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截至2021年底，中国风电装机规模328GW，占全球比例为39.2%，其中2021年新增47.57GW。双碳背景下风电行业持续高景气，风电材料升级转型加速双碳背景下可再生能源发展进入快车道，风电是我国仅次于煤电和水电的第三大发电来源，也是发展最快的可再生能源之一。根据《“十四五”可再生能源发展规划》，到2025年，可再生能源发电量达到3.3万亿千瓦时，风电发电量较2020年实现翻倍，5年复合增速达到15%。随着我国风电产业的蓬勃发展和风电产业升级降本的过程中，叶片材料革新以及海风加速崛起带来的大丝束碳纤维、酸酐固化剂、国产灌浆料等化学材料，正在迎来巨大的发展机遇。预计2025年风电材料市场总规模将超过1400亿元，较2021年翻倍。
本期慧正资讯将结合开源证券的研报内容，详细解说大丝束碳纤维在风电领域的产品优势和市场前景。
风力发电机主要由叶轮、机舱、塔筒三部分构成。由于风电场招标时塔筒一般单独招标，风力机组通常即指叶轮和机舱两部分。风机的叶轮负责将风能转化为机械能，它由叶片、轮毂、整流罩组成，其中叶片将空气的动能转化为叶片和主轴的机械能，继而通过发电机转化为电能，叶片约占风机总成本的22%。叶片的尺寸、形状直接决定了能量转化效率，也直接决定了机组功率和性能，因此风电叶片在风机设计中处于核心地位。对于目前风电叶片使用的复合材料而言，材料与工艺是两个最为重要的因素。就材料而言，目前主要用于生产风电叶片的复合材料为玻璃纤维复合材料，玻璃纤维增强材料用于提供刚度与强度，基体材料则使用环氧树脂用于提供韧性与耐久性；就工艺而言，目前真空灌注成型工艺作为生产玻璃纤维复合材料的主要成型工艺被广泛运用。随着海上大叶片的发展，碳纤维轻质高模高强增强材料用量剧增，拉挤成型工艺愈发成熟拉动酸酐类新型固化剂的替代需求，越来越重的叶片对海上风机基座灌浆料也提出了更苛刻的要求。
风机叶轮由叶片、轮毂、整流罩组成
叶片约占风机总成本的22%
碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维，其制备工艺包括聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理、碳纤维形成、成品加工等步骤。碳纤维具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列优良性能，在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域广泛应用。按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别，1K即1个丝束含1000根碳纤维，一般将48K（每束含有48000根碳纤维）及以上称为大丝束碳纤维，也称为工业级碳纤维，主要有50K、60K、120K、240K、360K等；反之则称为小丝束碳纤维，也称为宇航级碳纤维，主要有1K、3K、12K、24K等。小丝束碳纤维性能优异但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别；大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低，因此往往运用于基础工业领域，包括土木建筑、交通运输和风电能源等。相较之下，大丝束碳纤维的优势在于相同的生产条件下，可大幅提高碳纤维单线产能和质量性能，并实现生产低成本化，从而打破碳纤维高价带来的应用局限，因此具备广阔的发展前景。
碳纤维生产需要经过纺丝、预氧化、碳化等步骤
随着风力发电机功率增大，特别是在海上风机的需求刺激下，全球风机大型化的趋势日益明显。根据中科院宁波材料所特种纤维事业部，20世纪80年代国内外风电叶片长度为17m，目前最长则已经达到126m，其对材料轻质、高强、高刚、耐疲劳等特性需求也越来越明确，而碳纤维恰好兼顾这些特性。根据中复神鹰招股说明书，在满足刚度和强度的前提下，碳纤维比玻璃钢叶片质量轻30%以上；当前风轮直径已突破120m，叶片重量达18吨，采用碳纤维的120m风轮叶片可以有效减少总体自重38%，成本下降14%。
风电叶片大梁可采用碳纤维增强复合材料
全球风电叶片碳纤维需求快速增长，预计2025年达9万吨。根据赛奥碳纤维统计数据，2020年全球碳纤维需求达到10.69万吨，受全球新冠疫情影响，同比增速放缓至3%；在碳纤维成本降低和叶片复合材料工业创新的刺激下，2020年全球风电叶片碳纤维需求量达到3.06万吨，同比增长20%，占全球需求总量的比例由2019年的24.59%提升至2020年的28.64%。从产品规格看，大丝束碳纤维的市场占比由2019年的42.2%提升至2020年的45.2%，主要受益于大丝束在风电市场的需求增长，赛奥碳纤维预计，2025年全球叶片碳纤维需求量将达到9.34万吨，2020-2025年CAGR高达25%。国内方面，我国碳纤维需求量从2015年的1.69万吨增长到2020年的4.89万吨，年均复合增长率高达23.64%，期间自给率不断提高。从碳纤维下游应用需求来看，国内需求结构和全球需求结构差异较大，2020年国内需求增速远高于全球，主要系风电叶片对碳纤维需求大幅增长，同时国际叶片代工由欧洲转向国内，致国内该领域的碳纤维需求由2019年的1.38万吨大幅增长至2020年2万吨，占国内需求总量的40.9%。
预计全球风电叶片碳纤维需求量将持续增长
预计国内碳纤维需求、供给同步增长
2020 年国内风电叶片碳纤维需求占比达 40.9%
国内企业布局大丝束碳纤维产业链，有望受益于风电叶片大型化趋势。大丝束 碳纤维生产技术壁垒较高，海外生产企业主要有美国卓尔泰克(Zoltek，2014年被日本东丽公司收购)、德国西格里（SGL）、英国考陶尔兹（Courtaulds）等企业。国内方 面，2017 年前后，上海石化和吉林化纤先后开始研制48K大丝束碳纤维，并于2018年先后成功试生产；2019年，吉林化纤完成首批120t 48K大丝束碳纤维原丝出口订 单，上海石化则启动1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目。吉林化纤集团布局“原丝 -碳丝-复材制品”的碳纤维全产业链，2021年4月以来，陆续开工建设15万吨碳纤维原丝项目、600吨高性能碳纤维项目、12000吨碳纤维复材项目、6000吨碳纤维项 目、20000吨碳纤维复合材料制品项目。精功科技作为国内千吨级碳纤维生产线整线 供应商，2020年为吉林精功碳纤维有限公司定制2500吨级25K/50K大丝束碳纤维 生产线。
国内上海石化、吉林化纤等均有大丝束碳纤维扩产计划
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