碳纖維助力風電葉片的發展

1、現有葉片的基礎結構及市場主要葉片材料方案

葉片在結構組成上主要由芯材、基材、增強材料和表面涂料組成，生產一片葉片，原材料方面的成本能達到七成。目前市面上陸上風機主要材料為玻璃纖維，將比例纖維應用于主梁、殼體、葉根結構，但現有風機有開始逐步增大碳纖維在葉片中的應用，通過引入碳纖維來滿足大型風機葉片輕量化需求。下圖分別為風機葉片的基本結構、風機葉片的成本組成、風機葉片各材料的成本占比。

圖1 風機葉片的基本結構

圖2 風機葉片的成本組成

圖3 風機葉片各材料的成本占比

隨著降低風機生產成本的需求，現有葉片的材料體系正經歷革新。在生產風機葉片的前期，應用于葉片上的風機材料相對單一，基材主要應用環氧樹脂、增強材料主要采用的玻璃纖維、芯材則以輕木為主。為降低葉片的對成本的影響，行業內近幾年不斷出現多種葉片的替代方案，其中廣受行業青睞的是PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）部分替代輕木、PU（聚氨酯）替代環氧樹脂技術。下圖為葉片各個組成行業內常見的應用材料。

圖4 葉片各個組成常見的應用材料

2、碳纖維有望解決風機大型化對葉片的需求

統計近幾年來公開的招投標數據：2020年，國內新增風電機組平均單機容量為2.66MW，2MW及以上機型占據主流；2021年以來，部分新增陸上風電項目開始要求中標單機容量達4MW及以上，中標風電機組中4MW-5MW的機型成為主流。統計顯示，2021年，新增陸上風電項目的平均單機容量已超過了3MW，較2020年大幅提升；2022年，陸上風機平均單機容量已達4.2MW，部分陸上風電項目已明確要求中標風機單機容量需達到5MW-6MW。再以具體項目來看，2022年11月，內蒙古蘇尼特左旗發改委更是發布消息稱，總裝機容量瓦的超大容量機組，其中7.15MW機組刷新了我國陸地批量投入使用的最大容量風機機組紀錄。

圖5 2012-2022年陸上新增單機容量

圖6 部分陸上項目招標單機容量要求

大風機的研發使得葉片在長度、重量方面都有所增加，對比模量、比強度要求提升，葉片長度加長是風機實現大功率的主要手段之一。根據華泰研究（GWEC）預測，大功率風機直徑有望達到200-240m范圍，對應單個葉片長度約100-120m。同時，今年五月，東方電氣順利下線配套13-18MW風機的126米超長葉片，是目前全球已下線最長葉片。但隨著葉片長度的增加，控制葉片整體的剛度難度增加，為了避免掃塔等運行事故，對材料的模量提出了要求，早期行業內通過玻璃纖維來增強整體的強度、剛度，但現有發展似乎到了瓶頸。

圖7 每代玻璃纖維材料的拉伸量

圖8 風機單機容量及葉片長度的發展預測

使用碳纖維主梁的大型風電葉片具有顯著的優勢。據《復合材料在大型風電葉片上的應用與發展》（李成良，2022年7月15日，ISSN：1000-3851）的研究表明，碳纖維的模量比玻纖高出3-8倍，比重則約低30%，因此能夠同時滿足葉片大型化和輕量化的需求。中材科技在2023年3月30日的調研公告中推薦，對于100米以上的海風葉片，應采用碳玻混合的技術路線。目前，碳纖維已被廣泛應用于海風葉片的主梁。據Wood Mackenzie預測，碳纖維拉擠板在陸風和海風主梁材料中的滲透率將逐步提高。因此，采用碳纖維主梁的大型風電葉片具有很大的必要性。

3、碳纖維市場產量及價格變動趨勢

隨著國內碳纖維廠商產能的提高，碳纖維價格的下降有望進一步推動其滲透率提升。根據《2022全球碳纖維復合材料市場報告》（賽奧科技，2023年3月23日）的統計，2022年中國碳纖維原絲及碳纖維運行產能達到11.2萬噸，同比增長76.74%。此外，根據精工科技在2023年6月21日調研活動公告中的信息，今年一季度國內碳纖維擬新建產能超過8萬噸，遠期總產能接近18萬噸。國內廠商的碳纖維產能擴張有望帶動碳纖維價格的大幅下降，從而進一步提高碳纖維在風電葉片中的滲透率。

圖9 全球碳纖維各廠家規劃產量匯總

圖10 碳纖維市場價格走勢圖

4、總結

（1）現陸上風機已實現平價，同時隨著沙戈荒多批次風光大基地的陸續開發，陸上風機未來幾年發展空間大。

（2）市場對于新增風機的單機容量要求逐漸增大，作為風機主要構件的葉片，其發展趨勢必然是大型化、輕量化。碳纖維材料的優越性能能解決大型化風機的需求。

（3）碳纖維價格下跌，為推進碳纖維在葉片中的葉片開發提供有利的外部條件。