日光驱动弗赖堡

面对日益恶化的生存环境、难以回避的能源危机与亟待拯救的生态平衡，人类的未来在哪里？太阳之城弗赖堡为未来的生态城市提供出一座可供借鉴的样板城。

站在弗赖堡体育馆内的淋浴喷头下，戈尔茨有些愤懑。刚刚结束的与云达不莱梅的比赛，弗赖堡队净吞六蛋。作为弗赖堡队的门将，戈尔茨觉得自己真是倒霉透了，都怪该死的雨。将水龙头拧到最大，他用热水冲去疲惫，心情渐渐回复平静。在他头顶上方，体育馆屋顶有着60 平方米的太阳能板，热水并没有因为雨而停止供应，因为它在昨天已经积蓄了足够的能量。太阳能板每年个提供25MWh/a（兆瓦安培）的能量，供应着体育馆内60%的热水使用。

弗赖堡位于黑森林西南边缘，是德国光照最充足的区域之一。对于一年中阳光照射时间约1800 小时的弗赖堡来说，一点雨当然不会是问题。城市中，太阳能收集设施随处可见。弗赖堡卡斯诺医科大学的屋顶安装着153 平方米的光伏太阳能电池和272 平方米空气收集器。空气收集器收集空气中的热量，在冬天加热屋内的空气，在夏天加热水。每年它们可以提供105MWh（兆瓦时）的能量，约占总消耗的15%，为水提供68MWh 的能量，约为总消耗的20%。在中央车站南面矗立着19 层楼高、由240 个单元组成的太阳能电池组。天气晴朗时，表层的透明导电膜(TCO) 每时每刻都有亿万的电子在硅晶体内的空穴间移动，经过逆变器转化为交流电后进入国家电网。

太阳能社区

在弗赖堡众多的太阳能建筑中，最负盛名的是可以随着太阳自传的房屋Heliotrop。它是德国第一个增能房屋（Plus energy house），是罗尔夫• 迪施（Rolf Disch） 在1995 年设计的。Heliotrop 的设计运用了机械构造原理，可以随着太阳的运行缓慢自转。位于屋顶40 平方米的太阳能光电板则以最大日照的角度对准太阳，四周的太阳热能集热器也面对着直射的太阳，以获取最多的太阳能。

在2004 年，罗尔夫• 迪施完成了在弗赖堡Vauban 区规模更大的增能房屋社区建设。这里有50 座使用太阳能的“增能房屋”，屋顶放置着太阳能电池板阵列，每一座房屋就像一个小型的发电厂。它们产生的能量大于消耗的能量，多余的能量被输入到电网内。为了增加房顶面积并且安装更多的太阳能板，这里的屋顶被设计成了不对称的三角形。在面向太阳的一面有伸出的屋棚。这些屋棚可以让冬天入射角度小的阳光照射到屋内，并且阻止夏日猛烈的阳光。这些颜色明亮的房屋只需要弗赖堡其他低能耗家庭15% 的能量，一年之中只有几个星期需要额外的能量输入。

芭芭拉• 西维尔（Barbara Schweer） 和丈夫马丁• 霍耶尔（Martin Hoyer）以及女儿住在其中一座房子里已经两年了。他们的房门背后用图钉钉着一张纸，上面画着两条曲线。“一条显示我们消耗了多少能量，另一条显示我们生产了多少能量。⋯⋯我们生产的能量是消耗的能量的3 倍”，霍耶尔介绍说。

他们的能源消耗令人心动：整个家庭一年用于取暖和热水的能量不超过4000 千瓦时，约为400 升油产生的热量。暖气从附近的燃木电厂输送过来。“第一年我们用于取暖的费用仅仅300 欧元。”西维尔介绍。这对于一座使用面积为167 平方米的房子来说实在是一个不小的成就。理想的隔热是取得这个成就的原因。即使在气温降到冰点附近的一月份里，只要太阳从云层中出现一会儿，房子就不需要任何的暖气。

不过这样的房屋并不便宜，每平米的价格是230 欧元。“如果不是我丈夫继承的遗产的话，我们根本买不起这样的房屋，因为它不是一般的房屋，⋯⋯这栋房屋的能耗只是其他房屋的1/5，我们购买的太阳能电池板固然能带来收入，但是真正的盈利要等到10 多年后了”，西维尔抱着双肩说。

相比而言，设计师罗尔夫• 迪施就乐观地多。他算了一笔账，屋顶的太阳能电池组一年向电网内输送的电量将近9000 千瓦时。如果减去家庭用电和取暖的消耗，还将有大约2000 千瓦时的盈余。这是一笔不小的收益：一个月用电和取暖的费用不超过100 欧元。同时，根据德国2000 年通过的《再生能源法》，弗赖堡所有的太阳能电力，全部由电力公司以正常电价3~4 倍的价格购买。由于这种补贴政策，用太阳能发电的收益可以超过400 欧元。罗尔夫• 迪施称之为“月能量收入”，并预言：“多出的建筑费用将最终变成多出的收入。”

在弗赖堡，太阳能设施无处不在。除了动辄几十平米的大型太阳能电池组用于供电和取暖，还有太阳能路灯、太阳能泳池、太阳能暖房等“常规应用”。如果天气好的话，不妨走出闭塞拥挤的厨房，到院子里让太阳帮忙烧饭。太阳能灶的主体由一个直径约2 米的凹镜和支架组成。锅放在凹镜的焦点上。一旦安置好后，凹镜将自动保持和太阳垂直，并随太阳绕着通过焦点的轴线旋转。太阳灶的支架由三组可独立旋转的半圆弧组成。若是到了秋季，可以通过它们调整镜子的倾斜角度，并将镜子截面的抛物线放开，以便接受更多的阳光。仅仅需要20分钟，饭菜就可香飘满院。

太阳能工厂

太阳之城弗赖堡也是太阳能的技术之都。当地太阳能的广泛应用和本地发达的太阳能工业与对太阳能的研究工作相互促进。

在Solar-Fabrik 公司，太阳能电池正在源源不断地生产出来。太阳 能电池在屋顶上闪烁着蓝光，但刚进车间的原材料却很普通。这个华丽变身的背后是生产线上化学溶剂的洗礼和高温的煎熬。

叉车将原材料运进车间。首先它们要接受体检，证明自己拥有合适的尺寸和重量，并且边缘整齐、表面光滑。幸运者随后被传送带送到塑料箱中，100 片一箱码好。机械手抓住整个箱子，放入旁边氢氧化钾溶液中，机械手上下抖动，利用溶液的腐蚀性把粗糙的外表面剥除。经过5 分钟的洗礼，它们被送入到扩散炉中接受更苛刻的考验。

太阳能电池由大量的PN 结构成。为生成PN 结，它们作为正极导体被推入扩散炉中。扩散炉中的温度高达900 摄氏度，且充满氯酸磷（POCl3）蒸汽，所以要坐着“石英船”才被准许进入。在炉内的高温下，磷原子部分扩散到原材料中，在表面生成一层负极导体，使其从P 极转为N 极。塑料箱的任务到此完成，在扩散炉中魂飞魄散。从扩散炉中出来的可以算作电池的半成品，为了检测扩散过程的质量，每隔六个就要对它们的薄膜电阻进行抽查测试。

为了在边缘得到界限分明的正负层，带着绝缘手套的工人将它们放入等离子体腐蚀器中。CF4 和氧气被等离子体激活，开始强烈地腐蚀电池的边缘，最终在正负极之间生成清晰的界限。反应过程中的副产物是磷化硅酸盐玻璃，不用急，紧接着的腐蚀池可以搞定它们。为了保证最大程度的利用阳光，电池表面被镀上一层硝酸盐 ―― 这就是它们呈现蓝色的原因――其中硝酸硅中的氢氧根可以显著增加太阳电池的效率。

从电池上提取出来电，需要在电池正面用丝网印刷印上一层银做的栅格。背面除了要印两层这种栅格外，还有一种被称为衬底的铝层，再经过电处理它们变得像镜子一样。随后，所有的东西都在一个烤箱中加热到900℃结合到一块儿。高温使银栅格穿透硅层，形成一种可靠的电接触。经过这道工序，它们就可以单独使用了。不过为了更好地区分不同质量的产品，它们尚需要一次定级测验。它们在一个太阳模拟器尽情吸收光能转化为电能，根据表现，它们被分成48 个等级。如此严格的定级是为了保证这些电池能有清晰的性能指标。

大型的太阳能电池组，需要将很多单一的电池连接到一块。以36块电池组成的电池组为例，首先把单个电池焊上柔软的导线，然后放入托架进入70℃的水中，使用超声波清洗，清洗干净的电池单元烘干后就可以用于装配了。把9 个单元的导线连接在一起形成一组，然后4 组一块36 个单元被连接成4×9 的方阵。所有单元都到了正确的位置，再在短边的小槽内穿一条6 毫米宽的导线将四组连接在一起。焊接完成的单元被放在透明的玻璃薄膜上，上面铺好保护层，就可以把它们一起放入电热炉中，为了将几层合并在一起增加刚度，炉中的空气被连续抽出⋯⋯80℃，45 分钟后，玻璃膜、电池和保护层合为一体。完成后的电池组，还需要进一步测试。在太阳模拟室中，强光灯打开，红色的指示灯亮，表示有电流通过。一切正常，再给这些电池组加上ABS 塑料边框，多晶体硅太阳能电池组就新鲜出炉了。

1997 年成立的Solar-Fabrik 不仅产品环保，生产也环保――整个过程产生的二氧化碳量为零。包括一个570 平米的光伏电池组和油菜籽油做燃料的发电厂在内，Solar-Fabrik 使用的全部是可再生能源。Solar-Fabrik 工厂建筑物上的整片玻璃，引进自然光源的设计；整栋建筑有着特殊的对流系统，让新鲜空气能藉由地底导管传送至室内。

弗赖堡的太阳能工厂不只Solar-Fabrik 一家。生产聚焦式太阳能发电厂的Concentrix Solar，用一种由菲涅尔透镜（Fresnel lenses ）组成的光学系统将太阳光聚焦到小的高性能电池上，这些转化率高达35% 的太阳能电池将几乎500 倍于正常光照的能量直接转化成电能。公司总裁汉斯约格• 莱欣穆勒表示：“高性能的电池及其精确的安装和集中的光照，使得Concentrix 的模块效率高于26% 的水平。”此外，成立于2001 年的国际太阳能发展机构（Solar Promotion International GmbH）和欧洲最大的太阳能研究机构――弗朗和费研究所(Fraunhofer Institute for Solar Energy System，简称ISE) 也选址在弗赖堡。弗赖堡还有专门的太阳能培训中心，为太阳能产业培养技师和工人。

不知是不是因为这些太阳能电池，弗赖堡的气温总比别处略高一些。不过，有着900 年历史的弗赖堡，似乎一直被认为是德国最温暖的城市：从20 世纪70 年代开始，就不再允许流动车辆进入。弗赖堡市政府还规定，不许在城里设置大型的商业广告――宁可不赚钱，也决不让古城破相。一直以来，弗赖堡都在关注如何让居民过上更健康更环保的生活，并因此成为了拥有世界上50% 的光伏发电量的德国的环保之都。在能源危机和环境危机的逼近中，弗赖堡成为一座可供借鉴的生态样板城。

Info：

1995 年，德国建筑设计师罗尔夫• 迪施（Rolf Disch） 以自己的家为范例，设计了一座向日葵一般可以追日旋转的房子Heliotrop。这栋圆柱形太阳能屋位于弗赖堡市郊，耗资160 万欧元，是太阳能建筑界的经典。Heliotrop 外观看起来有4 个楼层，其实内部有6 个楼层。屋顶是花园和太阳能光电板。它的中心主干上装置了钢珠转轴，使得这栋重达100 吨的建筑可以依日照角度而转动。Heliotrop在当年获得了德国年度建筑奖。十几年来，它一直是世界各地的环保团体、能源企业和建筑设计师的朝圣地。

Heliotrop 内部也彻底贯彻了环保的理念。厨房内没有冰箱，不仅节电，也确保了食物的新鲜。餐厨垃圾则被做成有机肥。马桶也极为节水，排泄物经过高压排入地下室，经处理成为堆肥。浴室用过的水也都回收成为可再次利用的中水。

里斯菲尔德区位于弗赖堡西部，将会为1 万到1.2 万人提供4200 套住宅。里斯菲尔德区于2004年动工，预计在2010 年完成，而它的规划早在1994 年就开始了，致力于实现最环保的交通方式：鼓励步行和自行车；公共交通优先，每个人都可以方便地到达换乘车站；30 千米的时速限制；许多专门为孩童玩耍而开辟的“游戏街道”⋯⋯

1. 个人房屋太阳能电池板产生的电量会被电力公司以正常电价的3 到4 倍购买。

2. 安装在屋顶和墙壁上的太阳板细节Vauban 的一个住宅区，这里40% 的居民同意不买车而使用公共交通工具。良好的公交系统、方便的拼车系统、孩子们拥有大量安全的游乐场所是这里居民已习惯的环保生活方式。

2007 年4 月24 日，西班牙塞维利亚，一座PS10 太阳能发电塔在塞维利亚郊外的山上工作。欧洲首个商业性太阳能发电厂在西班牙大桑卢卡尔市建成。

世界各地太阳能计划：

澳大利亚：2006 年宣布“光伏城计划”(Solar Cities initiative)。目前已有圣地爱丽丝泉、阿得雷德、汤士维尔与布莱克顿四个城市获取政府补助打造太阳能发电系统城市。

西班牙：2007 年3 月30 日，欧洲第一座商业太阳能发电厂(PS10 太阳能发电塔) 启用。这座电厂自2001 年7 月于西班牙南部的塞维利亚（Seville）西方25 公里的桑路卡拉马尤（Sanlucar la Mayor）开始兴建， 2005 年12 月31 日完工。

美国：2006 年8 月，美国加州参议院以36票对4 票获得压倒性的胜利，通过“百万太阳能屋顶法案”。法案计划在未来10 年，在加州百万个屋顶上装设太阳能发电系统，将太阳能发电的上限由0.5％提升为2.5％，整个计划总发电规模将达300 万千瓦。

中国：

中国太阳城：山东德州。到2010 年，德州市将建成100 个太阳能综合利用小区。德州市太阳能应用面积将占新建建筑面积的50％以上。

2005 年9 月，上海市政府公布“上海开发利用太阳能行动计划”。

2006 年6 月，中国地震局风能太阳能资源评估中心成立。

2000 年1 月26 日，台湾地区颁布实施“太阳能热水系统推广奖励办法”，但于2004 年1 月22 日废止。

2000 年5 月31 日，台湾地区“太阳光伏发电示范系统设置补助办法”。

2005 年12 月26 日，台湾地区初审通过“再生能源发展条例草案”。