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1、光伏發(fā)電技術(shù) 401 引言能源是現(xiàn)代社會(huì)存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,能源消費(fèi)也相應(yīng)的持續(xù)增長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移,化石能源的稀缺性越來(lái)越突顯,且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價(jià)格上反應(yīng)出來(lái)。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下,大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用可再生能源已成為未來(lái)各國(guó)能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。 太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源,具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn),在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。 1 光伏技術(shù)以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源,具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)

2、的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn),在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。進(jìn)入90年代以來(lái),日益惡化的生態(tài)環(huán)境使得人們逐步認(rèn)識(shí)到,人類(lèi)必須共同采取行動(dòng)走可持續(xù)發(fā)展的道路。各國(guó)紛紛開(kāi)始根據(jù)國(guó)情治理和緩解已經(jīng)惡化的環(huán)境,并把大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。太陽(yáng)能光伏技術(shù)在這種形勢(shì)下進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。自70年代開(kāi)始采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)以來(lái),全世界已經(jīng)安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)超過(guò)了2000MW。這些光伏發(fā)電系統(tǒng)主要集中在通訊、管網(wǎng)保護(hù)、交通信號(hào)和邊遠(yuǎn)地區(qū)居民供電等。近幾年來(lái),隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)價(jià)格降低和性能提高,其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。不少發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始實(shí)施太陽(yáng)能光伏

3、發(fā)電系統(tǒng)的屋頂計(jì)劃,系統(tǒng)總裝機(jī)容量超過(guò)了200MW。其中德國(guó)西門(mén)子太陽(yáng)能公司在慕尼黑建成了1MW的世界上最大的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。與此同時(shí),一些發(fā)展中國(guó)家在世界銀行和其它一些國(guó)際機(jī)構(gòu)的扶持下也開(kāi)始發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。自1992年以來(lái),世界銀行提供了上億美元的貸款和上億美元的全球環(huán)境基金贈(zèng)款,先后支持了印度、斯里蘭卡、肯尼亞、印度尼西亞等國(guó)家的太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目。1994年開(kāi)始,我國(guó)利用全球環(huán)境基金贈(zèng)款實(shí)施了10MW太陽(yáng)能戶(hù)用光伏電源系統(tǒng)??梢哉f(shuō),進(jìn)入90年代后,太陽(yáng)能光伏發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。1.1 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是20世紀(jì)80年代以來(lái)世界上增

4、長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年。世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到964.9MW。2006年底達(dá)到4961.69Mw。已經(jīng)商品化、實(shí)用化的太陽(yáng)能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類(lèi)。在國(guó)際市場(chǎng)上,太陽(yáng)能光伏電池的價(jià)格大約為3.15美元。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率也不斷提高,目前,光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國(guó),其光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80。今后光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長(zhǎng)壽命、美觀(guān)實(shí)用等方向發(fā)展。專(zhuān)家們預(yù)測(cè)到2050年,太陽(yáng)能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占1315。我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)幾乎與世界發(fā)展同步,也是在70年代開(kāi)始將

5、太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域。到1999年底,我國(guó)已經(jīng)完成的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量在15MW左右,其中正常使用的系統(tǒng)容量在10MW左右。90年代以前,我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)資金主要是由國(guó)家扶貧項(xiàng)目和其它援助項(xiàng)目支撐。90年代以后,隨著邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)牧民收入水平的提高,邊遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)開(kāi)始向商業(yè)化發(fā)展。根據(jù)世界銀行的資料顯示,我國(guó)西部地區(qū)經(jīng)營(yíng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的公司發(fā)展到了60多家。這可以從一個(gè)側(cè)面表明,我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)具有了一定的市場(chǎng)潛力和市場(chǎng)吸引力。此外,我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)的發(fā)展也已經(jīng)起步?!熬盼濉逼陂g,國(guó)家科委將太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)列為

6、國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。目前,估計(jì)我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)年銷(xiāo)售量為200MW,并且以年20%的速度發(fā)展,預(yù)計(jì)到2015年有可能超過(guò)2000 MW。1.2 新型電力電子器件1.21新型電力電子器件的發(fā)展1958年世界上第一個(gè)晶閘管(SCR)的研制成功宣告了電力電子技術(shù)的誕生,在電源變換等領(lǐng)域很快就獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用方面的需要,人們又在一般晶閘管的基礎(chǔ)上研制出了一系列特殊晶閘管,如快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管等,這些器件性能參數(shù)的不斷提高,電源變換技術(shù)的進(jìn)步創(chuàng)造了先決條件。隨后電力電子器件又向高頻化、可自關(guān)斷、場(chǎng)控發(fā)展,出現(xiàn)了功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管等器件。功率場(chǎng)效應(yīng)

7、管(Power MOSFET)它是單極性的電壓控制器件,具有輸入阻抗高、控制方便、熱穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)。絕緣柵極晶體管(IGBT)它集MOSFET電壓激勵(lì)和達(dá)林頓功率管大電流、正向飽和壓降低的特性于一體,具有工作頻率高、可靠性高、開(kāi)關(guān)損耗低、脈沖拖尾電流低、工作安全區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。1.22 新型電感器件的發(fā)展變壓器、電抗器等大體積元件使電子設(shè)備體積、重量的進(jìn)一步減小以及性能的進(jìn)一步提高受到了限制。為此國(guó)內(nèi)外加緊了這方面的研究,并取得了豐碩的成果。例如:片狀電感器與傳統(tǒng)電感器相比,體積縮小到了后者的幾分之一至幾十分之一。很適合高密度安裝,且可靠性高、高頻特性均優(yōu)于傳

8、統(tǒng)電感器。在鐵芯變壓器方面,日本借助現(xiàn)代生產(chǎn)控制設(shè)備,對(duì)百余年來(lái)傳統(tǒng)鐵芯變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一次重大改革,將鐵芯由傳統(tǒng)的矩形截面結(jié)構(gòu)改為圓形截面結(jié)構(gòu)。這種變壓器被命名為R型變壓器,是現(xiàn)今鐵芯變壓器中最理想的形與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變壓器相比,其漏磁減小到0.1至0.2,損耗、重量、體積等也大為減小。1.23 新電源變換技術(shù) 隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn),與之相適應(yīng)的控制電路也不斷產(chǎn)生,一些有利于提高電源變換系統(tǒng)性能的新技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。這些新型控制電路與新技術(shù)促進(jìn)了電源變換技術(shù)的發(fā)展。脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在DC-DC與DC-AC變換電路中獲得了廣泛應(yīng)用。在PWM技術(shù)中有直流PWM和正弦PWM

9、控制之分。利用SPWM技術(shù)可將直流電壓變換成正弦波電壓。功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)源于國(guó)際電工委員會(huì)IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接入電網(wǎng)中的設(shè)備的干擾的嚴(yán)格要求和強(qiáng)制性執(zhí)行。該技術(shù)是使輸入電流正弦化,并與輸入電壓同相位。高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)為了使開(kāi)關(guān)電源能在高頻下高效率地運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界自20世紀(jì)70年代以來(lái),不斷研究開(kāi)發(fā)高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù),所謂“軟開(kāi)關(guān)”指的是零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)。它是應(yīng)用諧振原理,使開(kāi)關(guān)器件中的電流(或電流)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化,當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí),使器件關(guān)斷;或電壓過(guò)零時(shí),使器件開(kāi)通,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零。2 光伏發(fā)電的原理和組成2.1 光伏發(fā)電的原理光伏

10、發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制,因?yàn)殛?yáng)光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無(wú)噪聲、低污染、無(wú)需消耗燃料和架設(shè)輸電線(xiàn)路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。其基本原理如圖3-1所示。圖3-1 光伏發(fā)電基本原理不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng) 發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成,它們主要由電子元器件

11、構(gòu)成,不涉及機(jī)械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級(jí)電站,小到玩具,光伏電源 無(wú)處不在。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽(yáng)能電池(片),有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前,單晶和多晶電池用量最大,非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。2.2 光伏發(fā)電的組成太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用為:太陽(yáng)能電池板:太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分,也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其

12、作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能,或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái),或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽(yáng)能控制器:太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。蓄電池:一般為鉛酸電池,小微型系統(tǒng)中,也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái),到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。逆變器:在很多場(chǎng)合,都需要提供220V AC、110V AC的交流電源。由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12V

13、DC、24V DC、48V DC。為能向220V AC的電器提供電能,需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能,因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合,需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí),也要用到DC-DC逆變器,如將24V DC的電能轉(zhuǎn)換成5V DC的電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)組成如下圖:3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式和應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電方式太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式,一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 3.1 光熱電轉(zhuǎn)換方式光熱電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電,一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣,再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過(guò)程是光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程;后一個(gè)過(guò)程是熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程,與普通

14、的火力發(fā)電一樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高,估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴510倍.一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資2025億美元,平均1kW的投資為20002500美元。因此,目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合,而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。 3.2光電直接轉(zhuǎn)換方式光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng),將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能,光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件,是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能,產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串

15、聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源,具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng),只要太陽(yáng)存在,太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用;與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比,太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染;太陽(yáng)能電池可以大中小并舉,大到百萬(wàn)千瓦的中型電站小到只供一戶(hù)用的太陽(yáng)能電池組,這是其它電源無(wú)法比擬的太陽(yáng)能光伏發(fā)電方式有兩種方式,一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 3.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用上世紀(jì)60年代,科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)通信衛(wèi)星供電,上世紀(jì)末,在人類(lèi)不斷自我反省的過(guò)程中,對(duì)于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源

16、形式已愈加親切,不僅在空間應(yīng)用,在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如:一、用戶(hù)太陽(yáng)能電源:(1)小型電源10-100W不等,用于邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電,如照明、電視、收錄機(jī)等;(2)3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);(3)光伏水泵:解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。二、交通領(lǐng)域如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線(xiàn)電話(huà)亭、無(wú)人值守道班供電等。三、通訊/通信領(lǐng)域:太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng);農(nóng)村載波電話(huà)光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。 四、石油、海洋、氣象領(lǐng)域:石油管道和水庫(kù)閘門(mén)陰極保護(hù)

17、太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀(guān)測(cè)設(shè)備等。 五、家庭燈具電源:如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。 六、光伏電站:10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光(柴)互補(bǔ)電站、各種大型停車(chē)廠(chǎng)充電站等。 七、太陽(yáng)能建筑將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合,使得未來(lái)的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給,是未來(lái)一大發(fā)展方向。 八、其他領(lǐng)域包括:(1)與汽車(chē)配套:太陽(yáng)能汽車(chē)/電動(dòng)車(chē)、電池充電設(shè)備、汽車(chē)空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等;(2)太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng);(3)海水淡化設(shè)備供電;(4)衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。我國(guó)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用現(xiàn)狀:2007

18、年,中國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到1000 MW,成為僅次于日本的全球第二大光伏制造基地,但國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)安裝量?jī)H約20 MW,光伏系統(tǒng)的累積裝機(jī)容量達(dá)100 MW,相當(dāng)于世界當(dāng)年安裝量的0.5%和世界累計(jì)安裝量的0.8%。其中:農(nóng)村電氣化(包括道路照明)累計(jì)裝機(jī)容量41MW,通訊和工業(yè)應(yīng)用30MW,光伏產(chǎn)品(路燈、草坪燈、城市景觀(guān)、LED照明、交通信號(hào)等)22.7MW,并網(wǎng)光伏發(fā)電6.3MW4 光伏發(fā)電的展望及趨勢(shì)隨著煤炭,燃油的資源逐步減少,可再生能源將成為未來(lái)發(fā)展的主流,同時(shí),傳統(tǒng)的燃料能源在燃燒過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體,這些溫室氣體將會(huì)導(dǎo)致氣候變暖,海平面上升,以及一些不可預(yù)料的氣象災(zāi)害。使用太陽(yáng)能作為取之不盡的清潔能源,是未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì),在國(guó)家財(cái)政的扶植下,未來(lái)將會(huì)建立大量的太陽(yáng)能光伏電站,總裝機(jī)容量將會(huì)超過(guò)10GW,相當(dāng)于10座百萬(wàn)千瓦級(jí)的大型火電機(jī)組。市場(chǎng)前景將會(huì)非常巨大,能否在未來(lái)的市場(chǎng)中占有一席之地,將決定公司的未來(lái)發(fā)展遠(yuǎn)景。 能源是現(xiàn)代社會(huì)存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,能源消費(fèi)也相應(yīng)的持續(xù)增長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移,化石能源的稀缺性越來(lái)越突顯,且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價(jià)格上反應(yīng)出來(lái)。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下,大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用可再生能源已成為未來(lái)各國(guó)能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。在各國(guó)政府的扶持下,世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng),1995-2005年

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