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“新基建”给非晶合金材料产业带来新机遇

2020-03-26 08:52:00

  吴晓丹 张华

  随着各行业复工复产的有序展开,经济逐渐恢复,立足于科技端基础设施建设的“新基建”,成为近期关注热点。“新基建”主要涉及5G基站及其应用、光伏电网及特高压、工业互联网、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源车及充电桩、人工智能、云计算大数据中心等7大领域。高科技产业发展的关键在材料。研究“新基建”的专业人士指出,非晶合金在“新基建”领域有可能“上对了轿子嫁对了郎”。
  非晶合金是由超急冷凝固、合金凝固时,原子来不及有序排列形成的结晶,以长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。其具有耐腐蚀、小型化等许多独特的性能,尤其是在软磁性能方面具有独特优势,如具有高饱和磁感应强度(1。54T),磁导率、激磁电流和铁损等性能优于其他软磁材料,可用于制造现代高科技设备或产品中的关键磁组件。
  吹响非晶合金市场“冲锋号”
  据相关统计数据,截至3月1日,全国已有13个省(直辖市、自治区)发布了2020年重点项目投资计划清单,总投资额达到33.83万亿元,随着其他地区相关计划逐渐发布,预计投资额很快会超过50万亿元。从已披露具体投资计划的地区来看,基建投资是各地投资计划中的重要组成部分,部分地区基建计划投资额甚至占到了总投资额的一半以上,“新基建”正包含在其中。
  3月4日,中国信息通信研究院副院长王志勤发文称,截至今年2月初,三大运营商共在全国开通5G基站约15。6万座。她表示,今年是我国5G网络建设的关键期,预计2020年底全国范围内将累计开通5G基站超过55万座,实现地级市室外连续覆盖、县城及乡镇重点覆盖、重点场景室内覆盖。根据相关分析,2022年~2023年,全球新建5G基站的数量将达到约288万座。
  “新基建”政策利好也将加速对充电桩板块的投资,整个充电桩行业将因此受益。2020年1月份,中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布的《2019-2020年度中国充电基础设施发展年报》显示,截至2019年12月底,全国充电基础设施累计数量为121.9万个,其中公共充电桩为51.6万个,私人充电桩为70.3万个;充电场站建设数量达到3.6万座。预计2020年新增公共充电场站1.2万座,公共充电场站保有量达到4.8万座。如果按照一辆新能源汽车对应一个充电桩的匹配要求,2020年要达到500万辆的保有量目标,就需要500万个充电桩。此外,以目前国网充电桩设备的中标价格估算(直流充电桩8万元/套,交流充电桩约为0.8万元/套),2020年我国充电桩设备市场空间大约为1120亿元,市场增长空间依然很大。
  大数据中心作为“新基建”七大领域之一,为经济高质量发展提供坚实的“数字底座”。随着5G商用加快,工业互联网、产业互联网海量数据将被挖掘,数据资源云化推动IDC(互联网数据中心)产业升级。2020年,IDC市场规模有望突破2000亿元。
  特高压作为“新基建”七大领域之一,指明了经济社会发展和产业提质振兴的主攻方向,具有产业链长、带动力强、经济社会效益显著等优势。目前,国网公司已明确2020年特高压建设项目投资规模为1128亿元,可带动社会投资2235亿元,整体规模近5000亿元。
  在以上“新基建”领域中,非晶合金材料的应用前景均非常广阔。
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  在“新基建”建设中,5G基站、光伏逆变器、轨道交通变压器、新能源汽车及充电桩、大数据中心变电站,以及特高压控制柜等关键配套设备或元器件对相关制造材料要求很高。基于技术的考量,结合相关技术人员设计的需要,非晶合金在很多关键配套设备上都大有可为。
  首先,非晶磁粉材料在5G基站建设中应用前景非常广阔。5G的高传输速度和广覆盖特性要求5G关键电感器具备容量范围大、体积超小、额定电压高、高频特性好等特性;5G基站功率放大器需要实现更大的输出功率和更高的工作频率;在介质滤波器和表面声波滤波器方面,随着频率的提升和精度要求的提高,相关配套5G基站的器件设计将转向新型器件。此外,5G基站建设还增加了被动元件的需求,而由非晶材料制作的这些电感器、功率放大器、介质滤波器等可以很好地满足5G基站建设要求。
  二是光伏行业快速发展需要使用非晶材料制造的器件。现阶段,光伏逆变器的转换效率最高达到97%~99%;MPPT控制器(最大功率点跟踪太阳能控制器)效率最高达到98%~99.9%;单机最大功率大概为2.5兆瓦;电路拓扑结构目前主要是以2电平为主,少量为3电平;冷却方式以风冷为主,少量为自冷、液冷;功率器件以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为主,MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)为辅;目前电压等级在1000伏以内。
  但随着电力电子技术的发展,开关频率会逐步提高,3电平会将会替代传统的2电平,而这需要使用非晶磁芯来实现。由此可见,非晶磁芯应用在大功率光伏逆变器的优越性将能得到充分体现。
  三是非晶干式变压器在城际轨道交通领域有应用市场。非晶变压器通过挂网实测,能大大降低供电系统的自损耗,同时有着明显的节能优势,噪声满足规范要求,不影响推广应用,尺寸和重量不影响建筑规模及安装,寿命比硅钢变压器更长,综合经济效益非常可观。
  这里借鉴城市轨道交通的应用。根据城市轨道交通牵引负荷的特点,非晶变压器作为整流变压器应用于城市轨道交通,节能前景较为广阔,且有城市已经率先应用。比如,2019年上海地铁1号线~17号线设计使用了“35KV干式非晶合金牵引整流变压器”,该变压器可持续使用30年~40年,且比原变压器节能70%。非晶干式变压器在北京地铁8号线、燕房线实际工程中也完成了示范应用。此外,广州、南京、成都等城市的轨道交通建设也把非晶变压器作为首选。
  四是新能源汽车和充电桩将依赖非晶合金材料制造的器件。目前,新能源汽车单车粉芯模压电感器用量平均已经超过1000只,高端汽车的用量则达到10000只/辆,且仍在继续增长。
  非晶和纳米晶材料由于其特殊的结构和优异的综合软磁性能,特别适用于制造各类中高频变压器、高性能电感器和滤波器、高精度电磁测量和传感器、高性能电磁屏蔽和吸波材料等。电动汽车的电驱动系统、电控系统、充电系统,以及充电桩需要使用到磁性器件,目前来看,非晶和纳米晶合金是最为理想的软磁材料。特斯拉Modle 3单车对非晶等模压电感器用量约为9200只,Modle S和Modle X车型单车所用非晶等模压电感器均在10000只以上。
  同时,充电站建设也需要使用非晶合金材料。充电站位于商业中心、行政中心、居民中心等人员密集地方,这就对所用变压器提出了新的要求,即要求所用非晶干式变压器更环保、更安全、更可靠和体积紧凑。非晶立体卷铁心敞开式干式变压器具有低损耗、低噪声、防火防爆、过负荷能力强、体积小、谐波滤除效果好等特点,相比传统干式变压器更适合新能源汽车充电站的使用要求,具有广阔的发展前景。
  最后,非晶合金变压器在大数据中心的建设中也有应用。大数据中心能够为经济高质量发展提供坚实的“数字底座”,高等级绿色、节能环保的新一代数据中心是这个时代的呼唤。数据显示,机房电费占IDC总成本的一半。非晶合金变压器相较普通干式变压器的相关技术参数,空载损耗可下降65%~70%。目前,多家企业已经开始使用非晶合金变压器来替代原干式变压器,如百度在山西阳泉建立的数据中心、京东的第一个自建数据中心均采用了非晶合金变压器。
  为非晶合金产业接上“助推器”
  我国非晶合金产业起步晚,但发展迅速,现已成为全球最大的产业基地。据中国电器工业协会非晶合金材料应用分会大数据中心统计,截至2019年底,我国配电用宽带企业有11家,设计产能为35万吨;纳米晶企业有240家,设计产能为4.6万吨;非晶粉末企业有6家;块体非晶企业有11家;其他母合金等配套企业有23家,基本上实现了非晶合金产业的全覆盖。
  这些企业的发展水平不仅在国内得到肯定,如特变电工、置信电气、海鸿电气、中天伯乐达等非晶变压器质量得到国网肯定,而且有多家企业的产品已处于国际领先水平,如青岛云路的非晶宽带、非晶粉末产量全球领先,非晶宽带M带材、纳米晶超薄带关键技术和指标达到发达国家技术水平;宁波毕普拉斯纳米晶作为无线充电关键材料,为全球多家知名企业供货等。此外,华为、麦捷科技、顺络电子、青岛云路、金川电子等非晶粉芯器件已经开始供应到5G基站等“新基建”项目建设中。块体非晶、非晶涂层、非晶粉末3D打印等也在不断发展。
  此外,我国支撑非晶合金产业发展的科研实力不容小觑。在北京、广东、江苏、上海、浙江、山东、河南等地,均设有国家或者省市级别的非晶产业研究院或孵化基地。近年来,国际顶尖期刊不断发表我国非晶合金科技成果,也显示出我国在非晶材料领域的话语权。
  “新基建”的建设为非晶材料的应用开启了一个广阔的空间。要想在“新基建”领域大展宏图,非晶合金相关制造企业、科研单位既要有敏锐的市场嗅觉,也要有创新乏力的警觉,更需要联合培育壮大市场的自觉,共同推动非晶合金产业快速发展。
  《中国冶金报》(2020年03月26日 03版三版)

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:宋玉铮

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