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详解风电的基产业链概况、技术路线以及未来发展趋势

2021-11-04 19:35
放大灯
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全文约10000字,阅读需25分钟

2020年可谓是新能源“风光”无限的一年,而且是字面意思的风光。

根据国家能源局统计数据显示,2020年全年,国内风电新增容量达7161万千瓦,同比增长178.7%;光伏新增容量4820万千瓦,同比增长81.7%,均是历史新高,大幅超越往年数据[1]。

这甚至仅仅是个开始。

在“碳中和”的指导下,直到2030年,乃至2060年清洁能源都是有着清晰增长轨道和明确增量空间的好行业。这自然也带动了清洁能源概念在资本市场的大热——在A股随便找个龙头,那股价都是大牛股走势,一倍刚刚好,两倍不嫌多的那种。

此前,放大灯已经在《光伏也不难,一篇全看完》一文中详细介绍过光伏产业。本文将聚焦风电的基产业链概况、技术路线以及未来发展趋势,为读者解读新能源领域中的另一位明星选手。

所以,太阳都晒了,不来吹吹风吗?

陈闷雷 | 作者

放大灯团队 | 策划

1

产业链:聚焦整机

总体来看,风电行业不算特别复杂,它依照上下游关系可分为三个环节:

上游零部件制造:主要包括叶片、铸件、轴承、齿轮箱等产品,负责为中游的整机环节制造各类零部件。由于不同零部件之间的差异比较大,行业分化程度高;

中游整机制造:该环节主要负责将上游零部件组装为风电机组,是风电产业最重要的一环,也是本文的核心关注点;

下游运营商:即风电场的管理与经营者,也包括投资方与电厂施工方,本文不会过多涉及这一环节。

整机是风电产业最核心的一环。从成本构成看,即使是海上风电项目,风机投入在电场总成本中的占比也要达到40%以上,而陆风项目则在60%左右,在施工成本较低的年份甚至可达70%水平(下文对此有详述)。从产出端看,风机性能直接决定了风电场最终的发电能力,是影响经济效益的核心因素。

整体上,风机制造是一个受上游原材料价格支配的行业,原材料在总成本中占据绝对主导地位,例如三一重能风机的原材料支出可达80%以上。这导致整个行业受大宗价格波动影响非常明显,观察行业整体盈利能力的难度不大,例如近两年受上游材料价格普涨影响,整个风电中上游的盈利均有明显承压。

不同技术路线的风机结构差异比较大,导致各企业的风机成本构成存在较大差异,例如齿轮箱是一个在部分技术路线中成本占比较高,但有些技术路线完全没有的零部件。总体上,风电机组的主要零部件包含叶片、轴承、齿轮箱、发电机等,还包括整机装配环节的风机塔筒、电缆等。

叶片

叶片是风力发电机组的关键部件,风电基本原理决定了叶片的设计、材料和工艺直接影响发电装置的性能和功率。一般来说,叶片是风电整机成本中占比最高的零部件,通常在20%以上。

风电叶片结构来看,主要由增强材料(梁)、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成[2]。

叶片的80%成本来自于原材料,而60%的原材料成本来自于纤维材料:增强纤维(玻璃纤维)与基体树脂。同时由于近年的叶片大型化趋势明显,为了生产更大叶片,纤维材料的选择有向碳纤维这类新型强度材料转型的趋势。

大型叶片技术难度较高,存在技术门槛,龙头企业的技术优势起到了重要作用,国内叶片行业在向头部加速集中。2020年,风电叶片行业CR5市占率已达68%以上[3],且伴随着大型化趋势的深入,行业落后产能将面临加速出清,行业集中度还可能会进一步提升。

CR:Concentration Ratio,行业集中度,CR5即是指某行业排名前5家企业的市占率之和。

轴承

轴承作为风电整机的核心零部件之一,有着比较高的技术壁垒,是国产化程度最低的风机结构件。当前国产高端轴承的精度保持性、性能稳定性、尤其是寿命和可靠性与国际先进水平存在一定差距。

风电轴承主要分为两大类,即变桨偏航轴承和传动系统轴承(主轴、增速器及电机轴承)。其中变桨偏航轴承主要用于调整风机朝向及叶片桨距角,保证风机垂直迎风、输出功率稳定在安全高效的范围内,目前该类轴承的国产化率比较高。

风机的主轴轴承主要用于支撑风机主轴,用于连接轮毂和齿轮箱,将叶片产生的动能传递给齿轮箱。这一部件直接承受整台风机的震动,对产品性能要求十分严格,加工难度大,技术壁垒很高,整个市场基本被海外企业垄断,本土企业市占率很低。

铸件

铸件主要用于风机轮毂制造,是比较典型的劳动与能源密集型产业,生产自动化程度较低,产能受工具模组、人员熟练度、环评等因素影响较大,扩产周期长。铸件行业的整体格局比较稳定,全球80%以上产能集中在中国,且头部企业市占率很高,CR5在2019年达到了64%水平 [8]。随着近年国内制造业对能耗与环评的持续收紧,以及原材料价格飞涨等原因,中小企业的产能被逐渐淘汰,未来行业集中度有望进一步上升。

塔筒

风机塔筒是风力发电机的支撑结构,同时吸收机组震动,负责机组和基础环(或桩基、导管架)间的连接构建,支撑上部数百吨重的风电机组重量,也是实现风电机组维护、输变电等功能所需重要部件。其内部有爬梯、电缆梯、平台等内部结构,以供风电机组的运营及维护使用。

塔筒的生产工艺简单,准入门槛很低,产能充分,行业集中度不高。塔筒的体积极为巨大,运输成本非常高,为了降低运输成本,在电场建设过程中往往选择地理位置上更近的制造商,这还为塔筒带来了地域属性,进一步分散了市场。

2

整机业态:加速、集中

需要注意,本段存在一定的数据不一致现象,这主要与不同机构的统计口径差异有关,并非数据错误。

根据彭博社公布的市场数据,2020年,在中美两国爆发式增长的装机需求的推动下,全球风电新增装机容量为96.3GW,相较于2019年增长59%。通用电气与金风科技凭借本土市场强劲需求超过了位居第三的维斯塔斯,三家制造商的装机容量均超过12GW,第四位远景能源以超过10GW的装机容量紧随其后。在前十大整机制造商中,中国企业占有其中的七个名额,分别是金风科技(第二)、远景能源(第四)、明阳人工智能技术(第六)、上海电气(第七)、运达股份(第八)、中车风电(第九)、三一重能(第十) [4]。

风电市场一个比较有趣的现象是,国内与海外形成了一定隔离。

根据中国可再生能源学会风能专业委员会正式发布《2020年中国风电吊装容量统计简报》,2020年我国新增装机20401台,容量5443万千瓦,同比增长105.1% [5]。

注:该处装机量是指吊装容量,指统计期内风电机组制造企业发货到风电场现场,施工单位完成风电机组所有部件吊装完毕,且完成安装验收或静态调试后的装机容量,和国家能源局的统计口径有所区别。

然而一个如此繁荣的市场,却和海外企业关系很小:排名最高的Vestas在国内风机市场的装机容量占比也仅有2.1%,位列第十一,这还是在一定程度上受益于需求过于旺盛导致了缺口,分散了市场集中度[5]。

相应的,海外市场也并未对国内企业打开。2020年,国内出口风机容量合计1188兆瓦,仅占海外装机总量的约2~3%左右,同样没有展示出特别强的竞争力。

国内的风电整机行业集中度很高,头部企业资金、技术积累、产业链完整度都更为领先,在市场竞争中有着明显优势,龙头地位十分稳固。金风科技、远景能源以及明阳人工智能技术三家风机制造商自2016年起就一直把持着行业前三的位置。

从发展趋势看,国内风电整机制造企业历年新增装机市占率持续向头部集中。2016~2019年期间,CR5从60%提升至73%,CR10由84%提升至92%。在2020年受抢装现象影响,下游需求巨量增加导致产能大量释放,非龙头企业获得了更多订单在一定程度上稀释了行业集中度,但其影响在2021年已经逐渐消退,行业集中度在年内重新回升 [6]。

数据来源:兴业证券,放大灯制图

风电行业在2020年的抢装潮与巨量需求释放,基本是国家补贴取消引起的。2019年5月21日,国家发改委发布《关于完善风电上网电价政策的通知(发改价格〔2019〕882 号)》,明确规定2018年底之前核准的陆上风电项目,2020年底前仍未完成并网的,国家不再补贴。受此影响,大量获批风电项目加速建设,为在2021年前并网而掀起了前文所说的“抢装潮”。不过在进入“无补贴”时代后,再有此种规模的抢装潮可能性已经不大,整机需求将会趋于平稳。

目前风电最大的优点,是整个行业在双碳目标的支撑下,有着极强的确定性。

根据国家能源局发布的《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》中明确指出,至2030年风电光伏装机总容量将达到12亿千瓦以上(约合 1200GW)。截至2020年底,全口径风光发电设备容量则为6.3亿千瓦 [1],在风光装机量基本平齐的情况下,这一目标意味着2022~2030年期间,需要至少新增约3亿千瓦风电,年均装机量至少要超过30吉瓦。对风电而言,在政策变化不大的情况下,至少到2030年,行业增量都是有保障的。

同时,2020年10月北京风能大会中,400余家风能企业联合发布《北京风能宣言》,保证“十四五”期间年均保证风电新增装机50GW以上,2025年后年均新增风电装机60GW以上,至 2030年装机总量达到800GW。这是风电行业未来增量的又一重保障——至少账面的需求有了。

3

四大技术路线:转向在即

相较于光伏,风电的发电原理比较简单,不同技术路线的差异主要集中在核心传动链的设计上,但除此之外的其他部分差异并不大,也不存在光伏的硅-非硅路线这种根本性差异。

从结构上看,风电机组可分为高速传动、中速传动(或称半直驱)和直驱三大类,其中高速传动路线又可分为双馈异步和鼠笼异步两种主要形态。从结构复杂程度上看,可大致认为直驱永磁<半直驱永磁<高速鼠笼异步<双馈异步。

双馈机组

双馈机组的叶轮通过增速齿轮箱与双馈异步发电机转子相连,转子的励磁绕组通过变流器连接电网,定子绕组直接联网。

机组可以在不同的转速下实现恒频发电,调速范围较宽、有功和无功功率可独立调节,具有转速高、转矩小,尺寸较小、重量小,成本低等优点,通常适用于小型电机;但由于其结构十分复杂,故障率偏高,且高转速(1500转/分钟)导致维护成本也比较高

励磁:即向发电机或者同步电动机定子(电动机静止不动的部分,主要作用是产生旋转磁场)提供定子电源,为发电机提供工作磁场的机器。

同步电动机(synchronous motor):由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩,以同步转速旋转的交流电动机。

转子:通俗的说就是电机中旋转的部分,主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生(输出)电流。

直驱永磁机组

永磁直驱机组的叶轮与发电机直接相连,省去了增速齿轮箱,转子为永磁体励磁,无需外部提供励磁电源,同时也减少了励磁损耗。永磁直驱机组的发电机通过全功率变流器并网,具有效率高、噪音低、低电压穿越能力强等优点;不过此类机组的最显著问题是体积及重量较大,生产耗费原材料多,吊装难度高。

半直驱机组

半直驱机组的叶轮通过中速齿轮箱与永磁同步发电机转子连接,发电机的定子绕组通过全功率变流器连网。与直驱相比,半直驱增加了中速齿轮箱,发电机转子转速比直驱高,有利于减小发电机的体积和质量,同时保留了直驱式容量大、低电压穿越能力较强等优点。与双馈和直驱相比,半直驱是折中方案,齿轮箱制造难度较双馈低,发电机制造难度比直驱低,是目前综合经济性最优的技术路线

高速鼠笼异步:

鼠笼异步是一种不太常见的技术路线。与双馈异步相比,鼠笼异步的主要区别在于发电机转子为封闭式笼型结构,结构比较简单。笼型异步发电机没有专门的励磁结构,通过定子侧变换器为其提供励磁,实现变速恒频控制。笼型异步风力发电系统具有可靠性较高、调速范围宽等优点。

市占率方面,从往年数据看,2018年,全球采用半直驱传动的风机占比3.7%,传统的高速齿轮箱传动占比69.7%,直驱占比26.6%[7]。但近年在风机大型化与海风崛起的双重推动下,针对技术路线的选择正在发生一些变化。

数据来源:中泰证券,放大灯制表

尽管双馈是最多企业采用的一条技术路线,但其单机容量小的设计并不契合当下风机大型化的主流趋势,且故障率以及维护成本也比较高,不符合海上风电的需求,该路线在未来的发展前景一般。

直驱式的问题则在于,尽管其发电能力强,但机组成本偏高且降本难度很大。同时机组的大体积也给运输和吊装带来了一定影响,这一缺陷在单机容量越来越大的当下还会被放大。

此前相对罕见的半直驱则是当下趋势最大的受益者。由于半直驱兼具了直驱与双馈两方的优点,在成本优化与容量大型化上都有着不错表现,且其故障率低、维护少的特点,也比较适合海上风场。目前许多国内企业,如运达股份、金风科技等都开始采用半直驱设计,而出货排名第三的明阳人工智能技术更是全面转型半直驱,可以说该路线前景十分乐观。

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