追日計畫–文明的危機與夢想無限
98/03/04
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20129
鄭榮和｜
臺灣大學機械工程學系教授
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
文明有很多危機，現代文明正面臨著能不能存續的危機，最大原因來自環境與能源問題。對於前者，我們能做什麼至今尚無標準答案；對於後者，科學家已有努力方向，就是積極尋找使用再生能源的有效方法。再生能源包括水力、風力、太陽能、生質能、潮汐、地熱、波浪等，除潮汐與地熱外，其他都是廣義的太陽能，也因此，有效利用太陽能是本世紀的重要課題。
2000 年 2 月，臺灣大學機械系研究團隊正式投入太陽能車的研發製造。這群年輕學子從最基本的車身架構設計開始，胼手胝足，努力不輟，雖然研究經費不足、太陽能板效率不彰、駕駛艙內溫度高得像火爐，但都沒有退卻，甚至跑到國際上真刀真槍地參加競賽而獲得良好成績。太陽能車的研發，代表一種夢想、一種希望、一種向上提升的力量，尋找替代石油能源的研究，值得做，必須做，一定要做！
邱吉爾開啟用油世紀
一般人以為「使用能源無窮盡」是理所當然的事。以「電」為例，對於「有電」這件事似乎沒人覺得有啥驚訝，反倒是沒電時會令人手足無措，很不適應。其實在電的背後，必須先有一個非常複雜龐大的系統以後才能有電，對於「從來不需要去煩惱這些事情」的這件事來說，在 21 世紀裡將不再是事實。這是因為現代文明的基礎架構在不虞匱乏的能源上，可是，日常生活中最主要的能源－石油，已經快要枯竭了。
遠古人類以人力或馴服動物的方式，或以食用植物、捕食動物等方式取得能源。17 世紀末到 18 世紀，人類開始使用煤。1782 年，瓦特改造舊式蒸氣機成為接近現代的蒸氣機，因而開啟了工業革命。20 世紀初，亨利福特開闢一條生產線大量生產汽車，使得一般平民也開得起汽車。
1911 年，英國首相邱吉爾下令英國船艦從燃燒煤改成燃燒石油，這個決定提升船艦速度 30％，不只船艦取得致勝先機，也開啟人類使用石油的世紀。到了 2007 年，全世界使用能源的比例，石油39％，煤 24％，天然氣 23％，核能 6％，其他 8％。
交通運輸用油最多
石油的來源有許多說法，大部分人同意的是：數千萬年前的浮游生物及動植物遺骸埋在地下，在缺氧環境中，經由細菌作用而逐漸分解，因為氧、氮等元素逐漸消失而留下碳、氫結合的碳氫化合物，隨著埋藏深度的增加、高溫高壓作用，以及複雜的化學變化，最後形成黏稠的石油。
不過，石油的形成仍需要地質條件的配合。石油在孔質岩石的縫隙中向下層移動，直到遇到緻密的岩層時才逐漸匯積形成儲油層。之後，當孔質岩石的上層又形成一層緻密岩層後，才把儲油層封閉在中間等著被挖掘。因為生物是依賴陽光而活的，所以可以把石油想像成埋在地底下的古老陽光。
取得石油的方法很直接，經由地質學家研判後，在海上或地上鑽探。地球這麼大，這件事做起來不容易，不過隨著科技的進步和人類足跡遍布全球，現在世界上哪一個角落有大量石油大致都已知道。如果在海上挖到石油，就用油輪把石油運到陸地儲存、提煉。提煉是經由不同溫度的分餾，把石油分餾成汽油、煤油、飛機用煤油等，提煉剩下的殘渣還可鋪柏油路。
現代文明因為大量使用石油而快速發展，如汽車、飛機等交通工具，提供食物來源的耕耘機、收割機，採礦，建設，救援，以及清潔劑、塑膠、電腦鍵盤、絲襪等都與石油有關。很難想像，萬一有一天沒有了石油，我們該怎麼辦。
但是使用石油也有問題，最大困擾就是造成污染。煉油會污染環境，運油輪船的漏油或沉沒會污染海洋，汽機車使用的汽油會污染空氣，生活在污濁環境中會影響健康，進而影響國力的強弱。
每秒燒掉 16 萬公升石油
紀錄片〈不願面對的真相〉提到，如果赤道附近平均溫度上升華氏 1 度，極地溫度就上升華氏 12 度。如果地球上沒有大氣，平均溫度就是華氏零度（約攝氏零下 18 度），因此大氣層很重要。就是因為有了一點二氧化碳，一點水蒸氣，一點溫室氣體，地球才能擁有攝氏 15 度這麼舒服的平均溫度。可是萬一地球溫度過度暖化，就會造成生物浩劫，這是大家不願面對的真相。
另一個大家不願面對的真相是，地底下蘊藏的石油快用完了。石油是太陽和地球長期合作幾億年後才準備好的，可是現在全球每秒鐘燒掉 16 萬公升石油，就算大家願意忍受污染，石油也會很快用完。
美國地質學家 Hubbert 在 1950 年代撰文預測：美國石油產量在 1970 年代達到頂峰，即所謂的 Hubbert's Peak。Peak 是頂峰的意思，即石油產量超過這點後地底蘊藏量只剩一半。可是這個說法未受到重視。1973 年爆發以阿戰爭，出現第一次石油危機，美國石油產量走下坡，無法增產彌補中東國家禁運石油造成的短缺，證實了 Hubbert 的遠見。
2001 年又有預測，全世界石油產量會在 2005 到 2010 年間達到頂峰，從全球一年用掉 260 億桶石油，新發現石油少於 100 億桶的數字看，這個預測有其可能性，也代表我們已經用掉全世界石油蘊藏量的一半。一般預估，石油剩下 40 幾年可用，天然氣 50 年，核能雖可發電但也支撐不了多久。2050 年人口逼近百億，那時候大概需要 2 個地球的資源才夠支撐現代文明！
太陽是永續能源
嚴格說來，我們並非快沒油可用，地球的石油蘊藏量仍足以供應幾十年，甚至更久。我們短缺的是容易開採、容易提煉、硫含量低，比較便宜的高品質石油（稱為輕甜石油）。超過頂峰是指石油蘊藏量還剩一半可以開採，只是開採工程越來越難，花費成本越來越高。早期開採石油的投資報酬率是 1 比 100，現在是 1 比 20，而且越來越低。許多阿拉伯國家的大油田已在灌海水，以便把剩下的油擠出來，但是那種石油不再叫作輕甜石油。
值得注意的是，新科技的出現無法解決油價高漲問題，科技從未生產過一滴油、一滴能源，科技只是開採、提煉，甚至發明很多東西來消耗能源、燃燒能源。
這就是科學家絞盡腦汁，努力研究如何有效使用再生能源的重要原因。水力、風力、太陽能、生質能、波浪等都是廣義的太陽能，水庫排水可以轉動水輪機，帶動發電機發電，但那靠的是地心引力，還必須靠太陽蒸發海水後的下雨來匯積，所以說水力是廣義的太陽能。風是太陽對地球的不均勻加熱所形成的。赤道附近很熱，空氣上升後形成低壓帶；高緯度地區的冷空氣下降，形成高壓帶。一旦空氣從高壓往低壓移動時，即形成平行於地面的風，而波浪也是由風所造成，因此利用風力或波浪發電都是使用廣義的太陽能。
太陽傳到地球的功率是 1.7 × 1017 瓦，照射地球 1 小時的能量（功率 × 時間）足夠人類使用 1 年！只是我們尚未學會如何善用太陽能。來自太陽的光與熱還有 45 億年可用，與人類壽命相比，太陽就是一種永續能源。
太陽能車不用引擎及汽油
在各種利用太陽能的研究中，太陽能車的研發製造是很大的挑戰。太陽能車利用太陽能板吸收陽光來發電，進而驅動馬達，帶動車輪轉動，不必使用引擎與汽油。但有一個很重要的製造過程，就是必須在車殼上貼太陽能板。太陽能板很薄，必須「封裝」，封裝工程類似護貝，但其技術比護貝高明很多，也困難很多。
臺灣大學機械系研究團隊從 2000 年 2 月開始研發太陽能車，為其取名 FORMOSUN，代表「for more sun」與「the sun of Formosa」的意思，FORMOSUN 第１代、第２代車的太陽能板是以單晶矽（矽晶）製造的。
矽原子的外圍有 4 顆電子，可是矽原子需要 8 顆電子才能穩定，若把矽原子製成結晶體，就可令其藉由互補彼此缺乏的電子而呈穩定狀態。倘若在矽晶裡混入砷（或磷）等雜質，砷（或磷）外圍有 5 個電子，即表示多出 1 個電子，這個電子會使得矽晶帶負電，稱為Ｎ型半導體。半導體的意思是，平常不導電，在特殊狀況下才導電。如果混入只有 3 個電子的雜質硼，會使得矽原子外圍少 1 顆電子，形成電洞，變成帶正電，這時候稱為Ｐ型半導體。
所謂太陽能板，就是把Ｐ型與Ｎ型半導體堆疊在一起，使得交界區的電子、電洞中和消失，並在接合處（電中性區）形成一道屏障，使得電子、電洞無法跨越，這時候是絕緣狀態，電路是斷路。當光照進來時，照射進來的光子能量只要足夠，就能激發電子，使得電子跨越屏障形成通路。這是太陽能板的基本發電原理。也就是說，把太陽能板兩極接到電路上再給予充足光源，就可驅動運作。
太陽能板是決勝關鍵
臺灣大學師生製造 FORMOSUN 的動機非常單純，就是為了到澳洲參加國際性太陽能車挑戰比賽。一般賽車大概 5 百至 6 百匹馬力，家用車大概1百至2百匹馬力，可是太陽能車只有有限的太陽能電力可用。以 FORMOSUN 第２代車為例：太陽能板是矽晶，系統電壓 100 V（伏特），最大電流（太陽在正午照射所能發出的最大電流）15A（安培），整個系統的最大功率輸出是 1,500 W（瓦），約 2 匹馬力！1,500 W 相當於一台家用吹風機使用的電量，要用這麼小的電量令太陽能車跑得很快，顯然裡面有很大的挑戰和想像空間。
澳洲太陽能挑戰賽的比賽時間是從早上 8 點到下午 5 點，但是從日出到日落都允許曬太陽和為蓄電池充電，而且在途中有 7 個控制點要停靠以更換裁判。比賽路程從北達爾文一直往南到阿得來得，全程 3 千多公里，中間經過 3 個沙漠。
臺灣大學車隊在 2003 年 10 月第１次參加比賽，賽前1天在賽車場內的預賽獲得第２名，可是全程3千公里的馬拉松賽在 22 隊中拿到 13 名，主要關鍵在於太陽能板的效率。臺灣大學車隊經費拮据，只能以單晶矽（一瓦成本 170 元）製作太陽能板，平均效率約 15％。但是比賽前幾名的車隊都是使用砷化鎵太陽能板（一瓦成本至少 6,000 元以上）。砷化鎵太陽能板主要用在人造衛星上，效率達 23 ~ 32％。
後來的 FORMOSUN 第３代車也改用砷化鎵製造太陽能板，可是擁有封裝砷化鎵高級技術的德國公司索價 5 百多萬元封裝費，因為負擔不起，學生們只好自己動手學封裝，歷經各種挫折，終於在最後關頭成功完成太陽能板封裝。2005 年在澳洲國際賽中獲得第１名的荷蘭隊，光在太陽能板上就花費 100 萬歐元，臺灣大學車隊製造第３代車的花費約 600 多萬元新臺幣，是全部參賽隊伍中最經濟的一隊。那年臺灣大學隊在 22 個參賽隊伍中得到第５名，而且多拿一個「技術創新獎」。
技術創新獎 一分耕耘一分收穫
大會規定：萬一太陽能車跑不動，參賽者必須準備一輛拖車，把太陽能車放在拖車上拖到終點。經費充裕的密西根大學從美國運來一部拖車，裡面有發電機、油壓機、空壓機、車床、銑床等，儼然一個小型活動工廠。
臺灣大學車隊只能租一部吉普車拖著一部空拖車，但有一樣東西是別隊沒有的，就是拖車上裝了臺灣茂迪公司提供的太陽能板，車底裝著從第２代車回收來的鋰電池。白天時，就利用太陽能板為鋰電池充電，當賽程中需要用電時，如通訊、電腦運作時的用電，以及支援車頂上閃黃燈（像工程車一樣）的用電，都由鋰電池（太陽能）供應。其他車隊在這方面需要用電時，全都使用汽油引擎發電。這是臺大車隊獲得技術創新獎的原因，也是辛苦多做一點工以後的甜蜜回饋。
太陽能車的研發是使用太陽能的良好示範。石油能源耗盡這件事，未來一定會發生，只是時間早晚而已。若能珍惜尚有石油的時候趕快行動，儘快尋找出路，未來文明就能更好。出生在這個快要沒有石油的時代，正是創造美好未來的機會。地球的未來屬於有夢想的人，我們不但要有夢想，還要令夢想無限！
本文取材自國科會「2007 秋季展望系列演講第二場」臺灣大學機械系鄭榮和教授的演講內容。
