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。
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 W 原材料制造成本；
（2） 摊薄风机制造成本：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。
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 提升，带动主流新增装机叶轮直径 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需求。海风发展前景较为乐观， 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。
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 增强效果。
2. 风电叶片材料：玻纤 vs 碳纤维
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 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 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、成本较高不适用于大型叶片，目前主流 工艺为真空灌注导入。
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 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，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 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。
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。
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。
（2）碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。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。
（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。
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。
2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维
大丝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 107 MPa、7 GPa，分别比大丝束碳纤维低 48%、46%。
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 2020 年 29%。
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。
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，额外增加叶片生产成本。
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。
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。
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%，超越预浸料成为碳纤维第一大工艺，2016-2020 年拉挤法需求 CAGR 达 18%。
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%。
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。
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。
（2）参考玻纤，碳纤维成本下降非一日之功。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。
（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%。
