如何從零造一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1、【萬字長文】如何從零造一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖源：攝圖網(wǎng)作者| 陳悶雷 來源|放大燈(ID：guokr233)2020年可謂是新能源“風(fēng)光”無限的一年，而且是字面意思的風(fēng)光。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年全年，國內(nèi)風(fēng)電新增容量達(dá)7161萬千瓦，同比增長178.7%;光伏新增容量4820萬千瓦，同比增長81.7%，均是歷史新高，大幅超越往年數(shù)據(jù)1。這甚至僅僅是個開始。在“碳中和”的指導(dǎo)下，直到2030年，乃至2060年清潔能源都是有著清晰增長軌道和明確增量空間的好行業(yè)。這自然也帶動了清潔能源概念在資本市場的大熱在A股隨便找個龍頭，那股價都是大牛股走勢，一倍剛剛好，兩倍不嫌多的那種。此前，放大燈已

2、經(jīng)詳細(xì)介紹過光伏產(chǎn)業(yè)。本文將聚焦風(fēng)電的基產(chǎn)業(yè)鏈概況、技術(shù)路線以及未來發(fā)展趨勢，為讀者解讀新能源領(lǐng)域中的另一位明星選手。所以，太陽都曬了，不來吹吹風(fēng)嗎?1產(chǎn)業(yè)鏈：聚焦整機(jī)總體來看，風(fēng)電行業(yè)不算特別復(fù)雜，它依照上下游關(guān)系可分為三個環(huán)節(jié)：上游零部件制造：主要包括葉片、鑄件、軸承、齒輪箱等產(chǎn)品，負(fù)責(zé)為中游的整機(jī)環(huán)節(jié)制造各類零部件。由于不同零部件之間的差異比較大，行業(yè)分化程度高;中游整機(jī)制造：該環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)將上游零部件組裝為風(fēng)電機(jī)組，是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)最重要的一環(huán)，也是本文的核心關(guān)注點;下游運營商：即風(fēng)電場的管理與經(jīng)營者，也包括投資方與電廠施工方，本文不會過多涉及這一環(huán)節(jié)。整機(jī)是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)最核心的一環(huán)。從成本構(gòu)成

3、看，即使是海上風(fēng)電項目，風(fēng)機(jī)投入在電場總成本中的占比也要達(dá)到40%以上，而陸風(fēng)項目則在60%左右，在施工成本較低的年份甚至可達(dá)70%水平(下文對此有詳述)。從產(chǎn)出端看，風(fēng)機(jī)性能直接決定了風(fēng)電場最終的發(fā)電能力，是影響經(jīng)濟(jì)效益的核心因素。整體上，風(fēng)機(jī)制造是一個受上游原材料價格支配的行業(yè)，原材料在總成本中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，例如三一重能風(fēng)機(jī)的原材料支出可達(dá)80%以上。這導(dǎo)致整個行業(yè)受大宗價格波動影響非常明顯，觀察行業(yè)整體盈利能力的難度不大，例如近兩年受上游材料價格普漲影響，整個風(fēng)電中上游的盈利均有明顯承壓。不同技術(shù)路線的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)差異比較大，導(dǎo)致各企業(yè)的風(fēng)機(jī)成本構(gòu)成存在較大差異，例如齒輪箱是一個在部分技

4、術(shù)路線中成本占比較高，但有些技術(shù)路線完全沒有的零部件?？傮w上，風(fēng)電機(jī)組的主要零部件包含葉片、軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等，還包括整機(jī)裝配環(huán)節(jié)的風(fēng)機(jī)塔筒、電纜等。葉片葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，風(fēng)電基本原理決定了葉片的設(shè)計、材料和工藝直接影響發(fā)電裝置的性能和功率。一般來說，葉片是風(fēng)電整機(jī)成本中占比最高的零部件，通常在20%以上。從風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)來看，主要由增強(qiáng)材料(梁)、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結(jié)構(gòu)膠組成2。葉片的80%成本來自于原材料，而60%的原材料成本來自于纖維材料：增強(qiáng)纖維(玻璃纖維)與基體樹脂。同時由于近年的葉片大型化趨勢明顯，為了生產(chǎn)更大葉片，纖維材料的選擇有向碳纖維這

5、類新型強(qiáng)度材料轉(zhuǎn)型的趨勢。大型葉片技術(shù)難度較高，存在技術(shù)門檻，龍頭企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢起到了重要作用，國內(nèi)葉片行業(yè)在向頭部加速集中。2020年，風(fēng)電葉片行業(yè)CR5市占率已達(dá)68%以上3，且伴隨著大型化趨勢的深入，行業(yè)落后產(chǎn)能將面臨加速出清，行業(yè)集中度還可能會進(jìn)一步提升。CR：Concentration Ratio，行業(yè)集中度，CR5即是指某行業(yè)排名前5家企業(yè)的市占率之和。軸承軸承作為風(fēng)電整機(jī)的核心零部件之一，有著比較高的技術(shù)壁壘，是國產(chǎn)化程度最低的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)件。當(dāng)前國產(chǎn)高端軸承的精度保持性、性能穩(wěn)定性、尤其是壽命和可靠性與國際先進(jìn)水平存在一定差距。風(fēng)電軸承主要分為兩大類，即變槳偏航軸承和傳動系統(tǒng)軸承(

6、主軸、增速器及電機(jī)軸承)。其中變槳偏航軸承主要用于調(diào)整風(fēng)機(jī)朝向及葉片槳距角，保證風(fēng)機(jī)垂直迎風(fēng)、輸出功率穩(wěn)定在安全高效的范圍內(nèi)，目前該類軸承的國產(chǎn)化率比較高。風(fēng)機(jī)的主軸軸承主要用于支撐風(fēng)機(jī)主軸，用于連接輪轂和齒輪箱，將葉片產(chǎn)生的動能傳遞給齒輪箱。這一部件直接承受整臺風(fēng)機(jī)的震動，對產(chǎn)品性能要求十分嚴(yán)格，加工難度大，技術(shù)壁壘很高，整個市場基本被海外企業(yè)壟斷，本土企業(yè)市占率很低。鑄件鑄件主要用于風(fēng)機(jī)輪轂制造，是比較典型的勞動與能源密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)自動化程度較低，產(chǎn)能受工具模組、人員熟練度、環(huán)評等因素影響較大，擴(kuò)產(chǎn)周期長。鑄件行業(yè)的整體格局比較穩(wěn)定，全球80%以上產(chǎn)能集中在中國，且頭部企業(yè)市占率很高，C

7、R5在2019年達(dá)到了64%水平 8。隨著近年國內(nèi)制造業(yè)對能耗與環(huán)評的持續(xù)收緊，以及原材料價格飛漲等原因，中小企業(yè)的產(chǎn)能被逐漸淘汰，未來行業(yè)集中度有望進(jìn)一步上升。塔筒風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，同時吸收機(jī)組震動，負(fù)責(zé)機(jī)組和基礎(chǔ)環(huán)(或樁基、導(dǎo)管架)間的連接構(gòu)建，支撐上部數(shù)百噸重的風(fēng)電機(jī)組重量，也是實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組維護(hù)、輸變電等功能所需重要部件。其內(nèi)部有爬梯、電纜梯、平臺等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以供風(fēng)電機(jī)組的運營及維護(hù)使用。塔筒的生產(chǎn)工藝簡單，準(zhǔn)入門檻很低，產(chǎn)能充分，行業(yè)集中度不高。塔筒的體積極為巨大，運輸成本非常高，為了降低運輸成本，在電場建設(shè)過程中往往選擇地理位置上更近的制造商，這還為塔筒帶來了地域?qū)傩裕?/p>

8、進(jìn)一步分散了市場。2整機(jī)業(yè)態(tài)：加速、集中需要注意，本段存在一定的數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象，這主要與不同機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計口徑差異有關(guān)，并非數(shù)據(jù)錯誤。根據(jù)彭博社公布的市場數(shù)據(jù)，2020年，在中美兩國爆發(fā)式增長的裝機(jī)需求的推動下，全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量為96.3GW，相較于2019年增長59%。通用電氣與金風(fēng)科技憑借本土市場強(qiáng)勁需求超過了位居第三的維斯塔斯，三家制造商的裝機(jī)容量均超過12GW，第四位遠(yuǎn)景能源以超過10GW的裝機(jī)容量緊隨其后。在前十大整機(jī)制造商中，中國企業(yè)占有其中的七個名額，分別是金風(fēng)科技(第二)、遠(yuǎn)景能源(第四)、明陽智能(第六)、上海電氣(第七)、運達(dá)股份(第八)、中車風(fēng)電(第九)、三一重能(第十)

9、 4。風(fēng)電市場一個比較有趣的現(xiàn)象是，國內(nèi)與海外形成了一定隔離。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會正式發(fā)布2020年中國風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計簡報，2020年我國新增裝機(jī)20401臺，容量5443萬千瓦，同比增長105.1% 5。注：該處裝機(jī)量是指吊裝容量，指統(tǒng)計期內(nèi)風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)發(fā)貨到風(fēng)電場現(xiàn)場，施工單位完成風(fēng)電機(jī)組所有部件吊裝完畢，且完成安裝驗收或靜態(tài)調(diào)試后的裝機(jī)容量，和國家能源局的統(tǒng)計口徑有所區(qū)別。然而一個如此繁榮的市場，卻和海外企業(yè)關(guān)系很?。号琶罡叩腣estas在國內(nèi)風(fēng)機(jī)市場的裝機(jī)容量占比也僅有2.1%，位列第十一，這還是在一定程度上受益于需求過于旺盛導(dǎo)致了缺口，分散了市場集中度5。相應(yīng)

10、的，海外市場也并未對國內(nèi)企業(yè)打開。2020年，國內(nèi)出口風(fēng)機(jī)容量合計1188兆瓦，僅占海外裝機(jī)總量的約23%左右，同樣沒有展示出特別強(qiáng)的競爭力。國內(nèi)的風(fēng)電整機(jī)行業(yè)集中度很高，頭部企業(yè)資金、技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)鏈完整度都更為領(lǐng)先，在市場競爭中有著明顯優(yōu)勢，龍頭地位十分穩(wěn)固。金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源以及明陽智能三家風(fēng)機(jī)制造商自2016年起就一直把持著行業(yè)前三的位置。從發(fā)展趨勢看，國內(nèi)風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)歷年新增裝機(jī)市占率持續(xù)向頭部集中。20162019年期間，CR5從60%提升至73%，CR10由84%提升至92%。在2020年受搶裝現(xiàn)象影響，下游需求巨量增加導(dǎo)致產(chǎn)能大量釋放，非龍頭企業(yè)獲得了更多訂單在一定程度上稀

11、釋了行業(yè)集中度，但其影響在2021年已經(jīng)逐漸消退，行業(yè)集中度在年內(nèi)重新回升 6。數(shù)據(jù)來源：興業(yè)證券，放大燈制圖風(fēng)電行業(yè)在2020年的搶裝潮與巨量需求釋放，基本是國家補(bǔ)貼取消引起的。2019年5月21日，國家發(fā)改委發(fā)布關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價政策的通知(發(fā)改價格2019882 號)，明確規(guī)定2018年底之前核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目，2020年底前仍未完成并網(wǎng)的，國家不再補(bǔ)貼。受此影響，大量獲批風(fēng)電項目加速建設(shè)，為在2021年前并網(wǎng)而掀起了前文所說的“搶裝潮”。不過在進(jìn)入“無補(bǔ)貼”時代后，再有此種規(guī)模的搶裝潮可能性已經(jīng)不大，整機(jī)需求將會趨于平穩(wěn)。目前風(fēng)電最大的優(yōu)點，是整個行業(yè)在雙碳目標(biāo)的支撐下，有著極強(qiáng)的確

12、定性。根據(jù)國家能源局發(fā)布的關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知中明確指出，至2030年風(fēng)電光伏裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到12億千瓦以上(約合 1200GW)。截至2020年底，全口徑風(fēng)光發(fā)電設(shè)備容量則為6.3億千瓦 1，在風(fēng)光裝機(jī)量基本平齊的情況下，這一目標(biāo)意味著20222030年期間，需要至少新增約3億千瓦風(fēng)電，年均裝機(jī)量至少要超過30吉瓦。對風(fēng)電而言，在政策變化不大的情況下，至少到2030年，行業(yè)增量都是有保障的。同時，2020年10月北京風(fēng)能大會中，400余家風(fēng)能企業(yè)聯(lián)合發(fā)布北京風(fēng)能宣言，保證“十四五”期間年均保證風(fēng)電新增裝機(jī)50GW以上，2025年后年均新增風(fēng)電裝機(jī)60GW以上，至

13、 2030年裝機(jī)總量達(dá)到800GW。這是風(fēng)電行業(yè)未來增量的又一重保障至少賬面的需求有了。3四大技術(shù)路線：轉(zhuǎn)向在即相較于光伏，風(fēng)電的發(fā)電原理比較簡單，不同技術(shù)路線的差異主要集中在核心傳動鏈的設(shè)計上，但除此之外的其他部分差異并不大，也不存在光伏的硅-非硅路線這種根本性差異。從結(jié)構(gòu)上看，風(fēng)電機(jī)組可分為高速傳動、中速傳動(或稱半直驅(qū))和直驅(qū)三大類，其中高速傳動路線又可分為雙饋異步和鼠籠異步兩種主要形態(tài)。從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上看，可大致認(rèn)為直驅(qū)永磁半直驅(qū)永磁高速鼠籠異步雙饋異步。雙饋機(jī)組雙饋機(jī)組的葉輪通過增速齒輪箱與雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，轉(zhuǎn)子的勵磁繞組通過變流器連接電網(wǎng)，定子繞組直接聯(lián)網(wǎng)。機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)

14、速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電，調(diào)速范圍較寬、有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)，具有轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小，尺寸較小、重量小，成本低等優(yōu)點，通常適用于小型電機(jī);但由于其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，故障率偏高，且高轉(zhuǎn)速(1500轉(zhuǎn)/分鐘)導(dǎo)致維護(hù)成本也比較高。勵磁：即向發(fā)電機(jī)或者同步電動機(jī)定子(電動機(jī)靜止不動的部分，主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場)提供定子電源，為發(fā)電機(jī)提供工作磁場的機(jī)器。同步電動機(jī)(synchronous motor)：由直流供電的勵磁磁場與電樞的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的交流電動機(jī)。轉(zhuǎn)子：通俗的說就是電機(jī)中旋轉(zhuǎn)的部分，主要作用是在旋轉(zhuǎn)磁場中被磁力線切割進(jìn)而產(chǎn)生(輸出)電流。直驅(qū)永磁機(jī)組永磁直驅(qū)機(jī)組的葉輪與發(fā)電

15、機(jī)直接相連，省去了增速齒輪箱，轉(zhuǎn)子為永磁體勵磁，無需外部提供勵磁電源，同時也減少了勵磁損耗。永磁直驅(qū)機(jī)組的發(fā)電機(jī)通過全功率變流器并網(wǎng)，具有效率高、噪音低、低電壓穿越能力強(qiáng)等優(yōu)點;不過此類機(jī)組的最顯著問題是體積及重量較大，生產(chǎn)耗費原材料多，吊裝難度高。半直驅(qū)機(jī)組半直驅(qū)機(jī)組的葉輪通過中速齒輪箱與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)的定子繞組通過全功率變流器連網(wǎng)。與直驅(qū)相比，半直驅(qū)增加了中速齒輪箱，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比直驅(qū)高，有利于減小發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量，同時保留了直驅(qū)式容量大、低電壓穿越能力較強(qiáng)等優(yōu)點。與雙饋和直驅(qū)相比，半直驅(qū)是折中方案，齒輪箱制造難度較雙饋低，發(fā)電機(jī)制造難度比直驅(qū)低，是目前綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的

16、技術(shù)路線。高速鼠籠異步：鼠籠異步是一種不太常見的技術(shù)路線。與雙饋異步相比，鼠籠異步的主要區(qū)別在于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為封閉式籠型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單?；\型異步發(fā)電機(jī)沒有專門的勵磁結(jié)構(gòu)，通過定子側(cè)變換器為其提供勵磁，實現(xiàn)變速恒頻控制?；\型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性較高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。市占率方面，從往年數(shù)據(jù)看，2018年，全球采用半直驅(qū)傳動的風(fēng)機(jī)占比3.7%，傳統(tǒng)的高速齒輪箱傳動占比69.7%，直驅(qū)占比26.6%7。但近年在風(fēng)機(jī)大型化與海風(fēng)崛起的雙重推動下，針對技術(shù)路線的選擇正在發(fā)生一些變化。數(shù)據(jù)來源：中泰證券，放大燈制表盡管雙饋是最多企業(yè)采用的一條技術(shù)路線，但其單機(jī)容量小的設(shè)計并不契合當(dāng)下風(fēng)機(jī)大型化的主

17、流趨勢，且故障率以及維護(hù)成本也比較高，不符合海上風(fēng)電的需求，該路線在未來的發(fā)展前景一般。直驅(qū)式的問題則在于，盡管其發(fā)電能力強(qiáng)，但機(jī)組成本偏高且降本難度很大。同時機(jī)組的大體積也給運輸和吊裝帶來了一定影響，這一缺陷在單機(jī)容量越來越大的當(dāng)下還會被放大。此前相對罕見的半直驅(qū)則是當(dāng)下趨勢最大的受益者。由于半直驅(qū)兼具了直驅(qū)與雙饋兩方的優(yōu)點，在成本優(yōu)化與容量大型化上都有著不錯表現(xiàn)，且其故障率低、維護(hù)少的特點，也比較適合海上風(fēng)場。目前許多國內(nèi)企業(yè)，如運達(dá)股份、金風(fēng)科技等都開始采用半直驅(qū)設(shè)計，而出貨排名第三的明陽智能更是全面轉(zhuǎn)型半直驅(qū)，可以說該路線前景十分樂觀。4不可阻擋的趨勢：大型化我們在上文曾多次提及一個概

18、念：風(fēng)機(jī)大型化。這是現(xiàn)階段風(fēng)電最重要的行業(yè)趨勢，即單機(jī)發(fā)電功率的持續(xù)提升。全球范圍內(nèi)，全球風(fēng)能理事會(Global Wind Energy Council，GWEC)給出數(shù)據(jù)顯示，2019年風(fēng)電全球新增裝機(jī)的平均單機(jī)容量超過2.75MW，較2009年增長1.16MW，主流單機(jī)容量從早先的1.52.5MW向3.0MW以上型號過渡8。這種趨勢在國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域也極為明顯。根據(jù)風(fēng)能專委會(CWEA)數(shù)據(jù)顯示，2017年，過呢新增風(fēng)機(jī)的平均功率首次超過2.0MW，而2020年的新增風(fēng)機(jī)平均單機(jī)容量，增長顯著5。圖片來源：CWEA從具體機(jī)型看，2020年，國內(nèi)新增風(fēng)電機(jī)組匯總，2.0MW(不含)以下的小功率

19、機(jī)組的市場容量占比僅剩1%;2.0MW(含)至2.9MW的新增機(jī)組占比則為61.1%，仍是絕對主流，但相較于2019年有11%的大幅下滑;3.0至5.0MW的機(jī)組新增占比則達(dá)到了34%，其中值得一提的是，5.0MW以上的大功率機(jī)組占比，從2019年的3.0%，增長至了3.9% 5。數(shù)據(jù)來源：CWEA，放大燈制圖從采購數(shù)據(jù)看，十四五期間的機(jī)組大型化趨勢不會放緩，反而在“雙碳目標(biāo)”的啟動之下，將呈現(xiàn)更為跳躍式的進(jìn)步。2020年，央企風(fēng)電機(jī)組招標(biāo)的約23GW項目中，平均單機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到3.2MW，其中3.0MW及以上功率機(jī)型占比已經(jīng)超過70% 7。2021年的部分招標(biāo)數(shù)據(jù)顯示，國家電投2021年度第

20、十二批集中招標(biāo)采購的風(fēng)電機(jī)組約2.4GW，其中單機(jī)容量4MW以上的容量占比達(dá) 63% 9。圖片來源：中泰證券大型化趨勢同樣存在于全球范圍。從2015年到2020年，美國陸上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量提升37%，德國提升25%。可以看到相較于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)風(fēng)電的增大甚至是相對較慢的。特別值得一提的是，目前平均單機(jī)容量的提升，并不能十分全面的反映持續(xù)加速的大型化趨勢。這主要是由于，2020年大批搶裝上馬的陸風(fēng)項目主要是2018年及以前核準(zhǔn)的，所選擇的風(fēng)機(jī)是較為老舊的型號，近三年加速推出的具備量產(chǎn)能力的大功率產(chǎn)品并未大規(guī)模吊裝。這意味著在未來幾年，隨著采購新型產(chǎn)品的項目陸續(xù)上馬，新增平均容量很可能將加速增長。大型

21、化風(fēng)電機(jī)組，究竟帶來了怎樣的改變?最核心的仍是降本增效。首先最為顯著的，大型機(jī)組可以攤薄風(fēng)機(jī)的制造成本。受發(fā)電的基本原理影響，風(fēng)機(jī)部件的材料用量不隨功率增長而線性放大。以運達(dá)股份的兩款風(fēng)機(jī)為例，大風(fēng)機(jī)的額定功率較小風(fēng)機(jī)有80%的增長，但零部件的質(zhì)量增長并沒有如此之高9。這意味著單機(jī)容量的提升，單W零部件的材料用量有所下降，進(jìn)而攤薄了單W成本。更進(jìn)一步，大型化機(jī)組還可降低電場的其他成本。除了風(fēng)機(jī)，包括土地成本、安裝費用以及建設(shè)費用等，也是電廠成本的重要組成部分。在同等裝機(jī)規(guī)模下，顯然大容量機(jī)組所需的風(fēng)機(jī)總量更少，對應(yīng)的運維費用、占地面積、輸電線路、施工費用、設(shè)計費用以及電廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用等靜態(tài)

22、投資成本可顯著降低，進(jìn)而帶動度電成本(LCOE，Levelized Cost Of Energy)下降。一些往期統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2.0MW機(jī)組的風(fēng)電場LCOE約為0.35元/kWh，而4.5MW機(jī)組的風(fēng)電場LCOE可達(dá)到0.30元/kWh水平，降幅可達(dá)13.6%，對平價上網(wǎng)有很大幫助8。除了制造與建設(shè)環(huán)節(jié)外，大型風(fēng)機(jī)相較于小型設(shè)備，利用小時數(shù)也比較高。由于更大的葉輪直徑有著更大的掃風(fēng)面積，對最低風(fēng)速的需求比較低，且塔架高度也比較高，更易獲取較為優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能資源，使得大型風(fēng)電機(jī)組的運行小時數(shù)較小型機(jī)組有著明顯優(yōu)勢，有效發(fā)電量也更高。這亦是攤薄整機(jī)發(fā)電成本的一種路徑。風(fēng)電大型化得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一，是行

23、業(yè)零部件制造能力的提升。從基本原理看，葉輪接受風(fēng)能的多少，與葉輪的掃風(fēng)面積成正比，與風(fēng)速的立方成正比，這意味著在相同的風(fēng)速條件下，更大的葉片意味著更大直徑的葉輪，更大直徑的葉輪即可獲得更多的風(fēng)能，更多的風(fēng)能既代表著更大的單機(jī)容量。換言之，風(fēng)機(jī)大型化的核心就是葉片的大型化。在2008年時，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的葉輪直徑平均值僅有65米，而在2021年的風(fēng)電項目中，160米及以上尺寸的葉輪直徑已成主流，更有項目已采用170米以上直徑的設(shè)計(華潤廣東清遠(yuǎn)佛岡高山49.9MW風(fēng)電項目，華潤廣西賀州平桂大平80MW風(fēng)電項目 )9。不過大尺寸葉片對制造商也提出了更高的要求：需要輕型化設(shè)計抵消大型化后的重量增加;大

24、葉片對模具、成型工藝與生產(chǎn)場地的要求也比較復(fù)雜;目前風(fēng)電行業(yè)正處于快速迭代時期，需要企業(yè)具有更強(qiáng)的研發(fā)能力才能滿足不斷變化的下游需求。同時，更大的葉輪也意味著傳統(tǒng)裝置，包括軸承、齒輪箱以及發(fā)電機(jī)等在內(nèi)的核心零部件需要同步升級，對應(yīng)的制造難度也有所上升，其他一些原本對技術(shù)要求不高，相對勞動密集型的零部件也開始需求更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。以塔筒為例，大容量機(jī)組需求更高的塔筒高度，對載荷強(qiáng)度要求也同步提升，部分塔筒已經(jīng)需要使用模塊化的分瓣、分段式設(shè)計，安裝工藝也更為復(fù)雜。即使是鑄件這樣典型的勞動密集型行業(yè)，也對產(chǎn)能與產(chǎn)品質(zhì)量有了更高的要求，企業(yè)是否具有先進(jìn)的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，以及現(xiàn)有生產(chǎn)線的改進(jìn)能力變得至關(guān)重

25、要。在機(jī)組大型化驅(qū)動供應(yīng)鏈升級，提高零部件技術(shù)壁壘的大背景之下，中小企業(yè)相對落后的產(chǎn)能被淘汰，頭部企業(yè)憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢、產(chǎn)能優(yōu)勢以及客戶積累，在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的升級過程中啟動更快，擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度同樣領(lǐng)先，整個風(fēng)電行業(yè)有進(jìn)一步向頭部集中的趨勢。可以說，頭部企業(yè)是風(fēng)電大型化趨勢下最大的受益者。另一方面，行業(yè)去補(bǔ)貼也推動了技術(shù)加速迭代。在如今明確雙碳目標(biāo)后，國內(nèi)企業(yè)對清潔能源的需求快速上升，但與此同時，發(fā)改委還明確了風(fēng)電去補(bǔ)貼的最終時間。在此消彼長之下，設(shè)備制造商被迫加快技術(shù)革新的速度，以單機(jī)容量的大型化應(yīng)對去補(bǔ)貼帶來的壓力，以此避免因電價過高導(dǎo)致風(fēng)電競爭力不足。同時，近年光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同樣極為迅速，光電價格

26、下降明顯，也給風(fēng)電帶來了技術(shù)革新壓力。從全球范圍看，目前國內(nèi)的風(fēng)機(jī)大型化較海外還有一定差距，但伴隨著本土整機(jī)廠的自主研發(fā)與生產(chǎn)能力逐步提升，產(chǎn)業(yè)正在加速追趕。國內(nèi)風(fēng)電的單機(jī)容量長期以來均低于歐美發(fā)達(dá)國家，目前已吊裝的最大容量機(jī)型為5.5兆瓦(東方風(fēng)電的DEW-D5.5S-172型永磁直驅(qū)陸上風(fēng)電機(jī)組)，而發(fā)達(dá)國家風(fēng)電機(jī)型則已主要集中在6兆瓦到8兆瓦之間。國內(nèi)海上目前主力交付機(jī)型為5MW，2020年招標(biāo)機(jī)型則以6MW為主10。海外進(jìn)度最快的公司，在大兆瓦領(lǐng)域已實現(xiàn)14MW容量且量產(chǎn)在即，Vestas的15MW型號預(yù)計將在2022年安裝樣機(jī)，并于2024年實現(xiàn)量產(chǎn);國內(nèi)領(lǐng)先量產(chǎn)進(jìn)度為10MW，領(lǐng)先

27、研發(fā)進(jìn)度則已經(jīng)步入12MW以上領(lǐng)域。特別值得一體的是，明陽智能在2021年8月宣布其研發(fā)的一款16MW的的海上風(fēng)機(jī)已獲設(shè)計認(rèn)證，并計劃于2023年上半年樣機(jī)安裝，2024年上半年實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。若該機(jī)型能夠順利落地，意味著國產(chǎn)風(fēng)機(jī)將實現(xiàn)對海外企業(yè)的反超 1011。5下一站：海上風(fēng)電?隨著碳中和目標(biāo)而爆發(fā)的不只有大多數(shù)人熟悉，或者至少見過的陸上風(fēng)電，同樣也有不那么出名的海上風(fēng)電。相較于陸風(fēng)，海上可利用的風(fēng)能資源更為豐富。海風(fēng)機(jī)組的利用小時數(shù)很高，即使是較差的資源區(qū)也可實現(xiàn)2500小時以上的小時數(shù)，優(yōu)質(zhì)地區(qū)甚至可以達(dá)到4000小時，遠(yuǎn)超陸風(fēng)平均水平。同時，海上風(fēng)電場天然更為靠近沿海的電力負(fù)荷區(qū)，消

28、納條件好。從整體業(yè)態(tài)上看，海上風(fēng)電領(lǐng)域由于較高的技術(shù)門檻，掌握更先進(jìn)技術(shù)的龍頭企業(yè)優(yōu)勢會被放大，整個行業(yè)呈現(xiàn)“一超多強(qiáng)”的高度集中態(tài)勢。2020年，海風(fēng)的新增裝機(jī)量CR7直逼97%，西門子歌美颯一家企業(yè)占據(jù)43.7%的份額，遠(yuǎn)超其他一切競爭對手;Vestas以13.8%的裝機(jī)量位居第二梯隊首位，緊隨其后的則是四家國內(nèi)海風(fēng)整機(jī)廠商：上海電氣、遠(yuǎn)景能源、金風(fēng)科技、明陽智能，占全球新增裝機(jī)容量的比例分別為9.7%、9.0%、7.9%和7.4%12。數(shù)據(jù)來源：行行查，放大燈制圖不過盡管口號喊得很響，但海上風(fēng)電的發(fā)展也只是剛剛起步。據(jù)統(tǒng)計，2020年的全球海風(fēng)新增裝機(jī)僅有6.1GW，恰好只是96.3GW

29、的總新增裝機(jī)量的零頭兒4。雖說在20102020年期間的CARG有21.1%，遠(yuǎn)超行業(yè)整體5%的增速，可這也僅僅是因為基礎(chǔ)很低而已。國內(nèi)方面也基本保持著同樣的態(tài)勢。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年的海上風(fēng)電新增裝機(jī)達(dá)到3.06GW占全球新增海上裝機(jī)的一半以上，可相較于陸風(fēng)68.61GW的數(shù)據(jù)仍然不高12。為什么呢?因為貴。根據(jù)國際可再生能源際署(International Renewable Energy Agency，IRENA)發(fā)布的報告顯示，在2020年，海上風(fēng)電(Offshore)的度電成本高達(dá)0.084美元/千瓦時，比光伏的0.057美元/千瓦時的電價高得多，和陸上風(fēng)電(Onshore

30、)的0.039美元/千瓦時的全領(lǐng)域最低價格更是無法相提并論13。從下降趨勢看，過去十年間，光伏/光熱/陸風(fēng)/海風(fēng)的度電成本降幅分別為82%/47%/39%/29%，海上風(fēng)電降本之路的表現(xiàn)還是墊底13。昂貴電價的背后，是海上風(fēng)電場長期存在的如施工難度大，技術(shù)門檻高，前期投資巨大的特點?，F(xiàn)階段，一個標(biāo)準(zhǔn)的海風(fēng)電廠建設(shè)成本在1500017000元/KW，陸風(fēng)電廠建設(shè)成本在50007000元/KW，差距可達(dá)2-3倍。一個海風(fēng)電廠的投資回收周期可能長達(dá)十年，對開發(fā)商的資金、債務(wù)融資能力和融資成本均有不低的要求。這導(dǎo)致海風(fēng)電價長期維持在相當(dāng)高的水平，在補(bǔ)貼退坡的情況下競爭力不強(qiáng)。從成本構(gòu)成，由于涉及海洋工

31、程，導(dǎo)致海風(fēng)的成本構(gòu)成與陸風(fēng)存在顯著差異，且受水文環(huán)境(水深、風(fēng)、浪、流等)和工程地質(zhì)條件等因素影響，不同沿海地區(qū)也存在區(qū)別。以廣東為例，風(fēng)機(jī)成本為43%，塔筒及輸電設(shè)備占22%，制造施工成本(包括樁基在內(nèi))占35%10。反觀陸風(fēng)電廠，以一個典型的50MW項目為例，風(fēng)電機(jī)組占比60%，塔筒及其他電力設(shè)備占比15%，其他包括土地成本、施工等一系列其他費用的合計占比也并不高14。除了樁基這一海洋工程特有的成本，以及施工難度帶來的昂貴工程開銷外，海上風(fēng)電與陸風(fēng)最明顯的差距，是在負(fù)責(zé)電力傳輸?shù)木€纜上。海纜是海風(fēng)電力傳輸?shù)谋貍洚a(chǎn)品，但相較于普通的陸上線纜，海纜市場的準(zhǔn)入門檻非常之高，其他企業(yè)想要進(jìn)入非常

32、困難。首先是由于海底復(fù)雜的環(huán)境以及海水的腐蝕性，導(dǎo)致海纜的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，對企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)有著相當(dāng)高的要求。同時出于產(chǎn)業(yè)鏈一體化考慮，海纜企業(yè)通常要求具有施工能力，需要配備相應(yīng)的鋪纜船，這進(jìn)一步加大了本就不低的資金投入。又由于海纜通常生產(chǎn)后直接繞于鋪纜船上，使得工廠選址也十分嚴(yán)格，必須緊鄰江河大海。不過較高的行業(yè)門檻，也為海纜帶來了十分豐厚的利潤空間。相較于普通的陸纜，海纜毛利率可以實現(xiàn)30%以上水平，行業(yè)龍頭中天科技的海洋系列產(chǎn)品毛利率甚至突破了40%水平，是路上同類產(chǎn)品的2至3倍。目前，國內(nèi)從事海纜生產(chǎn)的企業(yè)并不多。中天科技、東方電纜、亨通光電為三家龍頭企業(yè)。根據(jù)20172019年的中標(biāo)

33、情況，三家企業(yè)基本實現(xiàn)了對國內(nèi)海纜的壟斷，市占率達(dá)到98%水平，其中中天科技自2009年以來長期位居國內(nèi)海纜市場第一 12。海上風(fēng)電的降本之路比較清晰，首當(dāng)其沖就是機(jī)組的大型化根據(jù)CWEA給出數(shù)據(jù)，歷年的新增海風(fēng)機(jī)組的平均單機(jī)容量皆顯著高于陸風(fēng)數(shù)據(jù)，我們甚至可以說，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，在一定程度上反過來促進(jìn)了陸風(fēng)機(jī)組的大型化進(jìn)程5。圖片來源：CWEA我們已在上文詳述了為何大型化是風(fēng)電降本最為行之有效的路線，這一點在海上風(fēng)電領(lǐng)域并不會有任何改變。且由于海風(fēng)更加高昂的建設(shè)費用，大型機(jī)組對風(fēng)機(jī)以外支出的降本能力還可以被放大。除了機(jī)組大型化之外，針對海風(fēng)建設(shè)的其他環(huán)節(jié)，也有多維度的舉措可以實現(xiàn)綜

34、合降本。不過這些舉措往往需要橫跨多個領(lǐng)域，是從設(shè)計到最終安裝的綜合性舉措，本文不再贅述，僅列出以供參考 15。圖片來源：中信證券宏觀方面，2020 年初關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見明確提出，2022年起中央不再對新建海上風(fēng)電項目進(jìn)行補(bǔ)貼，但鼓勵地方繼續(xù)補(bǔ)貼建設(shè)海上風(fēng)電。受此影響，風(fēng)電在2021年同樣迎來了一波搶裝潮：2021年1-9月，國內(nèi)的海風(fēng)新增裝機(jī)3.8吉瓦，已經(jīng)大幅超越2020年全年數(shù)據(jù)，僅在Q3單季就實現(xiàn)了1.67吉瓦的新增，且在四季度的并網(wǎng)進(jìn)度大概率會進(jìn)一步加速1617。不過問題在于，目前海風(fēng)的價格確實不具備特別強(qiáng)的競爭力，在失去國補(bǔ)后這一缺陷將會更加凸顯。而指望地

35、方將財政從更為成熟的陸風(fēng)、光伏轉(zhuǎn)移至海風(fēng)項目也不太現(xiàn)實，至少目前推出相關(guān)補(bǔ)貼政策的省份力度并不強(qiáng)。只能說海風(fēng)的平價上網(wǎng)路，還需要時間。6永遠(yuǎn)的難題：不穩(wěn)定遺憾的是，近年風(fēng)電在諸多方面有了長足進(jìn)步，但其根本性的發(fā)電能力不可控卻絲毫沒有改善，看天吃飯仍是風(fēng)電以及它的好朋友光伏永遠(yuǎn)繞不開的困境。盡管近年風(fēng)電設(shè)備的棄風(fēng)問題已經(jīng)大幅改善，棄風(fēng)率下降明顯，然而此前9月底的全國性能源危機(jī)，特別是東北地區(qū)的大規(guī)模限電，將對新能源發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的質(zhì)疑重新帶回了大眾視野。當(dāng)然，本次東北地區(qū)的能源危機(jī)其背后的因素比較復(fù)雜，但基本確定的是，誘因之一正是風(fēng)電輸出驟降。公開信息顯示，東北三省風(fēng)電總裝機(jī)達(dá)到約3500萬千瓦

36、，但在限電期間，風(fēng)電出力遠(yuǎn)不足裝機(jī)容量的10%。盡管這只是一次地理性因素引起的偶發(fā)事件，但之所以會對電力系統(tǒng)造成巨大影響在于，東北地區(qū)風(fēng)力發(fā)電占比高，達(dá)到了18%，顯著高于全國平均水平18。這導(dǎo)致在風(fēng)電出力下降的情況下，電網(wǎng)受到?jīng)_擊被放大。而這種因氣象因素導(dǎo)致的能源危機(jī)，也不是我國獨有。在2021年年初，美國得州也遭受了一輪極為嚴(yán)重的電荒，極寒天氣導(dǎo)致其能源結(jié)構(gòu)中極為重要的風(fēng)光發(fā)電量從42%驟降到8%，約4000萬千瓦機(jī)組停擺，停電與電價飛漲同樣異常突出19。除此之外，根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020年底，全國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)2.81億千瓦，在全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量中的占比分別為12.79%;

37、并網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電量為4665億千瓦時，占全國全口徑發(fā)電量的6.12%，不足裝機(jī)量的一半。我們能夠明顯看到，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)量不匹配其發(fā)電量，當(dāng)然，這與大量風(fēng)電項目為享受政策補(bǔ)貼而在下半年集中上馬，真正投產(chǎn)時長有限有關(guān)，但也反映出了設(shè)備利用率不高的問題。這種現(xiàn)象背后，正是新能源內(nèi)在的不可控性，且這種缺陷直接來自環(huán)境本身。風(fēng)光資源本身是極不穩(wěn)定的，其天然的波動幅度就很大，現(xiàn)有的技術(shù)手段也不能人為干預(yù)，從根源上解決這些問題的可能性很小。這種內(nèi)生性的缺陷反應(yīng)在發(fā)電能力上，除了輸出的波動性外，也直接體現(xiàn)在設(shè)備的利用小時數(shù)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，盡管近年的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)較此前有一定提升，基本站穩(wěn)了2000小時以

38、上(光伏數(shù)據(jù)更差)，但總體的提升幅度并不大且與傳統(tǒng)的火電、水電相去甚遠(yuǎn)，更無法與核電超過7000小時的利用數(shù)相提并論20。數(shù)據(jù)來源：能源分析俱樂部可以預(yù)見，伴隨著新能源系統(tǒng)在全球電力占比的持續(xù)上升，氣候異常導(dǎo)致的發(fā)電能力下降很可能成為全球性的長期挑戰(zhàn)。目前針對這一問題，行業(yè)內(nèi)有著諸多解決方案，但落地可能性比較高，規(guī)?；熬昂玫穆肪€可大致分為三類(這同樣牽扯數(shù)個較為復(fù)雜且廣泛的話題，本文僅做簡述，不再進(jìn)一步展開)。一是在電廠的建設(shè)階段，就采取復(fù)合型設(shè)計，將傳統(tǒng)火電或是光熱等新型發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)集成。這種更加多元化的電站設(shè)計提供更為穩(wěn)定的發(fā)電能力，在單一系統(tǒng)發(fā)電能力不足時，可借由其他設(shè)備補(bǔ)足

39、缺口，即使罕見的風(fēng)光資源全部不足，也可提高火力發(fā)電輸出，避免大量設(shè)備同時陷入停擺的狀況。其次，為新能源電站配備儲能系統(tǒng)是關(guān)鍵方向。目前我國的儲能系統(tǒng)仍以抽水儲能為主，受環(huán)境因素制約嚴(yán)重，引入其他路線的儲能技術(shù)如氫儲能、大型鋰電池儲能、壓縮空氣儲能等并實現(xiàn)規(guī)?；?，可大幅提高發(fā)電系統(tǒng)削峰填谷的能力，降低發(fā)電能力波動性等問題對電網(wǎng)的壓力。最后，引入更為智能的電力管理系統(tǒng)也是目前受到重視的方向。通過更為先進(jìn)科學(xué)的整體管理，可更加有效的平衡上游發(fā)電端與下游消納端，使得整個電力系統(tǒng)更加靈活，更好的適應(yīng)持續(xù)提高的新能源綠電占比。References：1國家能源局：國家能源局發(fā)布2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù) 2021.01.20/2021-01/20/c_139683739.htm2 深度行業(yè)分析