风电叶片材料报告玻纤VS碳纤维.ppt

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1、深度研究/建材目录1.风机大型化推动大丝束碳纤维需求.31.1 大功率风机占比明显提升.31.2 叶片大型化带动碳纤维需求.52.风电叶片材料：玻纤 VS 碳纤维.62.1 玻纤为主流风电叶片增强材料.62.1.1 玻纤性价比高.62.1.2 各类玻纤因性能差异应用于叶片不同结构.72.2 碳纤维更适用于海上大叶片.82.2.1 碳纤维性能优异，短期大规模应用受制于成本.82.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维.102.2.3 拉挤法为风电叶片用碳纤维主要生产工艺.122.3 碳纤维产业链较长，生产工艺国产替代空间广阔.143.风电叶片领域，玻纤、碳纤将长期共存.164.风险提示.1

2、7插图目录.18表格目录.18本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告2-深度研究/建材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。图1:2010-2019 年国内新增装机风电平均单机功率国内风电新增装机平均单机功率（KW

3、3000250020001500100050002010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019资料来源：CWEA，民生证券研究院图2:金风科技在手外部订单结构占比图3:明阳智能产品产量结构占比3MW及以上产品3MW以下产品3S及以上产品3S以下产品100%80%60%40%20%0%25002000150010005000201820192020资料来源：公司公告，民生证券研究院资料来源：公司公告，民生证券研究院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

4、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。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告3-深度研究/建材以 3MW 机组为例，叶片加长 5m 单年可提升 208 利用小时，等同于投资节约 600 元/千瓦（数据来源：平价时代风电项目投资特点与趋势，下同）。此外，同等风速情况下

5、风电机组切变越大、塔架越高，发电量也越高，因此高切变地区高塔架经济性较好。以 3MW 机组0.13 切变为例，塔筒增高 5m 单年可提升 26 利用小时。表1:Vestas 不同单机容量机型耗用原材料风电机型单机容量（MW）Vestas V821.6578Vestas V802Vestas V1103塔筒高度（m）7884风轮直径（m）8280112钢材耗用量（kg/KW）玻纤/树脂/塑料耗用量（kg/KW）铁/铸铁耗用量（kg/KW）铜耗用量（kg/KW）96.318.217.81.8104.712.310.31.481.716.321.91.6铝耗用量（kg/KW）1.90.81.1原材料

6、合计耗用量（kg/KW）135.9129.6122.7资料来源：Understanding wind turbine price trends in the U.S.over the past decade，民生证券研究院表2:采用不同单机容量机组项目经济指标静态投资项目容量单机容量（MW）台数（元/千瓦）6449637562796221607357675517全投资 IRR资本金 IRRLCOE（元/千瓦时）（MW）2.050454340332522100999.28%9.45%9.67%9.82%10.18%10.97%11.68%18.24%18.85%19.66%20.19%21.54

7、24.63%27.49%0.34510.34140.33660.33360.32620.31080.29832.22.32.53.04.04.5991009910099资料来源：平价时代风电项目投资特点与趋势，民生证券研究院叶片长度不断突破。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

8、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。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告4-深度研究/建材表3:不同单机容量机组项目对应叶轮直径金风科技风机机型叶轮直径821S2S1503/4S5S1361656/8S175资料来源：金风科技官网，民生证券研究院图4:全球风电以及海上风电累积装机量图5:我国风电以及海上风电累积装机量资料来源：国家能源

9、局，民生证券研究院资料来源：国家能源局，民生证券研究院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。图6:商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势资料来源：碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用

10、民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告5-深度研究/建材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

11、适用于大型叶片，目前主流工艺为真空灌注导入。表4:复合材料叶片成型工艺比较工艺名称特点优缺点手工操作、开模成型、生产效率低以 叶片在使用过程中易出现含胶量不均匀、纤维/树及树脂固化程度偏低，适合产品批量 脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶小、质量均匀性要求低的复合材料制 片变形问题。此外在叶片制造过程中伴有大量有害湿法手糊成型工艺品生产物质和溶剂释放，造成环境污染等问题综合性能优越，适于制造大型的厚复 预浸料成本较高，但所得叶片制品厚度均匀、空隙预浸料成型工艺合材料部件率低，制品表面光滑平整较少依赖工人技术水平，工艺质量仅依赖工艺参数，产品质量易于保证，技术含量高于手糊工艺闭模成型，

12、因此具备污染小、叶片产品质量稳定、生产效率高等优点真空导入成型工艺资料来源：复合材料风电叶片制造技术现状及发展，民生证券研究院密度、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

13、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

14、高端风电纱 1200tex 高模量直接纱（H 玻纤）价格大约在 10000-12000 元/吨，价格位于钢本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告6-深度研究/建材材与铝合金之间，风电叶片大规模使用玻纤不会大幅提升成本。表5:各类材料物理性质对比材料ECR玻纤ECT玻纤TM玻纤钢密度（g/cm3）2.54-2.602.52-2.602.59-2.637.8拉伸强度（Mpa）2100-25002300-27003000-32001080拉伸模量（Gpa）73-7980-8284-86210铝合金钛合金2.8470754.51000110资料来源：复合材料风电叶片制造

15、技术现状及发展，前瞻研究院，民生证券研究院图7:风电叶片材料成本占比（国内某主流 1.5MW 机型叶片）图8:明阳智能风机材料成本拆分（2018H1）玻纤 基体 芯材 粘接胶 金属 涂层 其他辅助5%28%11%12%36%资料来源：复合材料结构设计对风电叶片成本的影响，民生证券研究院 资料来源：明阳智能招股说明书，民生证券研究院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

16、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。图9:风电叶片中玻纤应用图10:单/多轴向布玻纤内部结构资料来源：聚合科技招股说明书，民生证券研究院资料来源：风电用多轴向经编织物的结构设计，民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告7-深度研究/建材图11:风电叶片材料成本占比图12:风电叶片各结构成本占比三轴布双轴布单向布巴沙木聚合泡沫其他粘接胶基体树脂 涂层材料 金属上蒙皮 下蒙皮 主梁 腹板 叶根 粘接结构 其他4%4%5%10%4%7%9%20%14%6%9%39%10%20%11%3%25%资料来源：复合材

17、料结构设计对风电叶片成本的影响，民生证券研究院 资料来源：复合材料结构设计对风电叶片成本的影响，民生证券研究院风电纱以单/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

18、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。表6:各类材料物理性质对比材料ECR玻纤密度（g/cm3）2.54-2.602.52-2.602.59-2.631.5-2拉伸强度（Mpa）2100-25002300-27003000-32002400-3500750-2500拉伸模量（Gpa）73-79ECT玻纤80-82TM玻纤84-86高模碳纤维极高模碳纤维350-580460-6701.5-2资料来源：复合材料风电叶片制造技术现状及发展，碳纤维/玻璃纤维混

19、杂增强复合材料力学性能研究及风电叶片应用，民生证券研究院（2）碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。图 13 展示 6 种复合材料，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。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告8-深度研究/建材图13:各复合材料在不同拉伸应力水平下的疲劳表现资料来源：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，民生证券研究院（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

20、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。表7:碳纤维于风电叶片中应用案例公司西班牙产品技术状态2MW风机叶片，Gamesa在其旋转直径为 87m、90m叶轮的叶片制造中采用碳纤维环氧树脂预浸料，质量约 7t44m叶片Gamesa公司丹麦5MW风机叶片，采用玻纤碳纤维混杂复合材料结构，在横梁和翼缘等要求较高部位使用碳纤维作为增强材料，单片叶片质量达 17.7tVestas在 V90-3.0MW机型配套的 44m叶片主梁上使用了碳纤维，叶片自身质量只有 6t，与 V80-2.0MW

21、机型 39m叶片自身质量一样61.5m叶片44m叶片40m叶片艾尔姆风能公司（LM）维斯塔斯公司（Vestas）丹麦40m叶片中采用碳纤维增强环氧树脂NEG Micon公司德国44m叶片56m叶片2.5MW风电机组，44m长 CFRP叶片质量为 9.6t。此外还开发了 56m长 CFRP叶片。其认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片制作成本并不比玻纤高5MW风机叶片，转轮直径 126m，叶片由碳纤维和玻纤混杂而成，单叶片质量达 18t，专门为海洋风电场设计，年产电量大约 1700万 kWhNordex Rotor公司德国63m叶片Repower公司资料来源：复合材料风电叶片制造技术现状及发展，民生

22、证券研究院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。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告9-深度研究/建材图14

23、叶片用材料单价比较单价（元/吨）18000020000015000010000050000012000015000玻纤织物碳纤维碳纤维织物资料来源：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，民生证券研究院表8:主梁优化方案对比方案编号重量对比成本对比主梁设计原叶片主梁 UD材料普通 E 玻纤H 玻纤12345基数 1-3.4%-3.7%-20%基数 1+5%原叶片刚度原叶片刚度原叶片刚度原叶片刚度TM玻纤+2%碳纤+82%+9.8%碳玻混（8%碳纤）-10.4%资料来源：复合材料结构设计对风电叶片成本的影响，民生证券研究院2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维大丝

24、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

25、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 107MPa、7 GPa，分别比大丝束碳纤维低 48%、46%。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告10-深度研究/建材图16:吨）吉林碳谷大丝束碳纤维原丝与小丝束售价比较（元/图15:2020 全球碳纤维需求（千吨）标模-

26、大丝束标模-小丝束中模量高模量小丝束（1/3/6K）中小丝束（12K）大丝束（24/25/48/50K）0.727.9114.23025201510524.0348.316.4214.4643.72.1520182.322.372.650201920202021H1资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院资料来源：吉林碳谷公告，民生证券研究院表9:大丝束碳纤维 PANEX 33-0048 和小丝束碳纤维 T300-12000 的性能价格比项目PANEX 33-00483600T300-120003530230拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa密度/gcm32281.781.762.001.2833.

27、07107比强度107/m比模量109/m2s2s22.0321.28价格/$kg117.64205单位美元强度/MPa$1单位美元模量/GPa$1137单位美元比强度107/m2s2$1s2$10.110.060.04单位美元比模量109/m20.07资料来源：大丝束碳纤维产业发展现状及面临的问题，民生证券研究院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 202

28、0 年 29%。图17:全球风电碳纤维需求图18:全球大/小丝束碳纤维需求全球风电碳纤维需求（万吨）风电碳纤维应用占比全球大丝束碳纤维需求（万吨）全球小丝束碳纤维需求（万吨）10840%654321030%20%10%0%64202014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2025E2017201820192020资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告11-深度研究/建材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

29、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。表10:风电领域碳纤维应用主要工艺大克重预浸料碳纤维织物加固碳板图示工艺部分压力袋真空导入梁帽拉挤成型梁帽蒙皮、梁帽、叶根资料来源：国产碳纤维在风电叶片产业中的机会，民生证券研究院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

30、生产成本。图19:预浸料成型示意图资料来源：风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究，民生证券研究院表11:不同工业领域碳纤维、预浸料和制品单价碳纤维品种T700S-12K碳纤维预浸料制品80-140120-200300-500体育休闲T300-12K风电叶片梁板工业领域高端应用武器装备（缠绕用）通用飞机和无人机军用无人机T300-24KT700S-12K80-15080-140120-200500-1000T300-12KT700S-12K250-300-T300-1K,3K,6K,12KT700S-12K800-10002000-3000T300-3K,6K,12KT300-3K,

31、6K,12KT800-6K,12KT300-3K,6KT800-6K,12K-1500-25002500-30005000-80008000-10000民用航空（国内）30005000-700010000-15000军用航空（结构件）资料来源：从国产碳纤维的处境谈碳纤维“全产业链”，民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告12-深度研究/建材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

32、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。图20:拉挤板工艺示意图以及风电叶片碳纤维与玻纤应用示意图资料来源：国产碳纤维在风电叶片产业中的机会，吉林化纤公告，民生证券研究院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。图21:不同工艺碳纤维制品性能对

33、比资料来源：拉挤复合材料板材在风电叶片上的应用研究，民生证券研究院注：表中数据引自 Gurit 公司在 2014 年 Wind Turbine Blade Manufacture 大会上的演讲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%，本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告13-深度研究/建材超越预浸料成为碳纤维第一大工艺，2016

34、2020 年拉挤法需求 CAGR 达 18%。图22:2016-2020 年全球缠绕拉挤/预浸铺放碳纤维需求图23:2020 年全球碳纤维复合材料需求-按应用分类缠绕拉挤预浸铺放混配模成型RTM真空灌注非连续预制体其他全球缠绕拉挤碳纤维复合材料需求（万吨）全球预浸铺放碳纤维复合材料需求（万吨）765432104.68%1.64%7.48%8.94%35.68%12.22%29.36%20162017201820192020资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院表12:2014-2018 年风电叶片用碳纤维单价及用量碳纤维单价制品单价美元/kg50碳纤维用量碳

35、纤维制品用量美元/kg万吨0.6万吨-2014年23231414142015年2016年2017年2018年501.82.772.773.053.38181.8181.982.217.5资料来源：国产碳纤维在风电叶片产业中的机会，民生证券研究院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

36、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

37、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%。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告14-深度研究/建材图24:2020 年全球碳纤维下游需求结构图25:2020 年中国碳纤维下游需求结构航空航天混配模成型电子电气风电叶片压力容器船舶体育休闲碳碳复材电缆芯汽车建筑其他航空航天混配模成型电子电气风电叶片压力容器船舶体育休闲碳碳复

38、材电缆芯汽车建筑补强其他40.9%16.4%资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院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。图26:碳纤维产业链资料来源：吉林碳谷公开发行书，民生证券研究院图27:2020 年全球碳纤维运行产能图28:2020 年中国碳纤维运

39、行产能2020年碳纤维原丝运行产能（吨）2020年碳纤维运行产能（吨）50,00040,00030,00020,00010,0000资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告15-深度研究/建材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

40、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

41、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。图29:2021-2025 年全球预计新增风电装机量图30:2017-2020 年全球及中国碳纤维产能利用率陆上 海上全球碳纤维产能利用率中国碳纤维产能利用率12010080604020080.00%23.988.36.114.383.760.00%40.00%20.00%0.00%13.177.411.276.37.786.973.420202021E 2022E 2023E 2024E 2025E2017201820192020资料来源：GWEC，

42、民生证券研究院资料来源：赛奥碳纤维，民生证券研究院注：假设产量=需求量（2）参考玻纤，碳纤维成本下降非一日之功。碳纤维产业化发展及成本分析数据显示，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。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告16-深度研究/建材表13:原丝和碳纤维在不同产能下成本构成（单位：万元）原丝碳纤维成本费用产能 250吨/年产能 3000吨/年产能 100吨/年产能 1000吨/年直接成本单耗成本7

43、9.610.311.38.98677.447.11385.120.78.65.87.76.2固定资产折旧流动费用9.66.2资料来源：碳纤维产业化发展及成本分析，民生证券研究院（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%。表14:2014-2018 年风电叶片用碳纤维单价及用量测试样品测试项目普通 EE6E789-91E895-98E9浸胶纱拉伸性能环氧树脂拉伸模量（GPa）拉伸

44、强度（MPa）拉伸模量（GPa）拉伸强度（MPa）玻纤体积含量（%）73-7581-83100-1033100-350054-551900-20002500-27002800-300049-503100-350051-52-单向织物层压板性能环氧树脂1200-1300551300-1400551400-150055资料来源：中国巨石官网，民生证券研究院4.风险提示大丝束碳纤维产能投放进度不及预期：考虑到生产技术壁垒，并非所有扩产计划均可落地；国产拉挤法工艺研发不及预期：维斯塔斯专利到期后，碳纤维拉挤大梁国产替代速度不及预期；海上风电项目进展不及预期：海风未来发展前景较为乐观，但仍存项目进展不及

45、预期风险。本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告17-深度研究/建材插图目录图 1:2010-2019 年国内新增装机风电平均单机功率.3图 2:金风科技在手外部订单结构占比.3图 3:明阳智能产品产量结构占比.3图 4:全球风电以及海上风电累积装机量.5图 5:我国风电以及海上风电累积装机量.5图 6:商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势.5图 7:风电叶片材料成本占比（国内某主流 1.5MW 机型叶片）.7图 8:明阳智能风机材料成本拆分（2018H1）.7图 9:风电叶片中玻纤应用.7图 10:图 11:图 12:图 13:图 14:图 15:图 16:图

46、 17:图 18:图 19:图 20:图 21:图 22:图 23:图 24:图 25:图 26:图 27:图 28:图 29:图 30:单/多轴向布玻纤内部结构.7风电叶片材料成本占比.8风电叶片各结构成本占比.8各复合材料在不同拉伸应力水平下的疲劳表现.9叶片用材料单价比较.102020 全球碳纤维需求（千吨）.11吉林碳谷大丝束碳纤维原丝与小丝束售价比较（元/吨）.11全球风电碳纤维需求.11全球大/小丝束碳纤维需求.11预浸料成型示意图.12拉挤板工艺示意图以及风电叶片碳纤维与玻纤应用示意图.13不同工艺碳纤维制品性能对比.132016-2020 年全球缠绕拉挤/预浸铺放碳纤维需求.1

47、42020 年全球碳纤维复合材料需求-按应用分类.142020 年全球碳纤维下游需求结构.152020 年中国碳纤维下游需求结构.15碳纤维产业链.152020 年全球碳纤维运行产能.152020 年中国碳纤维运行产能.152021-2025 年全球预计新增风电装机量.162017-2020 年全球及中国碳纤维产能利用率.16表格目录表 1:Vestas 不同单机容量机型耗用原材料.4表 2:采用不同单机容量机组项目经济指标.4表 3:不同单机容量机组项目对应叶轮直径.5表 4:复合材料叶片成型工艺比较.6表 5:各类材料物理性质对比.7表 6:各类材料物理性质对比.8表 7:碳纤维于风电叶片

48、中应用案例.9表 8:主梁优化方案对比.10表 9:大丝束碳纤维 PANEX 33-0048 和小丝束碳纤维 T300-12000 的性能价格比.11表 10:表 11:表 12:风电领域碳纤维应用主要工艺.12不同工业领域碳纤维、预浸料和制品单价.122014-2018 年风电叶片用碳纤维单价及用量.14本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告18-深度研究/建材表 13:表 14:原丝和碳纤维在不同产能下成本构成（单位：万元）.172014-2018 年风电叶片用碳纤维单价及用量.17（本文感谢以下期刊、论文贡献：碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用、复合材料风电叶片制造技术现状及发展、多轴向织物在风力发电机叶片中的应用、风电用多轴向经编织物的结构设计、高性能玻纤多轴向织物在兆瓦级风电叶片中的应用、高模玻纤单向布在风电叶片上的应用、复合材料结构设计对风电叶片成本的影响、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、大丝束碳纤维产业发展现状及面临的问题、国产碳纤维在风电叶片产业中的机会、风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究、从国产碳纤维的处境谈碳纤维“全产业链”、拉挤复合材料板材在风电叶片上的应用研究、碳纤维产业化发展及成本分析等）本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告19-