风力发电技术原理及产业链介绍

储能电站 2023-11-01

伴随着补贴与弃风，我国的风电行业发展呈现出周期波动的特点：补贴刺激装机爆发—消纳能力不足—政策限制装机—消纳好转—新增装机恢复—补贴退坡—抢装爆发。直到2021年陆上风电的国补彻底退出，我国陆上风电已实现平价上网，风电投资逐步进入市场化发展阶段。相较陆上风电，海上风电天然优势显著。

1、风力发电技术原理

风力发电的原理是利用风力带动风机叶片旋转，当风吹向叶片时驱动风轮转动，风能转化成动能，进而来推动发电机发电。

风力发电的过程和火电、水电类似，都是通过其他能量来推动发电机发电在火电中是煤炭燃烧使水变成水蒸气后推动电动机发电，而水电中是水流动的动能使电动机发电。

风电机组零部件众多，核心可以简化分成三部分：风轮、发电机和塔筒。

风轮一般由3只叶片组成，当风吹向叶片时驱动风轮转动，风能就转化成机械能。叶片的材料要求强度高、重量轻，多用玻纤或其它复合材料（如碳纤维）来制造。

发电机的作用就是将动能转换成电能的机器。

塔筒是支承风轮、尾舵和发电机的构架，它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。塔筒高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，现在能做的100多米。

风机大型化应用带来的对降本影响也很显著

持续的降本是风电脱离政策补贴走向平价的关键要素

2、风电行业发展情况

复盘我国风电行业发展历史，伴随着补贴和电网消纳能力几经波动。

伴随着补贴与弃风，我国的风电行业发展呈现出周期波动的特点：补贴刺激装机爆发—消纳能力不足—政策限制装机—消纳好转—新增装机恢复—补贴退坡—抢装爆发。直到2021年陆上风电的国补彻底退出，我国陆上风电已实现平价上网，风电投资逐步进入市场化发展阶段。

相较陆上风电，海上风电天然优势显著。首先海上风速普遍较大，而且风速平稳，风机利用率高；

然而，受海上复杂环境、维修成本等限制，机组设计需考虑盐雾腐蚀、海浪载荷、台风等众多制约因素，安装维修成本也比陆地上要高，同时还要考虑航运、军事管理的影响。

3、风电产业链介绍

首先来了解产业链的上下游：

上游原材料：包括玻纤、碳纤维、钢材等材料。

中游零部件及整机制造：根据前面提到的风机结构，零部件主要包括叶片、主轴、铸件、轴承等，风机制造商将这些零部件组装整合成风机整机，再出售给风电厂运营商，而塔筒、电缆等零部件一般由风电运营商直接采购。

下游风电厂运营投资：主要参与者以取得风电场投资建设资格的国企、央企为主。

通常我们会看毛利率，发现风电产业链毛利率呈现一个两边高，中间低的趋势，上游原材料和下游运营的毛利率相对较高，中游零部件只有主轴、轴承和电缆还可以

在风电产业链中，运营是毛利率最高的，毕竟人家是甲方嘛，而且补贴取消后当然要疯狂的压榨整机厂商了。但是毛利率高不一定代表投资价值高，因为风电建设的投资也很大，不像光伏找个空置的屋顶就能装了。

1.上游原材料

风电叶片主要原材料包括主要由增强材料（大梁）、夹芯材料、基体材料、表面涂料等。基体材料成本占比达到36%，风电主要用的是环氧树脂，但是树脂是传统化工产品，境外公司比较强势，境内公司市占率不高。

其次是增强纤维，材料成本占比达到 28%，主要有玻璃纤维和碳纤维两种，其中玻纤价格较低，而碳纤维质量更高。

碳纤维主要用在航空航天、风电叶片、体育休闲等领域，2021年风电叶片碳纤维需求量占全球总需求的27.97%

玻璃纤维是重要的增强材料，用于风电领域的玻纤被称为“风电纱”。2018年，在中国风电纱市场中，中国巨石以37%的占有率排名第一，但即便如此，2020年，风电纱产品也只占公司玻纤产品总产量的20%。

2.叶片

风电叶片是构成风电机组的核心零部件，叶片在风电机组成本中占比最高，达到24%。

图：2020年风电机组原材料成分拆分

而叶片的原材料成本占叶片成本的 80%，因此生产成本受原材料价格影响较大，行业毛利率水平波动较大，基本维持在 10%-30%之间。

叶片行业集中度较为分散，行业CR3为34%，竞争较为激烈。除了传统的叶片厂商之外，一些主机厂如明阳智能，三一重能都建立也自己的叶片厂，同时其他零部件环节也切入叶片环节，如塔筒厂家天顺风能，单纯的叶片厂商壁垒并不高。

3.齿轮箱

齿轮箱在风电机组成本中占比仅次于叶片，通过大小齿轮组合，实现变速的装置。

图：齿轮箱结构示意图

由于风轮的转速很低，通常需要依靠齿轮箱来增加转速，但是故障率较高，若风机齿轮箱出现质量问题，更换维修涉及吊装和运输，工程浩大、成本较高，更换维修成本甚至高于齿轮箱本身的价值。风机有三种技术路线，其中齿轮箱是双馈风机的核心部件，而直驱风机不使用齿轮箱，故障率更低。

风电齿轮箱行业集中度较高，三大齿轮箱供应商南高齿（中国高速传动）、采埃孚和永能捷已占全球齿轮箱市场份额的近70%。

图：2019年全球风电齿轮箱行业市占率

4.主轴

风电主轴在风电整机中用于联接风叶轮毂与齿轮箱，将叶片转动产生的动能递给齿轮箱。风电主轴使用寿命约20年，使用中更换成本高、更换难度大，风电主轴的成本在风机中成本占比较低，因此风电整机制造商对其质量要求很严格，对其产品价格敏感度远低于其他成本较高的风电零部件。

风电主轴在风机零部件中较早实现国产化，行业形成双寡头竞争格局。国内风电主轴行业双寡头企业是金雷股份和通裕重工，2021 年两者合计占全球风电主轴市场份额的 50%以上，在风电零部件中主轴的国产化程度最高。

图：2021年风电主轴市场份额

风电主轴生产工艺复杂，需要人工操作的工序较多，目前无法完全实现自动化生产，这使得国内风电主轴生产商在人力成本上更有优势，出口的希望相比其他零部件更大。

风电主轴稳固的双寡头竞争格局，再加上生产工艺技术壁垒，使得其盈利能力在产业链中处于领先水平。

图：风电产业链龙头公司毛利率

5.轴承

轴承是现代化机械设备中一种重要的精密部件，根据下游应用领域的不同可以分为风电轴承、汽车轴承、工程机械轴承、盾构轴承等类别。风机的轴承主要用于支撑风机叶轮的旋转，降低旋转过程中的摩擦系数，保证旋转精度和平滑度。

我国轴承行业大而不强，国内高端轴承产品主要依赖进口市场，出口轴承多为中低端产品。

风电轴承是国产化程度最低的风电零部件，轴承市场被海外厂商高度垄断，德国舍弗勒、瑞典 SKF、日本 NTN、日本 KOYO、美国 Timken 这五家轴承集团占据了全球 83%的市场份额，国内企业市场份额不达 10%。

图：2019年全球风电轴承市占率情况

6.铸件

铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，说得直白点就是打铁。把冶炼好的液态金属浇注到预先准备好的模具中，冷却后经打磨等得到的金属物，原材料主要是生铁和废钢。

风电铸件主要包括轮毂、底座、轴及轴承座、梁、齿轮箱部件（主要包括齿轮箱箱体、扭力臂、行星架)等这些“铁疙瘩”。

图：风电铸件示意图

铸件这种行业技术含量不高，很难被新技术颠覆，成本是最重要的竞争要素，在不考虑原材料价格的情况下，成本下降主要依靠工艺水平和产能规模，产能规模最大的龙头企业是日月股份。

7.风机

学习了主要的零部件之后，将他们组装起来得到风机。

从全球风机竞争格局来看是比较分散的，前五位的维斯塔斯、金风、GE、远景、西门子歌美飒市占率分别为 15%、13%、11%、10%和 8%，CR5 为 57%。

我国风电整机厂竞争激烈，CR3在补贴快结束的抢装行情中下降剧烈，二线厂商通过低价抢占头部厂商份额，说明风机的护城河不够深。

图：国内风机市场份额变化

在风电步入平价时代后，产品的竞争力在于优质且低价，风机承受的降本压力较大。目前风电整机厂的改善盈利的思路主要有三条：一是风机大型化摊薄单瓦成本；二是优化供应商管理；三是其他高毛利业务对于盈利的提升，主要是风电场开发运营业务，近年来，整机厂商纷纷下沉布局风电场建设领域。至于最后头部厂商能否保住地位，二线厂商谁能崛起抢占市场就不好说了。

8.塔筒

风电塔筒就是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。

风电塔筒说简单点就是个钢柱子，成本构成中直接材料占到 82%，运费占据 7%，人工费用约为 6%，制造费用约为 5%，原材料对风电塔筒的价格影响占据主导地位。

风电塔筒的招标通常和主机分开招标，采用成本加成模式，签订单价为签订合同时的中厚板钢材价格加上稳定的单吨毛利额，因此钢价的涨跌可以顺畅的传导到下游客户，盈利能力相对稳定，盈利增长主要靠产能增长。

由于塔筒重量和体积庞大，运输费用高昂，存在运输半径限制，一直以来行业竞争格局比较分散。按出货量来看，2021年出货量最高的公司是天顺风能，全球市占率12.4%。

按产能布局来看，天顺风能陆上产能优势明显，22 年全球市占率约 17%。大金重工海上塔筒+基础产能优势显著，22 年全球市占率约 24%，大金重工生产基地在山东蓬莱，并在当地自己的专用码头，海上塔筒运输成本更低，竞争对手中只有泰胜风能和海力风电有码头，且码头条件比大金重工的要差一些。

聊完了塔筒，不得不提一下法兰。考虑到运输问题，单段塔筒的理想长度不超过30米，而现在风电机组的高度有一百多米，因此要将几段塔筒连接在一起，这个用来连接的零部件就是法兰。

风电法兰已经趋于成熟，行业整体集中度不高，市占率第一的公司恒润股份在我国风电法兰市场的市占率也只有10%左右，但是公司在海上风电市场的竞争力更强一些。相比于陆地，海上环境风大，装机容量也更大，因此对于连接几段塔筒的法兰工艺质量要求更严格。以海力风电采购情况为例，2020年公司占到海力风电法兰采购金额的43%，公司市场竞争力可见一斑。