碳纤维行业研究报告：大丝束供需研判，风电叶片提振需求
（报告出品方/作者：东北证券，濮阳、陶昕媛）
1. 大丝束碳纤维：民用工业新材料佼佼者
碳纤维按照丝束大小可分为小丝束和大丝束。碳纤维的一个重要的指标是每束碳纤 维中所含单纤维的根数：小丝束碳纤维，通常指碳纤维根数在 48000 根以下（不含 48000）的纤维束，包括 1K，3K，6K，12K，24k 等，主要用于国防军工、航空航 天等高端技术领域，产量低、成本高，价格高，被称为“宇航级材料”；大丝束碳纤 维，通常指碳纤维根数在 48000 根即 48k 或以上的纤维束，包括 48K，50k，60K， 广泛用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等工业和民用领域， 成本低，但生产控制难度大，被称为“工业级材料”。
碳纤维大丝束的制作工艺主要采用聚合的两步法和纺丝的湿法。在碳纤维的制备过 程中，原丝的制备过程是决定碳纤维性能的关键。原丝的两个重要环节为聚合和纺 丝，聚合是将丙烯腈单体聚合成纺丝液，纺丝决定了原丝的性能。聚合按工艺不同可分为一步法和二步法，小丝束主要采用聚合转化率高，工艺流程 短的一步法，大丝束更适合二步法。纺丝过程分为干法、湿法、干湿法，大丝束主 要采用湿法工艺：将聚合物溶于溶剂中，通过喷丝孔喷出细流，进入凝固浴形成纤 维，最后再将初生纤维卷装或直接进行后处理。湿法成本较低， 但纺速较慢。
相较于小丝束，大丝束产能在性能上偏弱，但性价比较强。从大丝束生产工艺可看 出其生产成本较低，这也是大丝束的核心竞争力。从性能上来看：大丝束碳纤维拉 伸强度 3.5-5.0 GPa、拉伸模量 230-290GPa。相比之下，小丝束碳纤维力学性能更加 优异，拉伸强度 3.5-7.0 GPa、拉伸模量 230-650GPa。从成本上看：大丝束原丝成本比小丝束低，且大丝束碳纤维售价只有小丝束的 50-60%。
也正是因为大丝束性价比高的特点，常把大丝束碳纤维运用于工业领域。碳纤维大 丝束的性能虽然不比小丝束，但是其成本更低，随着科技的发展，大丝束的运用也 更加广泛。其主要可以应用于机电、交通运输、土木建筑、能源、纺织等工业领 域，因此也被称为工业级碳纤维。
2021 年国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。根据赛奥碳纤维《2016—2021 全 球碳纤维复合材料市场报告》，2021 年国内碳纤维需求量占比前三的领域分别是风 电叶片（36.10%）、体育休闲（28.10%）和碳/碳复材（11.30%）。
2021 年国内大丝束的主要应用领域中风电叶片占比第一。国内碳纤维大丝束的主要 具体细分应用领域有风电叶片、混配模成型、建筑、电缆芯与船舶。根据 2021 全球 碳纤维复合材料市场报告中的数据，风电叶片占主要大丝束应用领域需求的 78.4%， 位居第一，第二与第三分别为占比 10.5%的混配模成型与 8.7%的建筑。
2021 全球主要增量产能中，国内厂家贡献颇多。全球十强厂家中，包含了吉林化纤 集团，中复神鹰与宝旌三家中国大陆企业，其中除中复神鹰主要生产小丝束外，其 他两家均为大丝束厂家。2021 年全世界主要增加的产能是：吉林化纤集团增长近 16000 吨(含收购江城的产能)；常州新创碳谷新入行，新建产能 6000 吨；卓尔泰克 在墨西哥增加的 3000 吨；宝旌增加 2000 吨; 东邦增加了 1900 吨。可见国内大丝束 主要生产厂家为全球碳纤维大丝束产能提供了很大的帮助。
2. 需求端：风电叶片为目前我国大丝束需求核心增量
2.1. 风电叶片核心诉求：更强、更轻、更大
风电叶片为风机的关键构件，主梁为叶片的核心。叶片的尺寸、形状决定了能量转化效率，也直接决定了机组功率和性能，所以叶片在设计中处于核心地位。同时叶 片在风电整体成本体系中占比最高，可达 20%-30%。叶片是由复合材料制成的薄壳 结构，主要分为三部分：根部圆柱段、中部气动翼型段、尖部段，根部圆筒段结构 简单，主要是纯玻璃钢，中部气动翼型段内部结构复杂，尖部段外形为气动翼型， 一般仅为玻璃钢薄壳。
风电叶片主梁起到关键的支撑作用，其由增强材料构成。除了主梁部分，腹板等重 要部件一般采用夹芯结构将叶片所受的剪切力从表层向内部传递，以提高叶片的承 载能力。基体树脂则是整个叶片的材料“包裹体”，包裹了纤维材料和芯材。目前， 国内叶片总成本的 80%源于原材料，其中增强纤维与基体树脂占比超过 60%，粘接 胶与芯材占比各超过 10%。构成叶片主梁的增强材料主要有碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强复 合材料（GFRP）。风电叶片传统以玻璃纤维增强复合材料为主材制造，但玻璃纤维 材料密度大于碳纤维，同时力学性能尤其是模量远低于碳纤维复合材料。为了避免 大尺寸风电叶片在受力变形后与支撑柱产生碰撞，就需要采用质量轻、强度高、模 量高的碳纤维增强复合材料来制造叶片。
未来随着技术发展，高性能玻纤提质降本，叶片的生产成本进一步降低，将助力风 电行业更多参与到平价时代。在风电叶片大型化趋势下，碳纤维物理性能优势凸显， 但是短期来看，碳纤维仍难以完全替代玻纤。在风电叶片的发展过程中，为了达到 更高的发电效率，满足叶片更大更强更轻的诉求，叶片的制作工艺和材料也随着技 术和科技的发展不断进步。
选择适合的制造工艺，制造出低成本、高性能的产品是风电产业永恒的话题。风电 叶片的制造工艺总共有七种，但是当下主流的工艺为预浸料和灌注工艺。灌注工艺 被普遍认为是低成本的工艺，因为其原材料价格较低。而预浸料制造的叶片拥有更 好的性能、更轻的质量，同时保证了生产工艺和成品质量稳定性。随着风电事业的蓬勃发展，未来复合材料风机叶片将向复杂化，大型化的方向发展， 各种工艺在风力机叶片制造中都会得到应用。但是叶片的制造工艺最终都会向着能够制造出质量更强、长度更长、发电效率更高的方向发展。
在材料的选择演变上，叶片材料的演变经历三个时期：木质材料→金属材料→复合 材料。叶片成本中，材料占大头，最开始的叶片材料为木质叶片，但是由于木质叶 片不易扭曲成型，强度不高，在潮湿环境下也容易被腐蚀。随着大、中型风力发电 机的发展，木质叶片越来越无法满足叶片尺寸增加的要求，因此逐渐被淘汰；金属 叶片虽然克服了木质叶片的缺点，但由于金属叶片对于叶跟到叶尖渐缩的部分加工 特别困难，因此也逐渐被淘汰。
随着叶片制造技术的不断发展与提升，纤维增强复合材料原材料体系被逐步开发。其潜在性能优势不断被发掘，随着应用技术的积累，长纤维增强聚合物基复合材料 以其优异的力学性能、工艺性能和耐环境侵蚀性能，成为当今大型风力发电机叶片 材料的首选。这种复合材料主要分为玻璃纤维与碳纤维。
我国玻璃纤维的叶片长度已经能够达到 110 米，但是根据专家描述这种长度已然达 到上线。由于我国对于风电叶片长度的需求将会只会更大，因此 110 米长度的玻璃 纤维已经无法满足国内对于风机发电效率以及叶片长度的诉求。在这种情况下，具 备高强高模、低密度的碳纤维复合材料，成为了人们的重点考虑的对象。碳纤维复 合材料是一种新型的材料，将其应用在风电叶片的制造中，可以很好的满足风力发 电装置的大功率需求，其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限，而且可以保证风电 叶片在增加长度的同时，重量大大降低。因此，玻纤复合材料能够提供足够的刚度 与强度，而碳纤维复合材料密度低，更适合大型风电叶片生产制造。
使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少 了对塔架和轮毂的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高了风能利用效 率。同时，碳纤维的轻质高强特性可使叶片能够设计成更薄更有效的结构形式，叶 片更长，提高了能量的输出效率。相同叶片长度下, 采用碳纤维复合材料制作的重 量远远低于玻璃纤维复合材料制作的重量。叶片质量的减小和刚度的增加, 可以有 效改善叶片的空气动力学性能, 降低叶片对机塔和轮轴的负载，风机的输出功率更 平滑更均衡、运行效率更高，更有利于风机的风力收集。因此，碳纤维在风电叶片中的应用快速增长，在 2021 年中国风电叶片领域对碳纤维 的需求量达到 2.25 万吨，全球风电叶片领域对碳纤维的需求量达到 3.3 万吨。
全球风电叶片需求量快速增长推动海上风电叶片的增长。随着世界各国对环境问题 认识的不断深入，以及可再生能源综合利用技术的不断提升，风力发电作为新型能 源在许多国家的战略能源结构中扮演着重要角色，近年来全球风力发电行业高速发 展，风电装机容量呈现不断上升的趋势，根据 iFinD 数据显示，2021 年全球风电累 计装机容量达到 57176 兆瓦，增长率达到 58.5%，可见近年增势较快。
全球风电累计装机容量的不断增大，拉动对于风电叶片的大型化、轻量化的发展要 求，而大型叶片的风电装机尤其以海上风电使用量较高。近年来，由于我国陆上风 电的建设技术已逐渐成熟，同时海上风电资源更为广阔，国家风电发展政策的重心 逐渐向海上发电转移。海上风电作为我国可再生能源发展的重点领域，“十四五”期 间进入到了新的发展时期，多地相继出台规划，海上风电规模有望大幅提升。2022 年 6 月，国家发改委等九个部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，提出 要有序推进海上风电基地建设，加快推动海上风电集群化开发，重点建设山东半岛、 长三角、闽南、粤东和北部湾五大海上风电基地。风电叶片领域中，海上风电叶片 的应用未来将逐步加强。
风力发电叶片大型化轻量化发展带动海上风电对碳纤维需求增长。风力发电叶片是 风力发电机实现能量转化功能的关键部件，叶片的尺寸大小直接影响风力发电机对 风能的捕捉。叶片在经过多年的发展后，有一个最为明显的变化-叶片大型化。20 世 纪 80 年代国内外风电叶片长度是 17m，而现在的叶片最长则已经超过 120m。叶片 不断往大型化发展是必然趋势，为了能在有限的土地面积上实现大规模发电，提高 风力发电效率，叶片需要往大型化的方向发展。叶片的尺寸、形状直接决定了能量 转化效率，也直接决定了机组功率和性能，因此，大叶片意味着直径越长，扫风面 积越大，发电量就越大，实现规模发电的同时，还可以降低成本，在总发电量相同 的情况下需要安装的风机数量将会减少，从而使分摊下来的原材料、运输、吊装、 和土地资源等成本就得以降低。
风机大型化意味着风机需要更大的占地面积，因此海上风电逐渐成为全球风电发展 的新趋势。2016 年以来，低风速风场和海上风电共同推进了叶片的大型化发展。另 外，海上风机功率普遍高于陆上风机，海风的快速发展，将进一步加强风机大型化 趋势。海风相对陆风存在多方面优势。从分布区域和占地方面来看，海上风电场机 组传输损耗更低，占地面积更小。因此，近年来，海风领域应用更为广阔，2021 年 中国风电累计装机量为 328.5GW，累计海上风电装机容量为 26.39GW。未来风电叶 片在海上风电的占比也将进一步提升。
全球海上风电叶片的增长及叶片呈大型化轻量化的发展趋势正逐步扩大海上风电 在未来的发展空间。随着叶片的大型化轻量化，使用高刚性、高比强度、高比拉伸 模量的材料制造作为叶片刚性的主梁非常必要。传统的叶片制造材料玻璃纤维复合 材料无法满足这些要求，而碳纤维复合材料密度更低、强度更高，是风电叶片大型 化、轻量化的首选材料。并且，随着叶片复合材料工艺得到创新，风电领域对碳纤 维等轻质高模高强增强材料用量剧增，因此，未来海上风电叶片对于碳纤维的需求不断增长。
新变量：维斯塔斯专利到期带动碳纤维需求向好。今年 7 月 19 日，全球风电整机巨 头维斯塔斯碳纤维叶片核心专利拉挤工艺到期。维斯塔斯通过核心专利技术解决 了碳纤维板应用在风电叶片上的工艺问题，将拉挤碳板成功运用到风电叶片，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。由于专利的保护，风电叶片用碳纤维主要集中于维斯塔斯。
风电叶片大丝束碳纤维最大的下游应用，且近几年风电叶片对碳纤维的需求量不断 增加。维斯塔斯专利正式到期意味着国内其他风电叶片厂商可以不受限制地推出应 用碳梁的风电叶片产品，其他风电叶片制造商碳梁叶片将更多地推向市场，未来将 带动碳纤维需求增加。
2.3. 碳纤维价格走高、平价上网时代的到来制约碳纤维在风电领域的应 用
碳纤维虽在性能上具有显著优势，但其在风电领域的应用受到高成本的制约，目前 碳纤维处于高位，碳纤维价格每公斤 140-150 元，碳纤维单价远高于玻璃纤维，且 工艺要求更高，导致芯材及碳梁耗用的成本金额持续上升，这会使得很多厂家对于 使用碳纤维望而却步，制约碳纤维在风电叶片领域的应用。但由于碳纤维本身制造 成本并不高以及国内碳纤维供给量的提升，在未来，风电叶片厂商对于碳纤维的使 用量会进一步改善。
自 2018 年以来，我国风电产业相关政策密集出台，通过取消财政补贴、风电资源 竞争性配置等方式，推动风电平价上网。2021 年发改委发布公告，对海上风电新建 项目实施平价上网政策，上网电价自 2021 年起由当地省级价格主管部门制定。我国 风电上网电价的持续走低，平价上网的不断推行，以及我国海上风电成本目前仍处 于较高水平，实现平价上网较难，因此降本成为推动实现平价上网的关键。小型发 电机组采用玻纤更具性价比，而大型风电机组使用碳纤维可在保持叶片强度的同时 减重 20%，但成本上升 80%，因此我国风电厂商使用小型机组为主，碳纤维应用较少。这在一定程度上制约了碳纤维在风电叶片领域中的应用，但在未来，随着厂商 降本增效取得一定效果后，碳纤维的应用会进一步扩大。
2.4. 大丝束碳纤维 2023 年需求增速超 45%
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