風電葉片行業(yè)分析

風電葉片行業(yè)分析風電葉片—風電大型化和降本的重要一環(huán)葉片是風電最基礎的關鍵零部件之一，占主機成本比例超20%葉片是風電最基礎的關鍵零部件之一，是影響風力發(fā)電效率的關鍵因素之一，為滿足復雜工況下的高效率發(fā)電，風電葉片要求外型設計、密度輕、強度高、韌性強，除外形設計以外的力學性能要求都直接與風電葉片的結構和材料有關。風電葉片結構包括主梁系統(tǒng)、上下蒙皮、葉根增強層等：主梁系統(tǒng)包括主梁與腹板，主梁負責主要承載，提供葉片剛度即抗彎和抗扭能。腹板負責支撐截面結構，預制后粘接在主梁上；蒙皮形成葉片氣動外形用于捕捉風能，通常在形成主梁結構后，上下蒙皮通過前、后緣與主梁結構粘接成為葉片；葉根增強層將主梁上載荷傳遞到主機處。主梁和芯材是最核心部分，約占風電葉片原材料成本的80%。芯材用于提高葉片的穩(wěn)定性。主梁材料主要是纖維增強復合材料，纖維增強復合材料是指纖維和基體材料的復合材料，纖維需要具有高模量，以提高葉片的剛度；樹脂基體要求缺陷低、成型效率高。目前較小型葉片的復合材料中，纖維采用玻璃纖維，基體材料采用不飽和聚酯樹脂，基于在力學性能要求不是太高情況下的成本最小化；較大型葉片的主梁復合材料，纖維采用碳纖維或碳纖維與玻璃纖維的混雜復合材料，基體材料較多采用環(huán)氧樹脂。風電主機成本結構中，葉片、齒輪箱、發(fā)電機是成本占比最高的三種零部件。以電氣風電主機成本結構為例，2020年電氣風電主機成本結構中葉片、齒輪箱、發(fā)電機占比分別為23.6%、12.7%和8.7%。由于葉片占主機的成本比重較高，葉片長度增加將一定程度上推高其自身以及整機的成本。在風機主機的大型化和低成本趨勢下，葉片的技術迭代趨勢將是更好的力學性能、輕量化和降本。風電葉片是風電產業(yè)鏈的關鍵組成部分，風電葉片產業(yè)鏈主要由上游原材料供應商，中游風電葉片生產商、下游整機廠商和風電場運營等環(huán)節(jié)構成。生產葉片的主要原材料包括玻纖、碳纖維和芯材等，國內代表企業(yè)有澳盛科技、光威復材、上緯新材、康達新材等。風電葉片制造企業(yè)可分為兩類，一類是以迪皮埃（TPI）為代表的獨立葉片生產企業(yè)，中材科技和時代新材均屬于此類企業(yè)；另一類是以艾爾姆（LM）為代表的風電整機廠配套生產企業(yè)。葉片技術迭代趨勢：力學性能優(yōu)化、輕量化和降本風機大型化趨勢下，風電葉片的技術迭代趨勢是力學性能優(yōu)化、輕量化和降本，實現(xiàn)路徑是風電葉片材料、制造工藝和葉片結構的迭代優(yōu)化，其中最為重要的還是材料端的迭代。風電葉片長度將持續(xù)加長，葉片長度增加將一定程度上推高其自身以及整機的成本，同時葉片長度的增加還會導致葉片自重的上升，對葉片力學性能的要求也將持續(xù)強化。因此要讓通過研制長葉片來提升發(fā)電量變得可行，就必須控制好葉片自重，并使之具有更高的強度、剛度等，以確保整機系統(tǒng)的高效率平穩(wěn)運行。風電葉片成本結構中，主梁和芯材約占風電葉片原材料成本近80%。風電葉片的原材料成本占總生產成本的75%，而原材料成本中占比較大的主要是增強纖維、樹脂基體、芯材和結構膠，其中增強纖維和樹脂為葉片主梁材料，組合構成纖維增強復合材料。風電葉片的原材料成本結構來看，增強纖維、樹脂（基體材料）、芯材、結構膠、金屬及配件和其他材料的成本占比分別為21%、33%、25%、8%、6%、7%，主梁材料和芯材占原材料成本達79%。我們認為，材料優(yōu)化是提升葉片性能、降低成本的主要路徑。增強纖維：玻纖目前仍是主流材料，碳纖維需求有望逐步提升玻璃纖維增強復合材料目前仍是風電葉片的主要主梁材料，玻璃纖維增強復合材料是指用玻璃纖維作為增強纖維材料，不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂作為基體材料，也稱為玻璃鋼，強度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂。玻璃纖維目前仍是主流增強材料，根據(jù)中國巨石公開披露，公司玻纖產品約有20%用于風電葉片。增強纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關鍵因素之一，因此其模量的增加對葉片剛度的提升意義重大。近十年玻纖企業(yè)持續(xù)不斷的進行技術創(chuàng)新，每一代玻纖的模量都提升了10%左右,促進了葉片大型化的發(fā)展。玻璃纖維經(jīng)過多年的大規(guī)模應用，工藝早已成熟。我們認為短期來看玻璃纖維仍將是主流材料，隨著風機大型化趨勢推進，葉片尺寸隨之增加，其重量也越來越大，碳纖維增強復合材料占比有望提升。碳纖維的密度比玻璃纖維低30%-35%，應用碳纖維可使葉片減重20%以上；碳纖維的拉伸模量比玻璃纖維高3-8倍；碳纖維擁有更強的抗疲勞性能，能夠延長葉片的使用壽命。碳纖維主要有3K、12K、24K、48K等規(guī)格，其中1-24K（含）為小絲束產品，主要在航空航天和軍品上應用，而24K以上為大絲束產品，主要應用于風電葉片和民用產品。2020年國內碳纖維需求量占比前二的領域依次是風電葉片、體育，分別占比40.9%、29.90%，其他領域的需求占比均不足10%。碳纖維價格明顯高于玻纖，需求有望保持較快增長。碳纖維織物的價格較高，是玻璃纖維的10倍以上，風電用大絲束碳纖維成本為12萬元/噸（約1.8萬美元/噸，其他可參考數(shù)據(jù)區(qū)間在1.4-1.8萬美元/噸），制成織物成本則需18萬元/噸，是玻纖織物價格的12倍。當前碳纖維主要用于葉片主梁，即替換原先主梁中的單軸向玻纖布（單軸向玻纖布占葉片成本14%），替換后可有效減重20%，但成本上升82%。全球風電用碳纖維需求量有望保持較快增長。國內主流的碳纖維供應商在十四五期間開始提高碳纖維產能和批量化生產供應，并通過提升技術、改進設備和減少能耗來降低成本。從2020年開始，碳纖維產能大幅上升，且2021年較2020年在數(shù)量和增幅方面，有較大提升，2020年碳纖維產能從2019年的2.69萬噸提升至3.62萬噸，2021年產能增至6.34萬噸，增幅高達75.14%。當前葉片上應用的碳纖維多選擇48-50k的大絲束。隨著海上風電市場的不斷擴大，碳纖維的應用占比有望提升。對于海上大葉片來說，通常會在其承載的關鍵部位主梁上應用碳纖維以提高葉片剛度和強度，以減少傳遞到主機和塔底的載荷，進而優(yōu)化整機系統(tǒng)造價來降低度電成本。應用碳纖主梁設計的葉片一般比全玻纖葉片減重20%-30%，雖然碳纖葉片成本上升，但其帶來的傳動鏈上相關部件以及塔筒的優(yōu)化減重，使得風電機組的整體成本降低10%以上。碳纖維材料的成本、設計結構和生產工藝等瓶頸有望逐步突破碳纖維成本：葉片材料、結構設計與生產工藝相互配合，使得碳纖維實現(xiàn)低成本應用，同時受益碳纖維國產化推進，碳纖維價格和風電應用成本有望降低。2015年以前用于風電領域的碳纖維主要采用預浸料或織物的真空導入工藝，部分采用小絲束碳纖維，成本較高，近年來主要采用大絲束碳纖維拉擠梁片，成本有效降低，根源在于VESTAS在大梁結構的革命性創(chuàng)新設計才使拉擠梁片的工藝成為可能。這種設計理念把整體化成型的主梁主體受力部分拆分為高效低成本高質量的拉擠梁片標準件，然后把這些標準件一次組裝整體成型，其優(yōu)點為：1)通過拉擠工藝生產方式大大提高了纖維體積含量，降低了主體承載部分的重量；2)通過標準件的生產方式大大提高了生產效率，保證產品性能的一致性和穩(wěn)定性；3)大大降低了運輸成本和最后組裝整體成型的生產成本；4)預浸料和織物都有一定的邊角廢料，拉擠梁片及整體灌注極少。按這種設計和工藝制造的碳纖維主梁，兆瓦級的葉片均可使用。另外，國產碳纖維技術持續(xù)突破，有望提高風電領域的產業(yè)化應用比例，帶動風電用碳纖維成本降低。目前葉片制造工藝中，實現(xiàn)纖維增強復合材料嵌入過程的工藝包括濕法手糊成型、預浸料成型、真空導成型，但在風機市場擴大及風機大型化趨勢下，濕法手糊成型、預浸料成型因環(huán)境污染、成本等問題較不適于大型葉片，目前主流工藝為真空灌注導入。碳纖維應用于葉片的設計和工藝壁壘：目前風電葉片的碳纖維用量中VESTAS占較大比重，主要是由于技術專利保護，2002年7月19日，VESTAS分別向中國、丹麥等國家知識產權局、歐洲專利局、世界知識產權局等國際性知識產權局申請了以碳纖維條帶為主要材料的風力渦輪葉片的相關專利，專利權利要求包含了制造預先預制的條帶的方法和制造風力渦輪機葉片的方法。專利保護期為20年。專利保護期期間，國內葉片制造商只能通過自主研發(fā)主梁設計結構和生產工藝規(guī)避VESTAS的專利保護，一定程度上限制了碳纖維材料在國產風電葉片上的應用，隨著VESTAS專利到期，國內碳纖維風電葉片產業(yè)化應用有望加快。風電葉片主梁所用碳纖維存在大克重預浸料、碳纖維織物真空導入、拉擠成型3種工藝，2015年之前全球碳纖維工藝以預浸料和真空灌注為主，而碳纖維價格高使風電葉片采用碳纖比例整體偏低；近年來Vestas大絲束碳纖維拉擠梁成為主流。拉擠工藝先將碳纖維制成拉擠板材，葉片制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梁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，然后把標準件一次組裝整體成型。拉擠工藝碳纖維板材體積含量達69%，明顯高于預浸料和真空灌注，纖維含量高使拉擠法碳纖維高強高模輕質效果更好，能應用于剛度要求非常高、主梁疲勞富余量較大的葉片。拉擠成型工藝可以減少工序，相應減少模具的投入。與灌注工藝相比，拉擠的樹脂含量更低，可以使葉片重量下降3%左右。同時擠成型工藝與一般產品的拉擠成型工藝相類似，但也存在不同之處。首先將規(guī)定數(shù)量的48K或24K碳纖維安裝紗架上，并依次通過浸膠槽、預成型模、成型模具，后引入牽引機和收卷機。玻纖產能：用于風電葉片的是高端玻璃纖維-風電紗，目前上市公司擁有產能的為：中國巨石、中材科技、山東玻纖、長海股份。中國巨石：玻纖產能約200萬噸，全球第一，全球市占率23%，國內市占率34%，在建產能約46萬噸。中材科技：公司玻纖年產能近110萬噸，全球市占率11%。山東玻纖：2021年產能36萬噸，2022年設計產能41萬噸，2025年實現(xiàn)國內產能達到62萬噸左右。長海股份：2021年產能30萬噸，2021年5月公告擬建60萬噸高性能玻纖產能。碳纖維產能：相關公司包括吉林化纖、上海石化、光威復材、中簡科技。吉林化纖：子公司吉林寶旌（49%）可年產8500噸大絲束碳纖維，2023年規(guī)劃1.2萬噸產能。全資子公司凱美克具有600噸小絲束碳纖維產能，當前已投300噸，預計2022年再投300噸。2021年9月，公司投資建設1萬噸碳纖維、1.2萬噸碳纖維復材項目。光威復材：目前碳纖維產能3855噸，另有內蒙古包頭在建產能4000噸預計2022年年中投產。中簡科技：目前小絲束碳纖維產能350噸，2021年8月定增20億元建設碳纖維，完全投產后公司碳纖維產能可達1500噸。上海石化：目前擁有1500噸/年碳纖維產能，在建1.2萬噸/年48K大絲束碳纖維項目，未來將以碳纖維產業(yè)為轉型新引擎，配套聚酯、聚烯烴、彈性體、碳五等一系列下游精細化工新材料。樹脂基體：樹脂價格呈現(xiàn)高度波動，材料選擇將順應將本趨勢樹脂基體材料在復合材料中起著粘結、支持、保護增強材料和傳遞載荷的作用，要求缺陷低、高效成型，同時成本占比高，成本也是重要考慮方面。風電葉片主要使用環(huán)氧灌注和手糊樹脂。灌注樹脂應用于葉片主要部件如腹板、主梁及殼體的真空灌注成型；手糊樹脂在葉片制造中主要應用于葉片前后緣、腹板粘接區(qū)域補強及輔助件的粘接補強，主要成型工藝是手糊成型和手糊袋壓工藝?；谛袠I(yè)對葉片提質增效的需求，不僅樹脂對纖維織物要有更好的浸潤性以提高灌注速度，也要根據(jù)升溫曲線來減少固化時間。樹脂材料價格波動較大，近兩年華東市場樹脂材料環(huán)氧樹脂價格波動范圍在15000-40000元/噸。目前在樹脂基體材料方面，環(huán)氧樹脂是主流，2021年環(huán)氧樹脂市場價格受疫情影響走高，2022年價格有所回落?？傮w來看包括聚氨酯樹脂（6789(¤:?±2.°ab）在內的樹脂價格波動范圍較大。我們認為未來樹脂材料的迭代方向將以高性能為主，同時兼顧環(huán)保要求和降本。環(huán)氧樹脂產能：環(huán)氧樹脂具有良好的力學性能、耐化學腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性，是目前大型風電葉片的首選樹脂。平均1GW風電裝機對應至少4250噸環(huán)氧樹脂。國內上市公司中，具有環(huán)氧樹脂產品的公司有：中國石化、中化國際、上緯新材、宏昌電子。中國石化：

2021年2月，通過對液體環(huán)氧樹脂生產裝置的升級改造，公司液體雙酚A環(huán)氧樹脂產能從2萬噸/年提升到5萬噸/年。中化國際：公司現(xiàn)有17萬噸液體環(huán)氧樹脂，同時該公司于今年6月投產16萬噸液體及2萬噸固體環(huán)氧樹脂。上緯新材：2019年公司在國內風電葉片專用環(huán)氧樹脂市占率為13%，現(xiàn)有17.2萬噸年風電樹脂產能，該公司于今年6月新增風電樹脂產能2萬噸。宏昌電子：公司現(xiàn)有環(huán)氧樹脂總產能15.5萬噸/年，規(guī)劃擬建設14萬噸產能。聚氨酯材料：具有黏度低、灌注和固化速度快等特點，灌注時間比環(huán)氧樹脂縮短一半，在80℃的環(huán)境條件下固化時間小于4小時，成本方面比環(huán)氧樹脂低15%-20%，是近幾年葉片應用關注度最高樹脂材料。由于聚氨酯對水分非常敏感，所以葉片設計時不能使用輕木，葉片生產過程中增強纖維和夾芯材料的烘干以及灌注時對水的控制是聚氨酯批量應用的技術關鍵所在。DCPD樹脂：密度是環(huán)氧樹脂的90%左右，成本比環(huán)氧樹脂低了約30%，是葉片減重、降低成本和提高灌注效率的理想材料。由于DCPD存在黏度低灌注流速過快的問題，且缺乏成熟配套材料體系（如纖維、油漆等），因此需要進行配套材料體系開發(fā)、工藝實驗和結構測試驗證，才能保證在風電葉片上更好的推廣應用。熱塑性樹脂：基于廢舊葉片環(huán)?；厥绽靡?guī)劃，可降解的熱塑性樹脂或將是未來葉片新材料發(fā)展方向。風電葉片基體材料多采用熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等，熱固性樹脂制成的風電葉片在其退役后材料很難被回收利用，與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料在滿足密度小、強度高、抗沖擊性好的前提下，兼具可循環(huán)使用、廢料可回收、產品可熔融再加工、可焊接等優(yōu)點。碳纖維增強乙烯基樹脂：碳纖維增強乙烯基樹脂可降低成本，碳纖維價格昂貴，碳纖維加環(huán)氧樹脂的葉片方案大幅增加成本，性價比高的乙烯基樹脂來替代環(huán)氧樹脂，可降低成本。乙烯基樹脂的工藝性好，能滿足機械力學性能、抗疲勞性、剛度等各項性能指標的設計要求。碳纖維增強乙烯基樹脂有效降低成本，也有應用潛力。生物質材料：環(huán)保性好，目前市場上生物質材料以木質/竹制品為主，生物質風電葉片具有剛度高、穩(wěn)定性好、低溫阻尼好、材料可再生、成本低等優(yōu)點。從工藝上看，相比碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料，竹材的用量高達50%-70%，環(huán)氧樹脂用量少，避免了固化過程的過熱反應，材料的收縮小;與玻璃纖維復合材料葉片相比，則減少了加工時間。芯材：主要材料包括巴沙木、PET、PVC風力發(fā)電葉片是大型結構件，芯材是葉片的關鍵增強材料，在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位都使用到泡沫作為玻璃鋼夾層結構的芯層，作為夾層結構來提升結構剛度，防止局部失穩(wěn)、提高整個葉片的抗載能力。目前用于風力發(fā)電葉片芯材的材料主要有巴沙木、聚氯乙烯（PVC）泡沫、聚對苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）和聚甲基丙烯酰亞胺

（PMI）泡沫等，其中質量輕、強度高的PVC泡沫由于其行業(yè)應用比較成熟，較為廣泛。PVC(聚氯乙烯)泡沫是以聚氯乙烯樹脂為主體，加入發(fā)泡劑及其它添加劑制成的一種泡沫材料。巴沙木生長速度快，木質密度低，每立方米的重量僅為0.1噸，被稱為“世界上最輕的樹”。但在2019年至2020年，受風電搶裝以及新冠肺炎疫情爆發(fā)的影響，巴沙木供應較為緊張，2020年價格曾突破2萬元/立方米，接近于2019年的3倍。PET價格也從2020年的4000元/噸提高至目前的8000元/噸以上。芯材領域相關公司包括：天晟新材、濮陽惠成。天晟新材產能：公司硬質發(fā)泡材料設計產能高達4萬立方。濮陽惠成產能：公司順酐酸酐衍生物作為原料合成的環(huán)烷酸酯類增塑劑和聚酯增塑劑具有良的耐化學品抽出性能以及環(huán)保無毒等特征，與PVC有很好的相容性。葉片結構：雙腹板結構向單腹板轉變，分段葉片為研發(fā)方向風電葉片結構中主梁位置的雙腹板結構設計近年來改為單腹板設計。同時隨著風機大功率化的趨勢，風機制造對于葉片長度的要求也越來越高。為提高運輸及制造效率，葉片制造企業(yè)在嘗試研制分段葉片，分段式葉片增加了葉片段之間的連接環(huán)節(jié)，這不僅影響葉片本身的制造工藝、結構強度及屈曲穩(wěn)定性，同時也可能對風電機組的性能和設計要求產生影響，例如載荷、自振頻率及塔尖間隙等，目前分段葉片的連接主要有兩種方式

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一是機械連接，通過法蘭和螺桿連接分段，缺點是會增加重量和成本，葉片質量會在連接處發(fā)生突變二是粘接膠連接，這種方式仍有待解決現(xiàn)場定位夾緊、快速固化等方面的問題。國內廠商持續(xù)推進葉片技術迭代。明陽智能通過改變碳紗和玻纖的比例，可以實現(xiàn)模量由46GPa-120GPa線性變化，為設計、優(yōu)化、減重、降本等提供了可能，解決了目前純玻纖模量不能滿足大葉片設計需求的限制，也繞開了碳纖維成本太高的瓶頸；時代新材突破了碳纖維拉擠板、玻璃纖維拉擠板、PET夾心材料等應用關鍵技術，實現(xiàn)葉片低成本輕量化設計；中材科技重點突破分段技術等研究項目。葉片主要由復合材料組成，其原材料費用占比高達75%主要包括環(huán)氧樹脂、玻纖、碳纖維、夾芯材料等，目前80-90米長的葉片玻璃纖維用量在25-40噸，在風機大型化輕量化背景下，碳纖維在原材料中占比有望繼續(xù)提升。疫情影響逐漸驅散，原材料價格壓力趨緩。2020年受疫情及供需影響，環(huán)氧樹脂價格從原先1.6萬-1.8萬元/噸持續(xù)走高，2021年4月攀升至4萬元/噸，疫情趨緩后價格逐漸回落至1.8萬元/噸，在此過程中，葉片企業(yè)加快聚氨酯樹脂替代；夾芯材料方面，巴沙木是理想的夾芯材料材，但作為天然材料且產地較為局限，生產供應產業(yè)鏈長，任何環(huán)節(jié)出問題都會影響供應。2019―2020年，同受風電“搶裝”以及新冠肺炎疫情爆發(fā)的影響，巴沙木供應緊張，價格在2020年曾突破2萬元/立方米，PET逐漸作為重要芯材替代巴沙木。風電葉片上游主要可選原材料較多，通過各種材料之間的替代關系一定程度上緩解了通脹壓力。中國風力發(fā)電量占比持續(xù)提升，海風進入高速增長期，葉片作為風機重要組成部分，下游需求不斷提高。2021年海上風電累計裝機量增速達156.77%，新增裝機量增速達339.53%。2017年至2021年風力發(fā)電量占總發(fā)電量比重分別為4.3%，4.63%，4.96%，5.99%,7.68%，占比穩(wěn)定提升。2021年全國新增風電并網(wǎng)裝機容量為4757萬千瓦,較2020年新增風電并網(wǎng)裝機量的高基數(shù)有所下降，2020年新增并網(wǎng)裝機量達7167萬千瓦;全國累計并網(wǎng)裝機量穩(wěn)步上升,至2021年達32848萬千瓦,2017年至2021年CAGR達14.94%。2020年起陸上風電補貼取消，陸上風電裝機量增速放緩;而海上風電2021年受退補搶裝影響，2021年海上風電新增裝機量達1690萬千瓦，同比增速達339.53%，2017年至2021年海上風電新增裝機量CAGR達70.87%。自2015年起，風電葉片市場規(guī)模及需求量逐步增加。2020年，在風電搶裝背景下，中國風電市場規(guī)模大幅度增長至521億元左右，同比2019年增長率達178.6%;2020年總需求量預計達22977套，較2019年同比增長57.5%。在碳中和及可再生能源政策持續(xù)推動下，未來風電整機市場有望不斷增長，同時風電平價上網(wǎng)不斷推行、補貼逐漸退出，風電葉片作為風機獲取更高風電機組利用小時數(shù)和實現(xiàn)經(jīng)濟效益的基礎，風電葉片的市場需求及規(guī)模將有望逐步提升。風電葉片市場集中度較高，CR5占比近70%從風電葉片市場整體來看，葉片市場CR5超過60%，至2019年達68%，市場集中度高，主要企業(yè)為中材科技，時代新材，中復連眾，朝陽風電，東方電氣等。其中，2019年中材科技占據(jù)30%份額，時代新材20%，中復連眾15%，國內廠商在全球的市場份額逐漸擴大，2020年中材科技已進入全球前三之列。國內市場中材科技、中復連眾、時代新材為主要參與企業(yè)，同時風機整機廠商布局核心零部件，設立葉片子公司。中材科技為國內生產葉片的龍頭企業(yè)，2020年在國內風電葉片市場的市占率達25%。受搶裝潮影響，2020年風電葉片行業(yè)發(fā)展出現(xiàn)高潮，葉片企業(yè)順勢