綠色能源-風力發電及其潤滑
2006-10-05
綠色能源-風力發電及其潤滑
吳世榮
風力發電機所處的工作環境十分嚴苛，等於長期處在濕氣重、鹽分高和極端高低溫的環境狀況。況且風電設備的保養維修工作十分不易，所以確保可靠穩定的長期運轉是最根本的要求。
從台灣最北端的石門到墾丁的南灣，海岸沿線的岬角高地或迎風的沙岸，屹立著醒目的白色風車。風和日麗的午前，北海岸石門的風車恰似朵朵巨型的白色向陽花朵迎風轉動，將海岸山脈點綴得更為燦爛；而灰暗的午後，彰濱海岸的風車如同堅毅的海岸防衛隊，守護著這片土地。這些風車儼然成為新興的景觀，吸引著休閒旅遊的人潮。
從能源經濟的角度來看，這種利用風力發電的科技，近二十年來，在全球能源短缺和環境保護的雙重壓力下，正蓬勃地發展。風力發電在現行的發電工業裡頭，是和太陽能並列為最環保的綠色能源，尤其在發電效益、投資報酬和景觀的附加價值上，更遠勝於太陽能的發電設置。當然從廣義的角度而言，風力發電也是從太陽所衍生而來的能源。歐洲地區的丹麥是風力發電科技應用的領導者，德國和美國也都各有非常成熟的技術和普遍性的應用。亞洲地區在印度和中國西北地區也都有相當程度的推展。而絕大部分能源需仰賴進口的台灣，近年來，也努力的從利用大自然的風力發電上來發展。在此，我們先從風力發電的原理、條件、設備作基本的介紹，當然最後要談到風力發電設備的潤滑要求。
風力發電的運作原理相當的簡單，它利用風的動能吹動風車上的葉片而轉換成旋轉的機械能，再聯結到發電機而產生電能。細看一下風力發電的整個構造，包含有一巨大的主塔上架著三幅葉片及機艙。葉片和機艙內的增速齒輪箱之間由輪轂和軸承支撐的主傳動軸聯結。機艙內的增速齒輪箱將每分鐘27轉的葉片轉速提升到1500轉左右，以達到推動發電機的運轉條件。
↑葉片和機艙
另外還有角度、轉向及速度控制的各項機構，以確保風車時時維持在最佳的運轉狀況，尤其避免超速運轉而傷及發電機。中央控制系統更聯結著機艙頂部的風速計和內部的煞車裝置，除了控管整體的最佳運轉外，緊急時更用以啟動煞車系統來停機使用。
風電的設置，大都在沿海地區，在風速大、平均平穩、長年風力達到發電設備的需求為主。海岸坡頂高地是常見的優良場址，因為地勢高，風速較大；而岩岸峭壁之上則風速會較不穩定。另外，受風面大的開闊海岸也是主要的設置場址。我們遠眺小小的白色風車，走近一看其實是相當的高聳巨大。主塔高度可達50~60公尺以上（相當於二十層的高樓），葉片的長度也在40~50公尺之間。最小啟動風速為5米/秒，風速到15米/秒時風力發電會達額定發電輸出，當風速達25米/秒時為設定關機的風速以確保安全。
↑機艙尾端的風速計及風向標
風力發電機所處的工作環境十分嚴苛，長期處在濕氣重、鹽分高和極端高低溫的環境狀況。以台灣北端的石門風電場為例，每年深秋到隔年的梅雨季，大半時間是陰雨的濕冷天氣，在彰濱的沿岸需忍受長年鹽分風砂的侵蝕，而墾丁南灣的風電場則面對長年烈日高溫的考驗。況且風電設備的保養維修工作十分不易，所以確保可靠穩定的長期運轉是最根本的要求。風電設備的潤滑包括最主要的齒輪箱潤滑，各軸承的潤滑：含葉片軸承、發電機軸承，偏轉系統的齒輪潤滑，和液壓控制的剎車系統等。
增速齒輪箱的潤滑油是風電設備最主要的潤滑需求，這些齒輪箱的增速比大約是1：50，將低速高扭力的葉片旋轉加速成為高速低扭力的每分鐘1500轉來推動發電機。如前所述，齒輪箱的作業環境屬於高低溫變化、高濕氣，加上沉重的扭力負荷，所以需要高品質的齒輪油，具有良好的極壓抗磨特性、氧化穩定性、抗乳化特性之外，更需要能提供優異的潤滑保護，減除齒輪表層下金屬疲勞所造成的微孔蝕（micropitting）帶來的損害，並藉以延長使用壽命。
↑高地的風力發電機
考慮到風電設備的高設置成本、20年以上的長期壽命、嚴苛的工作環境、維修的困難度等因素，我們認為合成油是最佳的選擇，例如美孚產品風電齒輪潤滑專用的Mobilgear SHC XMP應該是最佳的油品，黏度則以ISO 320為基本級數。
葉片主軸承、發電機軸承等抗磨軸承的潤滑選擇，這兩者的主要工作環境和狀況是有相當大的差異，主軸承為低速、重荷、低溫，而發電機軸承卻是相對高速、輕載、高溫，在潤滑應用上各有特別的需求重點，當然在優良的氧化安定性和抗磨特性上要求則是一致的。以台灣的溫度變化而言，我們認為選用一種高品質的複合鋰基含抗磨極壓特性的滑脂，應可以同時滿足兩種的軸承潤滑要求。在美孚的產品而言，Mobilgrease XHP 222是典型的滑脂代表，它的基礎油黏度為ISO 220可以符合這些運用的要求。當然，合成滑脂Mobilith SHC的效能及適用性更是不在話下。
再來，偏轉控制系統的潤滑，這部分包括有開放式的齒輪、減速齒輪和軸承等，主要的潤滑在於開放式的轉向齒輪盤，它承受的負荷較大，且受環境濕氣、鹽分、灰塵的影響頗大。建議用含有二硫化鉬的重荷開放齒輪滑脂，也可使用合成滑脂Mobilith SHC 1500。
↑海岸的護衛者
開放齒輪因滑脂給脂設計的關係，應該參考原設計廠家的建議說明。減速齒輪則可以參照增速齒輪的潤滑。
最後是剎車系統的液壓控制設備，按工作環境狀況來考慮，應該選擇氧化穩定性好、油水分離性佳、防銹抗磨性好的高品質液壓油。尤其是溫度應用範圍廣的高黏度指數液壓油，對於在寒帶低溫地區特別需要。以台灣的風電設備，Mobil DTE應該是首選，而對低溫條件特別要求的則應採用合成油Mobil SHC 500系列。
另外，德國的Enercon所製造的風電設備，使用環形發電機（Annular Generator）由葉片主軸直接驅動，並無增速齒輪箱的設計。因為沒有增速齒輪箱，所以大大地減少了潤滑油的使用量，其間也僅用了兩組軸承，分別在主軸的兩端葉片輪轂和發電機各一，保養維修方面也減省了不少。其他部分的潤滑則大同小異。