液冷連接器對于整個冷卻系統(tǒng)的性能、可靠性和穩(wěn)定性至關重要。液冷方案在保證儲能系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心安全、降低能耗、提高散熱效率等方面綜合優(yōu)勢顯著,逐漸發(fā)展成為增量儲能、數(shù)據(jù)中心場景下的主流溫控技術,液冷連接器作為液冷系統(tǒng)關鍵點,對液冷系統(tǒng)性能至關重要。
對于大型儲能項目及需要極高耗能的IDC行業(yè),液冷技術憑借散熱效率高、能耗小等巨大優(yōu)勢逐漸蠶食風冷市場。
液冷溫控技術能夠完美順應儲能行業(yè)高安全性和低成本趨勢,其滲透率有望快速提升,同時也為液冷連接器帶來重大市場機遇。
冷板式液冷系統(tǒng)能夠降低IDC行業(yè)能耗,與之相配的連接器壁壘高筑、供不應求,未來具備高研發(fā)力的企業(yè)有望搶占市場先機。
1、液冷溫控技術順應低碳數(shù)字時代需求
1)溫控技術多樣,液冷具有更高成長性
我國目前溫控管理技術形式多樣,包括風冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻四種,其中,熱管冷卻及相變材料技術目前仍處于實驗室試驗階段,當前溫控形式以風冷和液冷技術為主。
相比于風冷技術,液冷具有更高的冷卻效率和成長性。根據(jù)中國證券報研究,產品零部件提供商、液冷服務器提供商及算力使用者貫穿整個液冷產業(yè)生態(tài)的上、中、下游。我國液冷技術起步稍晚于國外,但起步后發(fā)展迅速,后期與國外發(fā)展進程基本同步,并且在液冷規(guī)模試點應用方面積累了豐富經驗。
2)儲能+IDC雙輪溫控驅動液冷發(fā)展
液冷技術最廣泛的應用場景是儲能和數(shù)據(jù)中心。相比于風冷,液冷技術有更高的散熱效率,能夠實現(xiàn)在多粉塵等惡劣場景的應用,且液冷散熱技術沒有風扇,噪音更低,可以適應儲能集裝箱、數(shù)據(jù)中心的整體功率密度的提升,因此液冷技術滲透率處于快速提升階段。
我國液冷服務器一般采用三種方案,間接接觸型(冷板式液冷)和直接接觸型液冷(浸沒式液冷和噴淋式液冷)。冷板式方案成熟度較高,商用基礎較好,浸沒式制冷效率更高,未來前景良好。
3)連接器對液冷系統(tǒng)的性能至關重要
當前,液冷技術作為數(shù)據(jù)中心的黑科技,通過將液體循環(huán)運輸?shù)椒掌鞯臒狳c部件上,可以有效地降低服務器的溫度,有助于減少機器故障和降低能源成本。在此背景下,液冷連接器作為冷卻液與電子元件連接的紐帶,對于整個冷卻系統(tǒng)的性能、可靠性和穩(wěn)定性至關重要。
液冷連接器是專門設計來滿足液冷系統(tǒng)的苛刻要求,一般具有獨特的耦合設計,確??焖?、安全、可靠的水路連接和斷開,消除任何空氣或污染物進入水路連接或斷開的風險,達到密封性能好、耐高溫、耐腐蝕、能夠快速連接的優(yōu)勢。
此外,通過盲連接設計,液冷連接器還可以補償很大程度的不對齊,確保連接到液冷電路不會損害電連接器的完整性,移除和更換液冷外殼可以像傳統(tǒng)的風冷系統(tǒng)一樣容易。
2、儲能系統(tǒng)帶動液冷溫控部件發(fā)展
1)順應儲能系統(tǒng)安全需求及降本趨勢,液冷滲透率有望快速提升
新型儲能中,電化學儲能更加適合大規(guī)模應用于各類儲能場景,成為目前應用范圍最為主要的新型儲能方式,且在目前主流的電池種類中,鋰離子電池憑借其成本優(yōu)勢,是目前最主要的電化學儲能方式。
鋰電池對運行溫度要求嚴苛,最佳工作溫度助于鋰電池提效增壽。液冷方式可實現(xiàn)精準控溫,實現(xiàn)全生命周期成本下降。相比于目前應用最為廣泛的風冷系統(tǒng),液冷系統(tǒng)在電芯壽命、運行能耗以及固定開支端具備顯著優(yōu)勢,可以有效降低儲能系統(tǒng)的全生命周期成本。
電芯壽命:傳統(tǒng)風冷在面對產熱量高的電池組時會出現(xiàn)散熱不均的現(xiàn)象,從而導致電池間容量衰減率不同,影響電池壽命。液冷散熱通過冷卻液對流換熱,降低電池溫度,其導熱率高,散熱更為均勻,適用于儲能系統(tǒng)長時工作。
運行能耗:風冷系統(tǒng)通過冷卻空氣間接冷卻電芯,當進口溫度較高時,風冷系統(tǒng)的風機耗能急劇增大,總能耗較高;而液冷方案只需較低的流量便可滿足控溫要求。冷卻工質進口溫度同為295K時,風冷系統(tǒng)最低能耗為水冷的6.66倍。
固定開支:液冷不需要預留散熱通道,將大幅節(jié)約大型儲能項目的占地面積。
2)儲能液冷連接器作為儲能液冷系統(tǒng)的紐帶,具備較高技術設計壁壘
儲能液冷系統(tǒng)基本組成包括:流體連接器、液冷板、液冷機組(加熱器選配)、液冷管路(包括溫度傳感器、閥門)、高低壓線束、冷卻液等。
液冷管路主要用于連接液冷源與設備之間、設備與設備之間、設備與其他管理之間的過渡軟/硬管連接。與傳統(tǒng)連接器相比,液冷連接器需要融合結構、流體動力學、材料化學、閥門四個技術學科,在液體冷卻應用中至關重要。
儲能液冷連接器的技術壁壘:
流道設計能力:在流道設計中,流阻越大、散熱效果更好,故流道設計和建模分析的能力需求強。
材料研發(fā)能力:需要通過材料的選擇和研發(fā)來實現(xiàn)產品各項核心指標的要求,如密封性、對于液體的耐受力、對于不同溫度下的尺寸穩(wěn)定性等。
結構優(yōu)化能力:結構設計中主要涉及鎖緊機構和密封圈的設計,鎖緊方式能不能選擇最優(yōu),保證整個零部件的生命周期時長而不輕易失效;其次在注塑時,保障達到所需的精度要求、圓度要求,也有較高難度。
目前液冷電接頭領域,國內只有兩家企業(yè)有大批量量產經驗,分別為正北連接和中航光電,中航光電主要給軍工供貨,剩余的為第二梯隊和第三梯隊。
3)儲能液冷連接器產業(yè)迎來發(fā)展機遇,市場空間巨大
儲能發(fā)展至今已有十余年,雖然已不屬于新興技術,但是儲能產業(yè)仍處于起步階段。早期儲能產業(yè)受制于市場,發(fā)展速度較慢,因此對于液冷溫控連接器需求量較少,商業(yè)模式具有不確定性
但隨著新的儲能應用場景不斷出現(xiàn),新型儲能產業(yè)呈現(xiàn)出勢不可擋的趨勢。作為儲能系統(tǒng)里面的關鍵零部件,儲能連接器的市場容量出現(xiàn)大幅提升,涉足儲能領域的國內連接器企業(yè)如雨后春筍般迅速增長,連接器行業(yè)降本增效效果顯著,對于國內儲能連接器企業(yè)而言,是一個重大的發(fā)展機遇。
儲能領域連接器產品市場空間測算:
核心假設:
理想場景下,2023年—2025年電化學儲能裝機量為32.7GWh,58.86GWh,94.18GWh;
目前電化學儲能電站使用磷酸鐵鋰電池,電芯容量為280Ah,額定電壓3.2V;電池PACK均按串聯(lián)設計,不考慮PACK內部并聯(lián),按照1P14S的串聯(lián)方式,單個PACK的規(guī)格為13.44KWh,44.8V;
大型儲能電站的單個電池模組使用3套電連接器(包括高壓連接器與信號連接器),2套液冷連接器,其中電連接器均價50元/套,液冷連接器80元/套(參考正北連接產品定價)。
中國目前已經成為全球第一大連接器市場。2021年全球連接器市場規(guī)模為780億美元,中國市場占比達32%,市場規(guī)模約250億美元。
近年來,中國連接器行業(yè)在下游各領域快速發(fā)展的推動之下,國內公司在個別細分領域憑借高性價比的優(yōu)勢,抓住了市場高速發(fā)展的良機,市場份額不斷提升。立訊精密、中航光電、正北鏈接分別在消費電子、航空航天、儲能領域均體現(xiàn)了較強的競爭力。
3、能耗優(yōu)化,IDC液冷連接器箭在弦上
1)液冷是高密度IDC能耗優(yōu)化的重要技術
對儲能行業(yè)來說,液冷技術為其安全性能的提升提供了極大的支持,對IDC行業(yè)來說,液冷系統(tǒng)比風冷系統(tǒng)節(jié)省約30%~50%能耗需求。
據(jù)通信院公布,我國IDC能耗支出占TCO(整體運營支出)的60%—70%,到2025年全球數(shù)據(jù)中心單機柜平均功率將達到25KW,這對目前傳統(tǒng)風冷技術均是十分嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著功耗密度的提升,系統(tǒng)溫度將加速升高,因此提高散熱效率成為必需,在此背景下,液冷溫控成為高密度 IDC 能耗優(yōu)化的重要技術。
根據(jù)冷卻液和服務器接觸換熱方式的不同,分為直接液冷和間接液冷,其中間接液冷以冷板式液冷技術為主,直接液冷以浸沒式液冷技術為主。
冷板式液冷屬于間接式液冷,即發(fā)熱元件和冷卻介質不直接接觸。冷板式液冷通過與裝有液體的冷板直接接觸來散熱,或者由導熱部件將熱量傳導到冷板上,然后通過冷板內部液體循環(huán)帶走熱量。由于服務器芯片等發(fā)熱器件不直接觸液體,因此該方式對現(xiàn)有服務器芯片組件及附屬部件改動量較小,可操作性更強。
浸沒式液冷是指將發(fā)熱電子元器件如 CPU、主板、內存條、硬盤等直接浸泡在絕緣、化學惰性的冷卻液(電子氟化液)中,通過循環(huán)的冷卻液將電子元器件產生的熱量帶走。根據(jù)冷卻液在循環(huán)散熱過程中是否發(fā)生相變,分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。
2)冷板式液冷對液冷快接頭提出新的要求
當前IDC行業(yè)液冷技術路線中,冷板式液冷較為成熟。由于服務器芯片等發(fā)熱器件不直接接觸液體,因此該方式對現(xiàn)有服務器芯片組件及附屬部件改動量較小,可操作性更強。
冷板式液冷系統(tǒng)包括了水冷板、管道、快插接頭、分液器、冷卻液分配單元(CDU)與室外冷卻設備等組件。 與儲能液冷連接器在設計與研發(fā)方面的壁壘不同,IDC液冷連接器技術門檻的核心挑戰(zhàn)是高精密性、防漏、自主可控。
IDC液冷連接器的技術壁壘:
IDC液冷服務器快接頭屬于高精密的快接插頭部件,具備較高技術壁壘,以往多用于航天、高鐵等精密領域。其壁壘主要包括結構、流體動力學、材料化學三大學科,并且除了連接器以外,液冷產品中還包括閥門的技術,相當于是四個技術學科的融合,目前市場上能同時具備這四塊技術能力的企業(yè)很少。整體產品相對于傳統(tǒng)連接器來講對于精密度的要求是極高的。
結構防漏:液冷板微通道齒間距是0.1mm量級(風冷是毫米級別),設計、加工需要考慮流道和流阻更精準;水冷板和固定板形成一體化,需要保證不漏液。
流體動力學:液冷快接頭產品要匹配結構、閥門的相應技術,通過設計一個合理的流道去達到散熱的要求,根據(jù)發(fā)熱的功率需要有動態(tài)的流量等去匹配,不同客戶的使用場景的,對于仿真、驗證工作的要求比較高。
材料化學:冷卻液包括丙二醇、乙二醇、去離子水等,因不同的化學成分,材料、表面處理的選擇就很關鍵,都是需要定制化進行配方開發(fā)的。比如密封圈的橡膠材料,需要考慮不同的元素配比,以及對于材料兼容性的要求,這些都是需要大量實驗的經驗積累。
3)IDC液冷連接器市場供不應求
AI等新的應用場景出現(xiàn),對算力設備和承載算力的數(shù)據(jù)中心均提出更高的要求。在拉動數(shù)據(jù)中心的需求的同時,伴隨著算力密度的提高,算力設備、數(shù)據(jù)中心機柜的熱密度都將顯著提高,液冷技術在數(shù)據(jù)中心散熱和算力設備散熱的全鏈條導入將加快。
IDC液冷領域連接器產品市場空間測算:
核心假設:
假設2023年—2025年數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量增速超20%,對應服務器數(shù)量為:2472萬臺、2967萬臺、3560萬臺;
每臺服務器需要使用2對液冷快接頭,2023年—2025年液冷快接頭單價分別為480元/對、450元/對、400元/對(參考正北連接產品定價)。
液冷溫控龍頭企業(yè)英維克在2022年年報中指出,主流的服務器制造商在2022年陸續(xù)開始建設標準化規(guī)模生產冷板液冷服務器的產線,幾乎所有的頭部互聯(lián)網公司都在密切跟蹤液冷技術,冷板式液冷數(shù)據(jù)中心于2022年開始出現(xiàn)規(guī)模部署。
在IDC液冷行業(yè)的帶動下,液冷連接器產業(yè)也將快速發(fā)展。目前,全球能夠批量生產高質量液冷連接器產品的企業(yè)僅有三家,史陶比爾(瑞士),中航光電和正北連接,其中正北連接液冷連接器市場占有率達80%以上。
4、結語
以鋰離子電池為主的電化學儲能在我國已得到了廣泛應用,但由于儲能電池對散熱要求較高,為順應儲能系統(tǒng)安全需求及降本趨勢,液冷系統(tǒng)滲透率快速提升。同時伴隨著AI算力等大功率應用場景落地,高密度數(shù)據(jù)中心對制冷設備和技術提出了更高要求,傳統(tǒng)風冷技術面對高熱密度場景呈現(xiàn)瓶頸,液冷技術將以超高能效、超高熱密度等特點成為行業(yè)發(fā)展新風口,與之必不可分的液冷連接器領域將迎來高速增長階段。
但因液冷連接器存在著技術設計壁壘,目前國內僅有極少數(shù)企業(yè)可以大規(guī)模量產,行業(yè)呈現(xiàn)供不應求的局面,未來,能夠快速了解市場、響應客戶需求并兼具較強的研發(fā)實力的企業(yè)將迅速打開液冷快接頭市場,持續(xù)搶占市場份額。
本文來自微信公眾號“萬創(chuàng)投行”(ID:wanchuangtouhang),作者:萬創(chuàng)研究院
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