平價風電專題研究：風電軸承降本突圍

平價風電專題研究：風電軸承降本突圍一、行業(yè)概況：規(guī)模與成本展望全球風電市場展望隨著巴黎協(xié)定締約國不斷推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和綠色電力的發(fā)展，中國大陸、歐洲和美國等主力市場正醞釀新一輪增長動能，同時東南亞、拉丁美洲等新興市場也展現(xiàn)需求爆發(fā)性。全球風電市場正邁入持續(xù)成長的平價道路，我們預期全球風電新增裝機容量將從2022年的104GW增長到2025年的163GW，三年CAGR為17%。其中陸風在2022年達到91GW，2025年達到130GW，CAGR13%；海風從2022年的12.6GW增長到2025年的35.1GW,CAGR44%。風機設備全球產(chǎn)值從2022年的4264億元增長至5026億元。海外風電市場展望我們預期在拉丁美洲等新興經(jīng)濟的帶動下，海外陸風市場維持在40G-46GW的穩(wěn)定水平，海外海上風電在歐美市場的帶動下實現(xiàn)高速增長，裝機容量從2022年的6.1GW增長到2025年的15.1GW,CAGR達到35%；海外裝機規(guī)模從2022年的52GW增長到2025年的60GW，海外市場的風機設備產(chǎn)值維持在3000億元附近的高位。中國大陸風電市場展望在雙碳政策的穩(wěn)步推進下，國內(nèi)風電行業(yè)憑借良好的經(jīng)濟性，未來四年實現(xiàn)海陸并舉的增長節(jié)奏。陸上風電將從2022年的45GW增長到2025年的85GW,CAGR24%;海上風電從2022年的6.5GW增長至2025年的18GW,CAGR高達40%；由于風機大型化降本效應突出，國內(nèi)風機設備產(chǎn)值在1700-2000億元之間波動。國內(nèi)風機成本與售價展望我們預計隨著風機單機功率的不斷上升，單位容量分攤的物料和制造費用顯著下降，風機單位kW成本將下降到1600元以下；同時風機價格由于平價時代的市場競爭原因也將讓出全部降本空間，裝機規(guī)模的擴大提升了企業(yè)的經(jīng)營杠桿，行業(yè)單位kW毛利也將有所下降，陸風毛利從原來的400元-800元下降到250-500元左右；海風單位kW毛利從補貼時代的1500-1800元下降至600-900元。未來風電技術(shù)發(fā)展趨勢——風機大型化中國已形成較為完備的風電設備配套產(chǎn)業(yè)鏈，零部件國產(chǎn)化率達到95%以上。到2021年，中國陸上風電場主流投標機型已提高到6-7MW，陸上風電機組平均單機容量達到3.1MW；海上主流投標機型達到9-10MW以上（最大為11MW），海上風電機組平均單機容量達到5.6MW。風機大型化對各環(huán)節(jié)價值量的影響在平價上網(wǎng)政策驅(qū)動下，風電機組的設計技術(shù)水平不斷提升，包括精細化的概念設計、先進的計算手段，不斷優(yōu)化的控制策略，逐步完善的智能化水平，葉片、齒輪箱、發(fā)電機、變流器等關(guān)鍵部件設計技術(shù)和制造工藝的創(chuàng)新，提升發(fā)電量，降低載荷、減少成本，使得大型化、定制化、電網(wǎng)友好型的風電機組具有更優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟性。二、軸承行業(yè)簡介軸承產(chǎn)品簡介滾動軸承通常由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。軸承的外圈和內(nèi)圈統(tǒng)稱為軸承套圈，是具有一個或幾個滾道的環(huán)形零件。滾動體分為球和滾子兩種。內(nèi)外圈及滾動體的材料主要為軸承鋼，包括高碳鉻鋼、鉻鎳合金鋼和錳鉻合金鋼等金屬材料。保持架具有分隔滾動體，使之避免相互摩擦、均勻分布載荷、改善滾動條件等作用，其材料包括鋼板、黃銅、聚酰胺、玻璃纖維增強尼龍等。軸承關(guān)鍵部件：套圈與軸承鋼套圈及滾動體的材料主要為軸承鋼，包括高碳鉻鋼、鉻鎳合金鋼和錳鉻合金鋼等金屬材料。軸承鋼又被稱為“鋼中之王”，對氧含量（低于5ppm）、夾雜物濃度與尺寸（低于10μm）、碳化物均勻度、硬度與韌性性能等要求極高。我國在軸承鋼成分設計、產(chǎn)品系列化、標準化等方面與國外還存在較大差距。軸承關(guān)鍵部件：滾動體滾動體主要分為球和滾子，對應的將滾動軸承分為球軸承和滾子軸承，其技術(shù)難度主要體現(xiàn)在精度、硬度、壓碎載荷、殘余應力、殘余奧氏體比例等方面，全球范圍內(nèi)四大龍頭企業(yè)為美國恩恩（NN）、日本椿中島、山東東阿鋼球、力星股份等。球滾動體按材質(zhì)主要分為碳鋼球、軸承鋼球、不銹鋼球和陶瓷等其他材質(zhì)球四大類，其中軸承鋼由于優(yōu)異的性能使得其中的軸承鋼球成為風電軸承用鋼球的主要原材料。滾子主要包括圓柱滾子和圓錐滾子，主要采用軸承鋼作為原材料。全球軸承行業(yè)主要企業(yè)瑞典SKF公司在全球25個國家有105家生產(chǎn)工廠，銷售網(wǎng)點遍布130個國家和地區(qū)；德國Schaeffler公司在全球50多個國家有180多個分支機構(gòu)，擁有員工79,000多名；日本NSK公司在全球24個國家和地區(qū)建立了銷售網(wǎng)絡，擁有75家生產(chǎn)企業(yè)；美國TIMKEN公司在全球30個國家設有運營機構(gòu)和生產(chǎn)工廠，擁有近2萬名員工。這些公司擁有一流的科技人才、加工設備和制造技術(shù)，引領著世界軸承的發(fā)展方向。我國軸承行業(yè)發(fā)展狀況改革開放以來，我國軸承工業(yè)已形成一整套獨立完整的工業(yè)體系，已經(jīng)邁入軸承工業(yè)大國行列，位列世界第三。我國雖已是世界軸承生產(chǎn)大國，但還不是世界軸承生產(chǎn)強國，我國軸承行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、研發(fā)能力、技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、效率效益都與國際先進水平存在較大差距。近五年我國軸承出口總金額已超過進口總金額，但出口單價顯著低于進口單價，形成了“低端出口，高端進口”的整體局面。2020年，我國軸承進出口總額為92億美元，其中，出口創(chuàng)匯48.34億美元，同比下降9.14%；進口用匯43.66億美元，同比增長19.78%。三、風電軸承與國產(chǎn)化市場空間回轉(zhuǎn)支承簡介回轉(zhuǎn)支承是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，屬于滾動軸承，可以同時承受較大的軸向、徑向負荷和傾覆力矩，在現(xiàn)代工業(yè)中應用廣泛，目前下游行業(yè)主要包括工程機械、新能源裝備、盾構(gòu)裝備和海工裝備等，風電的主軸軸承主要采用回轉(zhuǎn)支承軸承?；剞D(zhuǎn)支承vs.普通軸承：1.回轉(zhuǎn)支承需要承受綜合負荷（軸向、徑向、傾覆力矩）；2.運轉(zhuǎn)速度較低（通常50轉(zhuǎn)/分鐘以下）；3.尺寸較大；4.材料及熱處理工藝要求更高。風電軸承技術(shù)難度風電主軸軸承設計難度高，風機裝在百米高空，經(jīng)受低溫、濕熱、風沙、鹽霧等惡劣環(huán)境，壽命要求達到25-30年，對設備可靠性要求很高，葉輪主軸承受的載荷大，相較其他軸承長度較廠，容易變形，需要足夠高的強度、硬度、抗沖擊性能，而且要控制好缺陷，防止過早疲勞。風電軸承的結(jié)構(gòu)并不復雜，但對于精度、壽命和可靠性、穩(wěn)定性的要求極高，其中主軸軸承的產(chǎn)品歷史表現(xiàn)在客戶開拓中十分重要，風電軸承準入認證非常嚴格，驗證周期長，后期一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題損失巨大。國內(nèi)大兆瓦風電軸承行業(yè)進展國內(nèi)龍頭企業(yè)近期紛紛布局大兆瓦配套風電軸承技術(shù)與產(chǎn)能，根據(jù)公司性質(zhì)可以分為國有企業(yè)陣營和民營企業(yè)陣營，前者技術(shù)積淀較為深厚，已實現(xiàn)最大7MW風電主軸承的生產(chǎn)；后者介入大兆瓦風電軸承相對較晚但憑借通暢的上市融資渠道有望展現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢。風電主軸承與國產(chǎn)化情況風電用軸承中主軸軸承尺寸最大，海上風電配套主軸軸承直徑可達4米以上，套圈和滾動體制造和加工難度顯著提高，需要同時承受巨大的軸向/徑向載荷和傾覆力矩，在25年的使用周期中基本無法更換維修，技術(shù)難度最高。全球風電主軸承板塊中舍弗勒和斯凱孚共占50%以上市場份額，中國的洛軸和瓦軸各占4%的全球市場份額，且以3MW及以下產(chǎn)品為主。風電軸承市場空間測算目前我國主軸軸承和偏航變槳軸承還有很大比例以來外資企業(yè)生產(chǎn)供應，假設國內(nèi)市場全部由國產(chǎn)品牌供應，風機大型化后按照陸上風機主軸軸承價值量占比3%，偏變軸承占比3%、海上風機主軸軸承價值量占比4%，偏變軸承占比3%；2025年國內(nèi)風電市場國產(chǎn)主軸軸承市場空間達到37億元，偏航變槳軸承50億元。四、滑動軸承在風電整機領域的應用滑動軸承分類按照是否需要持續(xù)補充潤滑油滑動軸承可以劃分為一般潤滑軸承和自潤滑軸承兩大類。自潤滑軸承是指用自潤滑材料制作或在材料中預先加入潤滑劑，在工作時可以不加或長時期不必加潤滑劑的滑動軸承。自潤滑軸承特別適合在重載、低速及惡劣工況（如極端溫度、真空、高空、腐蝕性等無法加油或難加油情況）下使用，目前被廣泛運用于汽車、工程機械、港口機械、塑料機械、農(nóng)業(yè)機械等行業(yè)。自潤滑軸承基本結(jié)構(gòu)復層類自潤滑軸承一般由基層和襯層組成，其中襯層材料起自潤滑作用，基層起支撐作用，其它材料起連接過渡作用；基層包括金屬和非金屬兩大類，金屬主要為碳素鋼、銅合金、鋁合金、鑄鐵等，非金屬主要為塑料、橡膠、硬木等；襯層也包括金屬和非金屬兩大類，金屬主要為銅合金、鋁合金、鋅合金、巴氏合金等，非金屬主要為PTFE、PEEK、POM、PA、PI、酚醛樹脂等。自潤滑軸承核心工藝各類襯層材料在單獨使用時往往存在各種缺陷，以PTFE為例，其優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，但其熱導性和耐磨性能差、承載能力低。為改善PTFE的特性并增強其穩(wěn)定性，在PTFE中添加其他材料如纖維、石墨、MoS2、銅粉等復合而成的新材料能從根本上彌補PTFE材料的缺陷，組成一種較為理想的減摩材料。各類軸承特性對比由于自潤滑軸承無需供油裝置，工作過程中可以不用加油，因此可以節(jié)省大量的安裝和運行成本，提高機械性能，提升使用壽命及可靠性。無油化處理無需廢油回收處理，還有利于環(huán)境保護。自潤滑軸承對于磨軸的硬度要求較低，從而降低了相關(guān)零件的加工難度。自潤滑復合軸承結(jié)構(gòu)中，表面可電鍍多種金屬，可在腐蝕介質(zhì)中使用。此外，由于無油潤滑不存在油脂揮發(fā)問題，自潤滑軸承可在高溫高壓環(huán)境下使用。自潤滑軸承全球主要企業(yè)自潤滑軸承“METALINE”1870年在美國出現(xiàn)，二十世紀四十年代初期，鋼-燒結(jié)銅鎳合金-巴氏合金多層金屬減摩材料得到了發(fā)展，從而將材料強度和所要求的軸承性能開始結(jié)合起來。二十世紀五十年代的后期，英國Glacier公司開發(fā)了一種含有PTFE的鋼-燒結(jié)青銅軸承材料，商品被命名為DU，這種軸承材料得到廣泛的應用。五十年代中期，德國開發(fā)了一種由金屬與石墨組成的干摩擦軸承材料。二十世紀六十年代后期，美國成功研制了燒結(jié)鋁基軸承材料，隨后研制出了耐腐蝕性良好的燒結(jié)鐵基軸承材料?，F(xiàn)有海外自潤滑軸承企業(yè)主要包括MIBA、RENK、GGB、日本大同金屬等。五、滑動軸承在風電齒輪箱中的應用與市場空間齒輪箱典型結(jié)構(gòu)目前風電齒輪箱傳動結(jié)構(gòu)主要包括一級行星輪系加兩級平行軸結(jié)構(gòu)、兩級行星輪系加一級平行軸結(jié)構(gòu)，此外還包括RENK型復合行星齒輪、GE型復合行星齒輪、博世力士樂Redulus結(jié)構(gòu)等企業(yè)定制化齒輪箱結(jié)構(gòu)。齒輪箱結(jié)構(gòu)雖然形式多樣但基本都是由行星輪系和平行軸系構(gòu)成，行星輪系與平行軸相比的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力強、噪音小，但其缺點在于結(jié)構(gòu)較為復雜、加工和裝配技術(shù)要求較高，實際應