風(fēng)電葉片傳統(tǒng)以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主材制造，但玻璃纖維 材料密度大于碳纖維，同時力學(xué)性能尤其是模量遠(yuǎn)低于碳纖維復(fù)合材料。為了避免 大尺寸風(fēng)電葉片在受力變形后與支撐柱產(chǎn)生碰撞，就需要采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模 量高的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來制造葉片。
風(fēng)電葉片為風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，主梁為葉片的核心。葉片的尺寸、形狀決定了能量轉(zhuǎn)化效率，也直接決定了機(jī)組功率和性能，所以葉片在設(shè)計中處于核心地位。同時葉 片在風(fēng)電整體成本體系中占比最高，可達(dá) 20%-30%。葉片是由復(fù)合材料制成的薄殼 結(jié)構(gòu)，主要分為三部分：根部圓柱段、中部氣動翼型段、尖部段，根部圓筒段結(jié)構(gòu) 簡單，主要是純玻璃鋼，中部氣動翼型段內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尖部段外形為氣動翼型， 一般僅為玻璃鋼薄殼。
風(fēng)電葉片主梁起到關(guān)鍵的支撐作用，其由增強(qiáng)材料構(gòu)成。除了主梁部分，腹板等重 要部件一般采用夾芯結(jié)構(gòu)將葉片所受的剪切力從表層向內(nèi)部傳遞，以提高葉片的承 載能力?；w樹脂則是整個葉片的材料“包裹體”，包裹了纖維材料和芯材。目前， 國內(nèi)葉片總成本的 80%源于原材料，其中增強(qiáng)纖維與基體樹脂占比超過 60%，粘接 膠與芯材占比各超過 10%。 構(gòu)成葉片主梁的增強(qiáng)材料主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料(GFRP)。
風(fēng)電葉片傳統(tǒng)以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主材制造，但玻璃纖維 材料密度大于碳纖維，同時力學(xué)性能尤其是模量遠(yuǎn)低于碳纖維復(fù)合材料。為了避免 大尺寸風(fēng)電葉片在受力變形后與支撐柱產(chǎn)生碰撞，就需要采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模 量高的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來制造葉片。
從2008年我國第一片38米長的兆瓦級風(fēng)電葉片下線，到2022年12月全球最長葉輪直徑260米海上抗臺葉片下線，不足15年時間國內(nèi)風(fēng)電葉片長度增長近3倍之多。近年來，圍繞風(fēng)電葉片的技術(shù)創(chuàng)新此起彼伏，在大型化、材料、設(shè)計生產(chǎn)等領(lǐng)域?qū)耀@突破，技術(shù)的跨越使葉片無論從長度還是性能都獲得了前所未有的提升。
在這個過程中，國內(nèi)風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)格局也悄然變化。在產(chǎn)業(yè)降本增效壓力，以及高質(zhì)量發(fā)展需求下，由風(fēng)電整機(jī)企業(yè)主導(dǎo)的技術(shù)與材料創(chuàng)新，橫向刷新著風(fēng)電葉片的長度，縱向刷新著葉片成本與設(shè)計能力，成為引領(lǐng)國內(nèi)風(fēng)電葉片技術(shù)變革的中堅力量，加快風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新速度。
在國內(nèi)大兆瓦機(jī)組的持續(xù)迭代下，為了捕獲更多的風(fēng)能，大葉片需求陡增。另一方面，大功率風(fēng)機(jī)是風(fēng)電降本的主要手段，作為風(fēng)機(jī)三大關(guān)鍵部件之一，大葉片自然也成為配合整機(jī)技術(shù)進(jìn)步、推動風(fēng)電成本下降的必要技術(shù)創(chuàng)新手段。
可以說，步入平價后的2021-2022年是我國葉片技術(shù)迭代最具代表性的階段。在這兩年的時間內(nèi)，我國海上風(fēng)電風(fēng)電葉片不但快速進(jìn)入百米時代，更是問鼎全球葉片最長記錄。
2023年國內(nèi)風(fēng)電葉片裝機(jī)未來展望
國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年1~11月，國內(nèi)風(fēng)電新增發(fā)電裝機(jī)容量22.52GW，同比下降8.83%;其中，11月份新增裝機(jī)1.38GW，同比降幅達(dá)到75%。新增裝機(jī)量不及預(yù)期，風(fēng)機(jī)招標(biāo)火熱依舊。
2023年，將是中國風(fēng)電不同尋常的一年，“首先是風(fēng)電造價將會迎來歷史第一個低點，其次是風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將會迎來歷史第一個最高峰，或達(dá)到80GW?！?/p>
2022年高招標(biāo)量為2023年風(fēng)電裝機(jī)快速增長打下堅實基礎(chǔ)，風(fēng)電即將開啟新的高增長周期。預(yù)計2023年風(fēng)電新增裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到80GW以上，同比增長57%。
我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)增長，截至2022年累計裝機(jī)容量預(yù)計達(dá)3250萬千瓦，持續(xù)保持海上風(fēng)電裝機(jī)容量全球第一。我國海上風(fēng)電加速向深遠(yuǎn)海發(fā)展。
我國海上風(fēng)能資源非常豐富，我國擁有1.8萬公里的海岸線，近海水深5—50米范圍內(nèi)，風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為5億千瓦，而我國深遠(yuǎn)海風(fēng)能可開發(fā)量則是近海的三到四倍以上。深遠(yuǎn)海風(fēng)電機(jī)主要以漂浮式為主，不僅可以就地消納，還可以為遠(yuǎn)海設(shè)施供電。我國浮式風(fēng)電起步較晚，目前，我國浮式風(fēng)電裝機(jī)容量排名全球第四，預(yù)計到2026年，累計裝機(jī)容量有望突破50萬千瓦。
根據(jù)世界海上風(fēng)電論壇發(fā)布的最新報告，2022年上半年，全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量新增6.8吉瓦，其中，中國占5.1吉瓦?！笆奈濉逼陂g，我國規(guī)劃了五大千萬千瓦海上基地，各地出臺的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃規(guī)模已達(dá)8000萬千瓦，這將推動海上風(fēng)電實現(xiàn)更高速發(fā)展，到2030年累計裝機(jī)將超過2億千瓦。
根據(jù)中研普華研究院《2022-2027年中國碳纖維風(fēng)電葉片行業(yè)市場深度分析及投資戰(zhàn)略研究報告》顯示：
當(dāng)前，國內(nèi)陸上風(fēng)電葉片以玻纖為主，十幾年的發(fā)展已經(jīng)使國內(nèi)葉片供應(yīng)鏈實現(xiàn)了樹脂、玻纖的全部國產(chǎn)化，平價前夕瘋狂漲價的巴沙木當(dāng)前也已回落至穩(wěn)定水平。但國內(nèi)高性能碳纖維材料仍然嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而在海上超長葉片領(lǐng)域，碳纖維已經(jīng)成為葉片技術(shù)迭代的必選材料。
碳纖維的相對密度約比玻纖小30%，抗壓強(qiáng)度卻高出40%。研究表明，相同葉片長度下, 引入碳纖維的葉片重量比玻纖可降低約15%的重量。且碳纖維韌性更大，采用碳纖維的葉片彎曲剛度提升，可有效改善葉片的空氣動力學(xué)性能，降低葉片對傳動系統(tǒng)和塔筒的負(fù)載，從而進(jìn)一步提升捕風(fēng)能力和運(yùn)行穩(wěn)定水平。
生產(chǎn)中，碳纖維一般應(yīng)用于葉片主梁，主梁占比葉片總重量1/3左右。中國建材集團(tuán)董事長周育先曾在一檔節(jié)目中表示，實現(xiàn)主梁等關(guān)鍵部分的碳纖維替代可以降低葉片重量20%左右，這對風(fēng)電系統(tǒng)成本下降、性能穩(wěn)定將是巨大的貢獻(xiàn)。
但對于風(fēng)電葉片而言，碳纖維140-150元/公斤的價格明顯還過于昂貴。昂貴的原因，一方面是國內(nèi)高性能碳纖維材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，另一方面是國內(nèi)尚未形成足以支撐我國制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的產(chǎn)能規(guī)模。
2021年國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)使用碳纖維約3萬噸，雖然只是部分葉片用到了碳纖維，但這個使用量已經(jīng)占全球的30%。在海上風(fēng)電的發(fā)展推動下，預(yù)測到2025年，行業(yè)對碳纖維的需求將達(dá)9萬噸，到2030年可能要增長到20萬噸。可以說，碳纖維應(yīng)用必將成為推動風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)升級的下一個重要突破口。
碳纖維具有諸多優(yōu)秀性能，除2020年受疫情影響增速放緩，全球碳纖維需求一直穩(wěn)步上升。以2021年為例，國內(nèi)36%的碳纖維材料應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的風(fēng)電葉片(36%)，其次應(yīng)用于體育休閑(28%)、碳/碳復(fù)合材料(11%)、壓力容器(5%)以及其他領(lǐng)域。其中，新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展直接拉動了碳纖維的需求。
根據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)計，到2025年，國內(nèi)風(fēng)電用碳纖維這一細(xì)分市場的需求總量將達(dá)到5.2萬噸，2021-2025年的年復(fù)合增長率達(dá)84.3%，遠(yuǎn)期理論空間有望達(dá)13.1萬噸;此外還有光伏發(fā)電領(lǐng)域，碳碳復(fù)材的碳纖維需求量將達(dá)到1.3萬噸，2021-2025年的年復(fù)合增長率達(dá)38.4%;同時，氫能、航空航天、國產(chǎn)大飛機(jī)、新能源車等行業(yè)的碳纖維需求也在高速增長中。
未來隨著技術(shù)發(fā)展，高性能玻纖提質(zhì)降本，葉片的生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，將助力風(fēng) 電行業(yè)更多參與到平價時代。在風(fēng)電葉片大型化趨勢下，碳纖維物理性能優(yōu)勢凸顯， 但是短期來看，碳纖維仍難以完全替代玻纖。在風(fēng)電葉片的發(fā)展過程中，為了達(dá)到 更高的發(fā)電效率，滿足葉片更大更強(qiáng)更輕的訴求，葉片的制作工藝和材料也隨著技 術(shù)和科技的發(fā)展不斷進(jìn)步。
總體來看，受益于下游應(yīng)用領(lǐng)域的多維發(fā)展與滲透率的提升，風(fēng)電、光伏、氫能、航空航天等領(lǐng)域都將合力推升碳纖維的需求擴(kuò)張，從中長期維度來看，碳纖維供需缺口預(yù)計將持續(xù)存在。
《2022-2027年中國碳纖維風(fēng)電葉片行業(yè)市場深度分析及投資戰(zhàn)略研究報告》由中研普華研究院撰寫，本報告對該行業(yè)的供需狀況、發(fā)展現(xiàn)狀、行業(yè)發(fā)展變化等進(jìn)行了分析，重點分析了行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、如何面對行業(yè)的發(fā)展挑戰(zhàn)、行業(yè)的發(fā)展建議、行業(yè)競爭力，以及行業(yè)的投資分析和趨勢預(yù)測等等。報告還綜合了行業(yè)的整體發(fā)展動態(tài)，對行業(yè)在產(chǎn)品方面提供了參考建議和具體解決辦法。
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