近年來，“雙碳”戰(zhàn)略目標為我國經(jīng)濟社會發(fā)展帶來了新的機遇。在這一戰(zhàn)略目標的引領(lǐng)下，我國持續(xù)推進新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，節(jié)能環(huán)保、綠色制造也逐漸成為產(chǎn)業(yè)升級的重點方向之一。
作為推動產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵利器，激光技術(shù)近年來也在不斷進行技術(shù)革新。過去幾年，激光技術(shù)的升級方向更聚焦于提高功率以帶來加工效率的提升。隨著“雙碳”戰(zhàn)略目標的確立(2060年實現(xiàn)碳中和)，人們對節(jié)能環(huán)保、能效利用的關(guān)注度也開始提高，一些大型制造企業(yè)選擇激光產(chǎn)品時也開始將更高的電光轉(zhuǎn)換效率納入選擇標準。毫無疑問，更高的電光轉(zhuǎn)換效率能夠減少電力消耗、減少碳足跡、減少煤炭燃燒量以及大氣層中的CO2，可以實現(xiàn)對環(huán)境、激光設(shè)備用戶、激光器制造商的三贏。
多年打磨——電光效率超50％ ，IPG技術(shù)持續(xù)搶位
在雙碳經(jīng)濟成為社會關(guān)注熱點之前，激光器制造商們已將追求更高的電光效率作為體現(xiàn)自身技術(shù)優(yōu)勢的方向。電光轉(zhuǎn)換效率是體現(xiàn)激光器性能的關(guān)鍵指標之一，電光轉(zhuǎn)換效率越高，所需的輸入功率(電功率)就越少，既能降低設(shè)備整體能耗，也能相應減少設(shè)備的發(fā)熱量，延緩設(shè)備老化速度，使設(shè)備的使用壽命更長。
然而，過去幾年中國激光市場正處于快速擴張階段，大家更關(guān)注如何提高功率、提升加工速度，尤其是2020年進入萬瓦激光爆發(fā)期，原本罕有的萬瓦技術(shù)幾乎成為所有企業(yè)公開亮相的標配。對用戶而言，功率更高、速度更快的吸引力遠大于更節(jié)能、更省電。
在國內(nèi)企業(yè)扎堆萬瓦、扎堆沖刺更高功率的時候，光纖激光器企業(yè)IPG早早就意識到節(jié)能環(huán)保的大勢，在保持傳統(tǒng)高功率產(chǎn)品優(yōu)勢的同時，不斷致力于在兼顧加工效率和生產(chǎn)成本的前提下提高能源效率，為客戶提供長期穩(wěn)定的激光產(chǎn)品。早在2015年，IPG便推出了電光轉(zhuǎn)化效率超過40%的激光器產(chǎn)品。2020年，這一數(shù)據(jù)被更新到50%(YLS-ECO系列激光器)！
2022年，IPG將這一高效節(jié)能技術(shù)應用至更高功率的產(chǎn)品，并在中國市場正式發(fā)布YLS-ECO系列高效節(jié)能光纖激光器。該系列激光器電光轉(zhuǎn)化效率超50%，功率覆蓋4000-30000 W。7月15日，IPG召開YLS-ECO激光器新品發(fā)布會，詳細解讀了該款創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)勢與特點。
據(jù)IPG官方披露，能夠?qū)崿F(xiàn)如此高的電光轉(zhuǎn)化效率，來源于其創(chuàng)新技術(shù)——包層側(cè)泵浦技術(shù)和分布式單發(fā)射芯結(jié)二極管泵浦結(jié)構(gòu)。
包層側(cè)泵浦技術(shù)，由多模泵浦光纖和單模摻雜芯光纖組成雙光纖結(jié)構(gòu)，將多模二極管光轉(zhuǎn)換成單模光纖激光器，具有極高的效率和高亮度。相比其他光纖激光器普遍使用端面泵浦而言，具有更高的效率和光束質(zhì)量(因為端面泵通常需要使用反射鏡，并且可能需要在激光器內(nèi)保持正氣壓，以避免灰塵和其他污染物)。
分布式單發(fā)射芯結(jié)二極管泵浦結(jié)構(gòu)是將多個單發(fā)射極半導體二極管形成獨立的發(fā)光元件組件，其中任何單個發(fā)射器泵的故障都不會影響其余泵組件的性能，以此提供高效可靠的電源。同時，IPG單發(fā)射極二極管的耦合效率(90-95%)和能量效率(50-60%)均明顯高于條形堆疊替代方案。
功耗實測——高效率基礎(chǔ)上能耗再降20％，節(jié)能降碳雙管齊下
然而，超過50%的電光轉(zhuǎn)化效率一度引發(fā)業(yè)內(nèi)質(zhì)疑。有人認為，基于光纖激光器的原理和結(jié)構(gòu)，是不可能實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)化效率超過50%的。為驗證這一點，IPG在最新發(fā)布的YLS-ECO系列產(chǎn)品中附帶了實時電能采集工具包——能夠?qū)崟r監(jiān)測激光輸出功率和能耗的功率采集器。
據(jù)悉，該功率采集器能夠?qū)崟r監(jiān)測電壓及電流的等比變化情況，通過功率與時間的積分算法，得出動態(tài)功率下的真實電能消耗數(shù)據(jù)，每個采樣節(jié)點都通過總線形式將信息匯總到中央處理軟件。在軟件中可以按照客戶的實際使用頻次進行參數(shù)的預設(shè)，包括每天加工時長，每年工作天數(shù)以及電費單價，系統(tǒng)將根據(jù)這些信息計算出全年的電能消耗以及電費支出情況。
本次測試的主體是一臺20 kW的IPG YLS-ECO激光器和一臺常規(guī)20 kW 激光器。兩臺激光器在相同環(huán)境下同時滿功率出光，經(jīng)測算發(fā)現(xiàn)，YLS-ECO激光器輸出20 kW功率的激光時消耗的電功率約為39.87kW(電光轉(zhuǎn)換效率50.16%)，常規(guī)版激光器輸出20 kW功率的激光時消耗的電功率約為49.69kW(電光轉(zhuǎn)換效率40.25%)。這一數(shù)據(jù)意味著，IPG的YLS-ECO激光器，比電光轉(zhuǎn)換效率本就處在較高水平的IPG常規(guī)版激光器，能耗還將再降低20%！
如此高的電光轉(zhuǎn)換效率，在實際工業(yè)應用中又將起到什么作用？最直觀的好處是：覆蓋多種功率段的節(jié)能技術(shù)，讓更多的用戶在提升工作效率改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時，通過節(jié)能的途徑降低單個工件的生產(chǎn)成本。而針對中厚板加工量巨大、加工環(huán)境惡劣、能耗高的行業(yè)(如工程機械、礦機、鋼結(jié)構(gòu)等重工領(lǐng)域)，YLS-ECO系列激光器能夠助企業(yè)實現(xiàn)降低能耗及碳排放的目標，實現(xiàn)更高效的綠色制造。
IPG表示，以每天工作16小時，每年工作300天為例，20 kW YLS-ECO激光器每年可省電11.87萬度。按照目前火電的碳排放量計算(每度電約產(chǎn)生0.7-1.0公斤二氧化碳，此處取0.7公斤)，一臺ECO 20kW激光器每年可減少84噸二氧化碳排放，大約相當與178畝森林的碳中和效果(根據(jù)森林蓄積量擴展法估計)。
此外，據(jù)《IPG 2022年可持續(xù)發(fā)展報告》披露，2011-2021年，與傳統(tǒng)激光器相比，使用IPG激光器使二氧化碳排放量減少了3400萬噸，為客戶節(jié)省電力65太瓦時。
超高的功率穩(wěn)定性，預期壽命超過10年以上
要真正發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢，產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。如果空有高電光效率，但時常需要停機維護，甚至一兩年就要大修、更換，其造成的浪費將遠高于節(jié)能的價值。
幸運的是，IPG產(chǎn)品一向以穩(wěn)定著稱，市面上不乏服役十年以上的IPG激光器，它們在鋁罐廠、礦山機械制造、農(nóng)機、汽車零部件制造等工廠晝夜不休，持續(xù)為客戶創(chuàng)造價值。大量用戶反饋說，IPG激光器投產(chǎn)后極少出現(xiàn)故障，功率幾乎沒有衰減，切割速度、亮度和精度一直保持“年輕狀態(tài)”。這種穩(wěn)定性和可靠性，為產(chǎn)量大、交期密集、高負荷生產(chǎn)的客戶提供了有力支持。
更為重要的是，長期穩(wěn)定性更夠更大限度得發(fā)揮高效節(jié)能的特點，確保設(shè)備為用戶源源不斷地創(chuàng)造價值。IPG將用50%的電光轉(zhuǎn)換效率，為最嚴苛的應用提供長期穩(wěn)定激光功率，讓設(shè)備投資為用戶帶來長期而持續(xù)的回報。
我國力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。要實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標，離不開各行各業(yè)的共同努力，離不開綠色制造的推進，離不開對能源的高效利用。激光技術(shù)本身就憑借高效、環(huán)保等優(yōu)勢在產(chǎn)業(yè)升級中發(fā)揮了巨大作用，而更高效的光源將讓這一優(yōu)勢成倍放大，成為我國推進雙碳戰(zhàn)略的關(guān)鍵一環(huán)。
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