和費研究所(Fraunhofer Institute for Solar Energy System，簡稱ISE) 也選址在弗賴堡。弗賴堡還有專門的太陽能培訓中心，為太陽能產業培養技師和工人。

不知是不是因為這些太陽能電池，弗賴堡的氣溫總比別處略高一些。不過，有著900 年歷史的弗賴堡，似乎一直被認為是德國最溫暖的城市：從20 世紀70 年代開始，就不再允許流動車輛進入。弗賴堡市政府還規定，不許在城里設置大型的商業廣告——寧可不賺錢，也決不讓古城破相。一直以來，弗賴堡都在關注如何讓居民過上更健康更環保的生活，并因此成為了擁有世界上50% 的光伏發電量的德國的環保之都。在能源危機和環境危機的逼近中，弗賴堡成為一座可供借鑒的生態樣板城。

Info：

1995 年，德國建筑設計師羅爾夫#8226; 迪施（Rolf Disch） 以自己的家為范例，設計了一座向日葵一般可以追日旋轉的房子Heliotrop。這棟圓柱形太陽能屋位于弗賴堡市郊，耗資160 萬歐元，是太陽能建筑界的經典。Heliotrop 外觀看起來有4 個樓層，其實內部有6 個樓層。屋頂是花園和太陽能光電板。它的中心主干上裝置了鋼珠轉軸，使得這棟重達100 噸的建筑可以依日照角度而轉動。Heliotrop在當年獲得了德國年度建筑獎。十幾年來，它一直是世界各地的環保團體、能源企業和建筑設計師的朝圣地。

Heliotrop 內部也徹底貫徹了環保的理念。廚房內沒有冰箱，不僅節電，也確保了食物的新鮮。餐廚垃圾則被做成有機肥。馬桶也極為節水，排泄物經過高壓排入地下室，經處理成為堆肥。浴室用過的水也都回收成為可再次利用的中水。

里斯菲爾德區位于弗賴堡西部，將會為1 萬到1.2 萬人提供4200 套住宅。里斯菲爾德區于2004年動工，預計在2010 年完成，而它的規劃早在1994 年就開始了，致力于實現最環保的交通方式：鼓勵步行和自行車；公共交通優先，每個人都可以方便地到達換乘車站；30 千米的時速限制；許多專門為孩童玩耍而開辟的“游戲街道”#8943;#8943;

1. 個人房屋太陽能電池板產生的電量會被電力公司以正常電價的3 到4 倍購買。

2. 安裝在屋頂和墻壁上的太陽板細節Vauban 的一個住宅區，這里40% 的居民同意不買車而使用公共交通工具。良好的公交系統、方便的拼車系統、孩子們擁有大量安全的游樂場所是這里居民已習慣的環保生活方式。

2007 年4 月24 日，西班牙塞維利亞，一座PS10 太陽能發電塔在塞維利亞郊外的山上工作。歐洲首個商業性太陽能發電廠在西班牙大桑盧卡爾市建成。

世界各地太陽能計劃：

澳大利亞：2006 年宣布“光伏城計劃”(Solar Cities initiative)。目前已有圣地愛麗絲泉、阿得雷德、湯士維爾與布萊克頓四個城市獲取政府補助打造太陽能發電系統城市。

西班牙：2007 年3 月30 日，歐洲第一座商業太陽能發電廠(PS10 太陽能發電塔) 啟用。這座電廠自2001 年7 月于西班牙南部的塞維利亞（Seville）西方25 公里的桑路卡拉馬尤（Sanlucar la Mayor）開始興建， 2005 年12 月31 日完工。

美國：2006 年8 月，美國加州參議院以36票對4 票獲得壓倒性的勝利，通過“百萬太陽能屋頂法案”。法案計劃在未來10 年，在加州百萬個屋頂上裝設太陽能發電系統，將太陽能發電的上限由0.5％提升為2.5％，整個計劃總發電規模將達300 萬千瓦。

中國：

中國太陽城：山東德州。到2010 年，德州市將建成100 個太陽能綜合利用小區。德州市太陽能應用面積將占新建建筑面積的50％以上。

2005 年9 月，上海市政府公布“上海開發利用太陽能行動計劃”。

2006 年6 月，中國地震局風能太陽能資源評估中心成立。

2000 年1 月26 日，臺灣地區頒布實施“太陽能熱水系統推廣獎勵辦法”，但于2004 年1 月22 日廢止。

2000 年5 月31 日，臺灣地區發布“太陽光伏發電示范系統設置補助辦法”。

2005 年12 月26 日，臺灣地區初審通過“再生能源發展條例草案”。