摘要
風電潤滑油監測如同風力發電機血液健康檢查，一支5MW（百萬瓦）離岸風機造價高達8億元起跳，使用壽命約為20~25年，在新機組不斷投運舊機組不斷老化，如何提高風機利用率，降低設備故障率和故障時間，避免設備突發故障發生，已經成為離岸風電維護運營商日常設備維護與檢修工作的主要目標。XRF在風電滑油監測為風電設備健康評估的已是重要指標，可通過XRF分析來監測風電設備使用潤滑劑（或工作介質）性能變化和磨損微粒情況，獲得風電潤滑和磨損狀態信息，用大數據來評價設備工況和預測故障，確定故障原因、類型和零件技術。能夠及早做出判斷和分析，降低設備損壞風險及潤滑油損耗率，減少維護費用，延長設備的使用壽命，助力企業以最少資源，獲得最大效益。
風電滑油監測如同風力發電機血液健康檢查，如何有效利用XRF做風電滑油監測來保障風機運轉工作效益，已成為離岸風電維護運營商經營上重要的核心技術與獲利來源，尤其是如果在維護方面缺乏風險預警能力，即使微小不確定因素也將使離岸風電維護運營廠蒙受巨大損失。如每次齒輪箱故障更換成本多達約 300,000 美元(引述Sandia National Laboratories資料)；故齒輪箱良好維運，對風力發電機營運效益，相當重要。
圖1. 風力發電機零件機組失效故障頻率與停機時間
圖2. 風機未做好有效營運管理，風機提早損壞
離岸大型風力發電機結構簡介
風力發電機的建置成本非常高，一支5MW（百萬瓦）離岸風機造價高達8億元起跳，離岸風力發電機還有海事工程等等，除了建造費高外，在營運上將決定風機設備投資報酬率，圖3為大型風機設備結構圖。
圖3. 大型風機(風力發電機)結構圖示
從圖3.風機結構圖上可以看到，風機機艙內的機械機組包含:
- 變速箱機組:主變速箱、變槳和偏航變速箱
- 齒輪箱機組:主齒輪箱、轉向齒輪盤、轉向齒輪及齒輪箱支撐桿
- 控制單元機組:轉向控制、塔頂控制、油壓液控制和變槳控制
- 軸承機組:葉片輪軸、偏航萬向接軸和主傳動軸承等部位
- 其他機組:煞車、發電機、油溫冷卻、吊車..等等。
圖4. 風機齒輪箱機組類型:齒輪箱式與無齒輪箱式(直驅式)
常見離岸大型風電軸承的製造材料
在風力發電機組上，軸承的使用壽命會是整個風機最重要的心臟核心，常見軸承種類與牌號如下：
表1. 常見風機軸承與滾珠使用的合金牌號
風力發電機(風機)各種機組會因其主要功能不同，如:耐磨，高硬度，抗疲勞，抗蝕性，不易衝擊變形，良好綜合機械加工性與冷熱加工…等功能不同，使用不同牌號(合金化學成分)不同。
離岸風機潤滑油功能與效益
潤滑油主要用於:
- 主變速箱
- 變槳和偏航變速箱
- 制動液控制和變槳控制
- 偏航和主軸承等部位
其中最關鍵的是帶動發動機運轉的主變速箱，它也是齒輪傳動箱風機的心臟。
風電潤滑油在風力發電機的功能，就如同人體中的血液，是讓風機中各種機械軸承可以正常運轉，是風機使用壽命與使用頻率重要關鍵，也是離岸風電維護運營營運商或力與營運上重要的成本，據統計風電潤滑油費用佔營運成本約38~40%。
風機設備商與離岸風電維護運營商的資料來看，風機在安裝後初期失故障的狀況通常是風電潤滑油質與軸承，然後再逐步影響齒輪損壞而最終導致齒輪箱故障。
圖5. 風機齒輪箱潛伏與破壞失效示意圖
目前在潤滑油廠家所提供潤滑油更換油的時間皆會盡可能滿足離岸風電維護運營商需求，時間越長越好，因每次在維護時，停機時間長，潤滑油商會提供長效性潤滑油，在使用期20年內，只需換油3~4次，但何時該是潤滑油更換的最佳時間?由上述我們可以瞭解上述風電滑油監測重要性，風機在營運維護時，風電潤滑油分析會是風機在運轉中(健康期)中重要健康指標，而除了潤滑油油的品質外，XRF監測風電潤滑油更能提供更多各種機組軸承磨耗(磨損)資訊，精準了解各種機組目前磨損情況，做到適時(最佳化)潤滑油更新數據。目前風電潤滑油更換已開始與大數據資訊做整合，將不同風場資訊與風機機艙內各項資訊及潤滑油分析數據整合，來達到人工智慧應用(AI)來達到最佳化維護目標。
圖6. 風力發電機AI維護示意圖
在圖6中，AI數據優化模組中，潤滑油分析數據是整個風機組維護重要核心，使用XRF分析風電滑油監測數據就是鑑別風機機艙5大機組與潤滑油品質重要關鍵資訊，以判定最佳維修時機的維修流程；通過預測性維修手段可提高設備的運行可靠性，且僅在設備需要維修的時候進行維修，減少過度維修，降低維修成本。
離岸風力發電機電塔上，5大機組風電潤滑油簡介
在風電領域，潤滑油主要用於主變速箱、變槳和偏航變速箱、制動液控制和變槳控制、偏航和主軸承等部位。其中最關鍵的是帶動發動機運轉主變速箱，它也是齒輪傳動箱風機的心臟。
由於主齒輪箱決定著整個系統能否正常運轉，其設計和製造通常都非常先進，而且造價不菲，一旦發生故障，不斷影響發電效率，而且修復成本高昂(至少美金30萬起跳)。潤滑油便相當於其源源不斷循環的風機血液，是讓變速箱能夠良好的保護、降低齒輪傳動中的功效損耗(磨損)提供強有力支持，而其密閉作用也可以防止風沙、灰塵對變速箱系統侵蝕。
潤滑油作用，除了潤滑，還有降溫、清潔、防鏽、緩衝等等。世界上能源有二分之一到三分之一是消耗是摩擦導致的。機械零件80%的失效原因是運動表面所帶來的磨損，潤滑技術提升能夠預防50%的能源消耗。實際上潤滑改善是實現節能、降耗還有低排放的重要的技術途徑。
目前，風電滑油監測分析是應用最為廣泛的風機風電機積極維護策略之一。在風電機運轉一段時長後，根據風機上潤滑油成分及微量金屬濃度對風機總體運行情況進行監測，保障風力發電機有效工作。通過對潤滑油及時進行潤滑油液分析，提取信息，形成大數據，為不同地區不同環境下風機的運維情況和定期維護等進行主動跟進，這也風力發電機後市場在「AI網際網路」時代的大方向。
風電潤滑油會因有使用的軸承機組功能需求不同而異，會有不同功能性的添加劑，如:極壓添加劑，抗(抑)泡劑，腐蝕抑制劑，抗氧化，低溫阻力，抗水解，抗磨劑，清潔分散劑，防鏽防腐劑..等功能，而各項潤滑油添加劑因其功能不同而添加不同化合物及元素來達到其功能目的， 如添加劑內含:鎂(Mg)，鈣(Ca)，磷(P)，鋇(Ba)，矽(Si)，氯(Cl)，硫(S)，鋅(Zn)..等不同化合物，而這些元素與不同軸承合金材質內各化學成分(Fe,Cr,Ni,Ti…)的元素資訊，再加上潤滑油常用的劣化指標:酸化，氧化，添加劑消耗(與新油作光譜比對)，來建立一個有效的元素與潤滑油品質監控分析數據，利用AI做深度學習的自動維護系統資訊。
目前大型風機潤滑油商營運維護服務的模式簡介
在風力發電機市場長久以來，風電潤滑油由世界著名三家潤滑油品牌基本瓜分，分別為:美孚、殼牌和福斯。究其原因，與台灣風電產業自身的發展軌跡不無關係。在開始發展風電產業之初，主要依靠技術引進，當時可供選擇的潤滑油品牌更是少之又少。整機製造商對於風機潤滑油的選擇，往往會聽取齒輪箱廠家的建議，根據買入的技術圖紙參考以及市場上有限的品牌進行選擇，美孚、殼牌和福斯便「毫不費力地」提早搶占到了風機「初裝」市場。
我們可以了解世界三大風電潤滑油商對中國風電在潤滑油服務方式，作為”他山之石可以攻錯”參考，其服務如下
- 埃克森美孚：正式於2014年6月啟用建於埃克森美孚上海研發中心的亞太區新的Signum實驗室，該實驗室對潤滑油特性、污染物水平及磨損顆粒等因素進行分析。定期跟蹤油品分析的結果，可確定設備維護的計劃，從而幫助設備用戶避免高額的維修和意外停機;通過在不同潤滑系統中準確計算出適當的潤滑油換油及濾器更換周期，Signum油品分析系統還能幫助延長潤滑油的使用壽命。
- 殼牌：自2005年進入中國風電市場，推出了新一代「風電全天候服務包2.0」的增值服務，其中「風電換油工程車服務」備受業內關注。針對風能市場維護低預警、高耗能的特點，殼牌積極升級服務保障技術領先，拓展產業鏈，為風電運營商在應對全球氣候變化，推動能源發展轉型過程中提供了更科學的潤滑解決方案。
- 德國福斯油品集團:在2015年10月福斯為用戶提供「一站式的潤滑解決方案」外，更是推出了「售後升級、服務加倍」的服務計劃，助力風電運維行業。該服務計劃是福斯潤滑油為客戶定製的一個綜合服務包，包括了先進的服務設備(包括風電服務車);一站式服務產品，包括長壽命風機齒輪油、特種風電液壓油、特種高性能風電潤滑脂;定期齒輪油監測及分析;相關的技術支持及培訓。在中國福斯潤滑油的兩個實驗室，其中包括在上海的亞太研發中心，可以為客戶提供快速的用油分析和技術支持，使風場運營方及時了解齒輪油的使用狀態，幫助預測和防止故障，以提高產品和設備的使用壽命，降低運營成本。
由上述三大世界潤滑油商對中國路上風力發電機服務模式，不難發現，皆使用大數據(IoT)方式為風電維護營運成本與潤滑油更換頻率建議，以深度AI學習為服務技術核心，來提高風電潤滑油與風電使用壽命，降低營運成本。而台灣也已成立風電團隊(Wind team，Marine Team)，在可預見的未來離岸風電維護運營上的成本與費用與維護難度必定會高於路上風電成本，能邁科技願在台灣綠能上與風電各位先進一起成長茁壯，若各位先進在使用XRF做風電潤滑油監測分析上有興趣者，歡迎與能邁科技聯繫(Tel:+886-2-89903188轉 綠能專員)。
離岸大型風機海上結構物防蝕監測與腐蝕務分析
離岸風機關鍵材料和結構（如基座、塔架、葉片、發電機、軸承、電路結構等）在對應環境介質中（如海水、海浪、海岸大氣、沙塵氣候、高低溫劇變等）的腐蝕行為，是需要建立一套有效益腐蝕監控系統，將監控數據做研究高效耐腐蝕策略基礎。建立風力發電機資產管理維護運營分析技術核心，有效評估材料使用特性及維護改善週期，節省元件因腐蝕破損需要停機更換費用，增強風力發電機結構使用穩定性，提昇運轉效率，增進經濟效益與結構安全，延長機組材料的使用壽命及可靠度。
離岸風機及海上結構物腐蝕監測，已成為西海岸重鹽霧害區域及離岸海域電力 設施之腐蝕破壞鑑識、監測與防蝕工程重要工作項目。導入科學分析設備做資產管理及操作和維護管理的管理模式，狀態監測及非破壞檢測工具以支應陸上及離岸風力運轉和維護，研究人員並可藉由風力發電技術及專利、文獻，研究風機的壽命延長評估及資產有效應用。
離岸結構被劃分成五個區域具有相對於腐蝕保護不同的要求，分成5個腐蝕區域，不同區域的腐蝕特性和程度不同，應分別採取不同防腐措施。
大型風機滑油分析監測維護案例說明
離岸風電(風力發電機)造價費用8億起跳，一般使用年限約在20~25年，風電使用率提升在日常維護上就顯得非常重要，風電潤滑油監測(維護成本38~40%)如同風機的血液健康檢查，此文將對風力發電機軸承維護保養上(維修費美金三十萬起跳)，如何使用XRF做有效維護保養，來提升風力發電機使用率減少停機損失。
