（报告出品方/作者：东证期货，曹洋，李烁）1、风机降本趋势明确，叶片面临产品升级1.1、3MW以上风机占比明显提高随着近几年风电补贴退去，风电产业链承受着巨大的降本压力。
风机大型化的趋势也 在降本增效的进程中越发凸显，一方面，风机大型化能够减少单位 GW 零部件的用量， 减少土地使用，施工安装等成本，另一方面，更大的风机叶片捕捉风能资源的能力更 强，可以提升有效发电小时数。
我们从国内风电主机龙头金风科技的机型销售占比就 可以看出，1.5MW 以下的机型逐渐被淘汰，而 3MW 以上的机型占比不断提高，2021 年 占比达到 61%。
CWEA 的数据显示，陆上风机和海上风机的平均单机容量已经达到 3.1MW 和 5.6MW。
预计未来 2-3 年新增装机的主流机型，陆上风机将会达到 4-6MW， 而海上风机则会达到 8MW 以上。
1.2、叶轮直径升级，主流或达160米以上风机大型化带来的是叶轮直径的大型化，根据 CWEA 数据，风机平均的叶轮直径已经 从 2008 年的 65m 增长到 2020 年的 136 米，CAGR 为 6.34%。
据不完全统计，目前几个 头部主机厂商 4MW 的主机机型叶片长度在 140-190 区间，6MW 的叶片长度在 160-190 米。
从近期招标数据来看，4MW 以上机型已经成为了主流，未来三到五年主力机型将 会是 4-6MW，叶片的需求结构也将发生变化。
160 米以上的产能将会有较大需求，140 米以下的产能占比将会逐渐降低，100 米以下的产能将会面临出清淘汰。
2、玻纤材料瓶颈凸显，碳纤维叶片迎来机遇碳纤维材料在叶片的大型化、轻量化进程中有明显的优势。
叶片质量的增加约和叶片 长度的 2.6 次方成正比，而风机产生的电能和叶片长度的平方成正比，所以当叶片长度 增加时，重量的提升速度要快于能量获取的提升；叶片长度的增加，也对增强材料的 强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出 性能方面的不足。
为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。
在叶片产品升级过程中，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，碳纤维的 替代作用愈发凸显。
2.1、增强材料在叶片中的应用风电叶片共有六个部分组成，分别是主梁，腹板，外壳，避雷系统，人孔盖，挡雨环。
增强材料主要应用在主梁、腹板和外壳三部分。
主梁是叶片主要的承载结构，对强度 和刚度有较高的要求，一般由单向复合材料层增强。
主流的复合增强材料为玻璃纤维 或碳纤维增强环氧树脂；腹板又叫内部梁，用于支撑叶片的外壳，并承担叶片所收到 的弯曲载荷，由玻璃纤维、环氧树脂和芯材的夹芯复合结构构成；外壳是两个半壳用 结构胶拼接起来的，为叶片提供空气动力学外形，主要结构是芯材外包裹玻璃纤维增 强环氧树脂。
从材料组成上看，叶片的基体材料主要为环氧树脂材料，约占叶片成本的 36%，增强 纤维包括玻璃纤维和碳纤维两种，约占 28%。
芯材分为泡沫芯材和巴沙轻木芯材，占 叶片总成本的 12%。
结构胶主要用于粘接两个叶片半壳，占成本的 11%。
其余涂层， 金属，辅助材料占比较少，共计 13%左右。
2.2、风电增强材料：玻纤vs碳纤维性能对比玻璃纤维。
风电纱是专用于风电行业的电子级玻璃纤维。
从风电纱生产流程看，是以叶腊石、石 灰石、石英砂等天然矿石为原材料，经过研磨后进入池窑，经过高温熔制、拉丝、络 纱等环节而制成。
优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是 性脆，耐磨性较差。
碳纤维。
碳纤维指的是含碳量在 90%以上的高强度高模量纤维。
具有耐高温、抗摩擦、导热及 耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物。
碳纤维的密度小，因此比 强度和比模量高。
碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合，制 造先进复合材料，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料 中是最高的。
维斯塔斯专利到期，大丝束碳纤维需求打开。
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种类别。
一般按照单 丝根数与 1000 的比值命名，单丝数量 48K 以上的称为大丝束碳纤维，其产品性能相对 较低，制造成本也较低，通常应用于工业领域。
而 48K 以下的小丝束碳纤维性能优异 但价格较高，通常应用在航天军工等高端领域，或一些附加值较高的体育器材。
2015 年之前，碳纤维应用在风电叶片的工艺主要以预浸料和真空灌注为主，部分采用 小丝束碳纤维，平均价格偏高。
2015 年开始，维斯塔斯把风机叶片整体成型的主梁主 体受力部分拆解为高效、低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后采用相对更经济的大 丝束材质，把标准件一次组装整体成型。
通过这一拉挤工艺，大幅提高了碳纤维体积 含量，减轻了主体承载部分的质量，且降低了碳纤维成本，引领风电叶片进入碳纤维 时代。
由于全球风电巨头维斯塔斯的拉挤碳梁专利限制，国内的叶片制造企业一般用玻纤拉 挤工艺或碳纤维灌注法替代。
2022 年 7 月 19 日，维斯塔斯碳纤维叶片核心专利拉挤工 艺到期，拉挤法工艺有望在风电领域实现普及，在推广上没有了专利上的障碍，但是 由于碳纤维成本较高，大范围推广的重要条件是材料迅速降本。
2.3、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。
3、风电叶片碳纤维替代的可行性3.1、碳纤维主梁与玻璃纤维主梁成本比较3.1.1、单MW叶片碳纤维用量测算受限于成本因素，目前碳纤维材料主要应用于叶片的主梁结构。
主梁一般会占叶片整 体重量的三分之一，却是支撑整支叶片的关键构件。
使用碳纤维主梁，能够在最大程 度节约成本的前提下，保证叶片强度，降低整体重量。
根据技术路径的不同，我们可 以分为全碳纤维主梁和碳纤维玻纤混杂主梁。
碳纤维玻纤混杂主梁也分为两种路径， 一种是碳纤维织布和玻纤织布混合编制，并和环氧树脂复合，另一种是根据叶片不同 部位承受载荷的差异，在迎风面用碳纤维主梁，背风面应用玻璃纤维主梁。
目前风电叶片主梁的碳纤维和玻纤用量比例属于商业机密，我们可以根据全球风电巨 头维斯塔斯 2021 年的碳纤维用量和装机量进行测算。
2021 年维斯塔斯的碳纤维用量达到 2.5 万吨，维斯塔斯 2021 年度风电总装机量 15.2GW， 平均单机碳纤维需求量 1.64 吨/MW。
由于维斯塔斯 2021 年风电碳纤维用量约占全球风 电碳纤维总用量的 76%，因此我们用 1.64 吨/MW 作为叶片碳纤维含量进行计算。
3.1.2、碳纤维替代给叶片带来成本增加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，我们选取了 3 对相同长度的叶片参数进行对比，长度 57 米的叶片， 使用碳纤维主梁后重量降低 27%，材料成本提高 14%；长度 74 米的叶片，碳纤维主梁 减重 24.3%，材料成本提高 9%；对于长度 90 米的叶片，碳纤维主梁减重 32.5%，材料 成本提高 7%。
由此可知，越大型的叶片，使用碳纤维材料替代的材料成本越低，减重 效果更加明显。
由于海上风机主力机型普遍在 8MW 以上，我们以 WE190-10K-C 机型 为参考，认为海上风电碳纤维叶片材料成本提高 7%，WE157-3000C 作为陆上叶片参考， 认为陆上风电碳纤维叶片材料成本提高 14%。
2021 年中国陆上风机平均采购价格 200 万元/MW，海上风机采购价格 400 万元/MW，2 中材科技 2021 年叶片销售额 69.76 亿元，销量 11.4GW，叶片单位价值量约 61.2 万元 /MW。
碳纤维替代将给陆上风机和海上风机分别增加 4.2%和 1.1%的材料成本。
3.2、风电全生命周期角度下碳纤维替代成本风电叶片主梁的碳纤维替代增加了材料成本，但是从整个风电全生命周期的角度，碳 纤维替代也会带来一定的经济性。
我们主要从整机减重的材料成本，安装运输成本， 以及运维成本三个角度探讨。
3.2.1、风机减重的材料成本根据中国巨石年报数据，风电叶片玻纤用量 10 吨/MW。
主梁的重量约占整个叶片 1/3， 主梁消耗玻纤约 3.3 吨/MW，当用碳纤维主梁替代时，1.64 吨/MW 碳纤维替代 3.3 吨 /MW 玻纤，叶片约减重约 1.66 吨/MW。
机舱减重。
我们选取了七款叶轮直径相近的风机机型，叶片重量和机舱重量的平均比值在 50%左 右，在风机设计时当叶片的重量降低，风机机舱的重量也会相应降低，因为机舱和叶 片的重心要进行匹配，保证整体的重心在塔筒中心的上方。
相对应机舱重量减重约 3.32 吨/MW。
轮毂减重。
