新型材料碳纤维被称为“黑黄金”，在工业领域应用广泛。本文主要讨论风电行业中碳纤维，为何他能成为风电叶片主力军？

风电叶片的材料组成

风电叶片是风电机组将风能转化为机械能的关键部件。叶片结构和用材会直接影响风能的转换效率，是风机获取更高风电机组利用小时数和实现经济效益的基础。从风电叶片结构来看，其主要由增强材料（梁）、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成。叶片80%成本来自于原材料，而60%原材料成本来自于纤维材料：增强纤维与基体树脂。

风电叶片是中国碳纤维需求的主要领域。2021年国内风电叶片所需碳纤维为2.25万吨，占比36.1%，稳居第一的位置。其次为体育休闲，占比约为28.1%。受光伏行业驱动快速发展的碳碳复材，占比已经达到11.2%。

碳纤维将逐步替代玻璃纤维。在满足刚度和强度的前提下，碳纤维风叶比传统玻璃纤维风叶轻20%-30%。大丝束碳纤维由于其减重、耐腐蚀性，性能优于传统材料，随着技术和成本的突破，碳纤维逐步成为风电叶片、梁的主要材料。

风电叶片中的碳纤维

长期以来，风能市场一直是复合材料的最大消费领域。复合材料有时也用于制造其他类型可再生能源设备的结构件，例如水力发电和潮汐涡轮机的叶片。涡轮机叶片和风轮机机舱盖通常使用玻璃纤维增强复合材料制成，随着更长风轮机叶片的开发和建造，这种复合材料越来越多由碳纤维复合材料翼梁帽加固。

根据2022年美国国家可再生能源实验室与劳伦斯·伯克利国家实验室以及美国能源部DOE合作对140多名风能专家进行的调查，预计到2035年，陆上风力涡轮机将达到130米。除了玻璃纤维复合材料叶片外，随着风力涡轮机越来越大，叶片长度不断增加，翼梁帽中的碳纤维加强件（作为风力涡轮机转子叶片的加强构件）)已成为减少整体重量和增加叶片刚度以防止突然阵风袭击塔架的有效方法。

根据公开信息显示，全球排名第一的风力发电设备生产商维斯塔斯，在2015年大规模推广碳纤维叶片，2016年，风电领域首次超过航空航天，成为碳纤维最大的应用市场，并保持至今。2022年，全球风电叶片领域碳纤维需求量3.47万吨，占比25.7%。目前维斯塔斯在国内主要有三家供应商：澳盛科技、光威复材和上纬新材。

风电叶片为什么要使用碳纤维呢？

1. 提高风电叶片的刚度，减轻其重量

碳纤维的密度大约比玻璃纤维的小30%，强度却大约40%左右，尤其是模量高3~8倍，大型风电叶片采用碳纤维材质可充分发挥其高弹轻质的优点。有研究显示，同样是34M长的叶片，采用玻璃纤维增强聚酯树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。

2. 提高叶片的抗疲劳性能

风电机长期在恶劣的自然条件下工作，湿度 疲劳 暴风雨和累积等因素都有可能使风电叶片易于受损，碳纤维材料优异的抗疲劳性能以及对酸碱盐大气具有良好的耐腐蚀性，当与树脂材料融合是，成为了风力机适应恶劣气候条件最佳的材料之一。

3. 使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能使用效率

使用碳纤维之后，叶片的重量和刚度的增加，改善了风电叶片的空气动力学性能，减少了对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更加平滑和均衡，提高了能量转化效率。与此同时，碳纤维叶片更薄，叶片更细长，提高了能量的输出效率。

4. 可制造自适应叶片

自适应的风机，充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲、扭曲叶片的设计，使得叶片在强风中旋转时减少瞬间负载，防止对风机的损害。

5. 利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

6. 降低风电叶片的制造和运输成本

采用碳纤维材料后，同样尺寸的叶片变得更加轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂规模，减少运输设备。

7. 可制造低风速叶片

碳纤维应用于风电叶片，可以降低叶片的重量，减轻轮毂和轴的负载，增加叶片的长度，从而制造出适用于低风速地区的大直径风叶，从而降低成本。

8. 具有振动阻尼特性。

碳纤维的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。

性能优势：碳纤维替代必要性

随着风电叶片长度增加、叶轮直径增大，其结构设计要求越来越高，叶片必须满足刚 度要求以抵抗极端负荷；叶片具有优异耐疲劳特性，在其整个使用寿命期间必须承受 疲劳载荷；叶片必须坚硬，具有一定强度，以防止在极端载荷下与塔架碰撞；局部刚 度也必须足以防止极端载荷；叶片结构应尽可能轻，以最大程度地降低发电成本。

在全玻纤情况下，随着叶片长度增加，自重载荷占比线性上升，可用于发电的载荷相 应下降。因此在大功率风机应用场景中，碳纤维替代具备的了必要性。根据 Sandia 实 验室的数据，随着叶片长度变长，碳纤维的渗透率也逐渐提升。49.9 米以下长度的渗 透率仅为 9%，而 70 米以上的叶片渗透率达到了 55%，对于 10MW 以上的大型风机， 碳纤维渗透率更是达到 100%。可以预期未来以大兆瓦机型为主的海上风电，碳纤维替 代将会更加具有必要性。

由于碳纤维相较玻璃纤维单价较高，因此对于叶片成本来说，应用碳纤维主梁的材料 成本也相应提高。

碳纤维全面替代的降本要求

2022 年中国风电进入全面平价时代，风机的招标价格从 3000 元/kW 降至今年 1500 元 /kW 左右，再加上原材料价格维持高位，风电行业利润收到了极大的压缩，在巨大的 降本压力下，碳纤维在风电的需求想要完全打开，对玻璃纤维增强材料形成大规模替 代，必须大幅降本。从材料成本上看碳纤维替代将会给陆上风机增加 4.2%的成本，给 海上风机增加 1.1%，考虑风电全生命周期，给陆上风机成本增加 1.6%，海上风机碳纤 维替代基本实现平价。目前碳纤维 12 万元/吨的价格是风电纱的 10 倍以上，根据计算 结果我们给出预测，当碳纤维价格降低至玻纤 6 倍价格时，无论是海上风电还是陆上 风电都能对玻纤形成大规模替代。

碳纤维降本空间

1、生产工艺进行改进，降低能耗成本

根据美国橡树林国家实验室的数据，高温碳化（19%-23%）、预氧化（13%-16%）是成 本占比较高的环节。碳纤维生产是高能耗过程，预氧化和碳化两个环节需要长时间的 高温加热，电费成本达到 20%以上。可以通过工艺改进，采取余热多级利用的手段， 在原丝和碳纤维生产过程中提高能源利用率来降低能耗成本。碳纤维制备过程工艺难 度大，首先表现在生产过程变量多。丙烯腈经过聚合、纺丝制成原丝的过程是核心：， 每个厂商都有不同的溶剂配方；聚合过程对温度和时间控制、乃至搅拌方法都有很高 的要求；纺丝成型则是以宏观设备控制微观分子规整的过程。对于生产工艺的改进， 也是碳纤维降本的重要路径。

2、生产设备国产化替代

在碳纤维及原丝生产设备中，进口设备一般价格为国内设备的 3 倍以上，国产设备具 有较强的价格优势，而目前多数碳纤维生产企业设备国产化水平较低。加强碳化炉和 碳化炉等关键生产设备的进口替代，能够有效降低设备投资及固定资产折旧成本。国 内碳纤维设备龙头精工科技，于 2020 年推出 2500 吨级 25K/50K 大丝束碳纤维生产线， 为吉林精功碳纤维有限公司定制，系国内首条接近全国产化的千吨级别生产线，该生 产线实际运行速度达 16 米/分钟, 年可产碳纤维 2500 吨。在碳纤维国产化替代的背景下， 精工科技有望受益，解决碳纤维设备高度依赖进口的痛点，为碳纤维设备格局打开新 的局面。

3、头部企业继续扩产，提升规模效应

规模效应可以分摊固定资产折旧比例，流动资产成本占比，以及拥有更好的上下游议 价能力。因此，碳纤维的头部企业进一步扩大产能，也是碳纤维降本的重要途径。我 们以年产 1100 吨和 3300 吨的两条原丝生产线为例，单耗成本分别在 4.8 和 3.8 万元/吨， 成本降低 20.8%；生产每吨碳纤维大约消耗 2 吨原丝。对应的 500 吨和 1500 吨生产线单 耗成本分别在 15.9 和 11.7 万元/吨，成本降低 26.4%。规模越大的厂商越具备成本优势， 因此国内碳纤维龙头也在积极扩产，吉林化纤，宝旌碳纤维，中复神鹰等现有行业龙 头均宣布扩产超过 1 万吨以上产能，规模效应的形成，进一步巩固行业领先地位。

4、整合产业上下游，产业链一体化

随着碳纤维行业的规模扩大，许多龙头企业都在向产业链的上下游布局延申。从上游 原材料丙烯腈，原丝，到碳纤维制备，再到下游碳纤维复合材料生产，产业链的一体 化可以给企业带来更加显著的成本优势。未来随着下游风电等领域需求的进一步释放， 碳纤维产业布局有望进一步向下游延申，给风电叶片碳纤维替代带来进一步降本可能 性。

总结

风电叶片是中国碳纤维需求的主要领域，随着风电持续降本，叶片大型化趋势明确。传统玻璃纤维增强材料的力学性能已经不 能满足要求，碳纤维主梁拉挤技术成为未来风电叶片产品升级的发展主线。而碳纤维 过高的价格成为制约大规模替代的障碍。碳纤维降本是提升需求的关键因素。

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