风电叶片为啥越来越大（风电系列之五叶片）

风力发电机主要由叶轮、机舱、塔筒三部分构成。由于风电场招标时塔筒一般单独招标，因此，风电机组一般指叶轮和机舱两部分。

风机的叶轮负责将风能转化为机械能，由叶片、轮毂和整流罩组成。其中，叶片将空气的动能转化为叶片和主轴的机械能，继而通过发电机转化为电能。

风电叶片是风电机组中将风能转换为电能的核心部件。

叶片的尺寸、形状决定了能量转化效率，也直接决定了机组功率和性能。因此，风电叶片在风机设计中处于核心地位，也是整机中最贵的零部件。

风电叶片占风电整体系统总成本的 20%-30%。目前，国内叶片总成本的80%源于原材料，其中，增强纤维与基体树脂占比超过 60%，粘接胶与芯材占比各超过 10%。

叶片是由复合材料制成的薄壳结构，复合材料在整个风电叶片中的重量占到90 %以上。

一般来说，叶片由大梁、腹板、芯材和基体组成，其基本结构如下图：

大梁相当于人的脊梁骨，长长的叶片靠大梁起支撑作用。腹板等重要部件一般采用夹芯结构，通过此结构将叶片所受的剪切力从表层向内部传递，提高叶片的载荷能力。基体树脂则是整个叶片的材料“包裹体”，包裹了纤维材料和芯材。

叶片的制作和上游材料相对复杂，我们将在下一篇中再具体说。

风机的大型化意味着需要更长的叶片、强度更高的传动装置以及功率更高的发电装置。这要求核心零部件的迭代需要跟进，其中，叶片的技术迭代速度最快。

叶片的大型化是提升单机容量的关键，也是提高发电效率的重要路径。高塔筒意味着能够捕获更高处的速度更大的风，长叶片意味着风轮的扫风面积更大，从而捕获更多的风能，增加发电时间，降低度电成本。

叶片的长度在过去发展过程中一直在不断变长，如下图：

2014 年，91m-110m 的叶片占比49.5%，是当年装机占比最高的产品，到 2019 年，该长度的市占率下降到 10.7%，121m-140m 的叶片成为主流产品，占据全球市场的 52.5%。WEC预计在2020-2025年中，150m叶轮直径的风机将成为主流产品。

叶片的自动化程度较低，产能发挥比较依赖熟练工人，其次会受到一定的场地和环保影响，当然，影响其产能的最大瓶颈还是模具。

在整个生命周期内，一套模具大概可生产 400-600 片的叶片，每个叶片的生产周期 2 天左右，即每套模具大概具备年产 180 片的能力（ 60 套叶片）。因此，在满负荷生产的情况下，一套模具的寿命大约两到三年。

由于叶片的技术迭代速度很快，很多模具虽然未达到使用寿命，但其所对应的叶型可能已经没有了市场需求。

这产生三个影响：第一，常规叶片产能变得无效；第二，由于技术难度，部分厂商无法转换到大叶片，即使成功转换，产能也是减少的，这样，新建产能的释放会比较缓慢；第三，叶片厂商在购置模具时非常谨慎，只有确认对应叶型有比较长的生命周期和较大需求时，才会选择扩张产能，部分叶片厂商甚至实行“包线、代工式”生产，以降低自身风险。

叶片的重量和长度是立方关系，叶片变长导致其重量会显著加大，而且大叶片风机的发电小时数升高也会带来叶片载荷疲劳的问题，需要在气动和结构设计上都加以优化。

因此，叶片大型化带来的影响是多方位的。

比如，从121米叶片升级到141米叶片，并不是买到模具就可以生产。

研发设计完成后，需要通过测试和整机厂的挂机测试，仅挂机测试就需约一年时间，之后进入小批量生产，再采购模具进行调试，然后进入大批量生产。其中，模具的采购和运输周期 6 个月左右，产线到厂后要经过数月调试才能达到稳定、高速的生产状态。

整个过程花费的时间较长，因此，大叶片的产能扩张并不容易。

此外，随着叶型的升级换代，厂房规划也需要随之变更，并不是换套模具就算完成。

从 121 米升级到 141 米，意味着模具的占地面积更大，原有厂房容纳不下同样数量的模具，堆放库存所需的空间也相应变大，这些意味着叶片企业需要重新做厂房布局。

此外，大叶片的占模时间变长。铺设玻纤布、芯材及灌注环氧树脂等都非常耗费人力和时间，大叶片的体积和重量更大，需要的材料和时间自然也更长。因此，同样一套模具，单位时间所对应的产能也会变少。

正是由于以上的种种原因，导致新叶片在供给方面存在一定的瓶颈，并且在升级换代的过程中，会发生需求与供给的结构性错配，从而导致新的更大叶片的产能供给出现阶段性紧张。

叶片供应策略的选择会影响到整机企业的竞争力、成本和差异化，最终会影响到整机企业的市场占有率。同时，随着新能源政策的变化，成本对于整机厂来说也成为了首先需要考虑的因素。

叶片生产企业分为两种：第一种是独立第三方生产企业，第二种是整机厂的叶片生产部门。

从历史经验看，完全外购或完全自产都不是最优方式，最优方式是对两种模式进行平衡。这种策略使得公司资产更轻、更灵活、更能适应市场的变化，也能兼顾到供应链的相对安全。在竞价的背景下，采用这种方式的整机厂也更有成本竞争力。

同时，随着产业链不断成熟，不同地区都有足够好的独立第三方叶片供应商，可以满足整机厂的当地要求，同时，在成本上也具有经济性，这也刺激了整机厂的外购，进一步又推动了独立第三方叶片企业的发展。

由于中小型企业无力在成本、研发投入、全球化方面拥有竞争力，市场整合一直在持续。2020 年，欧洲有 4 家现存的独立第三方叶片企业，美国也有4 家，分别是：TPI、MFG、Tecsis、Aeris。其中，TPI 一直是美国最领先的龙头企业，也是真正唯一的具有全球基地的独立第三方叶片企业。

亚洲的独立第三方叶片企业几乎都来自中国和印度。中国不仅是全球最大的整机制造基地，也是世界最大的叶片制造中心。

截至 2020 年底，全球共有 15 家整机厂有叶片产能。其中，全球前十大风电整机厂中，除金风科技和运达股份外，都有叶片制造产能。

目前，中国有 10 家第三方叶片企业，其中，前 3 家企业控制了 2/3 的本地市场。

中材科技是国内叶片领域的领导者。中材叶片市占率连续九年位居国内第一且持续提升，国内市场龙头地位稳固。公司拥有江苏阜宁、河北邯郸、江西萍乡、甘肃酒泉、吉林白城、内蒙古锡林及兴安盟七大生产基地，具备年产10GW以上风电叶片生产能力，大约是中国本地需求的 1/3。公司2020年出货12.3GW。

时代新材是中国第二大叶片供应商，2020 年出货 3,000 套叶片。

各主要上市公司叶片业务的毛利率对比如下：

时代新材的毛利率持续性低于中材科技，天顺风能则波动比较大，整体来看，中材科技毛利率的整体表现更好。