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碳纤维行业深度研究:风、光、氢、无人机等领域推升需求

概况:轻量化、高性能、广应用的新型材料

碳纤维具备无可比拟的材料优势,应用领域及产业链覆盖极广

碳纤维是新一代轻量化高性能的军民两用技术密集型材料。碳纤维是单丝直径为 5-10 微米、含碳量高于 90%、由碳主链构成的无机纤维,由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴 方向堆砌并在高温环境下裂解碳化形成,既具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的 柔软可加工性。其优良性能包括低密度、高轴向强度与比性能、高耐化学腐蚀性、无蠕变、 耐高低温、低且各向异性热膨胀系数、耐疲劳等,被誉为 21 世纪的“新材料之王”。

碳纤维大多作为增强材料与基体材料复合后以碳纤维复材的形式应用在轻量化/高强/ 高模/高韧性等领域。与基体材料(陶瓷、金属、高分子等)复合后的碳纤维复合材料克服 了单一组分材料的缺点,提高了整体材料性能,其密度、拉伸强度、拉伸模量、比强度、比 模 量 范 围 分别为 1.5-2g/cm3 、 3500MPa 、 230-430GPa 、 1750-2333MPacm3 /g 、 153-215GPacm3 /g。在相同尺寸的结构件中,用碳纤维分别代替铝/钛/钢将减重约 35%/61%/77%,但其强度却被提高至远高于钢材的水平(碳纤维复材的比强度、比模量分 别是结构钢的 3-9 倍、65-86 倍),因此碳纤维及其复合材料被广泛应运在能源装备、航空 航天、国防军事、土木工程、交通运输、赛车运动以及其他体育休闲等领域中。

 

聚丙烯腈(PAN)基标模碳纤维是市场主流。碳纤维可以按照原丝类型、纤维形态、丝 束规格、生产工艺、力学性能等标准进行分类,其中常用的三大分类维度是原丝类型、丝束 规格和力学性能:1)按照原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基、粘胶基等,其中 PAN 基碳纤维因生产工艺简单、原料来源丰富及优越的拉伸强度迅速占据市场(产量占有 率约为 91%);沥青基碳纤维保持约 1000 吨年产量(日、美企业平分秋色);粘胶基碳纤维 基本停产(有可能完全退出碳纤维市场)。2)碳纤维的应用形态是纤维状丝束,按照丝束规 格可分为小、大、巨丝束,以一条丝束内碳纤维单丝的根数进行划分,小丝束碳纤维包括 1K、3K、6K、12K、24K 等型号,大丝束碳纤维包括 48K、60K、80K 等型号(目前小、 大丝束需求相当),巨丝束包括 100K 及以上型号。3)按照力学性能可分为标模(拉伸模量 约 230-265GPa)、中模(拉伸模量约 270-315GPa)和高模(拉伸模量大于 315GPa)。

碳纤维产业链覆盖广,完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程:上 游企业首先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯,并经氨氧化后得到丙烯腈;丙烯 腈经聚合和纺丝生成原丝之后,通过预氧化、低温/高温碳化等工艺步骤得到碳纤维;碳纤 维可随后被制成碳纤维织物、碳纤维预浸料(中间料)、碳纤维复材制件;产业链下游应用 主要集中在风电、航空航天、体育休闲等领域。从全产业链来看,中游是核心环节,技术、 资金、设备、产品质量门槛高。

碳纤维产业链中游是核心环节,技术、资金、设备、产品质量门槛高

原丝是生产高品质碳纤维的关键,其成本约占碳纤维生产成本的 51%。通常碳纤维的 强度显著依赖于原丝的微观形态结构及其致密性,原丝品质缺陷(表面孔洞、沉积、刮伤以 及单丝间黏结等),在后续加工中很难消除。而原丝成本一般占碳纤维生产成本的 51%左右, 高质量原丝用量与碳纤维产出比约为 2.2:1,有效产率约为 45%,而低质量原丝用量与碳纤 维产出比约为 2.5:1,有效产率仅为 40%。低质量原丝必然增加碳纤维的生产成本,原丝制 备能力将直接影响未来碳纤维的竞争格局。

 

溶液纺丝法是原丝生产的大前提,不同环节多种细分工艺并存。按成纤高聚物的性质不 同,纺丝方法可分为熔体纺丝法和溶液纺丝法(即熔液纺丝法)两大类及非常规的纺丝方法, 但由于聚丙烯腈(即 PAN)在 220-300C 时会软化分解,在熔体纺丝过程中处于不稳定状 态,因此溶液纺丝更适用于碳纤维原丝的生产,即将成纤高聚物溶解在某种溶剂中,制备成 具有适宜浓度的纺丝溶液,再将该纺丝溶液从微细的小孔吐出进入凝固浴或是热气体中,高 聚物析出成固体丝条,经拉伸——定型——洗涤——干燥等处理即可得到成品纤维。在溶液 纺丝法的制造大前提下,按照纺丝溶剂的选择、聚合工艺的连续性、纺丝原液的凝固方式等, 可对溶液纺丝法进一步细分:纺丝溶剂:有机溶剂包括 DMSO(二甲基亚砜)、DMAc(N,N-二甲基乙酰胺)、 DMF(N,N-二甲基甲酰胺);无机溶剂包括 NaSCN(硫氰酸钠)等 ;聚合工艺的连续性:可以分为一步法、两步法来制备纺丝溶液;纺丝原液的凝固方式:干法纺丝、湿法纺丝和干喷湿纺(即干湿法纺丝)。

原丝工艺壁垒在于聚合环节,一步法和两步法各有优缺点。聚合物的分子量及其分布不 仅直接影响纺丝液的流变性和可纺性,还在一定程度上影响 PAN 原丝的性能和质量,具有 较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质 PAN 原丝的基本要求。一步法采用均相溶 液聚合工艺,聚合纺丝一条线,工序较少,操作性强,可控性好,产品起步性能高,但胶状 PAN 不易保存,更适合连续平稳的生产,成本较高。两步法生产工艺额外增加水洗过滤步 骤以去除聚合物中的杂质和各种金属离子,进而提高纺丝原液聚合物分子量和浓度上限,其 粉末状 PAN 纯度较高且储存周期长。两步法聚合工艺可实现连续进料、耗时短,并且由于 聚合釜大(水相反应更均匀)能实现更大的产量,但产品起步性能低。因此,一步法与两步 法不能简单对比评价,聚合工艺的选择需要综合研判。

碳纤维生产流程复杂,技术关键点多,预氧化是核心。碳纤维生产全过程连续走丝,涉 及 3000 多个工艺点,任何一道工序出现些许问题都会影响生产的稳定性和最终产品的质量。原丝到碳纤维制成的中间环节包括预氧化、碳化、石墨化(非必要,制备高模碳纤维的额外 步骤)、表面处理、上浆、烘干等步骤:1)预氧化主要包含 PAN 分子链上的侧基—C≡N 环 化交联过程,即 PAN 分子链由原来的热塑性线形结构转变成非塑性耐热梯形结构,同时抑 制热解小分子的产生以提高碳纤维的性能和碳化收率,保证 PAN 原丝在预氧化过程中形成 合适的环化结构是获得理想碳纤维的最基本因素;此外,预氧化时间占碳纤维总生产时间的 90%左右,极大程度上控制着碳纤维的质量和产量;2)预氧化和后续的碳化/石墨化环节是 制备高性能碳纤维的关键,直接决定碳纤维的强度和模量;3)表面处理影响碳纤维性能的 发挥;4)上浆可形成有机保护层,减少碳纤维起毛断丝现象。

原丝和碳纤维生产设备要求高。原丝到碳纤维生产过程中用到的设备较多,主要有:原 丝设备(聚合釜、喷丝板等)、纺丝设备(碳纤纺丝机、蒸气牵伸机、水洗机等)、预氧化设 备(预氧化炉、前期驱动装置)、碳化炉(分为低温和高温碳化炉,与之配套的是非接触式 迷宫密封装置、加热系统、废气排出和处理系统以及牵伸装置)、石墨化炉等。整体来看,1) 原丝生产设备目前国产化程度低,碳纤维生产设备目前部分厂商仍然使用进口设备,进口设 备与国产设备在 T700 级别性能没有明显差异,真正差距在更高级别;2)原丝单万吨设备 投资为 2.1-2.2 亿,其中聚合釜占 1.5-1.6 亿,碳纤维生产单万吨设备投资(针对风电用碳 纤维)约为 7 亿,其中炉体占 50%;3)设备部分进口、部分国产对产品的一致性有影响, 兼容设计需要运行经验。

 

中游碳纤维制造厂商原丝及碳化工艺指标差距较大,东丽技术领先全行。目前,海内外 碳纤维重点企业均以自制原丝为主,以日本东丽为首的多数企业采用以 DMSO 为溶剂的一 步法聚合工艺。喷丝凝固工艺方面,干喷湿纺法较湿纺存在明显的效率优势,其中日本东丽 的干喷湿纺法纺速领先,达 700m/min,国内企业大多掌握干喷湿纺法,其中光威复材及中 复神鹰原丝纺速可超 500m/min。碳化阶段,国内企业碳化线速约为 10-13m/min,碳化单线 产能最高达 3000 吨/年,接近日本东丽 4000 吨/年的单线产能。成型工艺方面,日本东丽公 司成型工艺储备领先行业,能够根据客户需求开发成型工艺。国内企业对缠绕成型的掌握度 较高,热压成型、RTM、模压成型技术亦逐渐成熟。

碳纤维复材成型工艺的选择,必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等多种因素。碳纤维制品的制成一般会经历原丝制备、碳纤维制造、(织物/预浸料)、复材制件生产三大 (或四大)环节。碳纤维(或织物)与树脂、陶瓷等材料结合后,便可形成碳纤维复材,随 后经成型工艺加工即可得到下游应用的最终产品。碳纤维复材成型工艺主要分为两类:1) 预浸料铺放成型,即生产预浸料后通过压力罐或其他模具,在一定温度和压力下压挤成型;2)不需要生产预浸料型,直接将碳纤维(或织物)和树脂混杂在模具内成型。碳纤维复材 生产各种工艺的成本、用途均不同,但对设备投资要求较高,且与下游应用联系深入,复材 生产设备包括热压罐、固化炉、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、 RTM 成型设备、缝合设备以及无损检测设备等,多由美国公司垄断,国内部分企业在自动 化铺放工艺的工程化应用方面取得了较大突破。

需求:风光氢合力推动碳纤维进入黄金发展期

我国碳纤维需求增速远超全球,是全球最大需求市场。尽管疫情对航空业造成的打击严 重影响了相关领域碳纤维的需求,2020、2021 年全球碳纤维的需求量仍然达 10.7 和 11.8 万吨,市场规模分别为 26.2、34.0 亿美元。2021 年我国碳纤维的需求量和市场规模分别为 6.2 万吨和 15.9 亿美元,同比增长 27.7%和 54.7%,而 2021 年全球碳纤维的需求量和市场 规模仅同比增长 10.4%和 30.1%。此外,2016-2021 年中国碳纤维的需求量和市场规模 CAGR 分别为 26.1%和 26.9%,远超全球的 9.1%和 9.9%,作为碳纤维第一大需求国,中 国市场已然在全球占据举足轻重的地位。

 

我国碳纤维应用分布具有本国特色,与全球差异较大,未来将持续朝航空航天迈进。全 球碳纤维前三应用领域涉及风电叶片、体育休闲和航空航天,而我国最大碳纤维需求端来源 于风电叶片,其 2021 年需求量为 2.25 万吨,占我国碳纤维需求比例的 36.1%,第二、三 应用领域来源于体育休闲(28.1%)和碳/碳复材(11.2%),航空航天领域碳纤维需求(3.2%) 远远低于全球(14.0%),其主要原因是国内碳纤维生产技术有限,无法批量供应 T800 强度 以上的小丝束碳纤维。2016-2021《全球碳纤维复合材料市场报告》(广州赛奥)显示,2016 至 2021 年我国碳纤维需求量占全球比例分别为 26%/28%/33%/36%/46%/53%,而我国碳 纤维市场规模占全球比例分别为 23%/24%/28%/29%/39%/47%,低于碳纤维需求量占比, 表明目前我国碳纤维需求结构偏低端,产品均价较低,随着未来我国碳纤维在航空航天等高 端领域的拓展,碳纤维需求结构将向高端化迈进。

风机大型化趋势推动碳纤维复材渗透率提高

风电行业延续高景气度,中国市场表现亮眼(新增装机量占比约 50%)。全球低碳经济 蓬勃发展,风电行业活跃度极高,2021 年全球风电新增装机总量为 93.6GW,其中陆风和 海风新增装机量分别为 72.5GW 和 21.1GW,海风增速达 208%;较于 2020 年全球 95.3GW 的新增装机总量,同比下降 1.8%,主因是中国陆风抢装结束,装机量高位回落。我国在全 球风电市场表现亮眼,近三年新增装机总量占全球比例 50%上下。我们预测 2025 年全球风 电新增装机量有望达 136GW,陆风和海风分别为 100 和 36GW,其中中国市场将分别占据 57 和 17GW。

风机大型化兼备效率和经济效益,是风电发展主流趋势。风机大型化一方面可以增大扫 风面积,提高发电功率,另一方面,单机容量/功率的增长使得相同风力容量项目所需风机 台数减少,有助于降低均摊建设成本以及后期运维成本。国际风力发电网 2021 年数据显示, 以一个 100MW 中国陆地风场为例,单机功率从 2MW 上升到 4.5MW,静态投资从 6449 元 /kW 下降到 5517 元/kW,项目全投资 IRR 上升 2.4%,LCOE 下降 13.6%。

具备高比强度、比模量的碳纤维复材在风机大型化发展中具有不可替代的优势。在风机 大型化的主流趋势下,利用碳纤维复材替代传统材料的优势在于:1)降低净重(减小单位 功率重量),起到节约零部件采购成本的作用,推动风机降本(风机的主要成本来源于零部 件原材料,原材料的定价方式多数是以重量计价,而叶片原材料又在其中占比最大,达 23.3%);2)提高风电叶片的弯曲刚度、缓解疲劳特性,更耐恶劣气候条件;3)使离心风 机的功率更光滑更平衡,提高风力应用效率;4)利用碳纤维的导电性能防止雷击对风机的 损害等。

 

Vestas 碳纤维主梁可运用于兆瓦级的叶片,不仅扩展了碳纤维的使用范围,并且推动 了碳纤维风电叶片的低成本化。2015 年以前,风电叶片大梁所用碳纤维主要采用预制体/ 环氧树脂灌注成型或预浸料铺贴真空袋压固化成型工艺,部分采用小丝束碳纤维,应用规模 相对较小且平均成本较高,因此碳纤维应用比例偏低。自 2016 年起,Vestas 拉挤梁片工艺 获得突破,其设计理念是把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤 梁片标准件,再把标准件一次组装整体成型。拉挤工艺大大提高了纤维体积含量(可达 69%), 降低了主体承载部分的重量,并且通过标准件的生产方式提高了生产效率,降低生产和运输 成本。Vestas 碳梁专利保护在 2022 年 7 月 19 日到期,这意味着其他风电叶片制造商将可 以不受限制地推出应用碳梁的风电叶片产品,风电用碳纤维(尤其是大丝束)有望开启加速。

在以下假设下:1)CWEC《Global Offshore Wind Report 2021》显示,2020 年陆风/海风单机的平均 功率为 2.5/6.0MW,鉴于风电机组逐渐大型化(即单机平均功率提升),且海风单机的功率、 尺寸通常大于陆风单机,结合《Expert elicitation survey predicts 37% to 49% declines in wind energy costs by 2050》(Ryan Wiser、Joseph Rand、Joachim Seel 等)预测的 2035 年陆风/海风单机的平均功率为 5.5/17.0MW,以 2020-2035 年 15 年陆风/海风单机容量提升 的 CAGR 分别为 5.40%和 7.19%为基准,我们预测 2025 年陆风/海风单机的平均功率分别 为 3.3/8.5MW;

2)据《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》(沈真),当风轮直径大于 80 米(即单机 功率大于 1.8MW)时,使用碳纤维替代玻璃纤维才具有可行性,CWEC《Global Wind Report 2022》显示全球风机平均风轮直径自 2010 年起已达 82 米,且在 2020 年增至 120 米;

3)据 GWEC 数据,2020 和 2021 年全球陆风/海风新增装机量分别为 88.4/6.9 和 72.5/21.1GW,而广州赛奥统计的全球风电用碳纤维需求总量在 2020 和 2021 年分别为 3.06 和 3.30 万吨,计算可得 1GW 陆风/海风装机需要约 343/37 吨碳纤维。中科院宁波材料所钱鑫博士在《风电应用急剧增长致使中国成为碳纤维最大需求方,频频扩产将对日企构成威胁》 一文中估算认为至少需要 1 吨碳纤维才能制造足够的风机叶片来产生 1MW 的功率,则 1GW 风电装机对应 1000 吨碳纤维使用量,这意味着当前碳纤维在全球陆风/海风装机中整体渗透 率仅为 34%和 4%左右。MAKE数据显示 2015年 2.0-2.99MW 风机中碳纤维的渗透率为 16%, 而 4.0-8.0MW 风机中碳纤维渗透率为 0%,同时 MAKE 认为 2021 年 3.0-4.0MW 风机中碳 纤维渗透率可达 39%,8.0-10.0MW 风机中碳纤维渗透率可达 43%,因此我们假设 2020 年 碳纤维在陆风/海风装机中整体渗透率分别为 35%和 5%,且由于海上风机面临的恶劣天气 情况更为显著,而碳纤维具有良好的耐化学腐蚀性,因此碳纤维在海风装机中渗透率的提升 会更快,假设陆风/海风渗透率将逐年分别提升 5/10pcts,并在 2025 年分别达 60%和 55%;

 

4)结合 3)中“至少需要 1 吨碳纤维才能制造足够的风机叶片来产生 1MW 的功率”, 我们预计 2020 年陆风 2.5MW/海风 6.0MW 单台风机的叶片碳纤维使用总量分别为 2.5/6.0 吨,随着风机的大型化,预计单台风机的叶片碳纤维使用总量在 2025 年分别达 3.3/8.5 吨;5)广州赛奥数据显示 2020、2021 年风电领域碳纤维均价分别为 14 和 16.8 美元/kg, 鉴于2022年碳纤维价格走势,我们预计2022年T300级风电用碳纤维均价将下降5%左右, 而碳纤维扩产项目落地投产将带来生产规模化效应,因此我们预计碳纤维单价将从 2023 年 起每年下行 7%,2025 年风电领域碳纤维均价将达 12.8 美元/kg;结合以上假设及陆风/海风新增装机量数据,我们预计 2022-2025 年全球风电领域碳纤 维需求量分别为 4.0/5.0/6.5/8.0 万吨,2022-2025 年需求量 CAGR 为 25.8%;我们预计 2025 年全球风电领域碳纤维市场规模可达 10.2 亿美元,2022-2025 年市场规模 CAGR 为 17.0%。

性能优异的 IV 型储氢瓶带动碳纤维需求

氢燃料电池车的发展将带动高压储氢瓶碳纤维需求的增长。高压气态储氢(采用高压将 氢气压缩到耐高压的容器里)是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术,根据安全制造材 质和工艺,气瓶一般分为四型:I 型是金属气瓶;II 型是金属内胆纤维环向缠绕气瓶;III 型 是金属内胆纤维全缠绕气瓶;IV 型是非金属类的纤维全缠绕气瓶。当前市场氢燃料车的储 氢瓶以 III 型和 IV 型为主,较于 III 型储氢瓶,IV 型储氢瓶具有轻量化、高储氢密度等特点, 且体积容量多 10%,成本却仅为 III 型的 63-67%,因此 IV 型未来有望取代 III 型储氢瓶。而 IV 型储氢瓶的碳纤维应用比例因高压而高于 III 型,IV 型储氢瓶的发展将进一步推升碳纤维 需求,而大丝束碳纤维的缠绕效率是小丝束的 3-4 倍,在大丝束性能有所突破的前提下,其 需求将同步提升,但当前以 T700 级小丝束为主。

 

在以下假设下:1)根据国家发展改革委编制的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,2025 年氢燃料电池车保有量约 5 万辆,基于此我们预测 2022-2025 年我国氢燃料电池车产量为 5000/8000/12000/16000 辆;2)当前氢燃料电池主要应用在商用车领域,2020 年我国商用/乘用车占氢燃料电池车 总量的 100%和 0%,高工氢电网数据显示 2021 年我国商用/乘用车比例分别约为 99%和 1%, 鉴于乘用车氢燃料电车将逐步普及,我们假设乘用车占比以每年 1%的增速增长至 2025 年 的 5%,而商用车将逐年以 1%的减速降至 2025 年 95%的比例;3)广州塞奥数据表明,商用车通常携带 6-8 个储氢瓶,电池中国网数据表明,乘用车 通常携带 2-3 个储氢瓶,我们假设商用/乘用车储氢瓶平均数量分别为 7/2.5 个;4)每辆氢燃料电池汽车至少携带 5-6kg 氢气,中国储能网数据显示,每 70MPa/5.6kg 的 IV 型储氢瓶的碳纤维增强树脂基复材用量为 62-72kg,在碳纤维占复材体积含量 60%(质量含量约为 66.7%)的前提下,单个储氢瓶碳纤维平均用量约为 45kg;

5)氢智会、氢云链、中国汽车工业协会、韩国国土交通部、次时代自动车振兴中心等 数据显示,2019/2020/2021 年全球氢燃料电池车保有量分别为 24132/33398/49562 辆,可 得 2020/2021 年全球氢燃料电池车产量分别为 9266/16164 辆。中国汽车工业协会显示我国 2020/2021 年氢燃料电池车产量分别为 1199/1777 辆,计算可得占全球比例分别为 12.9% 和 11.0%。鉴于我国积极推进氢能及氢燃料电池汽车产业发展并且在世界氢燃料电池车产业 中占据重要地位,我们乐观推测我国燃料电池车占全球比例在 2022-2025 年分别为 19%/23%/27%/30%,2025 年占比仅同比提升 3pcts 是由于 2025 年我国新增氢燃料电池车 产量有所放缓;6)据广州塞奥预测,2022 年储氢瓶占压力容器比例约为 63%,由于呼吸气瓶和 CNG 气瓶增长较为稳定,远低于储氢瓶增速,我们认为储氢瓶占比会逐年提高,假设 2020-2025 年储氢瓶占压力容器比例分别约为 37%/50%/63%/68%/70%/72%;7)广州赛奥数据显示 2020、2021 年压力容器领域碳纤维均价分别为 20、24 美元/kg, 鉴于 2022 年碳纤维价格走势,我们预计 2022 年 T700 级碳纤维均价将下降 1%左右,而碳 纤维扩产项目落地投产将带来生产规模化效应,但 T700 级碳纤维价格降幅会低于 T300 级 碳纤维,因此我们预计碳纤维单价将从 2023 年起每年下行 2%,2025 年压力容器领域碳纤 维均价将达 22.4 美元/kg;结合以上数据及假设对商用/乘用车碳纤维需求进行求和,我们预计 2022-2025 年全球 储氢瓶和压力容器领域碳纤维需求量分别为 0.8/1.1/1.4/1.6 万吨和 1.3/1.6/1.9/2.3 万吨, 2022-2025 年需求量 CAGR 分别为 25.7%和 20.2%;我们预计 2025 年全球储氢瓶和压力 容器领域碳纤维市场规模分别可达 3.6 和 5.1 亿美元,2022-2025 年市场规模 CAGR 分别 为 23.2%和 17.8%。

碳/碳复材作为热场系统的主要耗材受益于光伏产业高景气

碳基复合材料应用领域广阔。先进碳基复材是指以碳纤维为增强体,以碳或碳化硅等为 基体,以化学气相沉积或浸渍等工艺形成的复合材料,主要包括碳/碳复合材料产品和碳/ 陶复合材料产品等。除光伏热场外,碳基复合材料还可应用于半导体热场、刹车制动、密封 耐磨、耐腐蚀等领域应用,但在半导体热场领域,碳基复材占比远低于石墨。

 

光伏行业的快速发展推动碳/碳复材需求快速增长。全球光伏硅片产量持续增长,自 2013 年的 38.4GW 增长至 2021 年的 170GW,八年间 CAGR 为 20.4%。据 CPIA 预测, 2025 年全球光伏新增装机量将在 270-330GW 之间,对应 2021-2025 年 CAGR 在 12.3%-18.0%之间。硅片可由单晶拉制炉、多晶铸锭炉制造,碳/碳复材又是单晶拉制炉、 多晶铸锭炉热场系统的耗材,因此受益于光伏行业,碳/碳复材需求有望保持快速增长。

碳/碳复材在晶硅制造热场系统中渗透率逐步提升,直拉单晶硅工艺目前是市场主流。光伏行业发展早期,即 2005 年之前,晶硅制造热场系统(主要包括单晶拉制炉、多晶铸锭 炉)部件主要是以等静压石墨等特种石墨为主,随着 N 型电池的发展、N 型硅片需求的增 长,碳/碳复材产品因技术、性能、成本、供货周期等优势,在热场系统中的渗透率逐步提 升,成为晶硅制造热场系统的主要耗材。此外,单晶硅在与多晶硅竞争多年后,逐渐淘汰多 晶硅的市场,生产单晶硅的直拉单晶硅工艺已成为主流。

直拉单晶硅工艺对碳/碳复材的需求来自三方面。单晶拉制炉的主要消耗品部件为坩埚、 加热器、导流筒、保温筒等,其需求主要分为新增需求、替换需求和改造需求:1)新增需 求:新增单晶炉装机带来的需求;2)改造需求:通过热场改造以提升原有设备生产效率来 适应硅片发展趋势;3)替换需求:在单晶炉不更换的情况下,消耗件因使用寿命问题需定 期更换。

在以下假设下:1)光伏电站容配比:假设 2020-2025 全球光伏电站容配比为 1.2;2)新增产能中单晶硅片占比:据 CPIA 数。