风电产业上游材料主要有塔筒、风机、机舱罩、主轴、电缆以及叶片,其中风电叶片是最贵也是最重要的组成部分,其成本约占风力发电系统总成本的比例约为20%-30%。
2019-2027年间,全球风机供应链潜在市场价值高达5400亿美元。其中,叶片和塔筒的市场潜力最大,分别有望超过1000亿美元。
风电叶片是风电机组将风能转化为机械能的关键核心部件之一,也是风机获取更高风电机组利用小时数和实现经济效益的基础,会直接影响风能的转换效率。从风电叶片结构来看,主要由增强材料(梁)、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成。叶片的80%成本来自于原材料,而60%的原材料成本来自于纤维材料——增强纤维与基体树脂。
风电基体材料基体树脂是整个叶片材料的“包裹体”,在叶片成本构成中占比最大。常用的基体材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂等。近年来聚氨酯也逐渐被应用到基体材料领域。
风电叶片构成:从竞争格局上看,中国风电叶片专用环氧树脂主要厂商产量市场TOP5中,瀚森企业市占率18%,道生天合企业市占率14%,上纬新材企业市占率13%,欧林企业市占率10%,惠柏新材料企业市占率7%。
增强材料(梁)增强材料主要有碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻纤增强复合材料(GFRP)。风电叶片传统以玻璃钢(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,需要采用轻质高强高模的材料制造叶片。碳纤维复合材料以其轻质高强的特征成为大尺寸风电叶片制造的理想材料。据全球碳纤维复合材料市场报告测算,2020年全球风电领域碳纤维需求将达到3.13万吨,随着全球对清洁能源的需求增长,到2025年风电碳纤维需求量将达到9.73万吨,增长率达到210.8%。
虽然在性能上玻纤复合材料没有碳纤维复合材料更优异,模量差别大概在3倍左右,但是其成本却是数量级的不同,所以玻纤的性价比使其成为了风电机组想要技术提升,高速发展的必备原料。且目前中国巨石和泰山玻纤开发的E9与HMG超高模量玻纤,在强度和刚度等部分物理性能指标已经逼近碳纤维。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,碳纤维仍难以替代玻纤。
夹芯材料夹芯材料以PVC泡沫最为常见,此外PMI泡沫、SAN泡沫、Balsa(轻木)以及天然纤维(竹纤维)也可被用作夹芯材料。
表面涂料涂层主要是为了保证叶片长期稳定运转而使用的防护材料。主要有聚氨酯、氟聚合物以及聚丙酸酯三类,其中聚氨酯因具有较强的附着力,耐油耐磨性,而被广泛使用。万华化学已成为风电涂料固化剂产品全球品类最全、竞争力最强的供应商。风电需求的快速增长,将带动产业链上游原材料迅速发展,利好已拥有相关产能或正在布局的企业。
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