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中国风力发电设备制造行业研究报告基础篇

点击数:2018-05-16 22:08 来源:未知

  风力发电设备行业为介于钢铁、有色金属材料、树脂或纤维材料等上游大宗商品和风力发电行业之间的中游行业,包括叶片、发电机、齿轮箱、塔筒等风机零部件制造和整机制造。

  在政策的扶持下,我国风电行业自2005年《可再生能源法》实施以来迅速发展,截至2017年末,我国风电累计装机容量188.39GW,世界排名第一,其中2017年我国风电新增装机容量19.66万千瓦,较上年同期增长11.7%。风力发电设备行业作为风力发电上游,近十年在旺盛需求的支持下得到迅速发展,行业产能规模快速扩张,产品工艺及能效水平持续提升,但关键零部件制造方面仍与国外先进产能存在一定差距,行业内企业信用品质差异较大。

  中债资信风力发电设备行业专题研究旨在梳理风力发电设备制造行业的基本运行特征、相关行业政策,构建行业基本分析框架,并通过对行业经营、财务指标的分析给出行业整体信用品质的评价和行业内企业分化情况。最后基于运行情况分析,归纳总结出对风力发电设备制造企业进行信用品质评价时的核心关注要素。

  本篇为该专题研究的第一篇,主要对风电设备概念、产业链、技术进步路线和相关产业政策进行梳理和介绍。

  根据国家统计局制定的《国民经济行业分类》,风力发电设备制造业包括锅炉及原动设备制造(C341)项下的风能原动设备制造(C3415)和电机制造(C381)项下的发电机及发电机组制造(C3811)。

  作为二次能源的电力,都由一次能源通过电力设备转换而来。由于一次能源的种类和物理属性不同,与之匹配的电力设备存在很大差异。按照利用的一次能源不同,发电设备可分为火电发电设备、水电发电设备、核能发电设备、光伏发电设备、风力发电设备和其他发电设备,其中,光伏发电设备、风力发电设备、水电发电设备统称为可再生能源发电设备。风力发电设备是指由叶片、变速箱、风力发电机、塔筒以及辅助设备组成的风力发电系统。

  从产业链环节来看,风机零部件主要有叶片、齿轮箱、风机(发电机)和塔筒(塔架)等,其组装成为整机,即为风力发电设备。叶片是吸收风能的单元,用于将空气的动能转换为叶片转动的机械能。齿轮箱为联接叶片和风机的装置,将叶片在风力作用下产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速(直驱式发电设备不使用齿轮箱)。风机是整个风力发电系统的做功装置,将叶片转动的机械能转换为电能。塔筒为风力发电的塔杆,在风力发电机组中主要起支撑作用,同时可吸收机组震动。此外,整个风电系统还配有偏航系统和变桨系统,其中偏航系统为对风装置,其作用为在风速矢量的方向变化时能快速对准风向以获取最大风能;变桨系统控制叶片相对于旋转平面的位置角度,通过改变气流对叶片的攻角来使叶片捕获风动转矩和功率。

  钢铁、有色金属为齿轮箱、风机的主要原材料,钢铁为外部塔筒的主要原材料,树脂及纤维材料制成叶片。因此,行业上游主要为钢铁、有色金属材料、树脂或纤维材料等大宗商品及其加工产品,下游客户为风力发电企业,行业处于电力产业链的中游。

  原材料价格随国际大宗商品价格波动,行业参与者均为价格接受者,具有明显的周期性特点。行业内企业在对上游原材料价格被动接受,基本无议价能力,采购结算一般也采取现货现款的结算方式。下游电力企业的发电项目均为招标采购,在我国由五大电力集团、神华集团和中广核风电公司下属风电企业占据主导地位,上述企业整体装机占比达65%以上。从产业链地位来看,风力发电设备制造行业内单体企业对上下游话语权均较弱,行业内企业在销售谈判中不占有主动优势,不利于成本的降低和产品价格的提升,同时行业需求较易受国内风电行业政策影响。整体看,风电设备制造行业产业链地位相对较弱。

  我国风力发电设备制造技术起步较晚,1996年之前我国风电设备全部从国外直接引进,之后才开始风电技术引进和规模化发展。1996~2006年,我国风力发电设备制造商基本依靠引进国外成熟风电技术,国外制造商在我国风机市场占据优势地位,截至2006年占新增装机的55.10%。2006年以来,我国进入规模化发展阶段,风电机组单机容量持续增大,陆上风电主流机型从开始的750kW增加到1.5MW-3.0MW,海上风电主流机型已达4MW以上。其他设备方面,风轮直径和塔筒高度均持续提高;变桨距功率可调节型机组发展迅速,近年来在风电机组特别是大型风电机组上得到了广泛应用。此外,直驱发电机(通过风轮直接驱动,取消高速齿轮箱的发电机)的市场份额迅速扩大。

  整体来说,我国风电设备技术最近20年的发展一直处于追赶状态,目前在整机制造、齿轮箱等大型组件可以规模化生产,但自主研发能力、公共技术平台(如大型叶片试验、传动系统试验、整机测试场等)建设、检测认证体系等方面,特别是关键零部件制造方面仍与国外先进产能有一定差距。目前我国风电度电成本约0.4~0.5元,为实现2020年风电平价上网,风力发电设备技术进步带来的风电成本下降、效率提升将是最重要的途径。

  我国风电机组持续呈向大功率的方向发展。据CWEA数据,2016年我国风电机组累计装机平均功率为1.61MW,同比增长2.9%,其中1.5MW的风电机组占总装机容量的50.4%,较2015年下降约5个百分点,2MW的风电机组同比上升约5个百分点至32.2%。2016年新增装机平均功率1.96MW,同比增长6.4%,其中2MW已占到60%以上。2017年全球风电装机平均单机容量为2.53MW,其中我国平均单机容量为2.11MW,风电平均单机容量首次突破2MW,但仍低于全球平均水平。

  根据最新订单情况,在我国2.5MW风电机组将逐渐替代2MW风电机组成为风电装机的主流选择。随着风电发展加速拓展风速较低、地形复杂的中部和东南部地区,同时装机容量普遍较高(以4MW为主,其次为3MW和3.6MW机组)的海上风电规模迅速增长,未来风电机组将继续向高功率机型过渡,发电效率将进一步提高。

  与单机功率持续增大相匹配的,是风轮直径的增加趋势。据GE统计,2006年美国主流机型风轮直径70m,而2016年的主流机型风轮直径达116m,增加近60%;GE同时预计2025年风电机组风轮直径将达到平均160m,扫风面积增加一倍,年发电能力提升一倍,度电成本可下降30%。

  我国1.5MW风电机组的风轮主要规格为77m、82m和87m,2016年三者占1.5MW风电机组全部装机容量的74.3%。2MW风电机组的风轮规格较分散,93m为最主要机型,但111m和115m增长迅速,存在超越93m的态势。较大的风轮直径及相应较长的叶片可与单机功率增加的趋势相匹配,同时更好地适用于低风速地区,从而获得更大的发电量与更低的发电成本。

  此外,风轮叶片亦存在减重、降载等性能需求,主要提升途径为复合材料的发展。玻璃纤维复合材料为传统风轮叶片制造材料,成本相对较低,但在叶片长度超过一定值后重量较大,性能上存在不足,无法满足叶片大型化、轻量化的需求。而碳纤维复合材料叶片刚度为玻璃纤维复合叶片的两至三倍,密度则低于玻璃纤维复合叶片,极限和疲劳性能均较优。但由于价格昂贵,碳纤维复合材料在风电叶片上未得到大范围应用,但随着风电叶片长度的延伸,碳纤维复合材料已成为叶片材料的一大趋势。

  目前,我国市场上主流的风电机组为双馈式风力发电机组,主要技术为采用了风轮可变速变桨运行,传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网;它的发电机转速高、转矩小、重量轻、体积小;但为了风轮的转速和发电机的转速相匹配,需用齿轮箱联接风轮和发电机,齿轮箱增加了机组总成本,且其噪音大、故障率高、需要定期维护、机械损耗大。

  直驱永磁式风力发电机为采用永磁发电机(永磁发电机具有结构简单、体积小、免除无线电干扰等优点,能够提高发电效率)且风轮与电机直接耦合的风力发电机。与双馈式发电机相比,直驱式风力发电机通过风轮直接驱动,取消了高速齿轮箱,能够提高机组的安全性和稳定性,降低制造成本和运维成本。然而,直驱式发电机因没有齿轮箱,风轮受到的各种有害冲击载荷全部由发电机系统承受,对发电机要求更高;其亦存在失磁和绝缘的问题,与电网发生振荡现象还可能导致安全事故。

  尽管阿尔斯通、通用电气和Enercon等全球风电设备制造商在3MW以上较高功率机组中应用直驱式技术,但2017年全球前十大风电整机制造商中,八家的新增陆上风电装机采用双馈式技术。我国行业内金风科技主要采用直驱式,华锐风电、远景能源则主要为双馈式。尽管直驱式效率更高、功率曲线更优,适宜在低风速地区使用,但考虑技术的成熟性、稳定性、可靠性、经济性,直驱式技术尚无法替代双馈式技术的主流地位,尤其在海上风电机组方面,双馈式技术将保持绝对主流地位。

  随着风力发电开发向低风速地区转移,增加塔筒高度以提高发电效率已成为明确趋势。目前全球范围内高塔筒主要有三条技术路线,分别为全钢柔性塔筒、砼钢混合塔筒和全混凝土塔筒。

  塔筒自身频率在叶轮1P(风轮额定转速下的1阶频率称为1P,3阶频率称为3P)以上为传统塔筒,以下为柔性塔筒。塔筒高度增加,可提高风电机组的利用小时数,但传统的塔筒在高于100米后,重量会出现指数型增加,成本大幅攀升,而全钢柔性塔筒的重量则轻得多,如对于121/2.5MW风电机组,柔性塔筒的重量较传统塔筒低1/3。柔塔可将轮毂托举至110~140m的高度,在塔筒成本不变的情况下提高机组发电能力,仍以121/2.5MW风电机组为例,柔性塔筒与刚性塔筒相比风电机组发电量可提高约12%,度电成本下降约6%。由于柔塔频率低于叶轮额定转速频率,在叶轮达到额定转速之前容易出现共振,目前已有变桨偏航刹车和调整发电机电磁力矩等技术可解决这一问题,但上述应用尚处于初期。

  与控制策略要求较高的全钢柔性塔筒相比,砼钢混合塔筒设计相对简单,对智能控制技术要求不高,但施工工艺相对复杂,且预制件成本压力较大,对技术路线m及以上高度,混凝土塔筒在安全性、承载力、稳定性、运维成本等方面与传统钢制塔筒相比具有突出优势,但目前仍处于初步发展阶段,投入应用的产品仍较少。

  根据风电发展“十三五”规划,到2020年底海上风电并网装机容量目标为5GW以上,截至2017年末,中国海上风电装机容量为2.79GW,同比增长71%,未来发展空间仍很大。

  欧洲为海上风电较发达的地区,典型的风电场风速近10m/s,而中国除福建周边海域风速较高外,多数海域风速在6.5~8.0m/s之间,风速相对较低。因此,我国海上风电需要通过选择较低容量或提高风轮直径增加单位千瓦扫风面积,提高发电效率。目前中国海上风电机组主流为4MW,未来仍将向更大功率机组发展,对控制机组受力和部件强度提出了更高要求;同时,由于海上自然环境复杂,盐雾、海流对机体易形成腐蚀,加之海冰与台风灾害,机组部件材料必须加强防腐防盐、抗水抗霉等性能,低纬度地区塔筒和叶片需增加刚度和减震性能,高纬度地区需通过特殊涂层和主动加热以抵御严寒和海冰。

  行业主管部门为国家发展和改革委员会、国家能源局、工业和信息化部,由于风力发电设备制造业属于多学科交叉行业,行业同时受多个自律组织的指导,包括中国可再生能源学会风能专业委员会、全国风力机械协会标准化委员会、中国动力工程学会系能源设备专业委员会、中国农业机械工业协会风能设备分会等。

  国家发改委、能源局负责组织编制国家电力五年规划、年度能源工作指导意见以及行业重要产业政策并协调重大相关政策并推进落实等。

  工信部负责组织编制发电设备各制造行业标准、规范条件及行业管理办法的编写、修订及发布,并推出符合行业规范条件名单。

  各个自律组织负责调查研究风力发电设备企业发展等方面的情况,开展学术交流和技术合作;制定风力发电设备的标准化技术;组织行业调研及咨询服务活动,分析和发布与行业相关的技术与经济信息,进行市场预测预报,为政府、企业、会员和社会中介组织等提供信息服务。

  风力发电设备属于清洁能源和可再生能源,我国在保证电力供应安全的前提下大力发展清洁能源和可再生能源。在此前提下,国家出台各项政策用以促进风力发电设备行业发展。国家对风力发电设备行业的促进政策主要有以下四个方面:一、设立可再生能源发展专项资金对风力发电项目进行补贴;二、制定风力发电项目发展规划及年度装机容量目标;三、制定风力发电设备行业产品及工艺技术标准、行业规范条件、行业管理办法等规范风力发电设备行业有序发展;四、通过专项政策及与扶贫、财税、金融等其他扶持政策有机结合促进行业升级改造。

  从政策脉络来看,2005年我国通过立法确定大力发展风力发电以来,我国进入风电发电设备的初始阶段,由于这一阶段国内装机规模很小、投资成本高昂,我国主要针对年度新增装机规模设定目标。随着年度装机规模规划不断增长、风电设备制造行业规范条件的不断完善、风电设备国产化程度的提高,风电上网补贴电价自2009年确立以来不断降低、2020年目标实现风电供电侧平价上网,风电发电设备制造行业持续革新技术路线,提升产品工艺及能效水平,行业内企业逐步做大做强。近年由于风力发电量增加而当地消纳能力不足、电力外运通道受限等,弃风限电现象较为严重,国家对弃风率高的省份限制新增规模,风电发电设备需求较前期有所下滑。在当前陆上风能资源丰富区已大规模开发、弃风现象严重的情况下,分散式风电及海上风电逐步受到政策层重视,将有助于维持风电设备制造行业下游需求、推动行业技术的革新。

  受风电行业产业政策影响,风电设备制造行业的下游需求呈现一定波动性、行业产能持续扩张、技术水平提升、投资收益率不断下降,本专题后续将对上述情况进行详细分析。

  本报告由中债资信评估有限责任公司(China Bond Rating Co.,Ltd)(简称“中债资信”,CBR)提供,本报告中所提供的信息,均由中债资信相关研究人员根据公开资料,依据国际和行业通行准则做出的分析和判断,并不代表公司观点。本报告中所提供的信息均反映本报告初次公开发布时的判断,我司有权随时补充、更正和修订有关信息。报告中的任何表述,均应从严格经济学意义上理解,并不含有任何道德、政治偏见或其他偏见,报告阅读者也不应从这些角度加以解读,我司及分析师本人对任何基于这些偏见角度理解所可能引起的后果不承担任何责任,并保留采取行动保护自身权益的一切权利。

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