2021年風電葉片產業現狀，輕量化背景下玻纖和碳纖維需求持續增長
一、風電葉片產業概述
1、成型工藝比較
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）中形成纖維增強複合材料，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強度。實現纖維增強複合材料嵌入過程的工藝包括濕法手糊成型(Hand Lay-up)、預浸料成型(Prepreg)、真空導入成型(RIM)，前兩者因環境污染、成本較高不適用於大型葉片，目前主流工藝為真空灌注導入。
風電覆合材料葉片成型工藝比較
資料來源：公開資料整理
2、基本結構
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，上下蒙皮通過前、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。目前葉片主體主要用玻纖材料，主樑部分採用碳纖維複合材料。
風電葉片基本結構
資料來源：公開資料整理
二、風電葉片產業鏈簡析
1、產業鏈整體
作為風電產業鏈中關鍵組成，我國風電葉片整體產業相對簡單，上游主要各原材料的生產，包括玻纖、碳纖維和新材等，中游主要為風電葉片生產企業，包括中材科技、時代新材、中復連眾和艾郎科技等。下游主要應用風電電站。
風電葉片產業鏈簡圖
資料來源：華經產業研究院整理
2、上游端
葉片主要由複合材料組成，包括環氧樹脂、玻纖、碳纖維等，目前80-90米長的葉片玻纖用量在25-40噸，在風機大型化輕量化背景下，玻纖和碳纖維佔比有望繼續增長。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同樣會重點考慮性價比。過去近10年纏繞直接紗2400tex價格中樞在4000-7000元/噸，而OC高端風電紗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。
中國風電葉片原材料成本結構佔比分佈情況
注：以國內某主流1.5MW機型葉片為例
根據《數據，風電用大絲束碳纖維成本為12萬元/噸（約1.8萬美元/噸，其他可參考數據區間在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%。
資料來源：《複合材料結構設計對風電葉片成本的影響》，華經產業研究院整理
中國風電葉片用材料單價對比情況
資料來源：公開資料整理
3、下游端
風電葉片是風電機組的重要組成部分，約佔風電總成本的24%左右，是最關鍵的零部件組成。根據數據，在風電裝機容量方面，截至2021年我國風電裝機容量為32848萬千瓦，同比2020年增長16.68%，2016-2021年複合增長率為17.2%。預計隨着終端電力需求持續增長，能源需求仍是未來關鍵，將帶動風電葉片產業整體需求持續上升。
2016-2021年中國風電裝機容量及增長率
資料來源：國家能源局，華經產業研究院整理
葉片是風機的核心零部件，是決定風能利用率的關鍵，以某企業雙饋式風電機組為例，在風機成本中，葉片、齒輪箱、發電機是成本佔比最高的三種零部件，分別為23.6%、12.7%和8.7%。就利潤情況而言，零部件製造商的毛利率水平通常高於中游整機廠，零部件中的主軸、軸承、法蘭、電纜、變流器毛利率較高，塔筒、葉片其次。
2020年中國某企業雙饋式風電機組成本構成
資料來源：電氣風電招股書，華經產業研究院整理
相關報告：華經產業研究院發佈的《2021-2026年中國風電葉片行業市場調研及投資戰略規劃報告》
三、風電葉片發展現狀
1、需求情況
隨着風電持續發展，我國風電葉片整體需求持續增長。根據數據顯示，2019年我國風力發電葉片需求達到14589套，預計2020年將達到22977萬套。目前國內政策推動海上發電建立，預計風電葉片整體需求有望進一步增長。
2015-2020年中國風力風電葉片總需求量及增長率
資料來源：公開資料整理
2、市場規模
風電葉片是風電機組將風能轉化為機械能的關鍵核心部件之一，也是風機獲取更高風電機組利用小時數和實現經濟效益的基礎。在風電搶裝背景下，2020年，風電機組的產能和交付很大程度上將受到葉片制約。就我國風電葉片市場規模而言，隨着2020年風電裝機量大幅度增長，我國風電市場規模大幅度增長至521億元左右。
2013-2020年中國風電葉片市場規模及增長率
資料來源：公開資料整理
3、市場結構
風電葉片大型化成為趨勢。由於風電機組走向大型化，對葉片的材料、尺寸等要求也越來越高。風電機組單機功率的提升主要依靠葉片大型化，通過增加葉片直徑擴大掃風面積，進而提升發電量。從葉片直徑來看，2016年，45-55米以內的葉片是絕對主力葉型；到2018年，55-60米左右葉片佔領了大部分市場，60-65米葉片也開始批量生產。預計2021年55米以上的風電葉片將成為市場主流，佔據60%左右的份額。
2016-2021年風電葉片結構變動及預測
資料來源：公開資料整理
4、產能情況
目前中國風機葉片市場已經形成外資企業、民營企業、研究院所、上市公司等多元化的主體投資形式。外資企業主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，國內企業以時代新材、中材科技等為代表。根據數據，目前中材科技和時代新材產能都達到10000MW。
2020年中國風電葉片主要企業產能一覽
資料來源：公開資料整理
四、風電葉片競爭格局
終端的風電葉片已基本完成國產化。其中（2019年數據），中材科技佔據30%份額，時代新材20%，中復連眾15%，CR5在70%以上，並且依賴龐大的中國市場，國內廠商在全球的市場份額逐漸擴大，中材科技已進入全球前三之列。整體來看，葉片市場CR5超過60%，市場集中度高。
2013-2020年中國風電葉片競爭格局情況
資料來源：公開資料整理
2、主要企業分析
中材科技體量較大，盈利表現突出：作為國內市場龍頭，2020年中材科技風電葉片出貨量達到12.34GW，毛利率保持平穩增長，到2020年毛利率達到23.93%，較18年累計上漲10pct。2021銷量和營收小幅度下降，但市佔率有所回升。時代新材葉片營收從2019年的23.25億元增長至2020年的68.33億元，規模快速擴張。2017年天順風能開始自主研發、生產和銷售風電葉片，發展迅速，2019年葉片業務實現銷售收入7.52億元，同比增加近200%，由於天順18~19年主要以模具銷售為主，因此毛利率顯著高於平均水平。
2016-2021年中材科技風電葉片銷量營收情況
資料來源：公司公報，華經產業研究院整理
五、風電葉片發展趨勢
1、拉擠法逐步成為主流。
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，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。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製成大梁。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、技術趨勢
葉片技術變化主要體現在尺寸增加和輕量化、高強度材料的使用。風機大型化趨勢顯著，意味着需要更長的葉片，更大的受風面積，可以捕捉更多的風能，也有助於在低風速的地方打開市場。海上風機容量更大，所需要的葉片比陸上風電葉片更大，但尺寸更大的葉片就需要減重，這樣也加大了重量更輕、強度更高的材料在風電葉片上的使用。在風機大型化輕量化背景下，玻纖和碳纖維佔比有望繼續增長。
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