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截至2021年底，中國風電裝機規模328GW，占全球比例為39.2%，其中2021年新增47.57GW。雙碳背景下風電行業持續高景氣，風電材料升級轉型加速雙碳背景下可再生能源發展進入快車道，風電是我國僅次于煤電和水電的第三大發電來源，也是發展最快的可再生能源之一。根據《“十四五”可再生能源發展規劃》，到2025年，可再生能源發電量達到3.3萬億千瓦時，風電發電量較2020年實現翻倍，5年復合增速達到15%。隨著我國風電產業的蓬勃發展和風電產業升級降本的過程中，葉片材料革新以及海風加速崛起帶來的大絲束碳纖維、酸酐固化劑、國產灌漿料等化學材料，正在迎來巨大的發展機遇。預計2025年風電材料市場總規模將超過1400億元，較2021年翻倍。
本期慧正資訊將結合開源證券的研報內容，詳細解說大絲束碳纖維在風電領域的產品優勢和市場前景。
風力發電機主要由葉輪、機艙、塔筒三部分構成。由于風電場招標時塔筒一般單獨招標，風力機組通常即指葉輪和機艙兩部分。風機的葉輪負責將風能轉化為機械能，它由葉片、輪轂、整流罩組成，其中葉片將空氣的動能轉化為葉片和主軸的機械能，繼而通過發電機轉化為電能，葉片約占風機總成本的22%。葉片的尺寸、形狀直接決定了能量轉化效率，也直接決定了機組功率和性能，因此風電葉片在風機設計中處于核心地位。對于目前風電葉片使用的復合材料而言，材料與工藝是兩個最為重要的因素。就材料而言，目前主要用于生產風電葉片的復合材料為玻璃纖維復合材料，玻璃纖維增強材料用于提供剛度與強度，基體材料則使用環氧樹脂用于提供韌性與耐久性；就工藝而言，目前真空灌注成型工藝作為生產玻璃纖維復合材料的主要成型工藝被廣泛運用。隨著海上大葉片的發展，碳纖維輕質高模高強增強材料用量劇增，拉擠成型工藝愈發成熟拉動酸酐類新型固化劑的替代需求，越來越重的葉片對海上風機基座灌漿料也提出了更苛刻的要求。
風機葉輪由葉片、輪轂、整流罩組成
葉片約占風機總成本的22%
碳纖維是由聚丙烯腈（PAN）（或瀝青、粘膠）等有機纖維在高溫環境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈結構無機纖維，其制備工藝包括聚合、紡絲、預氧化、碳化、表面處理、碳纖維形成、成品加工等步驟。碳纖維具有質輕、高強度、高模量、導電、導熱、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數小等一系列優良性能，在航空航天、風電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復合材料、交通建設等領域廣泛應用。按照每束碳纖維中單絲根數，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩大類別，1K即1個絲束含1000根碳纖維，一般將48K（每束含有48000根碳纖維）及以上稱為大絲束碳纖維，也稱為工業級碳纖維，主要有50K、60K、120K、240K、360K等；反之則稱為小絲束碳纖維，也稱為宇航級碳纖維，主要有1K、3K、12K、24K等。小絲束碳纖維性能優異但價格較高，一般用于航天軍工等高科技領域，以及體育用品中產品附加值較高的產品類別；大絲束產品性能相對較低但制備成本亦較低，因此往往運用于基礎工業領域，包括土木建筑、交通運輸和風電能源等。相較之下，大絲束碳纖維的優勢在于相同的生產條件下，可大幅提高碳纖維單線產能和質量性能，并實現生產低成本化，從而打破碳纖維高價帶來的應用局限，因此具備廣闊的發展前景。
碳纖維生產需要經過紡絲、預氧化、碳化等步驟
隨著風力發電機功率增大，特別是在海上風機的需求刺激下，全球風機大型化的趨勢日益明顯。根據中科院寧波材料所特種纖維事業部，20世紀80年代國內外風電葉片長度為17m，目前最長則已經達到126m，其對材料輕質、高強、高剛、耐疲勞等特性需求也越來越明確，而碳纖維恰好兼顧這些特性。根據中復神鷹招股說明書，在滿足剛度和強度的前提下，碳纖維比玻璃鋼葉片質量輕30%以上；當前風輪直徑已突破120m，葉片重量達18噸，采用碳纖維的120m風輪葉片可以有效減少總體自重38%，成本下降14%。
風電葉片大梁可采用碳纖維增強復合材料
全球風電葉片碳纖維需求快速增長，預計2025年達9萬噸。根據賽奧碳纖維統計數據，2020年全球碳纖維需求達到10.69萬噸，受全球新冠疫情影響，同比增速放緩至3%；在碳纖維成本降低和葉片復合材料工業創新的刺激下，2020年全球風電葉片碳纖維需求量達到3.06萬噸，同比增長20%，占全球需求總量的比例由2019年的24.59%提升至2020年的28.64%。從產品規格看，大絲束碳纖維的市場占比由2019年的42.2%提升至2020年的45.2%，主要受益于大絲束在風電市場的需求增長，賽奧碳纖維預計，2025年全球葉片碳纖維需求量將達到9.34萬噸，2020-2025年CAGR高達25%。國內方面，我國碳纖維需求量從2015年的1.69萬噸增長到2020年的4.89萬噸，年均復合增長率高達23.64%，期間自給率不斷提高。從碳纖維下游應用需求來看，國內需求結構和全球需求結構差異較大，2020年國內需求增速遠高于全球，主要系風電葉片對碳纖維需求大幅增長，同時國際葉片代工由歐洲轉向國內，致國內該領域的碳纖維需求由2019年的1.38萬噸大幅增長至2020年2萬噸，占國內需求總量的40.9%。
預計全球風電葉片碳纖維需求量將持續增長
預計國內碳纖維需求、供給同步增長
2020 年國內風電葉片碳纖維需求占比達 40.9%
國內企業布局大絲束碳纖維產業鏈，有望受益于風電葉片大型化趨勢。大絲束 碳纖維生產技術壁壘較高，海外生產企業主要有美國卓爾泰克(Zoltek，2014年被日本東麗公司收購)、德國西格里（SGL）、英國考陶爾茲（Courtaulds）等企業。國內方 面，2017 年前后，上海石化和吉林化纖先后開始研制48K大絲束碳纖維，并于2018年先后成功試生產；2019年，吉林化纖完成首批120t 48K大絲束碳纖維原絲出口訂 單，上海石化則啟動1.2萬噸/年48K大絲束碳纖維項目。吉林化纖集團布局“原絲 -碳絲-復材制品”的碳纖維全產業鏈，2021年4月以來，陸續開工建設15萬噸碳纖維原絲項目、600噸高性能碳纖維項目、12000噸碳纖維復材項目、6000噸碳纖維項 目、20000噸碳纖維復合材料制品項目。精功科技作為國內千噸級碳纖維生產線整線 供應商，2020年為吉林精功碳纖維有限公司定制2500噸級25K/50K大絲束碳纖維 生產線。
國內上海石化、吉林化纖等均有大絲束碳纖維擴產計劃
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