电力设备及新能源行业：风机大型化推动行业降本，关注齿轮箱与叶片技术升级

证券研究报告 电力设备及新能源行业/行业深度报告 领先大市（维持）2023年11月11日 风机大型化推动行业降本，关注齿轮箱与叶片技术升级 分析师：张文臣S0910523020004 周涛S0910523050001 联系人：申文雯S0910123030032 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 风机大型化叠加国产化持续推动行业降本增效，齿轮箱与叶片是关键。风力发电机组是传统的机电产品，降本难度较大，机组大型化是很好的路径，更是风电综合降本的路径。随着海上风电装机规模的增加，机组大型化发展加速，风机大型化趋势明确。同时，在行业降本压力和大型化趋势下，风机成本占比最高的叶片、齿轮箱同样面临降本需求和创新压力。 风电行业增长潜力巨大，全球化有望加速推进。当前，我国风电项目备案制落地，陆上“大基地+风电下乡+老旧风机改造”需求支撑中长期装机景气，根据GWEC《2021-2025全球风能市场展望》，预期全球海上风电容量将由2020年的6.1GW增长至2025年的23.9GW，年均复合增长率达31.41%。在海外能源价格高企，新能源转型需求迫切的环境下，国产风机已具备绝对价格优势，迎来良好的出口契机。 齿轮箱时代来临，齿轮箱轴承市场容量可观。半直驱技术兼顾直驱的稳定、高效率和双馈的低成本、小体积优势，近年占比有所提升。当前陆上双馈、海上半直驱机组逐渐成为行业主流，中国整机企业都已进入齿轮箱时代。作为风电机组的核心部件，齿轮箱当前发展具有四大趋势：（1）变速比齿轮箱趋势；（2）多输出轴趋势；（3）行星级功率分流趋势；（4）轴承关联设计与滑动轴承趋势。同时，根据我们测算得出，假定2025年滑动轴承市场渗透率为20%，则2025年全球齿轮箱滑动轴承市场空间为20.04亿元，市场空间可观。 碳纤维叶片应用有望迎拐点。随着风电机组大型化，叶片长度明显加长，而叶片长度几乎与重量成几何关系，因此轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。近两年主流叶片企业陆续发布使用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁叶片，此外Vestas数项专利到期，碳纤维叶片国产化有望加速。对57米（3MW）、90米（10MW）叶片进行减重和叶片材料成本角度的经济性测算，得出主梁采用碳纤维的叶片重量分别减少27.0%、32.5%，而单个叶片材料成本分别增加28.2%、20.0%。我们看好碳纤维叶片在海上风电领域的规模化应用。 投资建议：随着机组大型化与风机减重，综合考虑性价比，齿轮箱的应用越来越多，叶片碳纤维的应用有望提速，建议关注相关产业链技术升级带来的投资机会，建议关注威力传动、新强联、广大特材、恒润股份、中复神鹰、中简科技、光威复材、时代新材等。 风险提示：宏观经济波动风险、风电政策波动风险、原材料价格波动风险、新技术研发不及预期。 01 02 风电产业链：国产化+大型化推动行业降本，齿轮箱与叶片是关键风电行业：从周期走向成长，成长潜力巨大 03 齿轮箱：齿轮箱时代来临，齿轮箱轴承市场容量可观 04 叶片：碳纤维应用有望迎来拐点，碳纤维需求呈稳定上升态势 05 投资建议和风险提示 风力发电原理：利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。 风电行业产业链主要包括三个环节：（1）原材料和零部件厂商处于产业链上游，风机核心零部件包括齿轮箱、发电机、轴承、叶片、轮毂等，这些零部件的生产专业性较强，国内企业技术较为成熟，一般由整机企业定制采购。（2）风机制造企业处于行业中游，塔筒、海缆多为业主招标，市场集中度趋于集中。（3）风机制造企业的下游客户是以大型国有发电集团为代表的投资商。 海风产业链与陆风产业链区别不大，主要在于中游塔筒、海缆以及由于海风大型化趋势下使得产业链各环节技术特点和格局的变化。 风电机组基本结构 风电行业产业链示意图 风机内部的部件主要包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承、铸件、变流器、减速机等；外部部件包括塔筒、法兰，其中，叶片和齿轮箱是风电机组成本构成中占比较大，价值量较高的环节。 叶片是决定风能利用率的关键因素，直接影响风电机组的性能和效率，风电叶片技术壁垒相对较低，国产化率高，产业化程度高。叶片在风电机组成本中占比最高，达到23%左右。 齿轮箱在风电机组成本中占比仅次于叶片，是通过大小齿轮组合，实现变速的装置。齿轮箱的性能质量对于风机的重要性极大，在 风电机组成本中占比在12%左右。 风机零部件成本占比 风机驱动链的技术路线几经变化目前主流的有三种：双馈、直驱、半直驱。三种技术各有优劣，半直驱技术兼顾直驱的稳定、高效率和双馈的低成本、小体积优势，近年占比有所提升。当前，陆上风电方面，双馈仍占主导地位；对于海上风机或容量较大的陆上风机，半直驱优势愈发明显，而受制于电机铜、稀土永磁等原材料成本与大尺寸运输压力，直驱风机近年略有式微。因此齿轮箱需求有望提升，南高齿、德力佳、威能极等厂商有望受益。 风电三种典型驱动链结构 叶片：风能转换为机械能的重要零部件，大叶片和轻质化是趋势。风机叶片对于提升风能利用率至关重要，海上风电大功率对叶片尺寸要求提升，以明阳智慧正在研发1.6万千瓦的海上风机为例，其叶片长度预期为118米。大型叶片技术难度较高，需兼具叶片大、重量轻、强度高的特点，只有少数厂商具备量产能力。国内风电叶片头部企业市占率不断攀升，2019年，风电叶片行业CR5市占率达68%以上。全球来看，风机叶片市场玩家较多，外资品牌有LM、TPI等，国内厂商包括中材科技、中复连众、上海艾郎、天顺等，此外，部分主机厂如明阳也自主生产叶片。 大叶片和轻质化趋势下，碳纤维叶片占比或增长。一般来讲，发电功率在3-5MW之间的风电机组相对应的叶片长度在45-60m之间，随风机大型化需求增加，叶片进一步延长，未来大叶片、轻质化成为叶片发展趋势。海上风电叶片通常采用玻璃纤维或碳纤维，当前以玻纤为主。碳纤维密度仅占玻纤的一半不到，但成本较为昂贵。大叶片和轻质化驱使下，预计未来占比将会进一步提升。 叶片尺寸随单机容量增加不断增大叶片直径增加27.5%可带来度电成本下降30% 我国风电发展较早，但是早些年机组大型化的进程较慢，尤其是陆上多年都维持在2MW范围内。随着海上风电装机规模的增加，机组大型化加速发展，几乎呈现跳跃式，从5.5MW到10MW仅用3年，这也同步带动了陆上机组的发展，目前陆上新建的机组在4.5MW左右，新增招标6-8MW之间，极大地推动了行业的发展。 风力发电机组是传统的机电产品，降本难度较大，机组大型化是很好的路径，更是风电综合降本的路径。我们看到过去多年，除2020年陆上风电抢装周期，其余时间机组价格持续下降，一是竞争加剧，二是机组大型化带来技 术性降本，这为风电平价及风电运营的高额利润保驾护航。 2012-2022中国新增陆上和海上风电机组平均单机容量采用不同单机容量机组的项目经济指标 6600 6400 6200 6000 5800 5600 5400 5200 5000 2.02.22.32.53.04.04.5 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% 5.00% 静态投资（元/千瓦）全投资IRR资本金IRR 国内风电装机规模与标杆上网电价的变化密切相关，每到标杆电价调整年份均会出现抢装，2020年以后，陆上风电平价，不再有补贴，导致了2020年装机量创历史高点。目前，风电依然是最赚钱的新能源电力，陆上大基地和海上风电是核心装机来源。 80 72.55 70204.45% 250.00% 200.00% 60 50 40 3039.07% 33.47% -0.66%20.14 34.169.31% 28.91% 21.27 -1.49% 23.83 12.04% 46.83 36.96 76% 26 150.00% 100.00% 50.00% -21.08% -35.45% 0.00% 16.66 20 -8.82% 15.1915.09 16.7516.5 11.98 10 -50.88% -50.00% 0 20102011201220132014201520162017201820192020202120222023H1 -100.00% 年度装机容量GW同比% 据CWEA统计，在2022年新增吊装的风电机组中，3.0MW以下(不含3.0MW)新增装机容量占比为3%，同比下降约17pct；3.0MW至4.0MW(不含4.0MW)新增装机容量占比21.5%，同比下降约18.5pct；4.0MW至5.0MW(不含5.0MW)新增装机容量占比24.8%，同比去年增长约8.3pct；5.0MW至6.0MW(不含6.0MW)新增装机容量占比22.9%，同比去年增长约14.8pct；6.0MW至7.0MW(不含7.0MW)新增装机容量占比20.1%，同比去年增长约8pct；7.0MW至8.0MW(不含8.0MW)新增装机容量占比7.6%，同比去年增长约4.4pct。 风电机组大型化可有效降低风电成本：（1）风电叶片长度及轻量化升级，可增大风能获取能力，提升单机风机发 电效率；（2）风电机组结构轻量化设计可以降低单台风机的材料用量，从而降低风电机组成本；（3）单机容量扩大，实际吊装风机台数减少，运输、吊装等成本得以降低（4）风机大型化后，可以建在深海区域，增加运转时长，从而 增加发电利用小时数，降低海风度电成本。 2012-2022中国新增陆上和海上风电机组平均单机容量2022年国内不同功率风电机组新增装机容量比例(%) 8 7 6 5 4 2.8 3.9 3.6 3.8 3.7 4.2 3.8 5.6 4.9 3.1 2.6 7.4 4.3 31.9 21.61.71.81.8 1 0 1.92.12.12.4 20122013201420152016201720182019202020212022 海上(MW)陆上(MW) 从市场驱动或技术的发展来看，业内均比较认可大型化发展。海上风电机组大型化、风电场规模化、深远海化发展趋势提速，是海上风电降本增效的重要途径。 在2023北京国际风能大会暨展览会上，十多家风电整机商发布了新品，企业都将产品定位向大型化发展。展会上，三一重能发布了全球陆上最大的15MW风电机组；明阳智能发布了全球最大的海上机型MySE22MW海上机组，这较该公司今年初发布的18MW机组MySE18.X-28X，单机容量直接提升了4MW。 CWP2023上头部企业发布大型新机型汇总 企业 机型 东方电气 18MW海上风电机组、10MW+陆上风电机组 三一重能 15MW风电机组、13/16MW海上风电机组 中船海装 H260-12.5MW海上风电机组 中车株洲 14-16MW海上风电机组 运达股份 海风系列15MW海上风电机组 金风科技 全新陆上机组和海上机组，陆上机组功率涵盖6.X-10.X，海上机组功率涵盖12.X-16.X 明阳智能 MySE22MW海上机组 大型化、轻量化、平台化为风机带来单位零部件用量下降。以明阳MySE6.0MW产品线三款机型为例，在额定功率提升17.3%、50.9%情况下，对应主要零部件重量和尺寸提升幅度较小，而叶片在尺寸增加12.9%情况下重量减轻8.5%（采用轻量化纯玻纤叶片和碳玻混编叶片双方案设计）。我们认为，随着碳纤维技术的成熟应用及成本下降，将进一步带动风机综合成本的下降。 成本压力下，半直驱风机优势彰显。2021年以来大宗金属材料涨价未停止，发电机成本占比高的直驱风机压力显著。2022年以来，金风科技和上海电气均发布了陆上和海上的半直驱（中速永磁）系列产品，行业半直驱技术占比有望继续提升。 明阳智能MySE6.0MW产品线零部件参数情况 明阳智能6MW海上风机平台不同机型零部件参数情况 机型 单位 M