机械设备行业专题-风电零部件系列专题(四)：风电叶片—风电大型化和降本的重要一环

风电零部件系列专题（四）：风电叶片—风电大型化和降本的重要一环 0"#$%&Ç( 2022!8"29# !"$%&()$ ()*%!"#$%&ƒ()*ƒ(23456789:;<=9>?@ABCDDCBEDEDDDFGHIJ@DBD–LMMFNOCMPQ@RiTUVTWXYZi[\X]Z^ZW_ -`abcdefghijklmAniopjqjnAir^stqluvwxyz[w|]~E?˘B?ÄP>@BDDDMB !"#$%&'()*+3-!"R/0!"123456789:; !0!!#$%!&I 89:;<=> !"Ç$%&'()*+,-./0123456(78)9:*; <./0=>456D@ABCDEF.G;<:*6)*&'HIJKLMNOPQNRPGNSTR6UJVLMWJ.9XTYHI Z[\])*&'.^_`abc/d)*&'^_efghijNkFlmN&noRpq%ghijefgh]rs6ghtugHvw6xy&'zP[|]`|~YdrstuñÄÅÇ^_6ÉÑÖÜ \ághkàlmVâ&'äãJVåçéè)Y6êëáVâgh ^_Ö6kFlmêíìNÖî]gh^_Ü\âD&'à&noRpïghkwñóòôgöõd )*&'â!^_ù6gh`ûaü†)*&'°abâ!¢£§•d) *&'.°abâ!†¶ß®â!.©™•61°abâ!ù†¨‚Æ .gH(oRØ…N±“,FNûa`^_¥6µùoRØ…`±“D&'ghab6∆c_âØ…oRBcabd)*&'.°abâ! ^_°º6oRØ…N±“+,Fab3NûaN^_¥Nºxæø3 `µ¿ab.â!†¨¡¬D"ƒ•N33•N"™•N£•N%•N©•6ghab `ûa†°abâ!«©»•d… ÀD6abÃÕ(xƒ&'TYNœ –â!.gH—“d R‘Ø…oRBcab’ì÷()*&'.gHghab6R‘Ø…oRBcab(èåR‘Ø…ÿDoRØ…ab6Ÿ⁄`¤‹N›fi ±“]fl‡±“ÿD,Fab6·‚DR‘„6RPGN‰ÂQNÊÁÕ6ËÇÈÍÎR‘Ø…æÏ›fi±“dR‘Ø…’ì÷(gŠoR ab6nÓùÔzÒÚÛÙı6)*åRØ®ˆ†µ˜¯¨‰«ô"§•doRØ….˘˙˚Â(78&'¸V./0=>456=˝µ˚Â.o˛ˇ&'zP.xƒ!4‰Æd… ÀD#$°ºR‘Ø…÷ï(gŠab6%&)öÆKÕ'()*6&'+,%4o˛6µ‰Â·- °-Æ6.Ø…oRBcab†¨c/xƒd )0=>%123B)0N45¸ã)0qd AB 风电零部件系列专题（四）：风电叶片—风电大型化和降本的重要一环5 叶片是风电最基础的关键零部件之一，占主机成本比例超20%5 叶片技术迭代趋势：力学性能优化、轻量化和降本6 增强纤维：玻纤目前仍是主流材料，碳纤维需求有望逐步提升7 碳纤维材料的成本、设计结构和生产工艺等瓶颈有望逐步突破9 树脂基体：树脂价格呈现高波动性，材料选择将顺应降本趋势11 芯材：主要材料包括巴沙木、PET、PVC13 叶片结构：双腹板结构向单腹板转变，分段叶片为研发方向14 风电叶片上游原材料成本压力有所缓解，下游需求随风电发展持续走高15 风电叶片市场集中度较高，CR5占比近70%16 风电迈入平价上网阶段，叶片大型化助力风电降本17 表目录 表1:叶片用玻纤的主要型号7 表2:风电复合材料叶片成型工艺比较10 表3：国内风电用玻纤主要上市公司产能情况11 表4：国内风电用碳纤维主要上市公司产能情况11 表5：国内环氧树脂主要上市公司产能情况12 表6：芯材特点对比13 表7：国内主要叶片厂商材料、产品结构设计和工艺技术研发进度14 表8：风电叶片主要厂商产能竞争格局（2020年）17 表9：国内风电标杆上网电价（元/kwh）17 CAB ÅB@Ç4ÉÑÖÜ5 ÅF@FDFDáIàÇI4âäãÜä5 ÅM@ÇIÉÑå9ç6 Åé@ÉÑèêäãëí7 ÅC@ÇIÉÑìîïëíäã:ñ7 ÅN@èêó?òôöõúùûGPa）7 ÅO@FDFDáü†°ô¢£§•¶ß®ëí8 ÅL@ü†ÉѶîï©™fií¨eûÆØűûFDFDá±8 ÅE@ÇI89°ô¢ß®Ílûű8 ÅBD@FDBC–FDFB¥†°ô¢ß®ùAµÓ9 ÅBB@FDBC–FDFB¥†°ô¢åŸAµÓ9 ÅBF@ÇIÉÑ襅èê∆åfº9 ÅBM@ÇIÉÑè¥ö¢fºæøÅ10 ÅBé@¿¡¬⁄ƒTwÖ™«»ÆØÅ12 ÅBC@ ÀÃÕŒ|œ–—ƒ“wÖ™«»ÆØÅ12 ÅBN@PnqwÖ™«ûÆØű13 ÅBO@:‘ÉÑç’æøÅ14 ÅBL@qó÷≤ÿ’æøÅ14 ÅBE@¥†Ÿ⁄IùAǤ⁄Iù‹›ûfifl‡·±16 ÅFD@¥†FDBO–FDFB‚„؉„ÇIÂÊÁ4ùûËȱ16 ÅFB@FDBM–FDFDáü†ÇIÉÑwÖÍúAµÎÏ16 ÅFF@FDBC–FDFDáü†ÇIÉÑß®ùAµÎÏ16 ÅFM@ü†ÇIwÖÌÓ«Ô17 ÅFé@FDBEá†dÇIÉÑÌÓ«Ô17 ÅFC@ÒwÖÇIÚ4ÛÇI4âÙıˆ™18 ÅFN@FDBM–FDBLáÇI˜ˆ„¯I™ûÆØflfl‡·±18 ÅFO@FDBO–FDFF˘B˙Çffi¸Ç4˝˛Hˇƒ"#ùëí19 ÅFL@FDBB–FDFDÒ† µÇ4˜ˆ©4#ùAÇ$%&19 +,-./01234567+,89—+,:;<=>?@ABCD 89E+,FGH@IJ-./KCLMÌ!O?PQR20% 叶片是风电最基础的关键零部件之一，是影响风力发电效率的关键因素之一，为满足复杂工况下的高效率发电，风电叶片要求外型设计、密度轻、强度高、韧性强，除外形设计以外的力学性能要求都直接与风电叶片的结构和材料有关。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。腹板负责支撑截面结构，预制后粘接在主梁上；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。 主梁和芯材是最核心部分，约占风电叶片原材料成本的80%。芯材用于提高叶片的稳定性。主梁材料主要是纤维增强复合材料，纤维增强复合材料是指纤维和基体材料的复合 材料，纤维需要具有高模量，以提高叶片的刚度；树脂基体要求缺陷低、成型效率高。目前较小型叶片的复合材料中，纤维采用玻璃纤维，基体材料采用不饱和聚酯树脂，基于在力学性能要求不是太高情况下的成本最小化；较大型叶片的主梁复合材料，纤维采用碳纤维或碳纤维与玻璃纤维的混杂复合材料，基体材料较多采用环氧树脂。 ÅB@Ç4ÉÑÖÜ 资料来源:《复合材料在大型风电叶片上的应用与发展》,信达证券研发中心 风电主机成本结构中，叶片、齿轮箱、发电机是成本占比最高的三种零部件。以电气风电主机成本结构为例，2020年电气风电主机成本结构中叶片、齿轮箱、发电机占比分别为23.6%、12.7%和8.7%。由于叶片占主机的成本比重较高，叶片长度增加将一定程度 上推高其自身以及整机的成本。在风机主机的大型化和低成本趋势下，叶片的技术迭代趋势将是更好的力学性能、轻量化和降本。 ÅF@FDFDáIàÇI4âäãÜä 叶片齿轮箱发电机铸件变流器偏航变桨轴承钢件电缆偏航变桨驱动主控系统变压器其他 29.07% 23 1.12% 4.74% 12.66% 7% 2.16% 9% 3.36% 8.65% 6.25% 4.15% .58% 1.8 2.3 资料来源：!"#!$%&'()信达证券研发中心 风电叶片是风电产业链的关键组成部分，风电叶片产业链主要由上游原材料供应商，中游风电叶片生产商、下游整机厂商和风电场运营等环节构成。生产叶片的主要原材料包括玻纤、碳纤维和芯材等，国内代表企业有澳盛科技、光威复材、上纬新材、康达新材等。风电叶片制造企业可分为两类，一类是以迪皮埃（TPI）为代表的独立叶片生产企业，中材科技和时代新材均属于此类企业；另一类是以艾尔姆（LM）为代表的风电整机厂配套生产企业。 ÅM@ÇIÉÑå9ç 资料来源：信达证券研发中心 89STUVWX7YZ[\]<^_`<=>? 风机大型化趋势下，风电叶片的技术迭代趋势是力学性能优化、轻量化和降本，实现路径是风电叶片材料、制造工艺和叶片结构的迭代优化，其中最为重要的还是材料端的迭代。风电叶片长度将持续加长，叶片长度增加将一定程度上推高其自身以及整机的成本， 同时叶片长度的增加还会导致叶片自重的上升，对叶片力学性能的要求也将持续强化。因此要让通过研制长叶片来提升发电量变得可行，就必须控制好叶片自重，并使之具有更高的强度、刚度等，以确保整机系统的高效率平稳运行。 风电叶片成本结构中，主梁和芯材约占风电叶片原材料成本近80%。风电叶片的原材料成本占总生产成本的75%，而原材料成本中占比较大的主要是增强纤维、树脂基体、芯材和 结构胶，其中增强纤维和树脂为叶片主梁材料，组合构成纤维增强复合材料。风电叶片的原材料成本结构来看，增强纤维、树脂（基体材料）、芯材、结构胶、金属及配件和其他材料的成本占比分别为21%、33%、25%、8%、6%、7%，主梁材料和芯材占原材料成本达79%。我们认为，材料优化是提升叶片性能、降低成本的主要路径。 Åé@ÉÑèêäãëí 原材料销售成本研发成本制造费用其他成本 ÅC@ÇIÉÑìîïëíäã:ñ 增强纤维树脂芯材结构胶金属及配件其他 2.50% 13.20% 7.20% 10% 7% 6%21% 8% 2. 75.00% 25% 33% *+,-./012+345#Ø6789:;<=>?)@ABCD =EF *+,-./012+345#Ø6789:;<=>?)@ABCD=EF abcd7cfghEÌijkLlcdmnopqrst 玻璃纤维增强复合材料目前仍是风电叶片的主要主梁材料，玻璃纤维增强复合材料是指用玻璃纤维作为增强纤维材料，不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂作为基体材料，也称为玻璃钢，强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂。玻璃纤维目前仍是主流增强材料，根据中国巨石公开披露，公司玻纤产品约有20%用于风电叶片。增 强纤维的拉伸模量是影响叶片变形的关键因素之一（标准模量是指拉伸模量为230-265GPa，中等模量是指拉伸模量为270-315GPa，高模量是指拉伸模量超过315GPa），因此其模量的增加对叶片刚度的提升意义重大。近十年玻纤企业持续不断的进行技术创新，每一代玻纤的模量都提升了10%左右,促进了叶片大型化的发展。玻璃纤维经过多年的大规模应用，工艺早已成熟。我们认为短期来看玻璃纤维仍将是主流材料，随着风机大型化趋势推进，叶片尺寸随之增加，其重量也越来越大，碳纤维增强复合材料占比有望提升。 ÅN@èêó?òôöõúùûGPa） 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 (General） OC(Highmodules） HMG(High) TM+(High) E7(High) S1(Ultra-high) E8(Ultra-high) TMⅡ(Ultra-hi） E9(Ultra-high) gh 0 *+,-./012+345#Ø6789:;<=>?)@ABCD =EF 表1:叶片用玻纤的主要型号 HIJ KiMNO PQRSTU VWiMU KSXMOW EYZ[ \] \^ \_ \` Ya02 Vb Vbc Vbdd e fghi Vjk lbm P–olb Vlb–o pjq rPsttt rPuttt rPvttt e *+,-./012+345#Ø6789:;<=>?)@ABCD=EF 碳纤维的密度比玻璃纤维低30%-35%，应用碳纤维可使叶片减重20%以上；碳纤维的拉伸模量比玻璃纤维高3-8倍；碳纤维拥有更强的抗疲劳性能，能够延长叶片的使用寿命。碳纤维主要有3K、12K、24K、48K等规格，其中1-24K（