1、現(xiàn)有葉片的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及市場主要葉片材料方案

葉片在結(jié)構(gòu)組成上主要由芯材、基材、增強(qiáng)材料和表面涂料組成，生產(chǎn)一片葉片，原材料方面的成本能達(dá)到七成。目前市面上陸上風(fēng)機(jī)主要材料為玻璃纖維，將比例纖維應(yīng)用于主梁、殼體、葉根結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)有風(fēng)機(jī)有開始逐步增大碳纖維在葉片中的應(yīng)用，通過引入碳纖維來滿足大型風(fēng)機(jī)葉片輕量化需求。下圖分別為風(fēng)機(jī)葉片的基本結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)葉片的成本組成、風(fēng)機(jī)葉片各材料的成本占比。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片的基本結(jié)構(gòu)

圖2 風(fēng)機(jī)葉片的成本組成

圖3 風(fēng)機(jī)葉片各材料的成本占比

隨著降低風(fēng)機(jī)生產(chǎn)成本的需求，現(xiàn)有葉片的材料體系正經(jīng)歷革新。在生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的前期，應(yīng)用于葉片上的風(fēng)機(jī)材料相對單一，基材主要應(yīng)用環(huán)氧樹脂、增強(qiáng)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(yè)內(nèi)近幾年不斷出現(xiàn)多種葉片的替代方案，其中廣受行業(yè)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(huán)氧樹脂技術(shù)。下圖為葉片各個(gè)組成行業(yè)內(nèi)常見的應(yīng)用材料。

圖4 葉片各個(gè)組成常見的應(yīng)用材料

2、碳纖維有望解決風(fēng)機(jī)大型化對葉片的需求

統(tǒng)計(jì)近幾年來公開的招投標(biāo)數(shù)據(jù)：2020年，國內(nèi)新增風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量為2.66MW，2MW及以上機(jī)型占據(jù)主流；2021年以來，部分新增陸上風(fēng)電項(xiàng)目開始要求中標(biāo)單機(jī)容量達(dá)4MW及以上，中標(biāo)風(fēng)電機(jī)組中4MW-5MW的機(jī)型成為主流。統(tǒng)計(jì)顯示，2021年，新增陸上風(fēng)電項(xiàng)目的平均單機(jī)容量已超過了3MW，較2020年大幅提升；2022年，陸上風(fēng)機(jī)平均單機(jī)容量已達(dá)4.2MW，部分陸上風(fēng)電項(xiàng)目已明確要求中標(biāo)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量需達(dá)到5MW-6MW。再以具體項(xiàng)目來看，2022年11月，內(nèi)蒙古蘇尼特左旗發(fā)改委更是發(fā)布消息稱，總裝機(jī)容量瓦的超大容量機(jī)組，其中7.15MW機(jī)組刷新了我國陸地批量投入使用的最大容量風(fēng)機(jī)機(jī)組紀(jì)錄。

圖5 2012-2022年陸上新增單機(jī)容量

圖6 部分陸上項(xiàng)目招標(biāo)單機(jī)容量要求

大風(fēng)機(jī)的研發(fā)使得葉片在長度、重量方面都有所增加，對比模量、比強(qiáng)度要求提升，葉片長度加長是風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率的主要手段之一。根據(jù)華泰研究（GWEC）預(yù)測，大功率風(fēng)機(jī)直徑有望達(dá)到200-240m范圍，對應(yīng)單個(gè)葉片長度約100-120m。同時(shí)，今年五月，東方電氣順利下線配套13-18MW風(fēng)機(jī)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(yùn)行事故，對材料的模量提出了要求，早期行業(yè)內(nèi)通過玻璃纖維來增強(qiáng)整體的強(qiáng)度、剛度，但現(xiàn)有發(fā)展似乎到了瓶頸。

圖7 每代玻璃纖維材料的拉伸量

圖8 風(fēng)機(jī)單機(jī)容量及葉片長度的發(fā)展預(yù)測

使用碳纖維主梁的大型風(fēng)電葉片具有顯著的優(yōu)勢。據(jù)《復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用與發(fā)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(shí)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(diào)研公告中推薦，對于100米以上的海風(fēng)葉片，應(yīng)采用碳玻混合的技術(shù)路線。目前，碳纖維已被廣泛應(yīng)用于海風(fēng)葉片的主梁。據(jù)Wood Mackenzie預(yù)測，碳纖維拉擠板在陸風(fēng)和海風(fēng)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(fēng)電葉片具有很大的必要性。

3、碳纖維市場產(chǎn)量及價(jià)格變動(dòng)趨勢

隨著國內(nèi)碳纖維廠商產(chǎn)能的提高，碳纖維價(jià)格的下降有望進(jìn)一步推動(dòng)其滲透率提升。根據(jù)《2022全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》（賽奧科技，2023年3月23日）的統(tǒng)計(jì)，2022年中國碳纖維原絲及碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能達(dá)到11.2萬噸，同比增長76.74%。此外，根據(jù)精工科技在2023年6月21日調(diào)研活動(dòng)公告中的信息，今年一季度國內(nèi)碳纖維擬新建產(chǎn)能超過8萬噸，遠(yuǎn)期總產(chǎn)能接近18萬噸。國內(nèi)廠商的碳纖維產(chǎn)能擴(kuò)張有望帶動(dòng)碳纖維價(jià)格的大幅下降，從而進(jìn)一步提高碳纖維在風(fēng)電葉片中的滲透率。

圖9 全球碳纖維各廠家規(guī)劃產(chǎn)量匯總

圖10 碳纖維市場價(jià)格走勢圖

4、總結(jié)

（1）現(xiàn)陸上風(fēng)機(jī)已實(shí)現(xiàn)平價(jià)，同時(shí)隨著沙戈荒多批次風(fēng)光大基地的陸續(xù)開發(fā)，陸上風(fēng)機(jī)未來幾年發(fā)展空間大。

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

（3）碳纖維價(jià)格下跌，為推進(jìn)碳纖維在葉片中的葉片開發(fā)提供有利的外部條件。