风电高塔技术：柔塔、混塔、桁架塔技术大比拼，哪种最...

yingfeng201973

风电高塔技术：柔塔、混塔、桁架塔技术大比拼，哪种最占优势？
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* C* M  R% R# X& r; o, u风电平价时代洪流下，既要发电量，又要便宜，更重要是还需确保可靠性。
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为追求更低的成本，传统的低风速风机已不能满足平价要求，更长叶轮直径、更高轮毂高度、更大功率风机成为降本增效，提高竞争力的主要应对方式。
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但叶片加长也有一定的限度，为此业内开始想办法通过加高塔架来提高风机利用小时数。一般认为，塔筒高度超过100m，即被称为高塔筒。

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我国中东部和平原地区风速低，风资源较差，但风切变相对较大，塔筒高度的提升，能显著提高发电量增加风场效益。随着塔筒攀高，风电高塔技术也随之不断突破。
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一、政策、经济环境加持

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风电塔筒是风电设备的重要组成部分，作为风电机组和基础环（或桩基、导管架）间的连接构件，传递上部数百吨重的风电机组重量，也是实现风电机组维护、输变电等功能所需的重要构件。我国风电场建设始于20世纪80年代，在其后的十余年中，经历了初期示范阶段和产业化建立阶段，装机容量平稳、缓慢增长。自2003年起，随着国家发改委首期风电特许权项目的招标，风电场建设进入规模化及国产化阶段，装机容量增长迅速。特别是2006年开始，连续四年装机容量翻番，形成了爆发式的增长。而风电市场的快速发展也将为风电塔筒行业带来前所未有的发展机遇。

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* i  o( g( ]0 Q, s7 p8 t近些年，中国在海上风电方面出台多项鼓励政策，引导海上风电更好、更快地发展，市场需求上升十分迅猛，国内海上风电设备制造商迎来了良好发展机遇。

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根据全球风能理事会统计，2001年至2020年全球风电累计装机容量从23.9GW增至742.7GW，年复合增长率达19.83%。而海上风电作为风电的重要组成部分，因其风源稳定、利用率高、单机装机容量大等特点，近年来总装机容量增长速度高于陆上风电。全球风电尤其是海上风电装机容量的快速增长，势必将扩增对风电塔筒、桩基等风电设备零部件的市场需求量。2021年，全球累计风电装机容量为837GW，其中陆上风电累计装机容量为780.3 GW，海上风电累计装机容量为57.2GW。
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6 q# O9 \, i$ T0 K近年来，我国风电产业持续快速发展，得益于明确的规划和不断更新升级的发展目标。据中国风能协会统计，我国风电累计装机容量远超过全球平均水平，已成为全球风力发电规模最大、发展最快的市场。
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# ]5 ?2 |; o1 p9 ^4 m% p二、柔塔、混塔&桁架塔技术大比拼

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7 n# B$ H% |7 c' V$ J. k( `风机大型化是大势所趋，与之相对应的是塔筒高度的提升，传统刚性塔架重量指数也呈直线上升。90米高的传统塔架一般重约200余吨，120米高则已接近600吨...出于轻量化、钢价等考量，全钢柔塔、混塔、桁架塔应势而生，赢得了一席之地并被市场认可。

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, ~+ m( {  W' q全钢柔塔：塔筒重量明显降低，经济性提高，但存在一定技术风险点。柔塔在叶轮转速到某一个点上会产生共振，容易导致“塔筒共振”和“涡激振动”；塔筒高度增加带来摆幅增大，影响机组稳定运行。
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5 G# ]2 ]  _. B. X# o" E  ]9 H高度在120米及以上的钢制塔筒，已多数采用柔塔，而其材料、工艺、运输、吊装和传统刚性塔架并无实质区别，所以，相比于钢混塔筒、桁架式塔筒，柔塔的供应链完整。

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柔塔的“柔”，与叶轮额定转速有关，叶轮额定转速下的1阶频率称为1p，3阶频率成为3p；当塔架自身的频率在叶轮1阶频率以上的，是传统塔架，1p以下的，是柔塔。
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! i6 [; t) T( E3 q, |* A3 Y2015年1月7日，国内第一台安装柔塔的金风科技样机吊装；2021年12月，中国风电柔塔刷新纪录，跨入165米+新时代，成为亚洲第一高柔塔。
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) p+ ]2 g' N% u; a  I/ E  [钢混塔：一般指钢材和混凝土共同构成的塔架，其下部是混凝土段，上部是钢塔段，包括全混和半混。整体结构刚度大，可靠性更强，有现场浇筑、现场工厂整环预制、集中工厂分片预制3种方案。

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+ L8 X- M- P3 Q+ H; E对于160m级别以上超高风机，全钢柔塔技术方案存在太大不确定性，同时，钢材等原材料成本上升，混塔技术成为提升风机高度与保障机组可靠性运行的另一选择。
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2018年10月25日，我国首个采用140m钢混塔的风电场实现全场并网。此后，160m、165m、166m风电钢混塔风机相继吊装，整机商自主研发技术取得里程碑式的突破。
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9 ~/ s) \' G' Z0 w据了解，当前全球最高陆上风电机组达230m，就采用了上部钢结构，下部混凝土的混塔技术方案。


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桁架塔：此种塔架结构大大节省用钢量，并且可以在多种场景下应用，经济性和稳定性较好。但相比传统塔架，螺栓用量极多，安装紧固和运维工作量等较大，且存在一定风险。
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2020年9月，160m预应力构架式钢管塔的风机在山东鄄城并网，一举刷新当时我国风电机组高度记录；2021年10月，全球首座170m超高桁架式塔架风电机组于山东项目吊装。


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- }+ S/ T  x& `5 y. ]4 W( G8 w三、轻资产运营与竞争优势
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塔筒行业属于轻资产运营，其主要模式为从上游钢铁行业买入钢板等原材料，加工成塔筒然后销售出去。


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9 C* o; L* g, y; u# D# i在其成本构成中原材料占比较高，所需的设备投资则相对较少。


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以塔筒上市公司天顺风能年报为例，其直接材料成本占比接近82%，占比相当高。
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% v; N0 C9 h+ B# F& b7 q* Z而主轴上市公司金雷股份年报披露的直接材料占比仅为62%左右，远低于塔筒环节。



相较于其它重资产环节，塔筒产能的扩张速度更快，扩张难度也更低，导致市场上存在大量的潜在竞争者。比如，2020 年，陆上风电抢装导致头部厂商产能趋于饱和，部分中小产能便随之涌现填补供需缺口，造成市场短期的集中度下降。



4 I& {8 c2 ]; r+ F1 |, }因此，在塔筒这个细分子行业，龙头企业虽然拥有一定的优势，但因为整体的进入壁垒不高，对该环节上市公司的赢利能力有一定影响。


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& |- L3 u0 N: G% S7 F; g各家上市公司的毛利率走势基本一致，2021年半年报平均在20%附近。
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当然，这并不是说塔筒龙头公司不具备任何竞争优势。
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: `/ d  l! B: ~! {. C+ m对于塔筒企业来说，其核心竞争优势主要体现为两点：

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第一、产品质量。塔筒常年在野外运行，面临的外部环境较为恶劣，运行风险较大，并且可靠使用寿命需保持在 20 年以上，对产品质量要求较高。技术方面，像法兰连接、焊缝、错边量控制以及防腐等方面均有较高的要求。
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3 B3 l# A& O" i  V0 X1 L# {4 G4 |第二、履约能力。公司能有效协调供应链，高效生产，保证产品能按时履约。

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进一步地，以天顺风能为例做一下成本拆解。


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根据2020年年报，天顺风能原材料占比 81.95%，原材料以钢材为主，该环节的盈利能力对钢价十分敏感，人工工资占比5.93%，制造费用占比4.75%，运费占比7.37%。

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0 {5 A2 m% y; Z7 w, q& B: g2021 年，钢板价格高企，塔筒龙头企业一方面利用规模优势与钢企达成合作减少价格波动带来的影响，另一方面利用行业地位拥有的话语权向下游提价，抵消原材料价格上涨带来的影响。


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. i. x; y  [+ Q/ |7 h: @: w龙头公司在成本控制和转嫁能力上相对中小企业也会有一定的优势。
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四、百花齐放 超高风机不止于“高”
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业内分析表示，未来3年的市场商机，风切变大于0.2的容量超过3100万千瓦，占总商机容量的22%；风切变大于0.16的容量超过4300万千瓦，占总商机容量的30%。



2015年前，70m级叶轮直径的风机塔筒高度在70-80m，CWEA数据显示，2018年，风电机组平均高度为91m，最高风机达140m；2019年，风电机组平均高度为96m，同步往年增加5m，最高风机达147m，同步往年增加7m。到2021年，国内的塔筒高度普遍超过140m。
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据了解，目前最高为金风科技发布的Double 185高塔（包含185米钢混塔架和185米钢制柔塔），产品基于钢塔，对行业未来资源开发范围给与了延伸。
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' V* H( n; p# i2 G% U; x国内高塔筒技术虽起步较晚，但目前已然成熟，“柔塔”占绝对优势，钢混塔其次。


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6 Y* Z8 U. D# r# J但随着塔筒不断升高，质量和成本控制难度加大，对控制技术、制造运输等多方面核心技术都带来新的挑战。为攻坚克难，斜拉索式、分片式塔筒、自提升技术、3D打印、木质塔筒等新技术也在不断突破。



作为国内首个“分片式”风电钢混塔筒批量项目，江苏国源宝应巳丰项目采用30台中国海装H136-2.2MW机组，搭配140m分片式钢混塔筒。



风电高塔技术，能显著提高经济效益毋庸置疑，但这绝非只是靠一个简单的“高”字，而是涉及到机组控制策略、运输、安装、施工等一系列技术问题的整体工程解决方案。

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1 b$ s! z' }& R( P: [8 t市场决定技术，展望未来，高塔技术将会催生新的技术变革。除风电钢柔塔、混塔、桁架塔之外，不同结构形式的高塔架百花齐放，成为市场上重要的技术补充形式。

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