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追日計畫–文明的危機與夢想無限

石油消耗速率每秒千桶,化石能源耗盡後,倚靠這些能源建構的人類文明將何去何從?且看一群年輕學子,如何迎向問題,追尋答案。
 
 
 
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。
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