财富研究产业掘金-海上风电系列2：叶片大型化成为趋势，材料工艺持续创新

风力发电核心组件，装机提升叶片需求：风机叶片是风力发电机的核心组件之一，风电行业的高景气带动其需求量快速上涨。2022年一季度总新增装机790万千瓦，同比上升50%，海上新增装机36千瓦，同比下降71%，虽较2020和2021年抢装潮期间有所回落，但需求仍然旺盛，行业未来发展景气程度较高。 降本增效需求迫切，叶片大型化成为必然：在双碳目标和国家平价上网的要求下，风电降本增效需求迫切，占据整机成本22%的风机叶片成为降低成本的重要途径之一。叶片大型化能够带来更大的扫风面积，提高单机发电量，从而降低分摊到单位容量的原材料、吊装等成本，后期安装和运维成本也有望降低。 叶片尺寸连续提升，国产风机持续创新：近年来，我国新增风电机组平均风轮直径不断增加，由2008年的65米提升至2018年的120米，自2022年以来，海上风电叶片直径不断被刷新。多家企业相继发布研发规划，宣布将推出更高单机功率和更大叶片尺寸的海上风机。 碳纤维助力轻量化，国内产能逐渐释放：碳纤维密度相较于传统玻璃纤维低30%-35%，应用碳纤维可使叶片减重20%以上，拉伸模量相较玻璃纤维高3-8倍，可以有效提高叶片强度。我国碳纤维高度依赖进口，2017年以前进口碳纤维占比高达80%。目前随着国内企业逐渐实现技术突破和规模化发展，国内产能有望逐渐释放，预计2025年碳纤维国产化率达到55%，碳纤维在风电叶片中的渗透率有望提升。 拉挤技术逐渐成熟，规模生产提上日程：从工艺角度，拉挤工艺能够更好的适应大尺寸及新材料的应用。在叶片制造过程中采用以高性能环氧树脂为基体、碳纤维为增强材料的拉挤碳板未来最有可能成为主流方案。维斯塔斯在拉挤工艺方面具备多项专利，随着其专利保护将于2022年7月到期，业内其他厂商将加速应用拉挤工艺，进一步助推叶片大型化、轻量化发展。 1.风力发电核心组件装机提升叶片需求 1.1.需求日益旺盛，快速增长空间大 风电发展势头迅猛，风机叶片市场广阔。风机叶片是风力发电机的核心组件之一，风电行业的高景气带动其需求量快速上涨。风电装机容量不断上升，其中2022年一季度总新增装机790万千瓦，同比上升50%，海上新增装机36千瓦，同比下降71%，虽较2020和2021年抢装潮期间有所回落，但需求仍然旺盛，行业未来发展景气程度较高。 图1自2021年以来我国海上风电装机量相对陆上迅速提升 风机叶片需求增长，主要企业维持高景气。行业内主要企业近年营业收入与新增装机趋势相吻合，以中材科技与时代新材为例，2022Q1分别实现46.62亿元和38.01亿元营收，同比增长16%和0.5%；净利率均实现增长，其中中材科技2017-2021年净利率逐年增长，复合增长率达21%，2022Q1同比增长7%，而时代新材2022Q1净利率则同比增长3%。 图2主要风机叶片企业营业收入（亿元） 图3主要风机叶片企业净利率（%） 2.叶片大型化助力降本碳纤维材料成为主流 2.1.大尺寸叶片助力降本 降本增效需求迫切，叶片大型化成为必然。2021年国家能源局提出了风电平价上网发电要求，倒逼风电生产企业降本增效，而约占整机成本22%的风机叶片成为降低成本的重要途径之一。 叶轮直径越长，扫风面积越大，发电量越大。通过增大叶片的扫风面积，单机发电量能够得到进一步的提升，如单机功率10MW的风机相较8MW的发电量高30%，由于单机功发电率上升，在总发电量相同的情况下能够安装更少的风机数量，分摊到单位容量的原材料、吊装、线缆、土地资源等成本能够摊薄，后期安装及运维成本也能够得以降低。 图4风机叶片大型化成为趋势 叶片长度连续刷新，国产风机技术创新。叶片大型化的速度不断加快，新增风电机组平均风轮直径已由2008年的65米提升至2018年的120米。进入2022年以来，叶片长度更是被多次刷新。 5月7日，运达股份与中复连众下线的YD110海上叶片，以110米的长度成为截至当日国内成功下线的最长风电叶片。5月20日，由中车株洲所时代新材生产的首支S84海上风电叶片已成功下线，是目前国内最长的纯玻纤风电叶片，长度达到84米。 明阳智慧、通用可再生能源、维斯塔斯等多家整机制造商也陆续发布研发规划，宣布将推出更高单机功率和更大叶片尺寸的海上风机。 2.2.轻量化助力大型化，碳纤维叶片将成主流 叶片长度增加对重量、质量提出更高要求。研究表明，碳纤维的密度比传统玻璃纤维低30%-35%，应用碳纤维可使叶片减重20%以上；拉伸模量也比玻璃纤维高3-8倍，可以有效提高叶片强度。 海上风电势头迅猛，轻量化需求更加凸显。据全球风能理事会预计，2025年全球海上风电新增装机量预计达23.1GW，较2020年6.1GW扩大三倍以上，CAGR达29.3%，海上风电新增装机量在全部风电新增装机总量中所占份额由6.5%提升至20%。 其中，我国海上风电预计新增装机量维持高位稳定，将引致更高的大叶片需求。而应用碳纤维使得叶片重量减轻，抗疲劳性能提高，可缓解海风与海浪侵蚀使海上风机因叶片过重而寿命缩短的问题；同时使叶片具有更高弹性，减少强风导致叶片挠曲变形的可能，在此背景下，碳纤维的应用势不可挡。 图5碳纤维可有效提高叶片强度，降低叶片重量 图6全球海上风电新增装机预测 国内碳纤维加速扩产，降价助推叶片应用。碳纤维优势众多，但同时价格也较玻璃纤维更加昂贵，并且从2020年初价格一路上涨，进入2022年后价格维持在高位。 价格高企的主要原因在于供应紧张，国内产能不足且未充分释放。我国碳纤维长期高度依赖海外进口，2017年前进口碳纤维占比维持80%以上高位运行。2021年中国碳纤维的总需求为6.2万吨，相较于2020年的4.9万吨需求同比增长27.7%。其中进口量为3.3万吨，占总需求的53.1%，国产碳纤维供应量仅为2.9万吨，占总需求的46.9%，国内市场仍处于供不应求状态。 随着国内企业逐渐实现技术突破和规模化发展，国内产能有望在2022年充分释放，国内碳纤维产量有望于2025年达到8.3万吨，国产化率提升至55%，进而促进价格降低，碳纤维在风电叶片领域的渗透率也将随之持续提升。 图7国产碳纤维销售均价（元/千克） 图8国内碳纤维产能（万吨） 2.3.拉挤技术逐渐成熟，规模生产提上日程 拉挤工艺能够更好的适应大尺寸及新材料的应用。在叶片制造过程中采用以高性能环氧树脂为基体、碳纤维为增强材料的拉挤碳板未来最有可能成为主流方案。 拉挤工艺提升碳纤维含量，标准件助力生产效率增长。2015年之前，碳纤维主要用于预浸料或织物的真空导入，2015年之后，维斯塔斯进行了主梁制作工艺升级，将其主体受力部分拆解为标准件生产再组装成整体，并替换小丝束碳纤维为成本只有其50%-60%的大丝束。具体包括如下优点：1）提高碳纤维在叶片中含量，降低叶片整体质量；2）标准件可应用于全部兆瓦级叶片，使用灵活性高，同时保证了拼装后整体性能上的一致性和稳定性；3）降低碳纤维材料成本和运输及整机组装过程成本； 4）易于自动化和大规模生产，提升生产效率。 维斯塔斯表示，应用拉挤成型的碳纤维增强复合材料（CFRP）主梁比早期应用的开模铺层工艺更为有效，“主要优点就是所有的纤维都在正确的方向上。从理论上讲，(通过开模工艺)可以放入单个的单向纤维层，但如果全部灌注，就很有可能产生褶皱。如果应用拉挤工艺，几乎可以完全消除这种情况。” 图9维斯塔斯风电叶片结构示意图 图10拉挤成型工艺流程 碳纤维产业化之路 的应用研究 维斯塔斯专利即将到期，碳梁技术普及指日可待。维斯塔斯多项专利保护将于2022年7月到期，专利保护到期后，行业内其它厂商将应用拉挤主梁工艺进行碳梁生产，助推叶片大型化、轻量化发展。 3.风险提示 装机规模不及预期：由于前期经历“抢装潮”，国内海上风电装机量存在不及预期的可能性。 技术发展受限：碳纤维材料、拉挤等技术工艺仍在发展中。 扩产进度受阻：由于疫情及外界环境影响，厂商扩产进度可能受阻。