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1、.目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 . .12設(shè)計(jì)應(yīng)用背景 .12.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 .12.2提高太陽(yáng)能的利用率 .12.3跟蹤技術(shù)國(guó)外現(xiàn)狀 .12.4目前跟蹤太陽(yáng)的方式 .23難點(diǎn)分析 . .24實(shí)施方案 . .24.1整體跟蹤設(shè)計(jì) .24.1.1系統(tǒng)組成 .34.1.2系統(tǒng)總體流程 .44.1.3光電跟蹤的原理分析 .44.1.4光電跟蹤的具體實(shí)施方法 .54.2檢測(cè)電路的傳感器選擇 .64.3優(yōu)缺點(diǎn)分析以及成本 .75收獲與體會(huì).8參考文獻(xiàn) .9. 下載可編輯 .光伏發(fā)電中的追日系統(tǒng)1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電效率,要求太陽(yáng)能電池板與日光投射方向垂直。設(shè)計(jì)一個(gè)滿足上述
2、要求的追日系統(tǒng),確保太陽(yáng)能電池板有最佳的工作角度。2 設(shè)計(jì)應(yīng)用背景2.1 能源現(xiàn)狀及發(fā)展隨著人類無(wú)止境的開(kāi)發(fā)地球能源,人類所面臨的資源枯竭危機(jī)不斷加深,加上地球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化,進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái),人類已經(jīng)遭遇了前所未有的生存危機(jī)。人類只有一個(gè)地球,其生態(tài)系統(tǒng)是不可能再造的。早在17 世紀(jì)初,人類就已經(jīng)意識(shí)到這一問(wèn)題,并在新能源探索上不斷做出努力,特別是太陽(yáng)能利用領(lǐng)域取得輝煌成就。目前光伏發(fā)電居世界各國(guó)前列的是日本、德國(guó)和美國(guó)。中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于 20 世紀(jì) 70 年代起步, 90 年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過(guò)30 多年的努力,已迎來(lái)了快速發(fā)展的新階段。在“光明
3、工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下,我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。太陽(yáng)能是一種可再生能源,它具有廣泛性、安全性、巨大性和長(zhǎng)久性,且不受任何人的控制與壟斷,是無(wú)私、免費(fèi)、公平地給予人類的。在常規(guī)能源供給緊和環(huán)保壓力不斷增大的背景下,世界上許多國(guó)家掀起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮, 使太陽(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域不拓展,已滲透到我們生活的每一個(gè)角落。2.2 提高太陽(yáng)能的利用率太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源 1 ,這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽(yáng)能裝置如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能電池等等,但太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,究其原因,
4、主要是利用率不高。就目前的太陽(yáng)能裝置而言, 如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率, 仍為國(guó)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手 2 ,一是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率,二是提高太陽(yáng)能的接收效率,前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,還有待研究,而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了可能。不管哪種太陽(yáng)能利用設(shè)備,如果它的集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直,并且收集更多方向上的太陽(yáng)光,那么,它就可以在有限的使用面積收集更多的太陽(yáng)能。但是太陽(yáng)每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著,集熱裝置若想收集更多方向上的太陽(yáng)光,那就必須要跟蹤太陽(yáng)。香港大學(xué)建筑系的教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系,理論分析表明
5、3 : 太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤,能量的接收率相差 37.7%,精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的接收效率大大提高,進(jìn)而提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率,拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。2.3 跟蹤技術(shù)國(guó)外現(xiàn)狀國(guó)現(xiàn)狀:(1)1994 年德國(guó)北部,采取了單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置的太陽(yáng)能廚房開(kāi)始應(yīng)用. 下載可編輯 .(2)1997 年研制了單軸太陽(yáng)能跟蹤器,完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤,而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié),接收器的接受效率提高了。國(guó)外現(xiàn)狀:(1)2009 年電子科技大學(xué)徐靜以森林防火為應(yīng)用目的對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其跟蹤做了深入探討。與以往類似系統(tǒng)的不同之處在于將一天中可能出現(xiàn)的天氣細(xì)分為晴天。多云和陰雨三種不同的狀況,并確定
6、了應(yīng)對(duì)上述三種不同天氣狀況的相應(yīng)跟蹤模式。(2)2012 年師大學(xué)路博對(duì)高精度的太陽(yáng)跟蹤方法進(jìn)行了研究,并用選取的高精度的天文公式計(jì)算結(jié)果對(duì)太陽(yáng)位置進(jìn)行初定位,通過(guò)對(duì)多種光電元件各自特性的分析,設(shè)計(jì)了由硅光電池構(gòu)成的太陽(yáng)方位檢測(cè)傳感器用來(lái)彌補(bǔ)初定位的誤差,克服了兩種跟蹤方法各自的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤 4 。2.4 目前跟蹤太陽(yáng)的方式時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置:此裝置是一種被動(dòng)式裝置有單軸和雙軸兩種類型系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間將方位角和仰俯角分為幾等份在固定時(shí)間段通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按固定的角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)而跟蹤太陽(yáng)。最大功率跟蹤裝置:本方法以動(dòng)態(tài)平衡追蹤太陽(yáng)能系統(tǒng)的最大功率,本方法特征是太陽(yáng)能板與直流直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)
7、接一個(gè)瞬間功率型超級(jí)電容作為能量的動(dòng)態(tài)平衡器,將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成電容器形態(tài)的電能進(jìn)行最大功率演算可大幅度簡(jiǎn)化演算程序提 升追蹤演算的實(shí)時(shí)性與可靠度提高太陽(yáng)能系統(tǒng)效率。光電式跟蹤裝置:此類裝置使用光敏傳感器如硅光電管硅光電管要靠近遮光板安裝調(diào)整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)硅光電池處于陰影區(qū)。當(dāng)太陽(yáng)西移時(shí)遮光板的陰影偏移硅光電管受到陽(yáng)光直射輸出一定值的微電流該微電流作為偏差信號(hào)經(jīng)放大電路放大,由伺服調(diào)整度使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。以上每種跟蹤方式都可完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤但這些方式都是被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤方式只能被動(dòng)地接收太陽(yáng)輻射作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)時(shí)鐘式靈敏度不高不能高效地利用太陽(yáng)能最大功率和光電跟蹤裝置
8、靈敏度高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了基于光電傳感器的一中跟蹤方式,精確定位,最大限度地利用太陽(yáng)能。3 難點(diǎn)分析采用合適的傳感器感知太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)換角度轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)怎樣達(dá)到靈敏度最高合理的檢測(cè)值的參數(shù)的設(shè)定采集裝置受天氣影響的情況狀況4 實(shí)施方案4.1 整體跟蹤設(shè)計(jì). 下載可編輯 .將面板固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上,將光敏器件部署在面板的不同位置,通過(guò)各位置反饋的光強(qiáng)信號(hào)差異,獲得當(dāng)前陽(yáng)光的方位信息。同時(shí),使用單片機(jī)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣,采集結(jié)果通過(guò)一系列運(yùn)算后,產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào),控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái),進(jìn)而保證感光面板正對(duì)太陽(yáng)直射的方向。實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案,主要解決兩方面問(wèn)題,一是光敏器件的選擇,二是轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的搭建
9、。在光敏器件的選擇方面,我們嘗試了光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。由于考慮到裝置的實(shí)用性和性價(jià)比,通過(guò)設(shè)計(jì)了不同的光照實(shí)驗(yàn),我們檢測(cè)不同光敏器件的感光效果。在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的搭建方面,我們考慮了自制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和云臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,由于受工藝、結(jié)構(gòu)和控制接口等多因素的制約,我們放棄了自制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的方案,選擇了云臺(tái)作為轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。光照光信號(hào)接收信號(hào)轉(zhuǎn)換接收最強(qiáng)光照云臺(tái)控制單片機(jī)采樣比較圖 4-1 系統(tǒng)整體框圖4.1.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu) 智能型太陽(yáng)能跟蹤裝置主要由微處理器控制單元、光電檢測(cè)單元、液晶顯示模塊、存儲(chǔ)單元和鍵盤及相應(yīng)的外圍電路、手動(dòng)控制單元等組成。1) 鍵盤及顯示屏。設(shè)有鍵盤和一塊液晶顯
10、示器(liquid crystal display,LCD),主要用于手動(dòng)控制和人機(jī)交互,便于用戶設(shè)置時(shí)間和位置參數(shù),并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。2) 檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊安裝在集熱器面板或者與集熱器平行的面板上,主要用于檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件 5 。其功能可分為 2 個(gè)方面:檢測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)弱程度,以區(qū)別白晝和夜晚;在陰天光照強(qiáng)度不夠時(shí),系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)后自動(dòng)處于待機(jī)狀態(tài),避免不必要的能源浪費(fèi),從而達(dá)到系統(tǒng)的自動(dòng)控制。提供水平和俯仰方向上的誤差信號(hào)。 在系統(tǒng)正常跟蹤狀態(tài)時(shí), 跟蹤方式為程控跟蹤,由于計(jì)算誤差和機(jī)械誤差的存在,在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后,累積誤差無(wú)法消除。檢測(cè)模塊檢測(cè)到累積誤差后,發(fā)出中斷信
11、號(hào),微控制芯片響應(yīng)中斷,發(fā)出相應(yīng)指令控制執(zhí)行動(dòng)作以修正誤差,從而達(dá)到閉環(huán)控制。3) 電源電路。電源電路主要為微控制器、外圍器件以及控制系統(tǒng)中所用到的其他芯片提供工作電源。由于采用的 ARM微控制器為 LPC2290,而它具有獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源,為降低出錯(cuò)幾率,模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)該隔離。因此接入的 220V 電源經(jīng)濾波后分為 2 路:一路作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電源; 一路經(jīng)整流后為系統(tǒng)提供 +5V和+15V電源。微控制器的 2 組電源在 +5V的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器分別輸出 +3.3V 和 +1.8V。4) 存儲(chǔ)模塊。采用的 LPC2290 片只有 16kB 的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (
12、static RAM,SRAM),沒(méi)有可以利用的片只讀存儲(chǔ)器 (read only memory ,ROM)或 FLASH存儲(chǔ)器,因此需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展,用以存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和運(yùn)行程序,以防斷電后丟失程序。5) 執(zhí)行。執(zhí)行主要是驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)模塊接受微控制. 下載可編輯 .器的輸出脈沖后,經(jīng)光電隔離后進(jìn)行放大循環(huán)輸出。步進(jìn)電機(jī)能夠直接進(jìn)行數(shù)字控制,將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移,即接受一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角位移。支撐結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)輸出的功率降速增距后,分別轉(zhuǎn)化為水平方向的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)以跟隨太陽(yáng)。4.1.2 系統(tǒng)總體流程開(kāi)始系統(tǒng)按默認(rèn)方式運(yùn)行設(shè)置修
13、改參數(shù)采集數(shù)據(jù)監(jiān)控子程序YY參數(shù)是否超標(biāo)N自動(dòng)跟蹤子程序保護(hù)子程序蓄電池充放電子程序N實(shí)時(shí)時(shí)間 系統(tǒng)設(shè)定Y調(diào)整平面鏡陣列的位置結(jié)束圖 4-2 總體流程圖4.1.3 光電跟蹤的原理分析在日照環(huán)境下,通過(guò)光能檢測(cè)模塊比較各方位日照強(qiáng)度,控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),使光能檢測(cè). 下載可編輯 .模塊正對(duì)光源,實(shí)現(xiàn)追日功能。本裝置具有高效、簡(jiǎn)易的特點(diǎn),能應(yīng)用于太陽(yáng)能領(lǐng)域,以提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。光電追蹤 ( 閉環(huán) ) 是使用光電傳感器作為探測(cè)元件,實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)位置并將信息送達(dá)核心處理芯片進(jìn)行處理后來(lái)完成對(duì)太陽(yáng)位置的探測(cè)和跟蹤。當(dāng)太陽(yáng)光有偏移時(shí),根據(jù)感光量的不同,導(dǎo)致輸出電壓的不同,根據(jù)輸出電壓確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向,控
14、制相關(guān)的繼電器動(dòng)作,接通步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)光強(qiáng)檢測(cè)電路中是對(duì)是否啟動(dòng)跟蹤進(jìn)行判斷,太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電能后存儲(chǔ)在蓄電池里作為整個(gè)系統(tǒng)的電源,同時(shí)為了防止蓄電池過(guò)充損壞蓄電池,加了一個(gè)充電控制器對(duì)其進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用云臺(tái)作為執(zhí)行,由蓄電池給云臺(tái)供電,電池板固定在云臺(tái)上,云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)電池板運(yùn)動(dòng),是太陽(yáng)能始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光到電池板的垂直照射,完成跟蹤 6 。4.1.4 光電跟蹤的具體實(shí)施方法光電跟蹤的實(shí)施在高度角和方位角跟蹤時(shí)分別利用兩只2CU 型光電二極管作為太陽(yáng)位置的敏感元件。4 只光電二極管安裝在同一個(gè)半球形的傳感器殼。每對(duì)二極管被中間隔板隔開(kāi),對(duì)稱地放在隔板兩側(cè)。傳感器俯視圖如下圖所示
15、。圖 4-3 跟蹤太陽(yáng)傳感器的俯視圖當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí),太陽(yáng)光平行于隔板,兩只二極管的感光量相等,輸出電壓相同。當(dāng)太陽(yáng)光略有偏移時(shí),隔板的陰影落在其中一只二極管上,使兩只二極管的感光量不等,輸出電壓也不等。根據(jù)輸出電壓確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向,控制相關(guān)的繼電器動(dòng)作,接通步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)到太陽(yáng)光重新平行于隔板時(shí),兩只二極管輸出相同電壓加點(diǎn)器斷開(kāi),電機(jī)停轉(zhuǎn)。有夜晚自動(dòng)恢復(fù)原始排放狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)和傍晚時(shí)間時(shí),平面鏡陣列恢復(fù)到原始位置,等待第二天的到來(lái)光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使 PN 結(jié)的面積相對(duì)較大,以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用
16、下工作的, 沒(méi)有光照時(shí),反向電流極其微弱, 叫暗電流;有光照時(shí),反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流。光的強(qiáng)度越大,反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化,這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),成為光電傳感器件。. 下載可編輯 .圖 4-4 硅光二極管信號(hào)放大電路4.2 檢測(cè)電路的傳感器選擇電流 / 電壓檢測(cè)主要傳感器件是霍爾元件 ; 環(huán)境溫度檢測(cè)是采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的 ; 太陽(yáng)光強(qiáng)和太陽(yáng)能電池組件表面光強(qiáng)的檢測(cè) : 光電池作為光強(qiáng)傳感器,只要測(cè)出其輸出短路電流和表變溫度即可推算出當(dāng)時(shí)其表面所受的輻射光強(qiáng)。(1) 電流 / 電壓檢測(cè)電流 / 電壓檢測(cè)主要傳感器件是霍爾元件,采用磁平衡原理。
17、檢測(cè)精度高, 線性度好,而檢測(cè)電路與被檢測(cè)電路完全隔離。電流互感器將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成 0mA50mA標(biāo)準(zhǔn)電流,并以電流源方式輸出。電壓傳感器是通過(guò)大功率電阻把電壓輸入變換成電壓傳感器的0mA50mA標(biāo)準(zhǔn)電流,并以電流源方式輸出。為了獲取可供 A/D 采集卡采集的電壓信號(hào),還必須外加電壓取樣電路,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。+15v+傳-15vi 感器-GNDRVout去 A/D圖 4-5 電流電壓檢測(cè)電路圖 4.8 電流電壓檢測(cè)電路(2) 光強(qiáng)檢測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)和太陽(yáng)能電池組件表面光強(qiáng)的檢測(cè)非常重要,是系統(tǒng)太陽(yáng)能電池組件性能和聚光發(fā)電效率的一個(gè)重要參數(shù)。在太陽(yáng)光的照射下,由于太陽(yáng)電池的輸出電路電流與太陽(yáng)
18、輻射照度成正比,故選取一塊經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)標(biāo)定好的光電池作為光強(qiáng)傳感器,只要測(cè)出其輸出短路電流和表變溫度即可推算出當(dāng)時(shí)其表面所受的輻射光強(qiáng)。. 下載可編輯 .圖 4-6 光強(qiáng)檢測(cè)電路(3) 風(fēng)速檢測(cè)風(fēng)速檢測(cè)是采用風(fēng)速傳感器。風(fēng)杯風(fēng)速儀是用風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)架作為感應(yīng)元件,一個(gè)多齒和光電斷器用來(lái)將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換與風(fēng)速成正比的頻率電信號(hào),為了獲得A/D 采集卡的電壓信號(hào),還必須外加電壓取樣電路。將點(diǎn)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),把頻率信號(hào)送入頻率/ 電壓轉(zhuǎn)換器中,經(jīng)過(guò)取樣電路,就可以得到與風(fēng)速成正比的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8 級(jí)時(shí),通過(guò)風(fēng)速傳感器檢測(cè)到風(fēng)速報(bào)警信號(hào)后,有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的繼電器輸出放翻控制動(dòng)作,是太陽(yáng)能電池組件和多平面鏡陣快速首屏,當(dāng)風(fēng)力降下來(lái)時(shí),延遲10 分鐘,解除防風(fēng)狀態(tài),恢復(fù)平面矩陣的跟蹤過(guò)程。+15vVccLM2907C1C2FinR1R2Vout圖 4-7 頻率 / 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(4)蓄電池電量檢測(cè)蓄電池放電即負(fù)載用電可以采用兩點(diǎn)控制方式,當(dāng)蓄電池電壓下降到一定值時(shí)報(bào)警,提醒工作人員節(jié)約用電,減少負(fù)荷;當(dāng)電壓下降到更低的下限值時(shí),系統(tǒng)切斷負(fù)載,從而防止蓄電池放電照成的
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