日光驅(qū)動弗賴堡

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

站在弗賴堡體育館內(nèi)的淋浴噴頭下，戈爾茨有些憤懣。剛剛結(jié)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(fù)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(yīng)，因為它在昨天已經(jīng)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(yīng)著體育館內(nèi)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(qū)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(shè)施隨處可見。弗賴堡卡斯諾醫(yī)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?？諝馐占魇占諝庵械臒崃?，在冬天加熱屋內(nèi)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(dǎo)電膜(TCO) 每時每刻都有億萬的電子在硅晶體內(nèi)的空穴間移動，經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電后進入國家電網(wǎng)。

太陽能社區(qū)

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(shè)計的。Heliotrop 的設(shè)計運用了機械構(gòu)造原理，可以隨著太陽的運行緩慢自轉(zhuǎn)。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(qū)規(guī)模更大的增能房屋社區(qū)建設(shè)。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(fā)電廠。它們產(chǎn)生的能量大于消耗的能量，多余的能量被輸入到電網(wǎng)內(nèi)。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(shè)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(nèi)，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(jīng)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?！耙粭l顯示我們消耗了多少能量，另一條顯示我們生產(chǎn)了多少能量。#8943;#8943;我們生產(chǎn)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(chǎn)生的熱量。暖氣從附近的燃木電廠輸送過來?！暗谝荒晡覀冇糜谌∨馁M用僅僅300 歐元?！蔽骶S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(xiàn)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?！叭绻皇俏艺煞蚶^承的遺產(chǎn)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(shè)計師羅爾夫#8226; 迪施就樂觀地多。他算了一筆賬，屋頂?shù)奶柲茈姵亟M一年向電網(wǎng)內(nèi)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(jù)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(fā)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(yù)言：“多出的建筑費用將最終變成多出的收入?！?/p>

在弗賴堡，太陽能設(shè)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(guī)應(yīng)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(zhuǎn)。太陽灶的支架由三組可獨立旋轉(zhuǎn)的半圓弧組成。若是到了秋季，可以通過它們調(diào)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(shù)之都。當?shù)靥柲艿膹V泛應(yīng)用和本地發(fā)達的太陽能工業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)成。為生成PN 結(jié)，它們作為正極導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)體，使其從P 極轉(zhuǎn)為N 極。塑料箱的任務(wù)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(zhì)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(yīng)過程中的副產(chǎn)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(xiàn)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(wǎng)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(jīng)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(jié)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(jīng)過這道工序，它們就可以單獨使用了。不過為了更好地區(qū)分不同質(zhì)量的產(chǎn)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(zhuǎn)化為電能，根據(jù)表現(xiàn)，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(dǎo)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(dǎo)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(nèi)穿一條6 毫米寬的導(dǎo)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(xù)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(chǎn)品環(huán)保，生產(chǎn)也環(huán)?！麄€過程產(chǎn)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(fā)電廠在內(nèi)，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(shè)計；整棟建筑有著特殊的對流系統(tǒng)，讓新鮮空氣能藉由地底導(dǎo)管傳送至室內(nèi)。

弗賴堡的太陽能工廠不只Solar-Fabrik 一家。生產(chǎn)聚焦式太陽能發(fā)電廠的Concentrix Solar，用一種由菲涅爾透鏡（Fresnel lenses ）組成的光學系統(tǒng)將太陽光聚焦到小的高性能電池上，這些轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)展機構(gòu)（Solar Promotion International GmbH）和歐洲最大的太陽能研究機構(gòu)——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(chǎn)業(yè)培養(yǎng)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(guī)定，不許在城里設(shè)置大型的商業(yè)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(guān)注如何讓居民過上更健康更環(huán)保的生活，并因此成為了擁有世界上50% 的光伏發(fā)電量的德國的環(huán)保之都。在能源危機和環(huán)境危機的逼近中，弗賴堡成為一座可供借鑒的生態(tài)樣板城。

Info：

1995 年，德國建筑設(shè)計師羅爾夫#8226; 迪施（Rolf Disch） 以自己的家為范例，設(shè)計了一座向日葵一般可以追日旋轉(zhuǎn)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(jīng)典。Heliotrop 外觀看起來有4 個樓層，其實內(nèi)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(zhuǎn)軸，使得這棟重達100 噸的建筑可以依日照角度而轉(zhuǎn)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(huán)保團體、能源企業(yè)和建筑設(shè)計師的朝圣地。

Heliotrop 內(nèi)部也徹底貫徹了環(huán)保的理念。廚房內(nèi)沒有冰箱，不僅節(jié)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(jié)水，排泄物經(jīng)過高壓排入地下室，經(jīng)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(qū)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(qū)于2004年動工，預(yù)計在2010 年完成，而它的規(guī)劃早在1994 年就開始了，致力于實現(xiàn)最環(huán)保的交通方式：鼓勵步行和自行車；公共交通優(yōu)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(chǎn)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(jié)Vauban 的一個住宅區(qū)，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(tǒng)、方便的拼車系統(tǒng)、孩子們擁有大量安全的游樂場所是這里居民已習慣的環(huán)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(fā)電塔在塞維利亞郊外的山上工作。歐洲首個商業(yè)性太陽能發(fā)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(fā)電系統(tǒng)城市。

西班牙：2007 年3 月30 日，歐洲第一座商業(yè)太陽能發(fā)電廠(PS10 太陽能發(fā)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(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，將太陽能發(fā)電的上限由0.5％提升為2.5％，整個計劃總發(fā)電規(guī)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(qū)。德州市太陽能應(yīng)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(fā)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(qū)頒布實施“太陽能熱水系統(tǒng)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(qū)發(fā)布“太陽光伏發(fā)電示范系統(tǒng)設(shè)置補助辦法”。

2005 年12 月26 日，臺灣地區(qū)初審?fù)ㄟ^“再生能源發(fā)展條例草案”。