太阳能光伏技术6
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太阳能光伏技术6 16．光伏发电系统中逆变电源的原理与实现
目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统（如图１所示）均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很维实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力 ，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。
二、光伏发电系统对逆变电源的要求
采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高：
（１）要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。
（２）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。
（３）要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大， 如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在１０Ｖ～１６Ｖ之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。
（４）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。
三、逆变电源的原理与电路结构
逆变电源将直流电转化为交流，其电路原理如图３所示、功率晶体管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替开通得到交流电力，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变电源，由人直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０Ｖ，在中、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。
中、小容量逆变电源一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种其主电路分别如图3、图４和 图５所示，图４所示的推挽电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。
图３所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。调节T1和T2的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。四只功率晶体管的控制信号和输出波形如图６所示，由于该电路具有能使T2和T4共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，在T1、T4及T2、T3之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。　
推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在２０ＫＨＺ以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小／重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在３００Ｖ以上）再通过工频逆变电路实现逆变。
采用该电路结构，使逆变虬路功率密度大大提高，逆变电源的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。
四、逆变电路的控制电路
上述几种逆变电源的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弱波两种控制方式，方波输出的逆变电 源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变电源的发展趋势，随着微电子技术的发民，有ＰＷＭ功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。
１、方波输出的逆变电源目前多采用脉宽调制集成电路，如ＳＧ３５２５，ＴＬ４９４等。实践证明，采用ＳＧ３５２５集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性能价格比较高的逆变电源，由于ＳＧ３５２５具有直接驱动功率场效应管的能力（图７）并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。
２、正弦波输出的逆变电源控制集成电路
正弦波输出的逆变电源，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及MI－CROCHIP公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路ＰＷＭ发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间，采用INTEL公司80C196MC实现正弦波输出的电路如图８所示，80C196MC完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。
五、逆变电源主电路功率器件的选择
逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（ＢＪＴ），功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ），绝缘栅晶体管（ＩＧＢＴ）和可关断晶闸管（ＧＴＯ）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为ＭＯＳＦＥＴ，因为ＭＯＳＦＥＴ具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用ＩＧＢＴ模块，这是因为ＭＯＳＦＥＴ随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系统中，一般均采用ＧＴＯ作为功率元件。
17．平板玻璃工业新技术
在平板玻璃原片制造技术上，目前国外还看不出有什么新的、更好的方法能够取代浮法成形工艺，但浮法技术仍将继续完善和提高。
1、超薄技术
对玻璃带施加纵向――横向拉力是生产浮法超薄玻璃的惟一方法。美国专利 548661；英国专利10lpe13，1313743；俄罗斯专利在超浮法线上得到采用。
无色透明优质超薄玻璃是生产呼ITO膜玻璃的重要材料之一，目前该产品正走俏国际国内市场，产品供不应求。不少国家的玻璃制造商早已看到这个有利的商机，纷纷将原有的个别生产线改成超薄玻璃生产线。英国皮尔金顿公司将一条较小的浮法线改成在线镀膜超薄玻璃生产线，可生产0.4－1.l毫米的薄玻璃，板面的平整度极佳，微波纹起伏只有30-50纳米。
2、浮法玻璃退火窑辊道技术新进展。
在退火窑的热端，不同的方法决定解决辊印所采用的两条途径明显不同。一条是开发一种非常硬的应用于金属辊的陶瓷表面涂层，它易于清洁并恢复到光滑的抛光表面，而且能应用于退火密在线清理设备中。另一条是开发一种能阻止表面附着物形成的辊道包覆材料。目前所用的主要是热惯性低的铝硅酸盐或钙硅酸盐纤维辊道包覆材料。但还要研究解决陶瓷纤维包覆材料内（目前无法避免）的‘渣粒’钢包覆材料提前退化问题。
3、在线镀膜技术
发达国家在浮法线上成功地开发了在线金属化合物热解镀膜技术，化学汽相沉积镀膜技术、电浮法镀膜技术、低辐射镀膜技术。英国、法国、比利时等国能在线生产玻璃镜。富氧燃烧、喷泉、富氧空气补给、纯氧燃烧助燃、全部纯氧燃烧5种形式正成为标准技术，正不断完善发展下去。
4、一窑两线发展
国际玻璃商为适应市场需求，节约能源，控制生产总量，防止积压，设计建成了一窑两线（两个品种）的生产方式。美国加迪安公司获悉国际市场的建筑商们仍对压花玻璃有可观的需求量，公司在美国南卡罗来纳州的浮法玻璃工厂立即进行技术改造使之成为一赛两线，改造后的600t／d级浮法线新增设100t／d压花玻璃生产线， 可同时生产浮法玻璃及压花玻璃。美国另一家公司为占领阿拉伯国家对压花玻璃的需求市场，已在沙特建设550t／d级浮法线的同时，并设计建有100t／d级压花玻璃线。 日本旭硝子玻璃公司在国内建设一条500t／d的浮法玻璃生产线的同时， 也设计建造100t／d级压花玻璃生产线。欧洲的玻璃制造商也在改造建设浮法及压延的一赛两线生产线。
5、节能工艺
用严格控制热交换、设备配置的标准化、玻璃带的加宽等方法可以大大提高浮法工艺的生产能力和经济效益。传统工艺规定在锡糟的头部和中部区域加热，在尾部区域强烈冷却。新的观点则要求锡槽中的热交换调节不仅要减小加热功率，而且要减小冷却强度，这样可保持热量平衡。为此而采用更为准确调节银槽热制度的新方法；例如采用安置在锡槽窥孔主的专用加热器以及可调节选择温度工艺冷却器等。
6、环保技术
玻璃熔窑废气中的硫氧化物SOX、氮氧化物NOX和烟尘是污染大气环境的主要有害成分。为了保护大气环境，国际上许多国家相继制定了严格的玻璃熔窑废气排放标准和相应的排污收费标准，建立了较为完善的环保管理体系，对SOX、NOX， 和烟尘等有害物质的排放作了严格限制，有关玻璃生产企业积极开发和推广应用新的玻璃熔精废气治理技术。
1、静电除尘技术：静电除尘器有板状和管状两种。
2、降低硫氧化物排放量的技术：硫氧化物SOx主要指Sfa和SO3，可与碱性吸收剂反应而生成硫酸盐和亚硫酸盐。废气脱硫，根据吸收工艺的不同，可以分为湿法、干法和半干法等。
3、降低氮氧化物排放量的技术：氮氧化物NOX主要指NO和NOZ。一次治理措施：（1）氧助燃技术；（2）分层燃烧技术；（3）采用低的空气过剩系数；（4）选用低氧喷枪。
二次治理措施：（1）3R技术；（2）选择性催化还原法；（3）非催化选择性还原法。
7．深加工玻璃新品种
1、利用太阳能发电的平板玻璃
与平板玻璃有关的太阳能发电系统有两类。第一类，是在单体建筑物的屋顶和幕墙上安装的光伏发电系统。它是利用硅光电池、硒光电池、确光电池等在阳光照射下能产生一定向电动势陡p光伏效应） 的半导体元件，拼接粘合在超速明平板玻璃上成为光电板，将光能转换成电能并经整流、升压后供建筑物内部直接使用。第二类是大面积集热式太阳能发电系统。由以色列索米尔公司开发成功的以太阳能作为热源带动传统的大型蒸汽涡轮发电机发电的新型太阳能技术，就是以数座通体透明的大型玻璃建筑物作为集热装置的。&
2、电致变色玻璃窗
近10年来，美国、英国、意大利、德国及其他国家就最新的玻璃产品――电致变色玻璃窗进行了深入广泛的研究并获得了令人满意的结果。起初，此种玻璃窗主要是为汽车工业而开发的。最近，人们又开始探讨此种玻璃窗的大规格化及在建筑上的应用。
尽管此种玻璃窗还没有完全实现工业化生产，但具有很好的市场前景。在采用液态氧化还原材料的电致变色玻璃窗方面，提高了固化电解质和离析还原技术。含有固态电致变色层的电致变色玻璃窗，在固态电解质、高于储存层和电致变色膜方面也有了改进。目前，已推出了新型的电致变色玻璃窗，即用户控制型电致变色玻璃窗。
3、信息产业玻璃
CD玻璃（玻璃光盘）、 HDMD（PC用玻璃磁盘） 、STN（超扭曲向列型） 液晶显示器玻璃、TFT薄膜液晶显示器玻璃、 PDP等离子显示板、ELD场致发光显示板、VFD真空荧光显示板、TCD热致变色调光玻璃。DPS微粒子分极配向玻璃、BM彩色滤光玻璃。&
18．热壁外延（HWE）在导电玻璃上生长GaAs薄膜
　　目前，太阳电池应用最大的障碍就是成本高，世界商品化生产的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。其中非晶硅电池成本较低，但功率衰减严重，性能不够稳定，至今未能很好解决。单晶硅和多晶硅电池的转换效率高、性能稳定、工艺比较成熟，但因所用的单晶硅和多晶硅均为间接带隙材料，对光的吸收系数较低，需要较大的厚度才能有效吸收太阳光，材料的费用相对较高，成本难以大幅度降低。
　　以国产单晶硅太阳电池在昆明地区（太阳能辐射资源中偏上）发电为例，按系统价45元/Wp计算，寿命20年，其发电成本为1.45元/kWh，与昆明市电价0.4元/kWh相比，成本仍然过高，加之建成太阳能发电站的初期投资大，这便成为地面推广应用的巨大障碍。&
　　本文主要阐述GaAs薄膜太阳电池的利用前景和利用HWE方法在导电玻璃上生长GaAs薄膜取得的成果。
　　1薄膜太阳电池的现状
　　国际上目前相对成熟的多晶薄膜太阳电池主要有CdS/CulnSe2和CdS/CdTe薄膜太阳电池。其中前者的实验室光电转换效率达18%，后者的转换效率达16%[1]。目前均有小规模的实验生产。商品太阳电池的效率一般为8%――10%。Cds/CulnSe2薄膜太阳电池一般采用多元真空蒸发工艺制备，工艺较为复杂，成品率不很高。CdS/CdTe薄膜太阳电池效率最高的是采用近距离升华（close-spaced sublimation）法制备[2]，该太阳电池存在的主要问题是大规模采用后，Cd的环境污染需要解决。
　　2光伏电池所面临的问题和提出的解决方案
　　低成本、长寿命光伏电池需解决的关键科学问题：首先是研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料；其次，能用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。经研究，我们认为：单晶和多晶薄膜GaAs材料加上低成本的光伏电池生产工艺路线能满足这两点要求，这是由于：
　　a）GaAs的禁带宽度在1.424ev(300k)[3]，能与太阳光较好地匹配，相应也就有好的高温工作特性和高的光电转换效率（目前单晶GaAs太阳电池光电转换效率已达到25%，叠层太阳电池转换效率达30%）；
　　b）GaAs为直接带隙跃迁半导体材料，吸收系数大，5μm的厚度即可吸收95%以上的可利用太阳光，因而可以作为薄膜太阳电池，大幅度降低材料成本。与目前的GaAs电池相比，其材料成本可降低100倍；
　　c）单晶或多晶GaAs薄膜电池，其抗辐照性能好、寿命长，稳定性有可靠的保证。
　　虽然GaAs材料的价格昂贵，但对于GaAs薄膜太阳电池，由于GaAs层很薄，所以需材料很少，价格并不高。例如制成GaAs/Si叠层太阳电池，组件成本可大幅度下降，是一种很有希望的廉价太阳电池。美国能源部目前已经将高效GaAs叠层太阳电池列为地面应用太阳电池的关键技术之一来进行攻关。&
　　3 GaAs/Glass的利用前景
　　对于空间用太阳电池，要求其具有高的效率，轻的重量和高的抗辐射能力。为了获得高效率，Ⅲ-Ⅴ族材料的串连结构如In0.5Ga0.5P在GaAs或Ge衬底上生长的外延层已经被采用。太阳电池用这些Ⅲ-Ⅴ族半导体材料比用Si半导体材料有更好的抗辐射力。为了进一步提高抗辐射能力使用时必需在裸电池表面贴耐辐射的石英玻璃盖片。但总的结果将大大增加太阳电池的总重量。
　　空间用太阳电池现在已经达到商业应用阶段而不是初期的科学或军用阶段。降低空间用太阳电池的成本就成了最重要的问题。因此空间太阳电池除了上面所提及的要求外还应该是低成本的。然而，目前的GaAs单晶半导体材料是很贵的。加之，很厚的衬底通常对于光伏效应是多余的，因为Ⅲ-Ⅴ族半导体对太阳辐射波长有相对高的吸收系数，几微米的厚度对一个太阳电池就足够了。
　　直接在掺铈的耐辐射的石英玻璃盖片上生长Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜电池将有望实现所有的要求。这也推进了下面的情况：不使用造价高的半导体衬底；这种结构成减轻了所用太阳电池的整体。此外，这种积成工艺会大大降低太阳电池板成本。
　　4 HWE生长GaAs薄膜的意义
　　目前，国外采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）生长技术，已经在Si衬底表面制成高质量单晶GaAs薄膜，采用多层结构可以进一步提高转换效率，例如1988年美国研制成的高效叠层多结太阳电池，转换效率高达40%，德国夫朗和费实验室制作的叠层GaAs/Si太阳电池光电转换效率已达到36%（AMO,300K）。此外，利用化学束外延（CBE）在低温条件下，已经可以在玻璃衬底上生长GaAs多晶薄膜材料。
　　云南师范大学太阳能研究所则利用热壁外延（HWE）的方法在导电玻璃上直接生长GaAs薄膜。经电子探针（EPMA）、X射线衍射（XRD）、Raman散射光谱（RSS）和荧光光谱（PL）分析其结构特性、电学特性和光学特性，结果表明所制薄膜表面致密均匀、呈绒面结构，晶粒尺寸较大。薄膜的衍射峰符合标准光谱分布、半宽高仅为80nm，为高质量结晶薄膜，因此采用HWE生长的GaAs薄膜有好的结构特征结晶质量，适合作为太阳电池的衬底材料。加之这种方法最大的优点是，设备简单、稳定性高、操作简便，在较低的温度下就可以生长得到GaAs薄膜。这样，较之其它方法来看，利用HWE来生长GaAs薄膜更有利于降低整个太阳电池的成本。因此有望成为今后高效、廉价太阳电池材料的候选材料，具有很好的发展前景。
19．科普知识： 太阳能光伏知识
太阳能电池发电原理: 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。
当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。
2、晶体硅太阳电池的制作过程: "硅"是我们这个星球上储藏最丰富的材料之一。自从上个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末，我们的生活中处处可见"硅"的身影和作用,晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤:a)提纯过程 b)拉棒过程 c)切片过程 d)制电池过程 e)封装过程. 如下图所示：
3、太阳电池的应用: 上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术-----通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯，太阳能发电户用系统,村寨供电的独立系统，光伏水泵（饮水或灌溉）,通信电源，石油输油管道阴极保护，光缆通信泵站电源,海水淡化系统，城镇中路标、高速公路路标等。在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统的组成：
a）a）直流负载系统
b） 交流负载系统.
4、太阳电池基本性质: a） 光电转换效率η％:评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室η≈24％，产业化：η≈15％。 b）单体电池电压V：0.4V---0.6V 由材料物理特性决定。 c）填充因子FF％：评估太阳电池负载能力的重要因素。
几何意义用I-V曲线图来表示
其中：Isc--短路电流, Voc--开路电压, Im--最佳工作电流, Vm--最佳工作电压; d）标准光强与环境温度 地面：AM1.5光谱,1000W/m2,t=25℃; e）温度对电池性质的影响 。 例如：在标准状况下，AM1.5光强， t=25℃ 某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp.
5．太阳能"光―电转换"： 一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果截然不同。由于金属中自由电子如此之多，以致光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将会积累，和没有电场时有很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太阳电池就是利用这种效应制成的。
当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子―空穴对。这样，光能就以产生电子―空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P―n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P―n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。&
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
所以，将入射太阳光能转换成电能的半导体器件称为太阳能电池。它一般由两种不同导电类型的同质或异质半导体构成。目前，在空间或地面获得应用的只有硅电池，研究得比较成熟的还有砷化镓电池、硫化镉电池。硅太阳能电池是1954年由美国皮尔逊等人首次制成，1958年首次应用在“先锋1号”卫星上。1958年，我国亦开始研究太阳能电池，在1971年3月发射的科学实验卫星上首次应用，随着硅电池制造成本的逐年降低和技术的日益成熟，太阳能电池必将获得更广泛的应用。
6．太阳电池的应用的主要领域：&
1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
2. 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。&
3. 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
4. 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。
8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。&
目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的"十万屋顶"计划、"百万屋顶"计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。
7．什么是太阳能电池?有哪些分类?
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的菁膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的式太阳能民池则还处于萌芽阶段。太阳 光照在半导体p-n结上，形成新的空穴由-电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄式和非结晶系膜式(以下表示为a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。&
按材料可分类硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机薄膜形，百化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP)、ⅡⅥ族(cds系)和磷化锌(Zn3P2)等。
8．太阳能电池：太阳能电池是利用电池将光的能量直接转变成电能，太阳光是宇宙取之不尽，用之不竭的天然能源，又具安全、方便及无污染的特性，故太阳能再生能源的开发利用有其必要性。
太阳能电池的种类:太阳能电池的种类有单晶硅及非晶硅、多结晶硅三大类，而目前市场应用上大多为单晶硅及非晶硅。（1）单结晶硅太阳电池，
单晶硅电池最普遍，多用於发电厂、充电系统、道路照明系统及交通号志等，所发电力与电压范围广，转换效率高，使用年限长，世界主要大厂，如德国西门子、英国石油公司及日本夏普公司均以生产此类单晶硅太阳能电池为主，市场占有率约五成，单晶硅电池效率从11%~24%，太空级 (蒸镀式) 晶片从16%~24%，当然效率愈高其价格也就愈贵。（2）多结晶硅太阳电池，多晶硅电池的效率较单晶硅低，但因制程步骤较简单，成本亦低廉，较单晶硅电池便宜20%，因此一些低功率的电力应用系统均采用多晶硅太阳电池。
9。太阳光发电和太阳热发电：地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的“太阳常数”。也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量。就是这些能量比目前全世界人类的能耗量大3.5万倍。虽然很久以来，人们在不同程度地利用着其能量，最近，温水器的直接利用，空调、太阳能电池的电力供给以及太阳能住房等方面都有了很大发展。很自然的想法是向太阳要电能，但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量，使其成为下世纪的一大可利用能源，是新能源开发中的一个重要课题。&
太阳能转换为电能有两种基本途径：一种是把太阳辐射能转换为热能，即“太阳热发电”；另一种是通过光电器件将太阳光直接转换为电能，即“太阳光发电”。太阳热发电，全世界以以色列的技术最为先进。吸取加州的技术，巴西、印度、摩洛哥正在 计划进行设备的建设，世界银行已开始提供资金给开发中的国家。入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的，要充分收集并使之发挥热能效益，就必须采取一种一种能把太阳光发射并集 中在一起，变成热能的系统。一种方法是采取一种能把太阳光发射并集中集中加热 ，转换成为高温水蒸气，以蒸汽涡轮机变换为电。也可以采用抛物面型的聚光镜将太阳热集中，使用计算机让聚光镜追随太阳转动。后者的热效率很高，将引擎放置 在焦点的技术发展的可能性最大。&
　　除了太阳热发电技术外，目前人类社会也在大力开发太阳光技术。太阳辐射的光子带有能量，当光子照射半导体材料时，光能便转换为电能，这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种光电器件。太阳电池与普通的化学电池(干电池、蓄电池)完全不同，是一种物理性质电源。虽然太阳光一照射太阳电池就能发电，但它与一般的发电机大相径庭，它无旋转和磨损，能静悄悄地发电。
10．太阳能电源的研究设计：
　水情遥测系统采集数据测量站点不少处于交通不便、无电网供电的地方。为设计一点二址的水情遥测系统中，对其中的一站点电源设计选用太阳能对蓄电池进行补充的电源方案。
　　首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。
　　其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。
　　一、关于硅太阳能发电板容量
　　硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率ＷＰ。太阳能发电功率量值取决于负载２４ｈ所消耗的电力 ＨＷＨ，由负载额定电源与负载２４ｈ所消耗的电力，决定了负载２４ｈ消耗的容量ＰＡＨ，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流ＩＰＡ。
　　由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压ＶＦ Ｖ，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压ＶＴ Ｖ及反充二极管Ｐ－Ｎ结的压降ＶＤＶ所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压ＶＰＶ，由太阳电池阵列工作电源ＩＰＡ与工作电压ＶＰＶ，便可决定平板式太阳能板发电功率ＷＰＷ，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量ＷＰ与太阳能电池阵列工作电压ＶＰ，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。
　　太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：
１．计算负载２４ｈ消耗容量Ｐ：
　　Ｐ＝Ｈ／Ｖ
　　Ｖ－－负载额定电源
２．选定每天日照时数ＴＨ。
３．计算太阳能阵列工作电流。
　　ＩＰ＝Ｐ１＋Ｑ／ Ｔ
　　Ｑ－－按阴雨期富余系数，
Ｑ＝０．２１～１．００
４．确定蓄电池浮充电压ＶＦ。
　　镉镍ＧＮ和铅酸ＣＳ蓄电池的单体浮充电压分别为１．４～１．６Ｖ和２．２Ｖ。
　　５．太阳能电池温度补偿电压ＶＴ。
　　ＶＴ＝２．１／４３０Ｔ－２５ＶＦ
６．计算太阳能电池阵列工作电压ＶＰ。
　　ＶＰ＝ＶＦ＋ＶＤ＋ＶＴ
　　其中ＶＤ＝０．５～０．７
　　约等于ＶＦ
７．太阳电池阵列输出功率ＷＰ（平板式太阳能电板）。
　　ＷＰ＝ＩＰ×ＵＰ
８．根据ＶＰ、ＷＰ在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。
二、关于蓄电池的容量计算
　　蓄电池的容量由下列因素决定：
　　１．蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的２０％。
２．蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的８０％。
３．蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的２５倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。
４．蓄电池自身漏掉的电能，随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的５％，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月１０％～１５％。
　　在水情遥测系统中，连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量，由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量安时数加上２０％因子，再加上１０％电池自放电能安时数）便可计算出蓄电池的容量源。
　　按照两种容量方案的计算，作者计算完成了太阳能电源的设计：
１．测站的主要参数：
　　每隔５ｍｉｎ发射一次数据，发射时间２ｓｅｃ；
　　发射机输入电压ＤＣ１３．８Ｖ，输出电流５Ａ；
　　当地日照时数７～８ｈ。
２．测站蓄电池容量经计算得出为３８ＡＨ。
３．测站太阳能电池容量阵列输出功率ＷＰ Ｗ为２５～３５ｗ。
　　综合以上结果，太阳能电源设计值为：
　　蓄电池：采用铅酸蓄电池，容量３８ＡＨ，采用２个容量２０ＡＨ并联形式；太阳能电池阵列：输出功率２５～３５Ｗ，采用标准块板输出容量２５～３８Ｗ，一块正好。
三、太阳能电源安装使用中注意的问题
１．阵列板选择安装在周围无高大建筑物、树木、电线杆等无遮挡太阳光和避风处。
２．太阳能电池阵列板配套的蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。
３． 注意定期的维护工作。此电源系统经济可靠，安装方便，利于维护，在实践中取得了满意的效果。
11．地面太阳电池发电系统 ：太阳电池发电系统（又称光伏发电系统），按其使用场所不同，可分为空间应用和地面应用两大类。在地面可以作为独立的电源使用，也可以与风力发电机或柴油机等组成混合发电系统，还可以与电网联接，向电网输送电力。目前应用比较广泛的光伏发电系统主要是作为地面独立电源使用。&
通常的独立光伏发电系统主要由太阳电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极管组成，其作用分别如下：&
太阳电池方阵 方阵的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供给负载使用。一般由若干太阳电池组件按一定方式连接，再配上适当的支架及接线盒组成。&
蓄电池组 蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电，（同时方阵还要给负载用电），晚上则负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。
控制器 在不同类型的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在简单的太阳电池，蓄电池系统中，控制器的作用是保护蓄电池，避免过充，过放。若光伏电站并网供电，控制器则需要有自动监测、控制、调节、转换等多种功能。如果负载用的是交流电，则在负载和蓄电池间还应配备逆变器，逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给负载使用。&
阻塞二极管 也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0.6~0.8；肖特基或锗管0.3V左右。
12．太阳能利用技术：人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。
太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。
太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。
太阳电池是把太阳光直接转换成电能的一种器件。
太阳电池的光电效率约１０－１４％，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。国内产品（指光电装置全部费用）价格约６０－８０元／峰瓦。
太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。
太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。
13．光伏发电的发展历史和现状：自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下：
法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。
亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。
制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。
肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。
布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。
奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。
奥尔在硅上发现光伏效应。
恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。
吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。
硅太阳电池效率达8%。
太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。
第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。
硅太阳电池首次实现并网运行。
砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。
薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。
罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。
美国宇航公司背场电池问世。
砷化镓太阳电池效率达15%。
COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。
非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%~%。
多晶硅太阳电池效率达10%。
美国建成100kWp太阳地面光伏电站。
单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。
美国建成1MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8%。
美国建成6.5MWp光伏电站。
德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。
高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。
美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp。光伏电池。有太阳时光伏屋顶向电网供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。
日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。
欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。
单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。
世界光伏电池总产量（）
年份国家(地区) 92 95 98
美国 14.8 17.1 18.1 22.4 25.6 32.4 41.0 53.1 58.2 62.4 74.8
日本 16.8 19.9 18.6 18.7 17.5 19.5 20.5 34.0 47.5 86.0 128.7
欧洲 10.2 13.4 16.4 16.5 21.6 20.6 29.3 28.5 35.8 39.7 60.7
其它 4.7 5.0 4.8 4.4 6.0 7.5 8.5 9.4 16.3 19.2 23.5
总计 46.5 55.4 57.9 62.0 70.7 81.0 99.3 125 157.4 207.3 287.7
几种主要光伏电池效率发展状况(%)
年份 单晶硅光伏电池 非晶硅光伏电池 硒铟铜电池 碲化镉电池 DC/AC逆变器效率
实验室 商业化 实验室 中批量 大批量 实验室 中批量 大批量 实验室 中批缇 大批量&
单电池 组件 中批量 大批量 单电池 组件 组件 单电池 组件 组件 单电池 组件 组件&
.0 15.0 13 9 6 4 13.0 9.0 12.5 6.0 919498
.5 15.3 14 10 8 6 17.1 10.2 15.8 8.4 6&
.0 18.0 15 13 10 10 20.0 13.0 10 18.0 10.0 9
光伏发电的光伏电的价格、组件效率，系统寿命和成本变化情况
年份 光伏电的价格（美分/ kWh） 组件效率% 光伏系统寿命a 光付系统成本（美元/Wp）
5~14 5~10 10~20
7~17 10~20 7~15
10~20 >20 3~7
&6 15~20 >30 1~1.5
表8。1―8。3表明，自1996年以来，世界光伏发电高速发展。表现在几种主要太阳电池效率不断提高，总产量年增幅保持在30%~40%，1998年已达200MWp/a；应用范围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。1998年在维也纳第二届全球光伏技术大会上，会议主席施密特教授指出：“光伏将在21世纪上半纪取代原子能而成为全球能源，唯一的问题是2030年还是2050年最终实现”。如果施密特教授的预言得以实现，则太阳能世纪将在21世纪到来。更新
20．科普童话：太阳公公发电
太阳公公慷慨地把他的光和热洒到地球上。有一棵小树，接受了太阳的礼物，长成了参天大树。一天，“轰隆隆”一片洪水排山倒海而来，这棵树和整片树林被埋到海底泥沙里了，在那里睡了好多好多年。等他醒来，发现海水没有了，自己已经变了样：浑身漆黑，绿衣裳早已不知到哪儿去了他变成了煤！&
煤伤心地哭了：“呜呜，我怎么变成这副丑样子了！”
一天，这座山忽然变得热闹起来。煤听到了“轰轰”声和人的说话声。
“快出来吧！”矿工对他说，“我们要让你发电呢！”
于是，煤从地底下被挖出来了。
煤来到发电厂，果然发出电来。电灯亮了，机器转动了，人们都一个劲地夸他。
煤觉得自己挺了不起，十分得意，就对太阳、风和海水说：“喂，朋友们，咱们比比谁的本领大，好吗？”
海水说：“比就比呗，我有数不尽的财宝。鱼虾在我的怀抱里生长；海中的盐、碘、钾、铀等矿物也多得很呢。”
风儿说：“我能推动帆船前进，还能帮助人们耕云播雨，调节气温。”
太阳也说：“我能给地球带来光和热。没有我，地球上的白天就变得和黑夜一样……”
煤慌忙打断他们的话说：“不算不算，咱们光讲一个：谁能使电灯亮起来。”
说着煤跳进炉里，烧得通红，放出大量的热，把锅炉里的水化成蒸气，推动汽轮发电机，使电灯发出亮光。
风和海水也显显自己的本领。“呼呼”风狂吼怒叫，挥舞着自己的大巴掌，把电线杆上的灯泡吹得摇来晃去，可是电灯并不亮；“哗哗”海水掀起十几米高的巨浪，把灯塔上的灯泡冲刷得没有一点儿灰尘，可是电灯也没亮。
风、海水都失败了，羞得说不出话来。海水赶紧拉上了天蓝色的面纱，风儿悄悄地躲了起来。
他们越想越不服气，经过商量，决定去请科学家帮助。
当科学家驾船行驶在海上时，海水用力推着他的船儿，请求道：“您也让我发电吧！”
科学家笑呵呵地答道：“我已经把礼物给你准备好了，瞧，这不是吗？我现在到海上来，就是要检查它好使不好使。”
可不是，海面上漂着一条没有底的“船”。这船上有一样东西，就像倒放的打气筒。它的活塞接在浮标上。科学家告诉海水，这是送给他的宝贝波力发电装置。
海水掀起波浪，推动浮标，一会儿向上，一会儿落下。浮标带动活塞上下运动，压缩着空气，于是，一股股气流从喷嘴里喷了出来，推动汽轮机，带动了发电机。电灯亮了起来。
煤呆在炉子里，得知海水也能发电时，脸变得更红了，身子也烧得更瘦了。他自言自语说：“不管怎样，风是没法发电的，因为他是个不驯服的浪荡儿。”
风的确是个贪玩的孩子，从早到晚都在外面游逛，当他从陆地吹到海上时，看到了波力发电站。他气呼呼地推开了科学家的窗子，对科学家说：“您偏心眼！只帮助海水发电，为什么不帮我？”风觉得很委屈，呜呜呜地哭了。
科学家忙说：“别哭，别哭。你看山上那个大风车，就是我送给你的礼物。”
风朝远处的山头看去，那儿果然有一座玻璃钢制的大风车，安在高高的铁塔上，闪闪发光。
风又撒娇地嚷着：“不要，不要！谁要大风车！这个玩艺儿几百年前就已经有了，我曾推着它给人抽过水磨过面，它哪会发电！”
科学家告诉他：“这种风车跟古代的风车不同，它能发电。不信你试试！”
风半信半疑地推着风车的叶片，风车飞快地转动起来，带动发电机发电，电灯亮了。
煤怎么也不相信风能发电。他蹦出炉膛，见到远处高耸着的风力发电站，正气鼓鼓地发牢骚，忽然听到一个和蔼的声音说：“孩子，不要不服气！”
煤抬起头，发现和他说话的是太阳。他反问道：“孩子？谁是你的孩子？”
太阳笑眯了眼：“你是我的孩子，忘了吗？煤的能量，是从我这里得到并贮藏起来的。”
煤摇摇头说：“怎么可能呢！”
太阳告诉他，亿万年前，大森林里的树木，正是吸收了太阳的能量进行光合作用，才长大的。后来树木变成了煤，实际上是把太阳的能量贮存起来。说到底，煤发出的热量，是亿万年前太阳和能量转换来的。
听到这儿，煤眼珠一转说：“可是现在，你太阳能点亮电灯吗？”
“当然能喽！”又一个陌生的声音插了进来。原来是穿白大褂的科学家，他带着煤来到太阳能发电站。
这儿，集热塔高高地耸立着，聚光镜就像一个大炒菜锅。太阳把光照在上面，聚集起来，他的热量使锅里的水化成高温蒸气，推动汽轮机发电――这儿的电灯也亮了。
太阳又把他那金色的光辉照在一块块闪闪发亮的薄片片上。这是科学家研究出来的硅太阳能电池。阳光照在上面，硅电池就发出了电，连在电池上的灯泡也亮起来了。
太阳耐心地问煤：“孩子，你都看到了么？”
煤低下了头：“太阳公公发电，比我简便得多也干净得多。还有海水和风，也不比我差呢！”
海水和风听到这话，也都高兴起来，他们手拉手大声嚷着：“其实我们也都是由于太阳照射着地球才出现的，太阳也是我们能量的源泉啊！”
大家一齐抬头看太阳。太阳眨眨眼，笑啦！_
-&太阳能光伏技术6-&
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