風電材料行業專題研究：玻纖碳纖雙驕，共享風電增量時代

（報告出品方/作者：民生證券，李陽）

1。 風機大型化推動大絲束碳纖維需求

1.1 大功率風機佔比明顯提升

風機廠商大功率機型佔比明顯提升

。CWEA 資料顯示，國內風電新增裝機平均單機功率 從 2010 年 1。45MW 上升到 2019 年 2。45MW，主流機型單機容量不斷上升。觀察整機廠金風科 技、明陽智慧的在手外部訂單及產量結構，同樣可以看出大功率機型是大勢所趨，3MW 及以 上機型佔比從 2018 年較低份額提升到當前主力機型。

風機大型化能有效降低度電成本。（1）攤薄風機制造成本：國內整機廠提高關鍵部件輸 出功率，而在普通零部件端保持通用設計，因此零部件材料使用量與風機功率非固定值。參考 Vestas 不同單機容量機型耗用原材料資料，風機大型化能夠降低 W 原材料製造成本；（2） 攤薄風機制造成本：同等裝機規模下，風電單機功率提升則所需風機數量下降，對應塔架、 土地、道路等建設費用將隨之攤薄；（3）提升發電效率：同等風速情況下風電機組發電量與 掃風面積成正比，因此增加葉片長度能夠有效提升發電量。

葉片長度不斷突破。一般風機功率越大、葉片長度越長，風機廠商大功率機型佔比 提升，帶動主流新增裝機葉輪直徑 2014 年 90-110 米提升到 2018 年 110-130 米（資料來源： CWEA）。 我國風電發展初期，風機多裝於陸上富風區域，隨著富風區域市場逐漸飽和，以及低風速 和海上風電技術發展，在低風速區域和海上建風電廠已具備經濟效益。

而在低風速區和海上風 電場，風機葉輪直徑是重要競爭力指標，因為葉輪直徑越長，掃風面積越大，發電量越大，以 彌補風速不足的缺陷，小葉片已不能充分匹配海上需求。海風發展前景較為樂觀， 近年來無論是全球還是我國，海上風電累積裝機量增速持續高於整體，歐洲多國已制訂計劃， 預備大規模開發利用海上風力資源。

1.2 葉片大型化帶動碳纖維需求

葉片大型化提高輕量化與強度剛度要求，從而帶動碳纖維需求。（1）輕量化：葉片長度 增加時，由於葉片重量增加與風葉長度立方成正比，而風機產生電能與風葉長度平方成正比， 因此葉片重量增加快於能量提取。碳纖維由於其減重效能成為平衡葉片長度與重量的新型應用 材料。（2）滿足強度剛度要求：葉片長度增加同時也對增強材料的強度、剛度等效能提出更 高要求，如為保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠剛度，而碳纖維能夠起到強 增強效果。

2。 風電葉片材料：玻纖 vs 碳纖維

2.1 玻纖為主流風電葉片增強材料

2.1.1 玻纖價效比高

風電葉片主要原材料包括樹脂基體、增強材料以及粘接劑、芯材等，而增強材料主要有 玻璃纖維和碳纖維兩種。增強材料（如玻纖）嵌入熱固性樹脂基體（如環氧樹脂）中形成 增強複合材料，基體材料提供韌性與耐久度，增強纖維材料則主要提供結構足夠的剛度與 度。實現纖維增強複合材料嵌入過程的工藝包括溼法手糊成型（Hand Lay-up）、預浸料成型 （Prepreg）、真空匯入成型（RIM），前兩者因環境汙染、成本較高不適用於大型葉片，目前主流 工藝為真空灌注匯入。（報告來源：未來智庫）

密度、拉伸強度、模量為風電增強材料關鍵指標，玻纖為主流風電葉片增強材料。風電 葉片增強材料經歷早期木材、布蒙皮、鐵蒙皮、鋁合金蒙皮等材料後，目前已完全使用複合 料，主因玻纖效能優異且具備經濟性。

（1）密度滿足輕量化需求。如何平衡葉片長度與重量是解決輕量化問題的核心，而材料 密度越小單位體積質量越輕，因此選用低密度材料能滿足風電葉片輕量化需求。

（2）拉伸模量、拉伸強度滿足剛度與強度效能需求。葉片由於發電環境艱難必須具備高 剛度、強度，拉伸模量指受正應力時彈性模量，拉伸強度指靜拉伸條件下最大承載能力。複合 材料由於其可設計性，剛度和強度較鋼材、鋁合金等其他材料更適用於風電葉片。此外正因復 合材料如玻纖的可設計性，玻纖廠家可不斷最佳化生產工藝提升拉伸強度與拉伸模量，以重慶國 際 TM 規格玻纖為例，風電葉片常用 E 玻纖可提高 25-35%力學效能、10-17%模量、20-40% 動態疲勞效能等。

（3）價格具備商業化經濟性。風電風機材料成本佔比在 95%以上，其中葉片佔風機材料 成本 20%左右，而玻纖又佔風電葉片材料成本 28%。成本佔比高，葉片廠家在選擇複合材料 時會重點考慮價效比。過去近 10 年纏繞直接紗 2400tex 價格中樞在 4000-7000 元/噸，而 OC 高階風電紗 1200tex 高模量直接紗（H 玻纖）價格大約在 10000-12000 元/噸，價格位於鋼材與鋁合金之間，風電葉片大規模使用玻纖不會大幅提升成本。

2.1.2 各類玻纖因效能差異應用於葉片不同結構

主流風電葉片結構包括主樑系統、上下蒙皮、葉根增強層等：主樑系統包括主樑與腹板， 主樑負責主要承載，提供葉片剛度即抗彎和抗扭能力。腹板負責支撐截面結構，預製後粘接在 主樑上；蒙皮形成葉片氣動外形用於捕捉風能，通常在形成主樑結構後，上下蒙皮透過前、後 緣與主樑結構粘接成為葉片；葉根增強層將主樑上載荷傳遞到主機處。

風電紗以單/多軸向經編織物形式應用於風電葉片中。單/多軸向布因其各自效能差異應用 於葉片不同結構。主玻纖佔風電葉片材料成本 28%，其中單軸向布佔 14%，雙軸向布佔 4%， 三軸向布佔 4%。

2.2 碳纖維更適用於海上大葉片

2.2.1 碳纖維效能優異，短期大規模應用受制於成本

碳纖維是一種碳主鏈結構的高效能纖維材料，由有機纖維經高溫裂解碳化形成，含碳量超 90%，具有質輕、高強高模、耐腐蝕、低膨脹和抗疲勞等優異效能。目前被廣泛應用於航空航 天、基礎設施、工業應用等多個領域。 葉片大型化帶來輕量化與高強高模需求，碳纖維優異效能較為匹配：

（1）可減輕葉片質量、增強葉片剛度。以高模碳纖維為例，碳纖維密度比玻纖小 30-35%、 拉伸強度略大於高階風電紗、拉伸模量高玻纖 3-8 倍。

（2）碳纖維應用於風電葉片可提高葉片抗疲勞效能。複合材料，包括純 玻纖複合材料、純碳纖維複合材料以及其餘 4 種碳玻比例不同的碳玻混複合材料，結果表明碳 含量越高的複合材料其抗疲勞表現越好，能更好適應惡劣氣候條件。

（3）可應用於低風速區域和海上風電。在低風速區和海上風電場，風機葉輪直徑是重要 競爭力指標，而碳纖維能有效增加葉片長度，在富風區域市場逐漸飽和背景下可以有效拓寬風 電應用場景。

（4）具備振動阻尼特性，可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

但大規模應用仍受成本因素制約： （1）根據《碳纖維/玻璃纖維混雜增強複合材料力學效能研究及風電葉片應用》資料，風 電用大絲束碳纖維成本為 12 萬元/噸（約 1。8 萬美元/噸，其他可參考資料區間在 1。4-1。8 萬美 元/噸），製成織物成本則需 18 萬元/噸，是玻纖織物價格的 12 倍。當前碳纖維主要用於葉片 主樑，即替換原先主樑中的單軸向玻纖布（單軸向玻纖布佔葉片成本 14%），替換後可有效 減重 20%，但成本上升 82%。 （2）碳纖維增強材料比玻纖更脆，純碳纖維葉片能否適用於海上風電仍存爭議。

2.2.2 風電葉片主要使用高性價比大絲束碳纖維

大絲束碳纖維每束碳纖維根數大於等於 48000根（即 48 K） ，主要應用於工業領域；而 1K、 3K、6K、12K 等碳纖維統稱為小絲束碳纖維，主要應用於國防軍工等高科技領域。主流風電 葉片用碳纖維為大絲束碳纖維：

（1）大絲束碳纖維生產原料來源廣、價格低。原絲是碳纖維生產核心技術之一，價格佔 碳纖維製備成本約 60%。大絲束碳纖維採用成本較低的民用聚丙烯腈（PAN）作為原絲，其價 格僅為製備小絲束碳纖維特種原絲 1/4，因此大絲束碳纖維價格也僅為小絲束碳纖維 50-60%。 另外，掌握小絲束碳纖維生產企業其特種原絲不外售，而民用 PAN 在國外市場可自由買賣；

（2）大絲束碳纖維價效比高。過去大絲束碳纖維拉伸強度在 2000 MPa 左右，比強度較 低，因此未大規模應用；20 世紀 90 年代中後期，大絲束碳纖維技術取得重大突破，拉伸強度 達到 3600 MPa，在工業領域價效比凸顯。以美國 ZOLTEK 大絲束碳纖維 PANEX 33-0048 和日 本東麗小絲束碳纖維 T300-12000 為例，小絲束碳纖維單位美元強度、單位美元模量分別為 107 MPa、7 GPa，分別比大絲束碳纖維低 48%、46%。（報告來源：未來智庫）

近年來風電葉片是碳纖維主要增量需求。2020 年全球碳纖維需求 10。7 萬噸，近 6 年 CAGR 為 12%；而全球風電碳纖維需求從 2014 年 0。6 萬噸快速上升到 2020 年 3。06 萬噸，CAGR31%， 增速明顯快於整體行業，佔比從 2014 年 11%上升到 2020 年 29%。

2.2.3 拉擠法為風電葉片用碳纖維主要生產工藝

風電葉片大梁所用碳纖維存在大克重預浸料、碳纖維織物真空匯入、拉擠成型 3 種工藝， 近年來風電葉片碳纖維需求增加，主因纖維體積含量高、高效率低成本的拉擠法開始採用。

預浸料是碳纖維製備碳纖維複合材料的一種重要中間基材。國外預浸料龍頭有東麗、赫 氏、氰特、固瑞特等，外企於風電市場主打高面密度（600g/m2）碳纖維預浸料；國產碳纖維 預浸料製造商以低面密度（300g/m2）為主，目前高面密度工藝端仍需改進，浸漬不均勻，表 觀質量較差。此外預浸料長期儲存需冷凍環境，額外增加葉片生產成本。

真空灌注是閉模成型工藝，真空灌注準備工作較繁瑣，且真空度對材料質量影響大。 拉擠工藝先將碳纖維製成拉擠板材，葉片製作時在設定位置內把拉擠板材黏貼在蒙皮上制 成大梁。其設計理念是把整體化成型的主樑主體受力部分拆分為高效率、高質量、低成本的 拉擠梁片標準件，然後把標準件一次組裝整體成型。

拉擠法具備纖維體積含量高、高效低成本等優點： （1）拉擠工藝碳纖維板材體積含量達 69%，明顯高於預浸料和真空灌注，纖維含量高使 拉擠法碳纖維高強高模輕質效果更好，能應用於剛度要求非常高、主樑疲勞富餘量非常大的葉 片； （2）標準件生產方式明顯提高生產效率，保證產品效能一致性和穩定性，同時有效降低 運輸成本和組裝整體成型成本； （3）預浸料和真空灌注都有一定邊角廢料，而拉擠法極少。

拉擠法逐步成為風電葉片主流生產工藝。2015 年之前全球碳纖維工藝以預浸料和真空灌 注為主，價格高使風電葉片採用碳纖維比例偏低；近年來 Vestas 大絲束碳纖維（主流供應商 為 ZOLTEK）拉擠梁片成為主流。2020 年拉擠法碳纖維複合材料需求 5。87 萬噸，佔比達 36%，超越預浸料成為碳纖維第一大工藝，2016-2020 年拉擠法需求 CAGR 達 18%。

Vestas 碳梁保護專利 2022 年 7 月到期，國內外廠商加速佈局拉擠法技術儲備。Vestas 在 風電葉片碳纖維領域市佔率超 80%（資料來源：《國產碳纖維在風電葉片產業中的機會》， 2019 年），國內廠商仍以預浸料工藝為主，除拉擠法技術難度外，專利也是主要原因。Vestas 在 2002 年 7 月 19 日向中國/丹麥等國家智慧財產權局申請了由碳纖維條帶組裝風力渦輪葉片的 相關專利，國內廠商可使用拉擠法生產大絲束碳纖維及其複合材料，但無法將拉擠法所得碳梁 用於製作葉片（除非直接供給 Vestas）。國內外廠家預計會提前佈局拉擠法工藝，因此專利到 期後，拉擠法工藝有望快速實現普用，帶動風電葉片用碳纖維成本下降，進而拉動風電碳纖維 需求。

2.3 碳纖維產業鏈較長，生產工藝國產替代空間廣闊

國產替代空間大，風電為我國碳纖維下游需求大頭。2020 年全球碳纖維需求達 10。69 萬 噸，我國碳纖維需求 4。89 萬噸，佔比 45。7%，其中國產碳纖維供應量僅為 1。85 萬噸，佔國內 總需求 38%，國產替代空間廣闊。奧賽碳纖維預測 2025 年國產碳纖維供應量將達 8。3 萬噸， 預期未來 5 年 CAGR 達 35%。 全球與我國碳纖維下游需求結構有所出入，航空航天、風電葉片、體育休閒（高爾夫、 腳踏車、釣魚竿、球拍等）、汽車為全球碳纖維前四大用途，其中風電葉片佔比 16。4%；而從 我國碳纖維需求結構來看，風電為下游應用大頭，佔比 40。9%。

碳纖維產業鏈包含從原油到終端應用的完整製造過程：上游企業從石油、煤炭、天然氣 等化石燃料中製得丙烯，再經氨氧化後得到丙烯腈；丙烯腈經聚合和紡絲後得到聚丙烯腈（PAN） 原絲；PAN 原絲經過預氧化、低溫和高溫碳化後得到碳纖維；碳纖維可製成碳纖維織物和碳 纖維預浸料；碳纖維與樹脂、陶瓷等材料結合可形成碳纖維複合材料，最後由各種成型工藝得 到下游應用所需產品。

3。 風電葉片領域，玻纖、碳纖將長期共存

碳纖維是否會在風電葉片領域大面積取代玻纖？我們認為，玻纖與碳纖將長期共存，共 享風電增量。

（1）碳纖維產能規模不支援大範圍替代。奧賽碳纖維資料顯示，2020 年底全球碳纖維運 行產能為 17。17 萬噸，考慮到擴產計劃則達 25。21 萬噸（此處未計入：吉林化纖宣佈“十四五” 碳纖維擴產到 6 萬噸，其中目前確定有 1。5 萬噸碳纖維擴產）。2021-2023 年全球年均新增風 電裝機量在 90GW 左右，假設 1GW 對應增強材料織物需求 1 萬噸，即近 3 年全球風電增強材 料織物需求在 90 萬噸左右，碳纖維產能供應仍存明顯缺口。

另外，關於碳纖維供給，我們提示 3 點： 1）並非所有碳纖維產能供應風電，即使遠期執行產能達 25。2 萬噸，但其中供應風電葉片 需求僅為 9。34 萬噸（資料來源：賽奧碳纖維，9。34 萬噸為 2025 年預測）； 2）並非所有執行產能為實際產能，如同樣寬幅與速度的碳纖維產線生產 3K 與 12K 碳纖 維產能有較大出入。統計原因導致存在部分“無效產能”，2017-2020 年總產能與產出有較大 出入，反映在資料上即為產能利用率較低； 3）考慮到生產技術壁壘，並非所有擴產計劃均可落地。

（2）參考玻纖，碳纖維成本下降非一日之功。原絲和碳纖維產線存在明顯規模效應，因此隨著產能釋放，碳纖維成本以及價格大機率呈 下行趨勢，並影響終端售價。我們認為碳纖維降本可類比玻纖，耗時較長。因此價效比角度， 當前主機廠可能更傾向於玻纖複合材料。

（3）不斷更新換代，高模量玻纖有望成為風電紗拳頭產品。以中國巨石 E 系列玻纖為例， 2016 年開發出首款實現池窯化量產的高模量玻纖 E8，真正實現高模量玻纖規模化工業應用； 2020 年 8 月釋出 E9，模量突破 100GPa，拉伸模量比 E6 提升近 25%。

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關資訊，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】。