綠能機械與齒輪傳動技術專輯主編前言

作者:

鄭詠仁

刊登日期:2020/08/31

我國自產能源缺乏,能源供給高度依賴進口,能源輸入的依賴達98%,隨著國際能源價格波動,加上獨立的島國電力系統,面對全球溫室氣體減量的壓力遠比他國更高,在無法改變現況之下,積極的推動節能各項政策與技術,是使國內兼顧環境永續與能源安全的唯一方向。
無論是在國內外,或是工廠、家庭內將電轉換成動能的電動機,俗稱馬達為最重大耗電元件,馬達驅動的設備包含作為液體傳輸的泵浦、氣體傳輸的送風機、鼓風機等,或是將空氣、冷媒進行壓縮的壓縮機等設備,都是在家庭、工廠內最常看到的綠能機械。其他工具機、加工處理機、輸送裝置等也都內含不少的馬達,用來作為傳輸及動能的零組件,對於轉動性能的速度調整、行為方向的調整所使用到齒輪傳動機構,也是影響整機效能的關鍵次系統。
國內在2015年7月已將馬達效率提升至IE3等級,非IE3等級以上馬達不得在國內銷售,藉以提升國內馬達使用效率。另外也會隨著國際發展提升馬達效率至IE4等級。除了馬達以外,如上述的泵浦、送風機、壓縮機等關鍵耗電設備也將隨著國際標準腳步,逐年訂定效率標準,不僅提升國內電力使用效率,也一併提升相關產品的附加價值。對於使用者來說,雖然高效率產品可能售價較高,但以產品生命週期來說,高效率產品所節省下來的電力成本,很容易從幾年後就獲得高效率產品價差的回收,對使用者不僅環保,也節省金錢。隨著技術不斷精進,此類綠能機械產品藉由不斷的效率提升來提升價值,以及帶來省電效果,長期對產業及國家都有不小貢獻。
提升綠能機械產品的效率技術很多,包含如更精準的轉定子部件設計、更精密的加工生產方式,以及採用效率更好的齒輪組成,更佳的整機調教以外。未來加入聯網的智慧化可能是產品價值提升的重大契機。在各項的機械產品中,除非有重大的創新設計變革,否則就每一代的機械產品效率提升大約就在2%~8%效率範圍以內,俗稱單機效率提升。但是因應工業4.0發展,將工廠內各項同系統的機械聯網、採用節電策略運作的方式,可以像是群體控制的最佳化,經過智慧訓練後的運轉流程改變,或是經由遠端資料庫學習而來的異常診斷、健康狀態監看與管理,減少了停機時間,提高整體效率,其最高的節電效果可能高達40%,智慧化後的效益潛藏著產業提升的重大機會。
本期綠能機械與齒輪傳動技術,共收錄9篇文章,包含如綠能機械智慧化的趨勢,工業物聯網之下流體機械系統能效診斷技術,以及高效率齒輪設計與相關的效率測試標準等,提升讀者研習。
本期有三篇關於泵浦的技術文章,主要在於泵浦是馬達傳動機械中應用數量最多的設備之一,在工廠內是分布範圍最廣,可能是最不易察覺,也是容易發生異常的設備單元,若有好的維護及監測的智慧化技術可以有重要的扮演角色。智慧化聯網在泵浦系統中可將運作狀態透明化,隨時讓使用者可監視及進行預防性調整及維護。『泵浦智慧化聯網系統發展趨勢與展望』一文將探討泵浦智慧化聯網系統定義、功能、市場現況、國內外市場驅動力與阻力、產業發展歷程及產業價值鏈,分析此一新趨勢市場及產業走向。
泵浦為下一階段能源效率管理的重點設備,預計FY111年將實施能源效率管制( Minimum Energy Performance Standard, MEPS ),即表示FY111年起國內在管制範圍內的泵浦若低於MEPS效率標準則不得銷售。當然提出管制前,均會參考國際上推動的能源基準值,以及市場管理的做法,提出一套在地化,適合本土廠商生存且提升產品價值的規則,讓國內製造商以及國內進口商遵守。『國際液體泵能源效率管制介紹』即探討歐美及中國大陸對於泵浦能源效率的要求及測試規定,以讓讀者了解國際上對泵浦能效之要求,以及即將實施的管理能效方法與基準。『水泵性能測試系統不確定度評估與等級判定』說明實驗室量測參數,包含水泵流率、揚程(或稱水頭)、耗電功率、整體效率、泵效率等各項量測結果的不確定度之評估程序,實驗的隨機誤差與系統性誤差導致之量測不確定度,並說明評估結果之等級判定,用精密正確的流程評量方式,證實泵浦能源效率的測試結果,使效率管理規範具備最佳的公正性。
空壓機也是工廠內常使用的動力機械設備,用以提供壓縮空氣,作為輸送、製程、清潔等用途,工廠內一般為壓縮機群組,因為噪音較高,且會發熱,通常會提供一個壓縮機房來存放,盡可能遠離人群。但壓縮空氣成本其實很高,約佔工廠用電8~15%,且因為錯誤的用途或管路洩漏,實際上用到正確製程上的壓縮空氣可能不到一半。大部分的電能損失花在了待機運轉狀態,或是低負載低效率運作之下。若採用資通訊技術,進行診斷與效率管理,將有效提升整個壓縮機群的效能,經過去節能輔導經驗,進行資通訊的效率管理與聯控整合,壓縮機系統約可節能20~40%,對於投入的成本效益約在2年內可以回收。『工業物聯網之流體機械系統能效診斷裝置』一文即利用開發的能耗監測IOT診斷裝置,建立以工業物聯網為基礎的智慧生產環境,進行長期效能量測分析,為管理和節能診斷提供決策依據,提升能源使用效率。
沼氣發電為近年政府力推的分散式綠能機械,小型沼氣發電系統加入配電系統運轉已成為一種符合循環再利用、節電與減廢之智慧電網發電方式之一。但小型燃氣系統較難以通過電力公司嚴格之電壓變動規範,所以採用的變流電路與控制架構,使其在發電外能具備虛功率注入電網,在必要時協助電力系統調節電壓,減少系統併網衝擊來增加實用性。『具虛功率控制能力之沼氣發電系統併網型變流器設計』一文中提出的方法已使用實作驗證其確具可行性,成果具實務應用參考價值。
馬達另一項重要發展在於電動車,目前市面上的電動車動力系統不外乎由驅動馬達(Traction motor)搭配單速齒輪箱來驅動車輛,在使用高效率馬達下,整體的車輛性能已能滿足一般使用者的需求,但受限於行車里程與充電時間,提高傳動效率也是重要發展項目。『電動車兩速傳動系統之換檔發展』、『雙檔位電動機車傳動系統設計與分析』、『輪箱及其駐車機構設計與驗證』等文,不僅說明了新型傳動系統的實場驗證成效,且說明新型機構的設計參考方案。『車輛傳動系統齒輪箱測試』一文為確保馬達及齒輪系統能在各情況下順利地傳輸動力,傳動系統須先通過測試確認其運作情況及可靠度符合使用需求,其規劃測試項目與測試的方法,提供讀者參考。

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