风电齿轮箱：大型化和技术路线演进带来行业新机会，零部件公司积极扩产受益需求释放

行业报告|行业投资策略 证券研究报告 2023年2月15日 风电齿轮箱： 大型化和技术路线演进带来行业新机会，零部件公司积极扩产受益需求释放 作者： 分析师孙潇雅SAC执业证书编号：S1110520080009 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 齿轮箱是风力发电机的核心部件，也是整个发电机组当中技术壁垒较高的零部件之一，因工作环境恶劣且所经受载荷难以预测，导致极易损坏并影响整个发电机组的运行，所以齿轮箱的品质和性能尤为重要，而齿轮箱的品质和性能很大程度体现在齿轮、轴承等零部件的品质和性能上。 大型化与技术路线演进带来行业新机会： 风机大型化趋势持续，在这一趋势下，齿轮箱也面临大型化，而齿轮箱大型化导致对齿轮箱的性能要求提升，这进一步加深齿轮箱的竞争壁垒。 风力发电机的技术路线经历了从双馈到直驱到半直驱的演进历程，其中双馈和半直驱机型需要齿轮箱，而直驱机型不需要齿轮箱。 海上风电较为适合半直驱技术路线，因此海上风电的发展将带来半直驱风机需求，而海上风机尺寸更大，进而催生海上大尺寸风机齿轮箱的需求。 行业分工明确：齿轮箱整机企业与零部件成产企业并存 全球风电齿轮箱行业由南高齿、采埃孚和威能极构成三足鼎立的竞争格局，往上游看，有金源装备、广大特材、海锅股份等企业为风电齿轮箱企业提供齿轮等专用零部件。 广大特材：特钢材料业务起家，在风电领域不断拓展业务边界，扩产海上齿轮箱零部件精加工满足紧缺需求，新项目已开始试产出货 公司起家于特钢材料的研发、生产和销售，与大型特钢企业进行差异化竞争，形成自身竞争优势，部分产品达到国际先进水平。 公司在立足特钢材料的基础上，将产业链往上下游延伸，平行领域的延伸包括风电铸件（轮毂等）、铸钢件，纵向领域的延伸包括风电锻件（主轴、法兰等）、铸件的精加工和齿轮箱零部件的精加工。 竞争优势方面，首先，公司具有丰富的熔炼和精加工经验，有能力拓展业务广度： 一方面，公司依靠特钢业务积累熔炼经验，为拓展铸件、铸钢件业务打下基础，另一方面，公司具备精加工经验，在齿轮箱零部件加工等业务方面也具备技术优势。另外，公司在风电领域积累了丰富的客户资源，有助于新产品的快速导入。 其次，公司具备原材料自供能力，一体化优势明显： 一方面公司通过原材料自供，预计在成本方面较同行具有优势，另一方面公司具备一体化整合能力，在试制、材料控制、生产成本控制以及产品线布局广度等方面均具备优势。 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 海上铸件、齿轮箱零部件等业务将为公司贡献新增量，建议重点关注公司齿轮箱零部件扩产进展：目前已有部分产线开始试产出货，预计 项目将于23年正式投产。 海锅股份：依托大型锻件生产优势积极募资扩产，满足齿轮箱零部件紧缺需求（与能源开采、机械团队联合覆盖） 公司主营产品是大中型装备专用锻件，下游领域包括但不限于油气开采、风力发电等，其中风电产品包括风电齿轮箱锻件等。 近年来公司风电产品在收入中的占比迅速提升，至2020年已成为公司收入占比最高业务，验证公司在风电齿轮箱零部件领域的竞争实力。 公司募投建设风电齿轮箱锻件项目，建成后一方面可将公司使公司产能翻番（8.5万吨→20.7万吨），另一方面提升产线自动化水平，提高效率的同时节省成本，从而进一步提升盈利能力。 风险提示：行业需求不及预期；技术迭代；竞争加剧；投产不及预期。 1 风电齿轮箱： 风力发电机核心部件，同时也是风机技术壁垒的核心所在 大型化与技术路线演进带来风电齿轮箱行业新机会，重点关注已上市的风电齿轮箱零部件公司 4 风电齿轮箱的作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机 并使其得到相应的转速。 齿轮箱在整个风力发电机组中技术含量较高，同时故障率也较高。由于风电发电机组的机舱处在空中，工作环境非常恶劣，同时缺乏牢固 的基座基础，在运行过程中经受载荷的大小和方向都难以预测，导致 风力发电机组很容易损坏，作为风电发电机组中的主要传动部件，这个容易损坏的部件往往是齿轮箱。 齿轮箱：风力发电机的核心传动部件，质量和性能要求极高 图：南高齿风电齿轮箱产品 资料来源：南高齿官网，金源装备招股书，今日减速机公众号，每日风电汇公众号，天风证券研究所 5 图：风力发电机和齿轮箱示意图 齿轮箱的故障往往反映在零部件的损坏上，因此齿轮箱零部件如齿轮、轴承等的生产能力至关重要，技术壁垒也相对较高。 齿轮箱的故障问题包括齿轮损伤、轴承损坏以及渗漏油、异响或震动大等。 齿轮、轴承等零部件可由齿轮箱企业的上游供应商来提供，因此齿轮箱零部件生产厂商的技术水平和生产能力也非常重要，需要生产出质量稳定、具备高强度、刚度和韧性的齿轮箱零部件产品，才能满足下游齿轮箱企业的需要。 齿轮箱零部件包括但不限于行星销轴、行星齿轮、太阳轮、内齿圈、扭力臂、齿轮箱端盖、齿轮箱箱体、行星架等各类铸锻件。 资料来源：金源装备招股书，广大特材公告，每日风电汇公众号，天风证券研究所 6 齿轮箱技术壁垒的核心一环在齿轮等零部件上 齿轮箱故障主要内容 齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶 磨损等。 由于涉及选型不当、安装偏差、润滑不足等方轴承损坏承烧毁，滚道表面发生点蚀、裂纹、表 常等 齿轮箱渗漏油主要发生在箱体与齿圈结 轴轴 原因包括齿轮齿轮箱异响、振动大箱箱体 齿轮箱油温油压 图：齿轮箱的故障图：齿轮箱的生产环节 图：大齿轮、行星轮、太阳轮 资料来源：全国招标公示公告搜索引擎，今日风电公众号，每日风电汇公众号，采招网，WindEurope，天风证券研究所 7 风机大型化下，齿轮箱性能要求提升，技术壁垒加深 风机大型化趋势持续，风机大型化下对齿轮箱提出更高要求，强化行业 壁垒。 风机大型化下齿轮箱也面临大型化，从而衍生出下列问题： 传递功率增加：齿轮箱传递功率一般高于机组额定功率，且这一比例随机组额定功率增大而增大，所以机组大型化后齿轮箱会变得更重。 扭矩增加：风机大型化后叶轮转速更低，但功率提升，于是扭矩增大，从而要求齿轮箱具备更强承载能力，进一步增大齿轮箱重量。 设计寿命延长：大尺寸化更常见于海上风机，海上风机设计寿命在25年以上，相对于陆上风机而言，对承载能力提出更高要求。 除此之外还包括提高对齿轮箱支撑能力、可靠性等的要求。 图：国内招标项目风机尺寸对比-陆上风电 招标项目 招标时间 单机容量要求 玉门“光热储能+光伏+风电”示范项目20万千瓦风电工程风力发电机组设备采购 2022年12月 ≥5MW 三峡能源风力发电机组及配套塔筒设备集中采购(广西平南二期) 2022年11月 ≥5MW 三峡新能源肃北马鬃山第二风电场C区100MW风电项目 2021年2月 ≥4.0MW 中节能钦南风电场二期工程 2020年 ≥2.5MW 内蒙古得盛新能源有限公司察右后旗前进4万千瓦分散式风力项目 2020年 ≥3.0MW且≤4.0MW 图：国内招标项目风机尺寸对比-海上风电 招标项目 招标时间 单机容量要求 龙源电力海南国能龙源新能源有限公司海南东⽅CZ8场址50万千瓦海上⻛电项⽬风力发电机组采购 2023年1月 ≥10MW 漳浦六鳌海上风电场二期项目风 力发电机组及塔筒设备采购1段 2022年11月 ≥10MW 粤电阳江青洲一、青洲二海上风电场项目 2021年11月 ≥8MW 华能山东半岛南4号海上风电项目 2020年4月 ≥5MW 国电象山海上风电有限公司象山1#海上风电场（一期）25.2万千瓦项目 2019年11月 ≥6MW 图：海外海上风机尺寸逐年增加 行业技术路线更替：从双馈到直驱再到半直驱 双馈 直驱 齿轮箱 有齿轮箱，将风轮转速升高 无齿轮箱，风轮直接带动发电机转子旋转 提高了发电机的效率，但会涉及使用多级齿轮箱导致的故障率偏高 1）缩短了传动链，使得发电量提高； 2）减少其机械故障，维护降低后续 运行成本 发电机 双馈式异步发电机 低速多极发电机 - 1）直驱转数低、磁极数多，体积和重量大，对轴承等转动部件要求极高；2）直驱磁极数多使得低风速下，发电机输出频率仍然比较高 变频器 双馈变频器 全功率变频器 仅有转差功率经过变频器，充分发 挥双馈发电机以小博大的优点，使变频器容量小，价格低，机组谐 波小 变频器容量大，价格贵，变频器产生谐波大 图：双馈和直驱比较 图：半直驱结构 风力发电机的主要技术路线有双馈、直驱、半直驱等，其中双馈、半直驱有齿轮箱。 双馈技术路线：有齿轮箱，虽故障率高但成本低：采用齿轮箱将风轮转速提高，从而提高发电机功率，仅有转差功率经过变频器，所以所需变频器功率小，对应成本 低。但设计使用多级齿轮箱，导致故障率偏高。 直驱技术路线：无齿轮箱，故障率低但发电机体积大，成本高。风轮直接带动发电转子旋转，体积和重量大，全功率变频器容量大，整体价格偏高。 半直驱技术路线：采用中速齿轮箱，可在实现相对于双馈路线更低故障率的同时，具备相对于直驱路线更低成本的优势。 图：双馈和直驱结构 资料来源：《“直驱VS双馈”:风机主流技术大比拼》朱金凤，《直驱与双馈风机技术流派对比分析》谢鲁冰，《兆瓦级风电机组主传动系统结构研究进展》杨柳，天风证券研究所 8 资料来源：各公司公告，CWEA，每日风电汇公众号，国际风力发电网，国际船舶海工网等，天风证券研究所 9 海上风电带来半直驱风机需求，进一步催生大兆瓦齿轮箱需求 技术路线的演进：半直驱技术路线有所提高，尤其是对于国内海上风电，半直驱技术路线可能成为主流，由此提升齿轮箱需求。 双馈技术路线曾是较为主流的技术路线，后来因齿轮箱故障高等问题，直驱技术路线被研发出来，但直驱路线又面临成本高等问题，所以采用中速传动技术的半直驱技术路线（故障率降低、成本降低）又成为新的值得关注的技术路线。 目前推出半直驱机型的风机厂越来越多，半直驱风机占比越来越高。根据CWP2020及2021年各厂商发布机型的技术路线统计， 半直驱型风机的占比快速提升，国内各个风机厂商均已有半直驱相关产品发布或在研。 尤其是对于海上风机而言，在大型化趋势下，可能更适合采用半直驱路线，这或将带来齿轮箱增量需求。 而海上风机的尺寸通常大于陆上风机，22年以来国内海风招标的部分项目单机容量已有10MW的要求，由此有望进一步带来大兆瓦齿轮箱需求。 图：不同企业的技术路线和海外合作厂商（截至22年6月）图：2020-2021年CWP发布各风机厂商新产品种类的技术路线占比 企业 已发布产品技术路线 其他技术路线信息 海外合作厂商及技术 金风科技 直驱+半直驱 Vensys 远景能源 双馈 明阳智能 双馈+半直驱 aerodyn 电气风电 双馈+半直驱 DEWIND，aerodyn，西门子 运达股份 双馈 半直驱有技术储备 三一重能 双馈 半直驱技术在研 aerodyn 西门子歌美飒 双馈（陆上）+直驱（海上） 维斯塔斯 双馈+半直驱 资料来源：威能极公众号，弗兰德公众号，金源装备招股书，采埃孚风电传动公众号，南高齿官网，金源装备公司公告，广大特材公告，海锅股份公告，天风证券研究所 10 风电齿轮箱企业三足鼎立，齿轮等零部件需专业供应商 风电齿轮箱行业：集中度高，三巨头占据全球近70%市场。 全球风能理事会（GWEC）发布的《全球风电齿轮箱供应链2019》报告，排名前三的供应商南高齿、采埃孚、威能极占比达到全球齿轮箱年产能的68%，行业集中度较高。 南高齿：公司拥有半个世纪以上的齿轮研发和生产经验，产品应用领域包括但不限于风力发电装备、轨道交通、工业机器人等， 公司可提供功率从1.5MW到18MW各种类型风力发电齿轮箱和偏航变桨产品。 采埃孚：公司于1979年开始进入风