光伏發(fā)電技術(shù)-中國能源環(huán)境高峰論壇課件_第1頁
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文檔簡介

1、賀 詞 各位專家、各位嘉賓、各位代表、各位媒體:上午好! 在黨的十八大即將召開之際,我們迎來了第五屆中國能源高峰論壇的隆重召開,借此機(jī)會,請?jiān)试S我向全體會議代表、全體與會人士表示最誠摯的問候,以及對大會的舉辦者的辛勤勞動表示最高敬意。 我很高興能有機(jī)會與各位同人聚集一堂,共同探討能源問題,能源是關(guān)乎經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略問題,中國作為最大的發(fā)展中國家,同時也是能源主要消費(fèi)大國,能源問題是關(guān)乎經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全的重大問題。如何保障能源安全,構(gòu)建合理的能源結(jié)構(gòu),是中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要決策的重大戰(zhàn)略問題。因此,會議的召開對中國乃至世界能源現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展都有重要的意義。 太陽能作為分布廣泛儲量

2、巨大的新興綠色能源,近年來得到了廣泛的重視,我希望在論壇期間,可以和各大專家學(xué)者就太陽能能源現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行深入討論與研究,將太陽能更好的應(yīng)用于解決能源問題的過程中,最大限度的解決人類對能源需求。 下面我將對太陽能如何發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)意見。在我講演以前,首先預(yù)祝本次大會圓滿成功。第三代光伏發(fā)電技術(shù)已取得重大進(jìn)展中國科學(xué)院理論物理研究所何祚庥摘要:光伏發(fā)電技術(shù),已由第一代晶體硅發(fā)電技術(shù),第二代薄膜發(fā)電技術(shù),轉(zhuǎn)向第三代“低倍聚光+高效硅基聚光電池”技術(shù),未來可能轉(zhuǎn)向第四代“高倍聚光+砷化鎵聚光電池”技術(shù)。當(dāng)代光伏產(chǎn)業(yè)必定向低倍聚光發(fā)電技術(shù)發(fā)展。 原因是:1)一塊晶體硅可發(fā)出多倍電力,可

3、大幅度降低發(fā)電成本。2)聚光將大幅度抵消光轉(zhuǎn)化率較高,但每瓦售價也甚高的光電池,在市場銷售上的劣勢,可大幅度提高單位占地面積的發(fā)電量,大幅度節(jié)約土地使用成本。 已證明正在運(yùn)行中的小型光伏電站的光電轉(zhuǎn)化可高達(dá)24.5%,每平方米發(fā)電60W/m2。3)低倍聚光各有關(guān)技術(shù),如聚光漏斗、支架、跟蹤、散熱等技術(shù),已完全成熟。其4倍聚光光伏組件已下降到5元/瓦,16倍聚光將下降到4元/瓦,正在研發(fā)中的8倍聚光將下降到3元/瓦。 4)預(yù)計(jì)未來出現(xiàn)的1620倍聚光的水上“太陽能睡蓮”技術(shù),其光伏組件將下降到2元/瓦。低倍聚光技術(shù)的最大難點(diǎn)是散熱。水上“太陽能睡蓮”既能有效地解決散熱困難;又能大幅度節(jié)約陸上土地

4、。 (一)何謂“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)? 第一代光伏發(fā)電技術(shù)=晶體硅光伏發(fā)電,有單晶硅和多晶硅的差別。優(yōu)點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)化率較高,缺點(diǎn)是售價較貴,生產(chǎn)多晶硅耗能較多,也容易污染環(huán)境。 第二代光伏發(fā)電技術(shù)=花式品種繁多的薄膜電池,優(yōu)點(diǎn)是材料用量少,售價較低,重大缺點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)化率只有晶體硅的一半,占地面積也較多。主要品種有1)非晶、納米晶、微晶等硅薄膜,2)CIGS即銅銦鎵硒組成的薄膜, 3)TeCd碲化鎘薄膜 。 為克服“第一代”,“第二代”光伏發(fā)電技術(shù)“固有”缺點(diǎn),人們相繼提出發(fā)展“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)許多設(shè)想。 2003年M. A. Green在撰寫了第三代光伏發(fā)電一書,主張發(fā)展一些“新型”電池。

5、在中國發(fā)展的“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)=“太陽能煉硅+跟蹤+低倍聚光+高效聚光硅電池”。 這首先是因?yàn)樾绿岢龅睦砟?,是要進(jìn)一步提高光伏電池的“單位面積”的發(fā)電量,降低“單位面積”發(fā)電成本;尤其是太陽能發(fā)電要多“占地”,“地價”已成為影響發(fā)電成本的重要因素!于是人們就希望引入新“元素”,從半導(dǎo)體技術(shù),轉(zhuǎn)向現(xiàn)代光學(xué),無光像的自適應(yīng)光學(xué)。 如果引入現(xiàn)代光學(xué),引入“跟蹤+聚光”,有可能用一塊單晶硅,或售價較貴的“多結(jié)”的單晶硅,發(fā)出“多倍”電量;有“可能”用成本較低廉的光學(xué)聚光元件,取代、減少使用代價較昂貴的半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體加工技術(shù)。 2)聚光可以多發(fā)電,這是愛因斯坦光電定律的常識;聚光的前提是跟蹤,這

6、是現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡已解決的問題?!熬酃?跟蹤”就成為進(jìn)一步降低成本的“第三代”光伏技術(shù)的最主要特征。 “太陽能”聚光有許多特殊要求。首先是為適應(yīng)太陽光在空中不斷移動,人們相繼提出許多新的光學(xué)課題:例如,a)如何將移動中的太陽光“均勻”地聚集在某一面,讓光電池更有效地發(fā)生電力;光學(xué)就從成像光學(xué)走向無光像光學(xué)。b)如何既聚集來自太陽的直射光,又聚集相當(dāng)部分的散射光,增加光電池接收的光量;無光像光學(xué)就由簡易的窄角聚光走向廣角聚光。 c)所聚集的,不僅是正射的光線,還包括斜射的光線;聚光理論就從在軸聚光,發(fā)展為斜軸或偏軸聚光。d)技術(shù)上還要應(yīng)用和發(fā)展自適應(yīng)光學(xué)的許多技巧,如何因地、因時不斷追蹤陽光,將陽

7、光聚光到某一固定便于應(yīng)用的方位,如此等等。 這一由理論物理研究所陳應(yīng)天研究員發(fā)展的無光像的自適應(yīng)光學(xué),還在其它領(lǐng)域有許多許多應(yīng)用,如可制作聚光15000倍,可冶煉高純度的多晶硅,可融熔一切難熔金屬的太陽爐,等,當(dāng)前首先是應(yīng)用到光伏發(fā)電、光熱發(fā)電。 3)為什么“高效硅基聚光電池”也是“第三代”光電發(fā)電技術(shù)的一大“特征”? “高效”可提高單位面積發(fā)電量,“高效”可大幅度降低每瓦“聚光+跟蹤”成本;而“聚光”不僅可成倍增加光電池的發(fā)電量,“聚光”還能提高光電池的轉(zhuǎn)化率。理論分析表明, 聚光電池輸出功率入射光強(qiáng)ln(入射光強(qiáng)/單位光強(qiáng)) 下面是美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室所提供的最新有關(guān)太陽能光伏電池發(fā)電

8、效率的一張簡圖: 從這一圖片可以很清楚地看出,a)用砷化鎵制作的光電池的轉(zhuǎn)化率,遙遙領(lǐng)先于各類光電池。2011年“多結(jié)+418倍聚光”的轉(zhuǎn)化率更上升到43.5%。由砷化鎵薄膜制成的光電池,也做到了28.2%。 b)居于第二位是硅基光電池。其單晶的轉(zhuǎn)化率由歷史上的17%上升到25.0%,其“單晶+92倍聚光”的光電池轉(zhuǎn)化率,已上升到27.6%。但“多晶”硅光電池卻緩慢上升,十年來僅停留在20.3%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于“單晶+聚光”的硅光電池。但是,除異質(zhì)結(jié)硅電池可高達(dá)23.0%外,至今未見有“多結(jié)”硅基光電池的報導(dǎo)。 c)緊隨晶體硅光電池之后的是銅銦鎵硒,其實(shí)驗(yàn)室中的薄膜轉(zhuǎn)化率已高達(dá)20.4%;其次是碲

9、化鎘薄膜,實(shí)驗(yàn)室效率是17.3%。 但如果將CIGS薄膜電池和“單晶+聚光”硅基光電池做一比較,其實(shí)驗(yàn)室里的轉(zhuǎn)化率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硅基聚光電池的27.6%!再認(rèn)識到,薄膜電池生產(chǎn)線的投資約是晶體硅的10倍,大面積的薄膜電池轉(zhuǎn)化率的提高,在技術(shù)上有原則性的困難;而相反,聚光電池的光電轉(zhuǎn)化率正在不斷提高,“4倍聚光+跟蹤”技術(shù)已相當(dāng)成熟,其“聚光+跟蹤”花費(fèi)的“代價”,已證明要比晶體硅電池“低出”很多,其光學(xué)成本還有大幅度降價空間。 d)國外更看好的是“跟蹤+高倍聚光+高效砷化鎵聚光電池”的技術(shù)路線。理由是砷化鎵有更高的轉(zhuǎn)化率,這當(dāng)然十分有理。但砷化鎵的市場價格太貴,必需用到高倍聚光才有經(jīng)濟(jì)效益,而高

10、倍聚光技術(shù)難點(diǎn)不少!尤其是“散熱+抗風(fēng)”。而且,我們從原則上還看不出,高倍聚光如何能“既聚集直射光,又聚集散射光”。實(shí)驗(yàn)表明,即便是陽光明媚的高原地區(qū),散射光仍占到15%,通常是散射光占總光量的30%40%。兩者相較,我們更贊成發(fā)展低倍聚光。 當(dāng)代最有希望的,有可能和火力發(fā)電、核能發(fā)電相競爭的技術(shù),是“太陽能煉硅+跟蹤+低倍聚光+高效硅基聚光電池”,或稱為“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)。 4)“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)另一“特征”是“綠色”。 當(dāng)前人們對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,有不少質(zhì)疑,工信部就認(rèn)為光伏產(chǎn)業(yè)從高純硅的提煉到光伏組件的生產(chǎn),有不少“環(huán)節(jié)”屬高耗能、高污染的行業(yè)。而太陽能煉硅就不僅可少耗能,而且沒有

11、污染,已在2011年第7期的物理學(xué)報Vol.60,No.7(2011)078104,寫了一篇題為強(qiáng)輻射催化法提純多晶硅正式發(fā)表的論文。 為什么“第三次”光伏技術(shù)能大幅度節(jié)約多晶硅,而且是綠色技術(shù)?原因是: a)跟蹤:這將使多晶硅的用量減少30%40%。 b)聚光:4倍聚光,尤其對“直射光”的聚光,可將硅材料、非硅材料的每度電“耗能”下降到原有的1/4。 下面是4倍聚光漏斗和散熱片的一組照片: c)高效聚光硅基電池:硅電池的轉(zhuǎn)化率越高,所消耗的多晶硅就越少。目前用的是美國Sun Power公司供應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為22%的n型硅基聚光電池。如前所述,在聚光條件下,聚光電池,會出現(xiàn)對數(shù)式非線性增長。4倍聚

12、光導(dǎo)致開環(huán)電壓增長了10%!這一n型光電池就呈現(xiàn)出24.5%的轉(zhuǎn)化率! d)在所有上述介紹的“綠色”技術(shù)中,最重要的是太陽能煉硅。 5)上述“第三代”光伏發(fā)電技術(shù),或“綠色”發(fā)電技術(shù),已有一個演示的“窗口”,也就是在甘肅省武威地區(qū)已建成的“4倍聚光+轉(zhuǎn)盤式跟蹤”,峰值功率為1兆瓦的小型光伏電站。下面是這一電站的圖片:上述光伏電站已穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行了2年。 2011年9月,在距北京市180公里的內(nèi)蒙古多倫地區(qū)又建設(shè)一組示范電站。已選擇其中兩個轉(zhuǎn)盤(峰值功率為100千瓦)每天紀(jì)錄發(fā)電量,長期在綠色電力網(wǎng)上公布。下面是2012年3月11日16:00的一個發(fā)電紀(jì)錄: 內(nèi)蒙多倫低倍聚光雙軸跟蹤光伏電站內(nèi)蒙古

13、2012-03-11光伏裝機(jī)容量:100.00kW當(dāng)前發(fā)電功率:33.96kW今日總發(fā)電量:710.80kWh總累計(jì)發(fā)電量:53.58MWh二氧化碳減排量:56.12T并網(wǎng)日期:2011-9-16(二)總計(jì)中國科學(xué)院理論物理研究所陳應(yīng)天項(xiàng)目研究員獨(dú)立自主研發(fā)的4倍聚光+跟蹤+n型光伏電池轉(zhuǎn)盤式發(fā)電技術(shù)。已做到的指標(biāo)是: 1)峰值功率售價低?,F(xiàn)在就已做到,工信部發(fā)布的“十二五”太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(征求意見稿),所提出的“2015年光伏系統(tǒng)成本下降到1.5萬元/千瓦的目標(biāo)”。 新改進(jìn)的4倍聚光漏斗,還能聚集部分散射光,成本又下降5%。 2)單位峰值功率發(fā)電量多。 由于采用三大技術(shù):a)跟蹤,直

14、射光的發(fā)電量將增加30%35%;b)4倍聚光導(dǎo)致的非線性增長,(注:聚光將導(dǎo)致開路開環(huán)電壓呈對數(shù)性增長),將增加10%;c)強(qiáng)有力的均勻散熱,視當(dāng)?shù)貧鉁睾铜h(huán)境,將增加10%15%。由以上這三種因素的乘積,青海格爾木,已建造了峰值功率為200千瓦的小型光伏電站,每瓦發(fā)電量將是1.651.31.11.1=2.6度/瓦,在采取進(jìn)一步改進(jìn)措施后,可能上升到2.8度/瓦。 3)發(fā)電成本低。由于單位峰值功率售價低,而且發(fā)電量多,已做到在內(nèi)蒙古多倫地區(qū)加上“聚光+跟蹤”技術(shù)后,按10年回收期計(jì)算的發(fā)電成本,將下降到0.7元/千瓦時。如果撇開勞動力成本、運(yùn)輸成本等地區(qū)差別因素,在青海省將下降到0.72000/

15、2600=0.54元/千瓦時。 4)單位面積發(fā)電量高。下面是各類清潔能源占地簡表:太陽能光伏發(fā)電:“4倍聚光+跟蹤”, 5060W/m2;平板式晶體硅, 3040W/m2;各類薄膜電池, 1520W/m2;太陽能槽式熱發(fā)電;10W/m2。核 能:10W/m2,(是否為清潔能源,現(xiàn)在有爭論);風(fēng) 能:5W/m2; 5)太陽能是最便于實(shí)現(xiàn)和水能互補(bǔ)的新能源。 6)新發(fā)展的4倍聚光發(fā)電,還是最適合于在“同一”地區(qū)實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光互補(bǔ)的發(fā)電技術(shù)。 7)新發(fā)展的“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電技術(shù),也是和環(huán)境友好兼容的技術(shù)。 (三)“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)能否在中國實(shí)現(xiàn)“平價上網(wǎng)”? 在中國實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電“平價上網(wǎng)”

16、有一個特殊困難,中國的火力發(fā)電成本,比發(fā)達(dá)國家低很多。中國已公布的包含補(bǔ)貼的光伏發(fā)電上網(wǎng)電價,1.0元/度電,而平價上網(wǎng)就至少要降到0.40.5元/度電! 1)新出現(xiàn)的一個亮點(diǎn)是,這一“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電技術(shù),非常易于在水面實(shí)現(xiàn)“太陽能睡蓮”。其最大優(yōu)點(diǎn)是,可利用聚光漏斗的“浮力”取代支撐跟蹤漏斗的構(gòu)架,大幅度節(jié)約鋼材。聚光漏斗將常年浸在水中,極易散去聚光時產(chǎn)生的巨大熱量,可又增加約10%20%的發(fā)電量。至于水波起伏,定向跟蹤等技術(shù)問題,不難用錨、舵,將聚光漏斗改為廣角聚光等技術(shù)來解決。現(xiàn)在這些技術(shù)難點(diǎn)均已初步解決,已做出設(shè)計(jì),下面是這一設(shè)計(jì)的示意圖: 為解決許多地區(qū)土地價格過高,其最

17、簡單的措施是,大力發(fā)展更為價廉物美的水上“太陽能睡蓮”技術(shù)。 陳應(yīng)天教授曾做過一個試驗(yàn),將聚光漏斗放在水下15厘米深處,歷時6個多月,在漏斗內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)絲毫水汽! 下面是聚光漏斗浸水實(shí)驗(yàn)的照片:2)其實(shí),在國外已有類似設(shè)想。下面是國外設(shè)想的太陽能睡蓮的照片。圖:兩個美麗的漂浮在水面的太陽能睡蓮 又據(jù)2011年11月9日經(jīng)濟(jì)日報報導(dǎo): 新加坡經(jīng)濟(jì)發(fā)展局日前宣布,計(jì)劃明年在西部地區(qū)的登格水庫進(jìn)行水上太陽能光伏浮島試點(diǎn)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)2013年完成。 3)北京地區(qū)的密云水庫、官廳水庫、十三陵水庫,共有250平方公里的水面,加上天津的水庫,共約有400多平方公里的水上面積。如以每平方米發(fā)電50W/m2計(jì),40

18、0平方公里的水面可裝機(jī)2000萬千瓦之多。北京郊區(qū)土地售價,已高達(dá)30萬元/畝。為解決土地價格過高問題,北京市和天津市走向綠色城市的方向之一,是大力發(fā)展水上太陽能睡蓮。 在中國有許多水面可以建設(shè)大型、超大型光伏電站。中國的青海湖、鄱陽湖,太湖和洪澤湖,其面積均超過4000平方公里。中國大理有極好的太陽能資源,而地處云南大理市的洱海,其水面約為250平方公里。中國有80000平方公里的湖泊。中國的渤海灣實(shí)際上是中國的內(nèi)海,水面超過20000平方公里。僅渤海灣就可以放置功率為10億千瓦太陽能睡蓮。 4)新出現(xiàn)的技術(shù)思維,是將4倍聚光改為6倍聚光,但光漏斗造價并不顯著增加。下面是用無光像聚光理論設(shè)計(jì)

19、的6倍聚光漏斗: 此漏斗也可放在水中成為水上漂。 應(yīng)用這一新型聚光漏斗,在內(nèi)蒙古地區(qū),河北豐寧地區(qū)等荒漠地發(fā)電成本,有望下降到0.7元/1.4=0.5元/度電。而如果將這一“6倍聚光+跟蹤”的發(fā)電技術(shù),移用于“太陽能睡蓮”,這將是比陸上發(fā)電成本更低的發(fā)電的技術(shù)。中國的東部、南部,其太陽能資源一般屬三類地區(qū),年發(fā)電約10001500小時。但這一地區(qū)有大片水面可以大量放置水上電站,有大片水面可建設(shè)大、中、小型各式各樣的抽水儲能電站,同時也能就近在水庫里建設(shè)水面光伏電站。 所以,這一“6倍聚光+跟蹤”的“太陽能睡蓮”,以及今后有待發(fā)展的“8倍、10倍,等低倍聚光+跟蹤+水上太陽能睡蓮”的發(fā)電技術(shù),有

20、望在中國的東部、南部地區(qū),廉價地實(shí)現(xiàn)光能、水能“就近”互補(bǔ),做到平價上網(wǎng)。 5)前一時期,工信部正式頒布的“十二五”太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。已正式規(guī)定: “計(jì)劃到2015年,光伏組件成本下降到7000元/千瓦,光伏系統(tǒng)成本下降到1.3萬元/kW,發(fā)電成本下降到0.8元/kWh,到2020年,光伏組件成本下降到5000元/千瓦,系統(tǒng)成本下降到1萬元/kW,發(fā)電成本達(dá)到0.6元/kWh”。 不難看出,這里介紹的“第三代”光伏發(fā)電技術(shù),完全有望達(dá)到、超過規(guī)劃所規(guī)定的2020年的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。 問題是如何全面落實(shí)這一新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。 進(jìn)一步要解決的重大問題,是如何太陽能光伏發(fā)電成本,下降到0.3元/

21、度電,從而徹底解決人類未來所需能源問題。這主要解決以下三個重大問題: a)進(jìn)一步將低倍廣角聚光技術(shù),發(fā)展為在水上跟蹤的中低倍(如820倍)廣角聚光技術(shù),(注:制約中低倍聚光技術(shù)的最大難題,散熱問題,可在水中獲得完全解決?。┻M(jìn)一步大幅度降低光伏組件每瓦售價; b)大力研發(fā)高效硅基多結(jié)聚光電池和廉價高效的砷化鎵薄膜電池,進(jìn)一步大幅度提高光伏電池的單位面積發(fā)電量; c)大力研發(fā)“ 光伏發(fā)電+水能+風(fēng)能+其它能源+抽水儲能電站+天然氣或頁巖氣燃?xì)獍l(fā)電站 ”相配合的大中小型分布式發(fā)電體系,首先解決我國目前最緊迫需要的高峰用電短缺,將來逐步取代基本電力。當(dāng)然,我們也很歡迎其它大功率、長壽命、高效儲存電能技

22、術(shù)的出現(xiàn)。 歡迎社會公眾,歡迎科學(xué)界,歡迎到會的院士、專家學(xué)者們,共同合作推進(jìn)這一新型的“低倍聚光+跟蹤”的光伏技術(shù)。徐錠明同志: 最近中國光伏產(chǎn)業(yè)已陷入全面危機(jī),而如果歐盟通過征收的“雙反”稅率和美國一樣,高達(dá)30%-220%,那么中國的光伏企業(yè)將面臨滅頂之災(zāi)! 但據(jù)我們所知,美國征收的高稅額,僅針對“平板式”單晶硅和多晶硅技術(shù),并不對各類薄膜技術(shù)、聚光技術(shù),征收高額稅率。估計(jì)歐盟也將采取類似政策。所以,一個挽救中國光伏企業(yè)的重大方向是,利用已有廉價P-型多晶硅、單晶硅,迅速轉(zhuǎn)向發(fā)展適用于廉價的P型電池低倍聚光技術(shù)。 過去,我們一直強(qiáng)調(diào)用轉(zhuǎn)化率較高的N-型光電池來實(shí)現(xiàn)4倍聚光。原因是用N型電池聚光,其成本較P型更低。而如果改用轉(zhuǎn)化率較低的P型光電池,其發(fā)電成本仍可做到比平板光電池略低或相當(dāng)。其重大優(yōu)點(diǎn)是:可以回避歐盟和美國推行的高額“雙反”稅率。 我國99%以上的光伏企業(yè),均是P型電池。世界各國的光伏企業(yè)除少部分是薄膜電池外,絕大多數(shù)也是P型電池。國外只有少數(shù)企業(yè),如Sun Power,能供應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高的N型電池。 但是國外P型光伏企業(yè)會受到國外的保護(hù),而我國將蒙受巨大損失!據(jù)我們所知,國內(nèi)各生產(chǎn)P型光電池企業(yè),在近期尚不能轉(zhuǎn)向生產(chǎn)真正高效而廉價的N

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