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（报告出品方/作者：民生证券，李阳）

1. 风机大型化推动大丝束碳纤维需求

1.1 大功率风机占比明显提升

风机厂商大功率机型占比明显提升。CWEA 数据显示，国内风电新增装机平均单机功率 从 2010 年 1.45MW 上升到 2019 年 2.45MW，主流机型单机容量不断上升。观察整机厂金风科 技、明阳智能的在手外部订单及产量结构，同样可以看出大功率机型是大势所趋，3MW 及以 上机型占比从 2018 年较低份额提升到当前主力机型。

风机大型化能有效降低度电成本。（1）摊薄风机制造成本：国内整机厂提高关键部件输 出功率，而在普通零部件端保持通用设计，因此零部件材料使用量与风机功率非固定值。参考 Vestas 不同单机容量机型耗用原材料数据，风机大型化能够降低单 W 原材料制造成本；（2） 摊薄风机非制造成本：同等装机规模下，风电单机功率提升则所需风机数量下降，对应塔架、 土地、道路等建设费用将随之摊薄；（3）提升发电效率：同等风速情况下风电机组发电量与 扫风面积成正比，因此增加叶片长度能够有效提升发电量。

叶片长度不断突破。一般风机功率越大、叶片长度越长，风机厂商大功率机型占比明显 提升，带动主流新增装机叶轮直径从 2014 年 90-110 米提升到 2018 年 110-130 米（数据来源： CWEA）。 我国风电发展初期，风机多装于陆上富风区域，随着富风区域市场逐渐饱和，以及低风速 和海上风电技术发展，在低风速区域和海上建风电厂已具备经济效益。

而在低风速区和海上风 电场，风机叶轮直径是重要竞争力指标，因为叶轮直径越长，扫风面积越大，发电量越大，以 弥补风速不足的缺陷，小叶片已不能充分匹配海上风电需求。海风未来发展前景较为乐观， 近年来无论是全球还是我国，海上风电累积装机量增速持续高于整体，欧洲多国已制订计划， 预备大规模开发利用海上风力资源。

1.2 叶片大型化带动碳纤维需求

叶片大型化提高轻量化与强度刚度要求，从而带动碳纤维需求。（1）轻量化：叶片长度 增加时，由于叶片重量增加与风叶长度立方成正比，而风机产生电能与风叶长度平方成正比， 因此叶片重量增加快于能量提取。碳纤维由于其减重性能成为平衡叶片长度与重量的新型应用 材料。（2）满足强度刚度要求：叶片长度增加同时也对增强材料的强度、刚度等性能提出更 高要求，如为保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够刚度，而碳纤维能够起到强 度与刚度增强效果。

2. 风电叶片材料：玻纤 vs 碳纤维

2.1 玻纤为主流风电叶片增强材料

2.1.1 玻纤性价比高

风电叶片主要原材料包括树脂基体、增强材料以及粘接剂、芯材等，而增强材料主要有 玻璃纤维和碳纤维两种。增强材料（如玻纤）嵌入热固性树脂基体（如环氧树脂）中形成纤 维增强复合材料，基体材料提供韧性与耐久度，增强纤维材料则主要提供结构足够的刚度与强 度。实现纤维增强复合材料嵌入过程的工艺包括湿法手糊成型(Hand Lay-up)、预浸料成型 (Prepreg)、真空导入成型(RIM)，前两者因环境污染、成本较高不适用于大型叶片，目前主流 工艺为真空灌注导入。（报告来源：未来智库）

密度、拉伸强度、模量为风电增强材料关键指标，玻纤为主流风电叶片增强材料。风电 叶片增强材料经历早期木材、布蒙皮、铁蒙皮、铝合金蒙皮等材料后，目前已完全使用复合材 料，主因玻纤性能优异且具备经济性。

（1）密度满足轻量化需求。如何平衡叶片长度与重量是解决轻量化问题的核心，而材料 密度越小单位体积质量越轻，因此选用低密度材料能满足风电叶片轻量化需求。

（2）拉伸模量、拉伸强度满足刚度与强度性能需求。叶片由于发电环境艰难必须具备高 刚度、强度，拉伸模量指受正应力时弹性模量，拉伸强度指静拉伸条件下最大承载能力。复合 材料由于其可设计性，刚度和强度较钢材、铝合金等其他材料更适用于风电叶片。此外正因复 合材料如玻纤的可设计性，玻纤厂家可不断优化生产工艺提升拉伸强度与拉伸模量，以重庆国 际 TM 规格玻纤为例，较风电叶片常用 E 玻纤可提高 25-35%力学性能、10-17%模量、20-40% 动态疲劳性能等。

（3）价格具备商业化经济性。风电风机材料成本占比在 95%以上，其中叶片占风机材料 成本 20%左右，而玻纤又占风电叶片材料成本 28%。成本占比高，叶片厂家在选择复合材料 时同样会重点考虑性价比。过去近 10 年缠绕直接纱 2400tex 价格中枢在 4000-7000 元/吨，而 OC 高端风电纱 1200tex 高模量直接纱（H 玻纤）价格大约在 10000-12000 元/吨，价格位于钢材与铝合金之间，风电叶片大规模使用玻纤不会大幅提升成本。

2.1.2 各类玻纤因性能差异应用于叶片不同结构

主流风电叶片结构包括主梁系统、上下蒙皮、叶根增强层等：主梁系统包括主梁与腹板， 主梁负责主要承载，提供叶片刚度即抗弯和抗扭能力。腹板负责支撑截面结构，预制后粘接在 主梁上；蒙皮形成叶片气动外形用于捕捉风能，通常在形成主梁结构后，上下蒙皮通过前、后 缘与主梁结构粘接成为叶片；叶根增强层将主梁上载荷传递到主机处。

风电纱以单/多轴向经编织物形式应用于风电叶片中。单/多轴向布因其各自性能差异应用 于叶片不同结构。主玻纤占风电叶片材料成本 28%，其中单轴向布占 14%，双轴向布占 4%， 三轴向布占 4%。

2.2 碳纤维更适用于海上大叶片

2.2.1 碳纤维性能优异，短期大规模应用受制于成本

碳纤维是一种碳主链结构的高性能纤维材料，由有机纤维经高温裂解碳化形成，含碳量超 90%，具有质轻、高强高模、耐腐蚀、低膨胀和抗疲劳等优异性能。目前被广泛应用于航空航 天、基础设施、工业应用等多个领域。 叶片大型化带来轻量化与高强高模需求，碳纤维优异性能较为匹配：

（1）可减轻叶片质量、增强叶片刚度。以高模碳纤维为例，碳纤维密度比玻纤小 30-35%、 拉伸强度略大于高端风电纱、拉伸模量高玻纤 3-8 倍。

（2）碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。复合材料，包括纯 玻纤复合材料、纯碳纤维复合材料以及其余 4 种碳玻比例不同的碳玻混复合材料，结果表明碳 含量越高的复合材料其抗疲劳表现越好，能更好适应恶劣气候条件。

（3）可应用于低风速区域和海上风电。在低风速区和海上风电场，风机叶轮直径是重要 竞争力指标，而碳纤维能有效增加叶片长度，在富风区域市场逐渐饱和背景下可以有效拓宽风 电应用场景。

（4）具备振动阻尼特性，可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

但大规模应用仍受成本因素制约： （1）根据《碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料力学性能研究及风电叶片应用》数据，风 电用大丝束碳纤维成本为 12 万元/吨（约 1.8 万美元/吨，其他可参考数据区间在 1.4-1.8 万美 元/吨），制成织物成本则需 18 万元/吨，是玻纤织物价格的 12 倍。当前碳纤维主要用于叶片 主梁，即替换原先主梁中的单轴向玻纤布（单轴向玻纤布占叶片成本 14%），替换后可有效 减重 20%，但成本上升 82%。 （2）碳纤维增强材料比玻纤更脆，纯碳纤维叶片能否适用于海上风电仍存争议。

2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维

大丝束碳纤维每束碳纤维根数大于等于 48000根(即 48 K) ，主要应用于工业领域；而 1K、 3K、6K、12K 等碳纤维统称为小丝束碳纤维，主要应用于国防军工等高科技领域。主流风电 叶片用碳纤维为大丝束碳纤维：

（1）大丝束碳纤维生产原料来源广、价格低。原丝是碳纤维生产核心技术之一，价格占 碳纤维制备成本约 60%。大丝束碳纤维采用成本较低的民用聚丙烯腈（PAN）作为原丝，其价 格仅为制备小丝束碳纤维特种原丝 1/4，因此大丝束碳纤维价格也仅为小丝束碳纤维 50-60%。 另外，掌握小丝束碳纤维生产企业其特种原丝不外售，而民用 PAN 在国外市场可自由买卖；

（2）大丝束碳纤维性价比高。过去大丝束碳纤维拉伸强度在 2000 MPa 左右，比强度较 低，因此未大规模应用；20 世纪 90 年代中后期，大丝束碳纤维技术取得重大突破，拉伸强度 达到 3600 MPa，在工业领域性价比凸显。以美国 ZOLTEK 大丝束碳纤维 PANEX 33-0048 和日 本东丽小丝束碳纤维 T300-12000 为例，小丝束碳纤维单位美元强度、单位美元模量分别为 107 MPa、7 GPa，分别比大丝束碳纤维低 48%、46%。（报告来源：未来智库）

近年来风电叶片是碳纤维主要增量需求。2020 年全球碳纤维需求 10.7 万吨，近 6 年 CAGR 为 12%；而全球风电碳纤维需求从 2014 年 0.6 万吨快速上升到 2020 年 3.06 万吨，CAGR31%， 增速明显快于整体行业，占比从 2014 年 11%上升到 2020 年 29%。

2.2.3 拉挤法为风电叶片用碳纤维主要生产工艺

风电叶片大梁所用碳纤维存在大克重预浸料、碳纤维织物真空导入、拉挤成型 3 种工艺， 近年来风电叶片碳纤维需求增加，主因纤维体积含量高、高效率低成本的拉挤法开始采用。

预浸料是碳纤维制备碳纤维复合材料的一种重要中间基材。国外预浸料龙头有东丽、赫 氏、氰特、固瑞特等，外企于风电市场主打高面密度（600g/m2）碳纤维预浸料；国产碳纤维 预浸料制造商以低面密度（300g/m2）为主，目前高面密度工艺端仍需改进，浸渍不均匀，表 观质量较差。此外预浸料长期储存需冷冻环境，额外增加叶片生产成本。

真空灌注是闭模成型工艺，真空灌注准备工作较繁琐，且真空度对材料质量影响大。 拉挤工艺先将碳纤维制成拉挤板材，叶片制作时在设定位置内把拉挤板材黏贴在蒙皮上制 成大梁。其设计理念是把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效率、高质量、低成本的 拉挤梁片标准件，然后把标准件一次组装整体成型。

拉挤法具备纤维体积含量高、高效低成本等优点： （1）拉挤工艺碳纤维板材体积含量达 69%，明显高于预浸料和真空灌注，纤维含量高使 拉挤法碳纤维高强高模轻质效果更好，能应用于刚度要求非常高、主梁疲劳富余量非常大的叶 片； （2）标准件生产方式明显提高生产效率，保证产品性能一致性和稳定性，同时有效降低 运输成本和组装整体成型成本； （3）预浸料和真空灌注都有一定边角废料，而拉挤法极少。

拉挤法逐步成为风电叶片主流生产工艺。2015 年之前全球碳纤维工艺以预浸料和真空灌 注为主，价格高使风电叶片采用碳纤维比例偏低；近年来 Vestas 大丝束碳纤维（主流供应商 为 ZOLTEK）拉挤梁片成为主流。2020 年拉挤法碳纤维复合材料需求 5.87 万吨，占比达 36%，超越预浸料成为碳纤维第一大工艺，2016-2020 年拉挤法需求 CAGR 达 18%。

Vestas 碳梁保护专利 2022 年 7 月到期，国内外厂商加速布局拉挤法技术储备。Vestas 在 风电叶片碳纤维领域市占率超 80%（数据来源：《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》， 2019 年），国内厂商仍以预浸料工艺为主，除拉挤法技术难度外，专利也是主要原因。Vestas 在 2002 年 7 月 19 日向中国/丹麦等国家知识产权局申请了由碳纤维条带组装风力涡轮叶片的 相关专利，国内厂商可使用拉挤法生产大丝束碳纤维及其复合材料，但无法将拉挤法所得碳梁 用于制作叶片（除非直接供给 Vestas）。国内外厂家预计会提前布局拉挤法工艺，因此专利到 期后，拉挤法工艺有望快速实现普用，带动风电叶片用碳纤维成本下降，进而拉动风电碳纤维 需求。

2.3 碳纤维产业链较长，生产工艺国产替代空间广阔

国产替代空间大，风电为我国碳纤维下游需求大头。2020 年全球碳纤维需求达 10.69 万 吨，我国碳纤维需求 4.89 万吨，占比 45.7%，其中国产碳纤维供应量仅为 1.85 万吨，占国内 总需求 38%，国产替代空间广阔。奥赛碳纤维预测 2025 年国产碳纤维供应量将达 8.3 万吨， 预期未来 5 年 CAGR 达 35%。 全球与我国碳纤维下游需求结构有所出入，航空航天、风电叶片、体育休闲（高尔夫、 自行车、钓鱼竿、球拍等）、汽车为全球碳纤维前四大用途，其中风电叶片占比 16.4%；而从 我国碳纤维需求结构来看，风电为下游应用大头，占比 40.9%。

碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程：上游企业从石油、煤炭、天然气 等化石燃料中制得丙烯，再经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈（PAN） 原丝；PAN 原丝经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维；碳纤维可制成碳纤维织物和碳 纤维预浸料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合可形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得 到下游应用所需产品。

3. 风电叶片领域，玻纤、碳纤将长期共存

碳纤维是否会在风电叶片领域大面积取代玻纤？我们认为，玻纤与碳纤将长期共存，共 享风电增量。

（1）碳纤维产能规模不支持大范围替代。奥赛碳纤维数据显示，2020 年底全球碳纤维运 行产能为 17.17 万吨，考虑到扩产计划则达 25.21 万吨（此处未计入：吉林化纤宣布“十四五” 碳纤维扩产到 6 万吨，其中目前确定有 1.5 万吨碳纤维扩产）。2021-2023 年全球年均新增风 电装机量在 90GW 左右，假设 1GW 对应增强材料织物需求 1 万吨，即近 3 年全球风电增强材 料织物需求在 90 万吨左右，碳纤维产能供应仍存明显缺口。

另外，关于碳纤维供给，我们提示 3 点： 1）并非所有碳纤维产能供应风电，即使远期运行产能达 25.2 万吨，但其中供应风电叶片 需求仅为 9.34 万吨（数据来源：赛奥碳纤维，9.34 万吨为 2025 年预测）； 2）并非所有运行产能为实际产能，如同样宽幅与速度的碳纤维产线生产 3K 与 12K 碳纤 维产能有较大出入。统计原因导致存在部分“无效产能”，2017-2020 年总产能与产出有较大 出入，反映在数据上即为产能利用率较低； 3）考虑到生产技术壁垒，并非所有扩产计划均可落地。

（2）参考玻纤，碳纤维成本下降非一日之功。原丝和碳纤维产线存在明显规模效应，因此随着产能释放，碳纤维成本以及价格大概率呈 下行趋势，并影响终端售价。我们认为碳纤维降本可类比玻纤，耗时较长。因此性价比角度， 当前主机厂可能更倾向于玻纤复合材料。

（3）不断更新换代，高模量玻纤有望成为风电纱拳头产品。以中国巨石 E 系列玻纤为例， 2016 年开发出首款实现池窑化量产的高模量玻纤 E8，真正实现高模量玻纤规模化工业应用； 2020 年 8 月发布 E9，模量突破 100GPa，拉伸模量比 E6 提升近 25%。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 – 官方网站