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1、 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 1 报告摘要报告摘要: 风机大型化推动大丝束碳纤维需求风机大型化推动大丝束碳纤维需求 近年来风机厂商大功率机型占比明显提升,风机大型化能从摊薄风机制造成本、摊薄风 机非制造成本、提升发电效率等角度降低度电成本。风机大型化叠加海上风电兴起使叶 片长度不断突破,而叶片大型化带来的轻量化与强度刚度要求带动碳纤维需求。 玻纤为主流风电叶片增强材料玻纤为主流风电叶片增强材料 风电叶片增强材料主要包括玻纤、碳纤维,密度、拉伸强度、模量为增强材料关键指标。 与传统材料相比,玻纤密度满足轻量化需求、模量强度满足刚度与强度需求,兼具经济
2、 性,为主流风电叶片增强材料,玻纤约占风电叶片材料成本的 28%。 碳纤维更适用海上碳纤维更适用海上大叶片大叶片 碳纤维可减轻叶片质量、增强叶片刚度、提高叶片抗疲劳性能,拉挤法应用是近年来叶 片需求增加的主因之一,但叶片大规模应用碳纤维仍受制于成本因素。此外 Vestas 碳 梁保护专利 2022 年 7 月到期,国内厂商有动力加速布局拉挤法碳纤维。 风电叶片领域,风电叶片领域,玻纤与碳纤将长期共存玻纤与碳纤将长期共存 碳纤维产能规模无法支持对玻纤的大面积替代;碳纤维成本下降非一日之功;玻纤不断 更新换代,高模量玻纤将成为风电纱拳头产品。 投资建议投资建议 玻纤与碳纤有望共享风电增量。 全球风
3、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。行业性能与成本动态匹配,部分时点不可 兼得,当前玻纤性价比优势依然显著。风电领域,玻纤建议重点关注中国巨石、中材科 技,碳纤维关注吉林碳谷、吉林化纤、中复神鹰(未上市)。 风险提示风险提示 大丝束碳纤维产能投放进度不及预期;国产拉挤法工艺研发不及预期;海上风电项目进 展不及预期。 盈利预测与财务指标盈利预测与财务指标 代码代码 重点公司重点公司 现价现价 EPS PE 评级评级 1 12 2 月月 1 1 日日 2020 2021 2022 2020 2021 2022 600176.S
4、H 中国巨石 17.70 0.69 1.40 1.56 28.9 12.7 11.3 - 002080.SZ 中材科技 36.90 1.22 2.16 2.39 19.8 17.1 15.5 - 资料来源:wind、民生证券研究院(未评级公司使用 wind 一致预期) 推荐推荐 维持评级 Table_QuotePic 行业与沪深行业与沪深 300300 走势比较走势比较 资料来源:Wind,民生证券研究院 相关研究相关研究 1.【民生建材】大国重材系列(一): 聚焦药玻,技术攻关与国产替代 2.地产信贷边际放松,消费建材估值有 望企稳 建筑材料行业周报 20211128 3.【民生建材】本周观
5、点 211121:板块 估值偏低,新材料应用提速 建材建材 行业研究/深度报告 玻纤碳纤玻纤碳纤双骄,共享风电增量时代双骄,共享风电增量时代 大国重材大国重材系列(系列(二二) 深度研究报告深度研究报告/建材建材 2021 年年 12 月月 02 日日 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 2 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 目录目录 1. 风机大型化推动大丝束碳纤维需求风机大型化推动大丝束碳纤维需求. 3 1.1 大功率风机占比明显提升 . 3 1.2 叶片大型化带动碳纤维需求 . 5 2. 风电叶片材料:玻纤风电叶片材料:玻纤 VS 碳
6、纤维碳纤维 . 6 2.1 玻纤为主流风电叶片增强材料 . 6 2.1.1 玻纤性价比高 . 6 2.1.2 各类玻纤因性能差异应用于叶片不同结构 . 7 2.2 碳纤维更适用于海上大叶片 . 8 2.2.1 碳纤维性能优异,短期大规模应用受制于成本 . 8 2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维 . 10 2.2.3 拉挤法为风电叶片用碳纤维主要生产工艺 . 12 2.3 碳纤维产业链较长,生产工艺国产替代空间广阔 . 14 3. 风电叶片领域,玻纤、碳纤将长期共存风电叶片领域,玻纤、碳纤将长期共存. 16 4. 风险提示风险提示 . 17 插图目录插图目录 . 18 表格目录表格
7、目录 . 18 gYgVaXnVfUcXwOzRzRuMaQbPbRtRpPsQpOiNmNoMlOqQnO7NmMyQxNrMoNNZpNnP 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 3 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 1. 风机大型化推动大丝束碳纤维需求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。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
8、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。 图图1: 2010-2019 年国内新增装机风电平均单机功率年国内新增装机风电平均单机功率 资料来源:CWEA,民生证券研究院 图图2: 金风科技在手外部订单结构占比金风科技在手外部订单结构占比 图图3: 明阳智能产品产量结构占比明阳智能产品产量结构占比 资料来源:公司公告,民生证券研究院 资料来源:公司公告,民生证券研究院 风机大型化能有效降低度电成本。(风机大型化能有效降低度电成本。(1)摊薄风机制造成本:)摊薄风机制造成本:国
9、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单 W 原材料制造成本;(2) 摊薄风机非制造成本:摊薄风机非制造成本: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:)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。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 20000
10、19 国内风电新增装机平均单机功率(KW) 0% 20% 40% 60% 80% 100% 3S及以上产品3S以下产品 0 500 1000 1500 2000 2500 201820192020 3MW及以上产品3MW以下产品 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 4 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 以 3MW 机组为例,叶片加长 5m 单年可提升 208 利用小时,等同于投资节约 600 元/千 瓦(数据来源:平价时代风电项目投资特点与趋势,下同)。此外,同等风速情况下风电 机组切变越大、塔架越高,发电量也越高,因此高切变地区高塔架经济
11、性较好。以 3MW 机组 0.13 切变为例,塔筒增高 5m 单年可提升 26 利用小时。 表表1: Vestas 不同单机容量机型耗用原材料不同单机容量机型耗用原材料 风电机型风电机型 Vestas V82Vestas V82 Vestas V80Vestas V80 Vestas V110Vestas V110 单机容量(单机容量(MWMW) 1.651.65 2 2 3 3 塔筒高度(m) 78 78 84 风轮直径(m) 82 80 112 钢材耗用量(kg/KW) 96.3 104.7 81.7 玻纤/树脂/塑料耗用量(kg/KW) 18.2 12.3 16.3 铁/铸铁耗用量(kg
12、/KW) 17.8 10.3 21.9 铜耗用量(kg/KW) 1.8 1.4 1.6 铝耗用量(kg/KW) 1.9 0.8 1.1 原材料合计耗用量(原材料合计耗用量(kg/KWkg/KW) 135.9135.9 129.6129.6 122.7122.7 资料来源:Understanding wind turbine price trends in the U.S. over the past decade,民生证券研究院 表表2: 采用不同单机容量机组项目经济指标采用不同单机容量机组项目经济指标 单机容量(单机容量(MWMW) 台数台数 项目容量项目容量 (MWMW) 静态投资静态投资
13、 (元(元/ /千千 瓦)瓦) 全投资全投资 IRRIRR 资本金资本金 IRRIRR LCOELCOE(元(元/ /千瓦时)千瓦时) 2.0 50 100 6449 9.28% 18.24% 0.3451 2.2 45 99 6375 9.45% 18.85% 0.3414 2.3 43 99 6279 9.67% 19.66% 0.3366 2.5 40 100 6221 9.82% 20.19% 0.3336 3.0 33 99 6073 10.18% 21.54% 0.3262 4.0 25 100 5767 10.97% 24.63% 0.3108 4.5 22 99 5517 11
14、.68% 27.49% 0.2983 资料来源:平价时代风电项目投资特点与趋势,民生证券研究院 叶片长度不断突破。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明显 提升, 带动主流新增装机叶轮直径从 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,
15、小叶片已不能充分匹配海上风电需求。海风未来发展前景较为乐观海风未来发展前景较为乐观, 近年来近年来无论是无论是全球全球还是我国,还是我国, 海上风电累积装机量海上风电累积装机量增速增速持续持续高于高于整体, 欧洲整体, 欧洲多多国已制订国已制订计划,计划, 预备预备大规模开发利用海上风力资源大规模开发利用海上风力资源。 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 5 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 表表3: 不同单机容量机组项目对应叶轮直径不同单机容量机组项目对应叶轮直径 金风科技风机机型金风科技风机机型 叶轮直径叶轮直径 1S 82 2S 15
16、0 3/4S 136 5S 165 6/8S 175 资料来源:金风科技官网,民生证券研究院 图图4: 全全球风电以及海上风电累积装机量球风电以及海上风电累积装机量 图图5: 我国风电以及海上风电累积装机量我国风电以及海上风电累积装机量 资料来源:国家能源局,民生证券研究院 资料来源:国家能源局,民生证券研究院 1.2 叶片大型化带动碳纤维需求叶片大型化带动碳纤维需求 叶片大型化叶片大型化提高提高轻量化与强度刚度要求轻量化与强度刚度要求,从而,从而带动碳纤维需求。(带动碳纤维需求。(1)轻量化:)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
17、, 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:)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 度与刚度增强效果。 图图6: 商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势 资料来源:碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用,民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 6 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 2. 风电叶片材料:玻纤
18、风电叶片材料:玻纤 vs 碳纤维碳纤维 2.1 玻纤为主流风电叶片增强材料玻纤为主流风电叶片增强材料 2.1.1 玻纤性价比高玻纤性价比高 风电风电叶片主要原材料包括树脂叶片主要原材料包括树脂基体基体、增强材料增强材料以及粘接剂、芯材等以及粘接剂、芯材等,而增强材料主要有而增强材料主要有 玻璃纤维和碳纤维两种。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)中形成纤 维增强复合材料, 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强 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
19、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,目前主流目前主流 工艺为真空灌注导入。工艺为真空灌注导入。 表表4: 复合材料叶片成型工艺比较复合材料叶片成型工艺比较 工艺名称工艺名称 特点特点 优缺点优缺点 湿法手糊成型工艺 手工操作、开模成型、生产效率低以 及树脂固化程度偏低,适合产品批量 小、质量均匀性要求低的复合材料制 品生产 叶片在使用过程中易出现含胶量不均匀、纤维/树 脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、 断裂和叶 片变形问题。 此外在叶片制造过程中伴有大量有害 物质和溶剂释放,造成环境污染等问题 预浸料成型工艺 综合性能优越,适于制造大型的厚复 合材料部件 预浸料
20、成本较高, 但所得叶片制品厚度均匀、 空隙 率低,制品表面光滑平整 真空导入成型工艺 较少依赖工人技术水平,工艺质量仅 依赖工艺参数,产品质量易于保证, 技术含量高于手糊工艺 闭模成型,因此具备污染小、叶片产品质量稳定、 生产效率高等优点 资料来源:复合材料风电叶片制造技术现状及发展,民生证券研究院 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。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材 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。)
21、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。)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,较风电叶片常用 E 玻纤可提高 25-35%力学性
22、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。)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 时同样会重点考虑性价比。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 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 7 Table_Page 深度研究深度研究/建材
23、建材 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。 表表5: 各类材料物理性质对比各类材料物理性质对比 材料材料 密度(密度(g/cm3g/cm3) 拉伸强度(拉伸强度(MpaMpa) 拉伸模量(拉伸模量(GpaGpa) ECR 玻纤 2.54-2.60 2100-2500 73-79 ECT 玻纤 2.52-2.60 2300-2700 80-82 TM 玻纤 2.59-2.63 3000-3200 84-86 钢 7.8 1080 210 铝合金 2.8 470 75 钛合金 4.5 1000 110 资料来源:复合材料风电叶片制造技术现状及发展,前瞻研究院,民生证券研究院 图
24、图7: 风电叶片材料成本占比 (国内某主流风电叶片材料成本占比 (国内某主流 1.5MW 机型叶片)机型叶片) 图图8: 明阳智能风机材料成本拆分(明阳智能风机材料成本拆分(2018H1) 资料来源:复合材料结构设计对风电叶片成本的影响,民生证券研究院 资料来源:明阳智能招股说明书,民生证券研究院 2.1.2 各类玻纤因性能差异应用于叶片不同结构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
25、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。 图图9: 风电叶片中玻纤应用风电叶片中玻纤应用 图图10: 单单/多轴向布玻纤内部结构多轴向布玻纤内部结构 资料来源:聚合科技招股说明书,民生证券研究院 资料来源:风电用多轴向经编织物的结构设计,民生证券研究院 28%28% 36%36% 12%12% 11%11% 4%4% 4%4% 5%5% 玻纤基体芯材粘接胶金属涂层其他辅助 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 8 Table_Page 深度研究深度研
26、究/建材建材 图图11: 风电叶片材料成本占比风电叶片材料成本占比 图图12: 风电叶片各结构成本占比风电叶片各结构成本占比 资料来源:复合材料结构设计对风电叶片成本的影响,民生证券研究院 资料来源:复合材料结构设计对风电叶片成本的影响,民生证券 研究院 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。 主主玻纤占风电叶片材料成本玻纤占风电叶片材料成本 28%, 其中单轴向布占, 其中单轴向布占 14%, 双轴向布占, 双轴向布占 4%, 三轴向布占三轴向布占 4%。 2.2 碳纤维更适用于海上大叶片碳纤维更适用于海上大叶片 2.2.1 碳纤维
27、性能优异,碳纤维性能优异,短期短期大规模应用受制于成本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较为匹配: (1) 可减轻叶片质量、 增强叶片刚度。) 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。 表表6:
28、 各类材料物理性质对比各类材料物理性质对比 材料材料 密度(密度(g/cm3g/cm3) 拉伸强度(拉伸强度(MpaMpa) 拉伸模量(拉伸模量(GpaGpa) ECR 玻纤 2.54-2.60 2100-2500 73-79 ECT 玻纤 2.52-2.60 2300-2700 80-82 TM 玻纤 2.59-2.63 3000-3200 84-86 高模碳纤维 1.5-2 2400-3500 350-580 极高模碳纤维 1.5-2 750-2500 460-670 资料来源:复合材料风电叶片制造技术现状及发展,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,民生证券研究院
29、(2)碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。)碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。图 13 展示 6 种复合材料,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, 结果表明碳结果表明碳 含量越高的复合材料其抗疲劳表现越好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。 10%10% 4%4% 14%14% 6%6% 3%3% 11%11% 39%39% 4%4% 4%4% 5%5% 三轴布双轴布单向布巴沙木聚合泡沫 粘接胶基体树脂涂层材料金属其他 20%20% 20%20% 25%25% 10%10% 9%9% 9%9% 7%7% 上
30、蒙皮下蒙皮主梁腹板叶根粘接结构其他 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 9 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 图图13: 各复合材料在不同拉伸应力水平下的疲劳表现各复合材料在不同拉伸应力水平下的疲劳表现 资料来源: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,民生证券研究院 (3)可应用于低风速区域和海上风电。)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)具备振动阻尼特性,
31、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。 表表7: 碳纤维于风电叶片中应用案例碳纤维于风电叶片中应用案例 公司公司 产品产品 技术状态技术状态 西班牙 Gamesa 公司 44m 叶片 2MW 风机叶片,Gamesa 在其旋转直径为 87m、90m 叶轮的叶片制造中采用 碳纤维环氧树脂预浸料,质量约 7t 丹麦 艾尔姆风能公司(LM) 61.5m 叶片 5MW 风机叶片,采用玻纤碳纤维混杂复合材料结构,在横梁和翼缘等要 求较高部位使用碳纤维作为增强材料,单片叶片质量达 17.7t 维斯塔斯公司 (Vestas) 44m 叶片 Vestas 在 V90-3.0MW 机型配套的 44
32、m 叶片主梁上使用了碳纤维,叶片自 身质量只有 6t,与 V80-2.0MW 机型 39m 叶片自身质量一样 丹麦 NEG Micon 公司 40m 叶片 40m 叶片中采用碳纤维增强环氧树脂 德国 Nordex Rotor 公司 44m 叶片 56m 叶片 2.5MW 风电机组, 44m 长 CFRP 叶片质量为 9.6t。 此外还开发了 56m 长 CFRP 叶片。其认为叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片制作成本并不比玻纤高 德国 Repower 公司 63m 叶片 5MW 风机叶片,转轮直径 126m,叶片由碳纤维和玻纤混杂而成,单叶片质 量达 18t,专门为海洋风电场设计,年产电量大约 1
33、700 万 kWh 资料来源:复合材料风电叶片制造技术现状及发展,民生证券研究院 但大规模但大规模应用应用仍受成本仍受成本因素因素制约: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当前碳纤维主要用于叶片 主梁主梁,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),替换后
34、可有效 减重减重 20%,但成本上升,但成本上升 82%。 (2)碳纤维增强材料比玻纤更脆更脆,纯碳纤维叶片能否适用于海上风电仍存争议。 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 10 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 图图14: 叶片用材料单价比较叶片用材料单价比较 资料来源: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,民生证券研究院 表表8: 主梁优化方案对比主梁优化方案对比 编号编号 方案方案 重量对比重量对比 成本对比成本对比 主梁设计主梁设计 主梁主梁 UDUD 材料材料 1 原叶片 普通 E 玻纤 基数 1 基数 1
35、2 原叶片刚度 H 玻纤 -3.4% +5% 3 原叶片刚度 TM 玻纤 -3.7% +2% 4 4 原叶片刚度原叶片刚度 碳纤碳纤 - -20%20% +82%+82% 5 原叶片刚度 碳玻混(8%碳纤) -10.4% +9.8% 资料来源:复合材料结构设计对风电叶片成本的影响,民生证券研究院 2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维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。主流风电主流风电 叶片用碳纤维为大丝束
36、碳纤维: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。)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。)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
37、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%。 15000 120000 180000 0 50000 100000 150000 200000 玻纤织物碳纤维碳纤维织物 单价(元/吨) 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 11 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 图图15
38、: 2020 全球碳纤维需求(千吨)全球碳纤维需求(千吨) 图图16: 吉林碳谷大丝束碳纤维原丝与小丝束售价比较 (元吉林碳谷大丝束碳纤维原丝与小丝束售价比较 (元/ 吨)吨) 资料来源:赛奥碳纤维,民生证券研究院 资料来源:吉林碳谷公告,民生证券研究院 表表9: 大丝束碳纤维大丝束碳纤维 PANEX 33-0048 和小丝束碳纤维和小丝束碳纤维 T300-12000 的性能价格比的性能价格比 项目项目 PANEX 33PANEX 33- -00480048 T300T300- -1200012000 拉伸强度/MPa 3600 3530 拉伸模量/GPa 228 230 密度/gcm 3 1
39、.78 1.76 比强度10 7/m2s2 2.03 2.00 比模量10 9/m2s2 1.28 1.28 价格/$kg 1 17.64 33.07 单位美元强度/MPa$ 1 205 107 单位美元模量/GPa$ 1 13 7 单位美元比强度10 7/m2s2$1 0.11 0.06 单位美元比模量10 9/m2s2$1 0.07 0.04 资料来源:大丝束碳纤维产业发展现状及面临的问题,民生证券研究院 近年来风电叶片是碳纤维主要增量需求。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 201
40、4 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%。 图图17: 全球风全球风电碳纤维需电碳纤维需求求 图图18: 全球大全球大/小丝小丝束碳纤维需求束碳纤维需求 资料来源:赛奥碳纤维,民生证券研究院 资料来源:赛奥碳纤维,民生证券研究院 48.3 43.7 14.2 0.7 标模-大丝束标模-小丝束中模量高模量 14.46 24.03 16.42 27.91 2.152.322.37 2.65 0 5 10 15 20 25 30 20021H1 小丝束(1/3
41、/6K)中小丝束(12K)大丝束(24/25/48/50K) 0% 10% 20% 30% 40% 0 2 4 6 8 10 200020 2025E 全球风电碳纤维需求(万吨)风电碳纤维应用占比 0 1 2 3 4 5 6 20020 全球大丝束碳纤维需求(万吨)全球小丝束碳纤维需求(万吨) 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 12 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 2.2.3 拉挤法为风电叶片拉挤法为风电叶片用用碳纤维主要生产工艺碳纤维主要生产工艺 风电叶片大梁所用碳纤维
42、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。 表表10: 风电领域碳纤维应用主要工艺风电领域碳纤维应用主要工艺 大克重预浸料大克重预浸料 碳纤维织物碳纤维织物 加固碳板加固碳板 图示 工艺 压力袋 真空导入 拉挤成型 部分 蒙皮、梁帽、叶根 梁帽 梁帽 资料来源:国产碳纤维在风电叶片产业中的机会,民生证券研究院 预浸料是预浸料是碳纤维碳纤维制备碳纤维复合材料的一种重要中间基材。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/
43、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。 图图19: 预浸料成型示意图预浸料成型示意图 资料来源:风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究,民生证券研究院 表表11: 不同工业领域碳纤维、预浸料不同工业领域碳纤维、预浸料和制品单价和制品单价 碳纤维品种碳纤维品种 碳纤维碳纤维 预浸料预浸料 制品制品 体育休闲 T700S-12K 80-140 120-200 300-500 T300-12K 风电叶片梁板 T300-24K 80 - 150
44、工业领域高端应用 T700S-12K 80-140 120-200 500-1000 T300-12K 武器装备(缠绕用) T700S-12K 250-300 - - 通用飞机和无人机 T300-1K,3K,6K,12K - 800-1000 2000-3000 T700S-12K 军用无人机 T300-3K,6K,12K - 1500-2500 5000-8000 民用航空(国内) T300-3K,6K,12K - 2500-3000 8000-10000 T800-6K,12K 军用航空(结构件) T300-3K,6K 3000 5000-7000 10000-15000 T800-6K,
45、12K 资料来源:从国产碳纤维的处境谈碳纤维“全产业链”,民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 13 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 真空灌注是闭模成型工艺,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。拉挤梁片标准件
46、,然后把标准件一次组装整体成型。 图图20: 拉挤板工艺拉挤板工艺示意图示意图以及风电叶片碳纤维与玻纤应用示意图以及风电叶片碳纤维与玻纤应用示意图 资料来源:国产碳纤维在风电叶片产业中的机会,吉林化纤公告,民生证券研究院 拉挤法具备纤维体积含量高、高效低成本等优点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
47、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。 图图21: 不同工艺碳纤维制品性能对比不同工艺碳纤维制品性能对比 资料来源:拉挤复合材料板材在风电叶片上的应用研究,民生证券研究院 注:表中数据引自 Gurit 公司在 2014 年 Wind Turbine Blade Manufacture 大会上的演讲 拉挤法逐步成为风电叶片主流生产工艺。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。 202
48、0 年拉挤法碳纤维复合材料需求 5.87 万吨, 占比达 36%, 本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 14 Table_Page 深度研究深度研究/建材建材 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%。 图图22: 2016-2020 年全球缠绕拉挤年全球缠绕拉挤/预浸铺放碳纤维需求预浸铺放碳纤维需求 图图23: 2020 年全球碳纤维复合材料需求年全球碳纤维复合材料需求-按应用分类按应用分类 资料来源:赛奥碳纤维,民生证券研究院 资料来源:赛奥碳纤维,民生证券研究院 表表12: 2014-2018 年风电叶片
49、用碳纤维年风电叶片用碳纤维单价及用量单价及用量 碳纤维单价碳纤维单价 美元美元/ /kgkg 制品单价制品单价 美元美元/ /kgkg 碳纤维用量碳纤维用量 万吨万吨 碳纤维制品用量碳纤维制品用量 万吨万吨 2014 年 23 50 0.6 - 2015 年 23 50 1.8 2.77 2016 年 14 18 1.8 2.77 2017 年 14 18 1.98 3.05 2018 年 14 17.5 2.2 3.38 资料来源:国产碳纤维在风电叶片产业中的机会,民生证券研究院 Vestas 碳梁保护专利碳梁保护专利 2022 年年 7 月到期,国内月到期,国内外外厂商加速布局拉挤法厂商加
50、速布局拉挤法技术储备技术储备。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,专利也是除拉挤法技术难度外,专利也是主要原因主要原因。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