風電行業增長,以及葉片大型化帶動碳纖維滲透率提升,驅動碳纖維在風電領域快速增長。一方面,隨著陸上風電平價上網時代的開啟,陸上風電裝機有望穩健增長,2021年全球陸上風電新增裝機為72.5GW,根據GWEC預測,到 2025年全球陸上風電裝機有望達到88.3GW。
2021年全球海上風電裝機為21.1GW,得益于政策驅動和降本因素,海上風電有望快速增長,根據GWEC預測,到 2025年全球海上風電裝機有望達到23.9GW。另一方面,隨著葉片大型化,從材料性能以及風電綜合成本方面考慮,碳纖維滲透率有望不斷提升。
風機大型化帶動葉片大型化。為了提高風電發電效率,風機逐漸大型化。一方面,大風機可以提高風輪直徑,增大掃風面積,提高效率;另一方面,風電機組重量的提升幅度小于機組功率的提升幅度,因此隨著風電機組功率提升,單位 MW 下原材料用量更少,以達到降本效果。
根據CWEA數據 , 2020年全國新增陸上/海上風電機組平均功率為2.6/4.9MW,較2019年2.4/4.2MW繼續提升。為匹配風電機組的大型化,風電葉片也呈現大型化的趨勢。
一方面,隨著葉片長度的增加,會使風輪在擺動方向受到較大載荷,導致扭轉變形。葉片大型化中,重量也會增加,會增加主梁帽層間失效的風險,若重量的增加大于剛度增加,葉片還易發生共振,破壞結構。
因此隨著葉片大型化,對材料性能的要求也會不斷提高。而碳纖維質量更輕、強度/模量更高,是風電葉片首選材料,根據《復合材料風電葉片技術的現狀與發展》,一個旋轉直徑為120m的風機葉片,梁結構采用碳纖維與采用全玻纖相比,質量可減輕40%左右。
另一方面,風電葉片減重后,風機可對低風速的風資源得以利用,從而提高風電發電小時數,帶來發電效率的提升以及綜合成本的下降,也大大減弱了碳纖維價格較高對綜合成本帶來的影響。
因此從材料性能以及風電綜合成本方面考慮,隨著風電葉片的長度增加,碳纖維的使用需求將更為迫切,碳纖維滲透率有望逐步提升。
此外,根據賽奧碳纖維數據,2021 年全球風電碳纖維需求約 3.3 萬噸,由于維斯塔斯在2002年7月19日分別在中國/丹麥等國家申請了以碳纖維為主要材料的風力渦輪葉片的相關專利。后續隨著維斯塔斯專利到期,風電用碳纖維有望加快推廣,碳纖維滲透率有望加快提升。
通常海上風機功率高于陸上風機,相較陸上風電,海上風電葉片更長/更重;此外,海上風電面臨的環境更為惡劣,對材料性能要求更高,因此海上風電的碳纖維滲透率或遠高于陸上風電。