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一、風力發(fā)電設備基礎知識

（一）風力發(fā)電設備的概念及分類

根據(jù)國家統(tǒng)計局制定的《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》，風力發(fā)電設備制造業(yè)包括鍋爐及原動設備制造（C341）項下的風能原動設備制造（C3415）和電機制造（C381）項下的發(fā)電機及發(fā)電機組制造（C3811）。

作為二次能源的電力，都由一次能源通過電力設備轉(zhuǎn)換而來。由于一次能源的種類和物理屬性不同，與之匹配的電力設備存在很大差異。按照利用的一次能源不同，發(fā)電設備可分為火電發(fā)電設備、水電發(fā)電設備、核能發(fā)電設備、光伏發(fā)電設備、風力發(fā)電設備和其他發(fā)電設備，其中，光伏發(fā)電設備、風力發(fā)電設備、水電發(fā)電設備統(tǒng)稱為可再生能源發(fā)電設備。風力發(fā)電設備是指由葉片、變速箱、風力發(fā)電機、塔筒以及輔助設備組成的風力發(fā)電系統(tǒng)。

（二）風力發(fā)電設備行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)來看，風機零部件主要有葉片、齒輪箱、風機（發(fā)電機）和塔筒（塔架）等，其組裝成為整機，即為風力發(fā)電設備。葉片是吸收風能的單元，用于將空氣的動能轉(zhuǎn)換為葉片轉(zhuǎn)動的機械能。齒輪箱為聯(lián)接葉片和風機的裝置，將葉片在風力作用下產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速（直驅(qū)式發(fā)電設備不使用齒輪箱）。風機是整個風力發(fā)電系統(tǒng)的做功裝置，將葉片轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換為電能。塔筒為風力發(fā)電的塔桿，在風力發(fā)電機組中主要起支撐作用，同時可吸收機組震動。此外，整個風電系統(tǒng)還配有偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，其中偏航系統(tǒng)為對風裝置，其作用為在風速矢量的方向變化時能快速對準風向以獲取最大風能；變槳系統(tǒng)控制葉片相對于旋轉(zhuǎn)平面的位置角度，通過改變氣流對葉片的攻角來使葉片捕獲風動轉(zhuǎn)矩和功率。

鋼鐵、有色金屬為齒輪箱、風機的主要原材料，鋼鐵為外部塔筒的主要原材料，樹脂及纖維材料制成葉片。因此，行業(yè)上游主要為鋼鐵、有色金屬材料、樹脂或纖維材料等大宗商品及其加工產(chǎn)品，下游客戶為風力發(fā)電企業(yè)，行業(yè)處于電力產(chǎn)業(yè)鏈的中游。

原材料價格隨國際大宗商品價格波動，行業(yè)參與者均為價格接受者，具有明顯的周期性特點。行業(yè)內(nèi)企業(yè)在對上游原材料價格被動接受，基本無議價能力，采購結(jié)算一般也采取現(xiàn)貨現(xiàn)款的結(jié)算方式。下游電力企業(yè)的發(fā)電項目均為招標采購，在我國由五大電力集團、神華集團和中廣核風電公司下屬風電企業(yè)占據(jù)主導地位，上述企業(yè)整體裝機占比達65%以上。從產(chǎn)業(yè)鏈地位來看，風力發(fā)電設備制造行業(yè)內(nèi)單體企業(yè)對上下游話語權均較弱，行業(yè)內(nèi)企業(yè)在銷售談判中不占有主動優(yōu)勢，不利于成本的降低和產(chǎn)品價格的提升，同時行業(yè)需求較易受國內(nèi)風電行業(yè)政策影響。整體看，風電設備制造行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈地位相對較弱。

二、風力發(fā)電設備技術路線

我國風力發(fā)電設備制造技術起步較晚，1996年之前我國風電設備全部從國外直接引進，之后才開始風電技術引進和規(guī)模化發(fā)展。1996~2006年，我國風力發(fā)電設備制造商基本依靠引進國外成熟風電技術，國外制造商在我國風機市場占據(jù)優(yōu)勢地位，截至2006年占新增裝機的55.10%。2006年以來，我國進入規(guī)?；l(fā)展階段，風電機組單機容量持續(xù)增大，陸上風電主流機型從開始的750kW增加到1.5MW-3.0MW，海上風電主流機型已達4MW以上。其他設備方面，風輪直徑和塔筒高度均持續(xù)提高；變槳距功率可調(diào)節(jié)型機組發(fā)展迅速，近年來在風電機組特別是大型風電機組上得到了廣泛應用。此外，直驅(qū)發(fā)電機（通過風輪直接驅(qū)動，取消高速齒輪箱的發(fā)電機）的市場份額迅速擴大。

整體來說，我國風電設備技術最近20年的發(fā)展一直處于追趕狀態(tài)，目前在整機制造、齒輪箱等大型組件可以規(guī)?；a(chǎn)，但自主研發(fā)能力、公共技術平臺（如大型葉片試驗、傳動系統(tǒng)試驗、整機測試場等）建設、檢測認證體系等方面，特別是關鍵零部件制造方面仍與國外先進產(chǎn)能有一定差距。目前我國風電度電成本約0.4~0.5元，為實現(xiàn)2020年風電平價上網(wǎng)，風力發(fā)電設備技術進步帶來的風電成本下降、效率提升將是最重要的途徑。

未來風力發(fā)電設備技術進步主要包括如下路線：

（一）機組整體單機容量更大，運營效率更高

我國風電機組持續(xù)呈向大功率的方向發(fā)展。據(jù)CWEA數(shù)據(jù)，2016年我國風電機組累計裝機平均功率為1.61MW，同比增長2.9%，其中1.5MW的風電機組占總裝機容量的50.4%，較2015年下降約5個百分點，2MW的風電機組同比上升約5個百分點至32.2%。2016年新增裝機平均功率1.96MW，同比增長6.4%，其中2MW已占到60%以上。2017年全球風電裝機平均單機容量為2.53MW，其中我國平均單機容量為2.11MW，風電平均單機容量首次突破2MW，但仍低于全球平均水平。

根據(jù)最新訂單情況，在我國2.5MW風電機組將逐漸替代2MW風電機組成為風電裝機的主流選擇。隨著風電發(fā)展加速拓展風速較低、地形復雜的中部和東南部地區(qū)，同時裝機容量普遍較高（以4MW為主，其次為3MW和3.6MW機組）的海上風電規(guī)模迅速增長，未來風電機組將繼續(xù)向高功率機型過渡，發(fā)電效率將進一步提高。

（二）風輪葉片直徑增加，葉片大型化、輕量化

與單機功率持續(xù)增大相匹配的，是風輪直徑的增加趨勢。據(jù)GE統(tǒng)計，2006年美國主流機型風輪直徑70m，而2016年的主流機型風輪直徑達116m，增加近60%；GE同時預計2025年風電機組風輪直徑將達到平均160m，掃風面積增加一倍，年發(fā)電能力提升一倍，度電成本可下降30%。

我國1.5MW風電機組的風輪主要規(guī)格為77m、82m和87m，2016年三者占1.5MW風電機組全部裝機容量的74.3%。2MW風電機組的風輪規(guī)格較分散，93m為最主要機型，但111m和115m增長迅速，存在超越93m的態(tài)勢。較大的風輪直徑及相應較長的葉片可與單機功率增加的趨勢相匹配，同時更好地適用于低風速地區(qū)，從而獲得更大的發(fā)電量與更低的發(fā)電成本。

此外，風輪葉片亦存在減重、降載等性能需求，主要提升途徑為復合材料的發(fā)展。玻璃纖維復合材料為傳統(tǒng)風輪葉片制造材料，成本相對較低，但在葉片長度超過一定值后重量較大，性能上存在不足，無法滿足葉片大型化、輕量化的需求。而碳纖維復合材料葉片剛度為玻璃纖維復合葉片的兩至三倍，密度則低于玻璃纖維復合葉片，極限和疲勞性能均較優(yōu)。但由于價格昂貴，碳纖維復合材料在風電葉片上未得到大范圍應用，但隨著風電葉片長度的延伸，碳纖維復合材料已成為葉片材料的一大趨勢。

（三）直驅(qū)永磁式發(fā)電機與雙饋式的競爭

目前，我國市場上主流的風電機組為雙饋式風力發(fā)電機組，主要技術為采用了風輪可變速變槳運行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)；它的發(fā)電機轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、重量輕、體積??；但為了風輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速相匹配，需用齒輪箱聯(lián)接風輪和發(fā)電機，齒輪箱增加了機組總成本，且其噪音大、故障率高、需要定期維護、機械損耗大。

直驅(qū)永磁式風力發(fā)電機為采用永磁發(fā)電機（永磁發(fā)電機具有結(jié)構簡單、體積小、免除無線電干擾等優(yōu)點，能夠提高發(fā)電效率）且風輪與電機直接耦合的風力發(fā)電機。與雙饋式發(fā)電機相比，直驅(qū)式風力發(fā)電機通過風輪直接驅(qū)動，取消了高速齒輪箱，能夠提高機組的安全性和穩(wěn)定性，降低制造成本和運維成本。然而，直驅(qū)式發(fā)電機因沒有齒輪箱，風輪受到的各種有害沖擊載荷全部由發(fā)電機系統(tǒng)承受，對發(fā)電機要求更高；其亦存在失磁和絕緣的問題，與電網(wǎng)發(fā)生振蕩現(xiàn)象還可能導致安全事故。

盡管阿爾斯通、通用電氣和Enercon等全球風電設備制造商在3MW以上較高功率機組中應用直驅(qū)式技術，但2017年全球前十大風電整機制造商中，八家的新增陸上風電裝機采用雙饋式技術。我國行業(yè)內(nèi)金風科技主要采用直驅(qū)式，華銳風電、遠景能源則主要為雙饋式。盡管直驅(qū)式效率更高、功率曲線更優(yōu)，適宜在低風速地區(qū)使用，但考慮技術的成熟性、穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性，直驅(qū)式技術尚無法替代雙饋式技術的主流地位，尤其在海上風電機組方面，雙饋式技術將保持絕對主流地位。

（四）高塔筒技術的應用

隨著風力發(fā)電開發(fā)向低風速地區(qū)轉(zhuǎn)移，增加塔筒高度以提高發(fā)電效率已成為明確趨勢。目前全球范圍內(nèi)高塔筒主要有三條技術路線，分別為全鋼柔性塔筒、砼鋼混合塔筒和全混凝土塔筒。

塔筒自身頻率在葉輪1P（風輪額定轉(zhuǎn)速下的1階頻率稱為1P，3階頻率稱為3P）以上為傳統(tǒng)塔筒，以下為柔性塔筒。塔筒高度增加，可提高風電機組的利用小時數(shù)，但傳統(tǒng)的塔筒在高于100米后，重量會出現(xiàn)指數(shù)型增加，成本大幅攀升，而全鋼柔性塔筒的重量則輕得多，如對于121/2.5MW風電機組，柔性塔筒的重量較傳統(tǒng)塔筒低1/3。柔塔可將輪轂托舉至110~140m的高度，在塔筒成本不變的情況下提高機組發(fā)電能力，仍以121/2.5MW風電機組為例，柔性塔筒與剛性塔筒相比風電機組發(fā)電量可提高約12%，度電成本下降約6%。由于柔塔頻率低于葉輪額定轉(zhuǎn)速頻率，在葉輪達到額定轉(zhuǎn)速之前容易出現(xiàn)共振，目前已有變槳偏航剎車和調(diào)整發(fā)電機電磁力矩等技術可解決這一問題，但上述應用尚處于初期。

與控制策略要求較高的全鋼柔性塔筒相比，砼鋼混合塔筒設計相對簡單，對智能控制技術要求不高，但施工工藝相對復雜，且預制件成本壓力較大，對技術路線進步形成阻礙。對于120m及以上高度，混凝土塔筒在安全性、承載力、穩(wěn)定性、運維成本等方面與傳統(tǒng)鋼制塔筒相比具有突出優(yōu)勢，但目前仍處于初步發(fā)展階段，投入應用的產(chǎn)品仍較少。

（五）海上風電的發(fā)展

根據(jù)風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃，到2020年底海上風電并網(wǎng)裝機容量目標為5GW以上，截至2017年末，中國海上風電裝機容量為2.79GW，同比增長71%，未來發(fā)展空間仍很大。

歐洲為海上風電較發(fā)達的地區(qū)，典型的風電場風速近10m/s，而中國除福建周邊海域風速較高外，多數(shù)海域風速在6.5~8.0m/s之間，風速相對較低。因此，我國海上風電需要通過選擇較低容量或提高風輪直徑增加單位千瓦掃風面積，提高發(fā)電效率。目前中國海上風電機組主流為4MW，未來仍將向更大功率機組發(fā)展，對控制機組受力和部件強度提出了更高要求；同時，由于海上自然環(huán)境復雜，鹽霧、海流對機體易形成腐蝕，加之海冰與臺風災害，機組部件材料必須加強防腐防鹽、抗水抗霉等性能，低緯度地區(qū)塔筒和葉片需增加剛度和減震性能，高緯度地區(qū)需通過特殊涂層和主動加熱以抵御嚴寒和海冰。

三、風力發(fā)電設備行業(yè)監(jiān)管及核心產(chǎn)業(yè)政策

（一）行業(yè)主管部門

行業(yè)主管部門為國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、工業(yè)和信息化部，由于風力發(fā)電設備制造業(yè)屬于多學科交叉行業(yè)，行業(yè)同時受多個自律組織的指導，包括中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會、全國風力機械協(xié)會標準化委員會、中國動力工程學會系能源設備專業(yè)委員會、中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風能設備分會等。

國家發(fā)改委、能源局負責組織編制國家電力五年規(guī)劃、年度能源工作指導意見以及行業(yè)重要產(chǎn)業(yè)政策并協(xié)調(diào)重大相關政策并推進落實等。

工信部負責組織編制發(fā)電設備各制造行業(yè)標準、規(guī)范條件及行業(yè)管理辦法的編寫、修訂及發(fā)布，并推出符合行業(yè)規(guī)范條件名單。

各個自律組織負責調(diào)查研究風力發(fā)電設備企業(yè)發(fā)展等方面的情況，開展學術交流和技術合作；制定風力發(fā)電設備的標準化技術；組織行業(yè)調(diào)研及咨詢服務活動，分析和發(fā)布與行業(yè)相關的技術與經(jīng)濟信息，進行市場預測預報，為政府、企業(yè)、會員和社會中介組織等提供信息服務。

（二）相關行業(yè)政策

風力發(fā)電設備屬于清潔能源和可再生能源，我國在保證電力供應安全的前提下大力發(fā)展清潔能源和可再生能源。在此前提下，國家出臺各項政策用以促進風力發(fā)電設備行業(yè)發(fā)展。國家對風力發(fā)電設備行業(yè)的促進政策主要有以下四個方面：一、設立可再生能源發(fā)展專項資金對風力發(fā)電項目進行補貼；二、制定風力發(fā)電項目發(fā)展規(guī)劃及年度裝機容量目標；三、制定風力發(fā)電設備行業(yè)產(chǎn)品及工藝技術標準、行業(yè)規(guī)范條件、行業(yè)管理辦法等規(guī)范風力發(fā)電設備行業(yè)有序發(fā)展；四、通過專項政策及與扶貧、財稅、金融等其他扶持政策有機結(jié)合促進行業(yè)升級改造。

從政策脈絡來看，2005年我國通過立法確定大力發(fā)展風力發(fā)電以來，我國進入風電發(fā)電設備的初始階段，由于這一階段國內(nèi)裝機規(guī)模很小、投資成本高昂，我國主要針對年度新增裝機規(guī)模設定目標。隨著年度裝機規(guī)模規(guī)劃不斷增長、風電設備制造行業(yè)規(guī)范條件的不斷完善、風電設備國產(chǎn)化程度的提高，風電上網(wǎng)補貼電價自2009年確立以來不斷降低、2020年目標實現(xiàn)風電供電側(cè)平價上網(wǎng)，風電發(fā)電設備制造行業(yè)持續(xù)革新技術路線，提升產(chǎn)品工藝及能效水平，行業(yè)內(nèi)企業(yè)逐步做大做強。近年由于風力發(fā)電量增加而當?shù)叵{能力不足、電力外運通道受限等，棄風限電現(xiàn)象較為嚴重，國家對棄風率高的省份限制新增規(guī)模，風電發(fā)電設備需求較前期有所下滑。在當前陸上風能資源豐富區(qū)已大規(guī)模開發(fā)、棄風現(xiàn)象嚴重的情況下，分散式風電及海上風電逐步受到政策層重視，將有助于維持風電設備制造行業(yè)下游需求、推動行業(yè)技術的革新。

受風電行業(yè)產(chǎn)業(yè)政策影響，風電設備制造行業(yè)的下游需求呈現(xiàn)一定波動性、行業(yè)產(chǎn)能持續(xù)擴張、技術水平提升、投資收益率不斷下降，本專題后續(xù)將對上述情況進行詳細分析。