一、風(fēng)電齒輪箱綜述
風(fēng)能是一種可再生能源。近年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全世界的市場份額、規(guī)模和技術(shù)設(shè)計方面都經(jīng)歷了快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電將成為未來主要的電力來源之一。我國是風(fēng)力發(fā)電大國，陸上和海上風(fēng)電發(fā)電量均為全球第一。目前風(fēng)力發(fā)電機有兩種，分別是雙饋風(fēng)機和直驅(qū)風(fēng)機。雙饋、直驅(qū)兩種技術(shù)路線的本質(zhì)區(qū)別，在于雙饋型帶有“齒輪箱”，而直驅(qū)型不帶“齒輪箱”。齒輪箱是雙饋風(fēng)機的核心部件，主要用于將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動傳遞給發(fā)電機使之運轉(zhuǎn)。但是由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，通常需要依靠齒輪箱來增加轉(zhuǎn)速。齒輪箱零部件包括行星銷軸、行星齒輪、太陽輪、內(nèi)齒圈、扭力臂/齒輪箱端蓋、齒輪箱體/行星架等。
雙饋風(fēng)機與直驅(qū)風(fēng)機對比
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永磁直驅(qū)風(fēng)機和雙饋風(fēng)機兩者的最大區(qū)別在于不同的傳動、發(fā)電結(jié)構(gòu)?？偠灾来胖彬?qū)風(fēng)機發(fā)電更穩(wěn)定，但是體積大，運輸困難，改進空間大。目前，相對來說，雙饋齒輪風(fēng)機更具有經(jīng)濟效益。
直驅(qū)風(fēng)機與雙饋風(fēng)機發(fā)電機參數(shù)對比
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不同形式的風(fēng)力發(fā)電機組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。在風(fēng)電界水平軸風(fēng)力發(fā)電機組用固定平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動最為常見。齒輪箱層面，半直驅(qū)采用中速齒輪箱的設(shè)計，兩級行星結(jié)構(gòu)，無可靠性最差的第三級（高速級），大大降低了齒輪箱的故障率，傳遞效率比高速齒輪箱更高，重量更輕。從國內(nèi)主流的風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品系列可看出，在相同功率等級下，齒輪箱的傳動比越低，往往對應(yīng)著更小的齒輪箱重量。
典型齒輪箱參數(shù)
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二、風(fēng)電齒輪箱市場發(fā)展現(xiàn)狀
2020年全球風(fēng)力行業(yè)發(fā)展速度加快。據(jù)統(tǒng)計，2020年全球風(fēng)電齒輪箱行業(yè)市場規(guī)模為416億元，同比上漲54.07%，年均復(fù)合增速為14.52%。
2013-2025年全球風(fēng)電齒輪箱市場規(guī)模及增速
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中國風(fēng)力發(fā)電不僅裝機量、發(fā)電量居世界第一，風(fēng)電機組增長速度也快于全球。據(jù)統(tǒng)計，2020年，中國全球風(fēng)電齒輪箱市場規(guī)模為233億元，同比上漲177.38%，年均復(fù)合增長速度為25.70%。
2013-2025年中國風(fēng)電齒輪箱市場規(guī)模及增速
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相關(guān)報告：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2021-2026年中國風(fēng)電齒輪箱市場全面調(diào)研及行業(yè)投資潛力預(yù)測報告》
三、風(fēng)電機齒輪箱成本比例以及市場格局
據(jù)統(tǒng)計，2018年全球風(fēng)電齒輪箱行業(yè)市場集中度高，行業(yè)存在技術(shù)壁壘，CR5市場份額占到86%。2019年全球風(fēng)電齒輪箱前三大供應(yīng)商（中國高速傳動、采埃孚、威能極）合計市占率達68%，海外企業(yè)在海外市場仍有較高份額。伴隨大兆瓦風(fēng)機和海上風(fēng)電的發(fā)展，配套風(fēng)電齒輪箱的研發(fā)和批量化生產(chǎn)難度進一步提高，頭部供應(yīng)商搶先積極布局大兆瓦產(chǎn)品開發(fā)，目前中國高速傳動能夠提供涵蓋1.5MW-11.XMW的全系列風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)品。
2019年全球風(fēng)電齒輪箱行業(yè)市占率情況
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葉片和齒輪箱分別是風(fēng)力發(fā)電機組中成本最高的兩個核心零部件。據(jù)統(tǒng)計，2020年明陽智能和上海電氣公司公告中，齒輪箱成本分別占整機成本9.3%、11.0%。
2020年中國兩公司風(fēng)機齒輪箱成本占比情況
資料來源：各公司公開報告，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理
四、齒輪箱常見故障以及科學(xué)檢測維修
我國雖然是風(fēng)電大國，但是風(fēng)電機組的設(shè)計制造與國際先進水平還存在很大差距，運維成本居高不下。在風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的過程中，風(fēng)力發(fā)電機高昂的運維成本嚴(yán)重影響了風(fēng)力發(fā)電廠的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，對于工作壽命為20年的陸上風(fēng)電機組來說，運維費用占該風(fēng)電機組總收入的10%～15%，海上風(fēng)電機組的運維費用更高，占風(fēng)電機組總收入的20%～25%。對整個風(fēng)電機組來說，通常齒輪箱的故障率最高，運維費用占相當(dāng)大比重，歐洲國家占12%～30%，我國則高達40%。加之風(fēng)電機組安裝之處往往自然條件較為惡劣，齒輪箱的科學(xué)檢測以及維修方法就顯得尤為重要。
風(fēng)電齒輪箱常見故障
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開展齒輪和軸承的狀態(tài)監(jiān)測，是進行風(fēng)電齒輪箱維修的前提和基礎(chǔ)。風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測方法主要包括振動監(jiān)測、聲音監(jiān)測、油液磨粒監(jiān)測和溫度監(jiān)測四類，狀態(tài)監(jiān)測手段包括離線監(jiān)測和在線監(jiān)測兩類。
風(fēng)電齒輪箱故障常用檢測方法
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對風(fēng)電齒輪箱開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷的目的是為制定維修策略提供科學(xué)依據(jù)。針對風(fēng)電齒輪箱，目前應(yīng)用和正在研究的維修策略主要是預(yù)防性維修策略，包括定期維修策略和狀態(tài)維修策略。
風(fēng)電齒輪箱故障維修策略
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