充分利用我国太阳能资源_开发太阳能光伏产业
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2 006年10月
沈阳工程学院学报 ( 自然科学版) Journal of Shenyang Instit ute of Engineering ( Nat ural Science)
充分利用我国太阳能资源 ,开发太阳能光伏产业
徐海荣1 ,钟史明2
( 11 南京热电工程设计院 ,南京 210011 ; 21 东南大学 ,南京 210096)
摘 : 介绍了太阳能资源的分布状况 ,结合实例综述了太阳能发电 ( 包括热发电和光伏发电 ) 的发展现状 . 在此基础 要 上 ,重点介绍了光伏发电的原理 、 产业基础以及我国光伏发电的现状 ; 结合国情 ,对我国加快发展光伏产业及市场提出了 具体的建议 . 关键词 : 太阳能 ; 热发电 ; 光伏发电
中图分类号 : TM615 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 1603 ( 2006) 04 - 0299 - 05
太阳能属可再生绿色能源 ,是 “取之不尽” 的能源 , 是 21 世纪极具发展前途的能源 . 化石燃料不但资源储
量有限 ,而且随着社会经济的发展和人们生活的需求 会日益枯竭 ; 加之滥开滥采 ,已难以维持社会经济的高 速增长与人们生活水平日益提高的要求 ; 而且化石能 源会污染环境 ,是不可再生的能源 . 太阳能光伏发电容量可以任意组合 , 最适合分散
北纬 45° 以南 , 全国 2/ 3 的国 土 面 积 年 日 照 时 间 在 2 300 h以上 ,每平方米太阳能年辐射总量为 3 340 ～ 8 400 MJ , 陆 地 表 面 每 年 接 收 的 太 阳 辐 射 能 相 当 于 17 000亿 t 标准煤 , 而且分布极为广泛 , 具有普遍存 在、 永续利用的优点 ,可为国民经济发展提供有效的能 源供应 . 特别是我国有 108 万 km2 的荒漠 , 大部分分 布在西部 ,太阳能资源极为丰富 . 如果利用 1/ 10 的荒 漠安装光伏并网发电系统 , 每年 可 以 发 电 10 万 亿 kWh 以上 ,相当于目前全国用电量的 5 倍多 . 太阳能辐射强度是随机的 , 在不同时间 、 不同地 点 ,同一面积的辐射强度是不同的 . 表 1 是我国不同地 区的太阳光照条件 . 为了更加直观地了解各地每天太 阳能辐射的平均分布 , 表 2 给出了年总辐射量与日平 均峰值日照时数 ( 太阳能电池每天可以接受到 1 000 W/ m2 辐照度的等效时间) 对应关系 . 通过上面资料可以看出 , 太阳能光伏系统的使用 与地理位置有关 . 太阳能电池的输出功率大约为 120 W/ m2 .
使用 ,是当今大电厂 、 大电网集中供能的重要补充和新 一代能源系统的重要组成部分 . 近几年我国部分地区经常拉闸限电 ,全国煤、 油 电、 等能源供应十分紧张 ,面对严峻的能源形势 ,存在的能 源缺口只能由可再生能源来补充 . 在可再生能源中 ,小 水电和风电虽然已经达到商业化水平 ,但它们的资源量 和地理分布毕竟有限 ,即使全部开发也满足不了未来的 需求 ,只有 “太阳能发电” 才是最具潜力的电力来源 .
1 太阳能资源
在白天标准太阳光照条件下 ( 即欧洲委员会定义 为 101 标准) ,大气质量 AM 115 ,温度 25 ℃ 条件下 ,辐 2 射强度为 1 000 W/ m d , 如假定发电效率为 10 % , 则 整个地球表面上每年可能的太阳能发电量为 14 EW/ 如果太阳能电池放置于不到全球陆地面积的 1/ 100 , 或其沙漠面积的 1/ 20 ,所发的电量就足够满足当今全 世界的能源需求 . 111 全球太阳能总量
2 太阳能发电系统
h ,大约相当于当今世界能耗总量的 100 倍 . 这意味着 ,
收稿日期 : 2006 - 04 - 21 作者简介 : 徐海荣 (1971 - ) ,男 ,江苏启东人 ,副院长 ,总工程师 ,高级工程师 . 钟史明 (1928 - ) ,男 ,福建龙岩人 ,教授 ,中国电机工程学会热电专委会技术委员会副主任 ,享受国务院特殊津贴热力专家 ,主要从事热 电动力系统的研究.
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太阳能发电系统分 2 类 , 即光伏发电系统和热能 发电系统 . 211 太阳能光伏发电系统 1) 太阳能光伏发电系统一般由太阳能电池 (方阵) 、
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112 我国太阳能总量
我国太阳能资源非常丰富 . 我国大部分地区位于
Vol12 No 14 Oct . 2006
300 ? ?
沈阳工程学院学报 ( 自然科学版)
表1 我国不同地区太阳光照条件 区或划分 丰富地区 ≥ 140 ≥ 000 3 内蒙西部 甘肃西部 新疆南部 青藏高原 比较丰富地区
120～140 2 400～3 000
第2卷
可以利用地区
100～120 1 600～2 400
贫乏地区 ≤ 100 ≤ 600 1 重庆 ,四川 , 贵州 ,江西 部分地区
蓄电池组 、 太阳能控制器 、 直流 - 交流逆变器和交流配 电设备等组成 . 2) 当负载为直流时 ,如通讯设备电源系统 、 石油管
道阴极保护电源等 , 则太阳能光伏发电系统可以省去 直流 - 交流逆变器和交流配电设备 ,系统比较简单 ,成 本也较低 . 3) 如果太阳能发电系统与交流电网并联运行 ( 光 伏并网发电) ,则太阳能光伏发电系统可以省去蓄电池 部分 ,太阳能控制器和直流 - 交流逆变器合二为一 ,使 系统简化 ,既可以节省投资 , 降低成本 , 同时还可以减 少蓄电池组对环境造成的影响 . 所以 ,太阳能并网发电 系统是今后光伏发电的主要形式 . 4) 美国于 1983 年～ 1986 年间 , 在加州建造了一 些规模较大的太阳能光伏发电站 . 如在 HESPER IA 的
L U G01 和 L U G02 2 座 500 kW 发电容量太阳能光伏
电站 , 在 SACRAM EN TO 的 PV - 1 和 PV - 2 2 座 1 000 kW发电容量光伏电站和在 CARR ISA PLA INS 的发电容量为 6 500 kW 光伏电站 . 通过这些示范电站 的运行表明 ,电站可靠性高 , 安装方便 , 检修维护费低 ( 约 015 美分/ kWh) . 但太阳能电池价格昂贵 , 美国光 伏发电单位造价约每千瓦 5 000 美元 . 212 太阳能热发电系统 太阳能热发电是利用集热器 ( 太阳锅炉 ) , 将太阳 辐射能转换成热能 , 产生蒸汽 , 进入汽轮发电机组发 电 . 太阳能热发电可采用直接和间接 ( 二元循环 ) 2 种 热力循环形式 . 前者是使用凝汽式 ( 有 1 台凝汽器 ) 汽 轮发电机组 ,集热器产生的蒸汽直接引入汽轮机 ,然后 排入凝汽器凝结成水 , 经水泵送入集热器吸收太阳辐 射热变成蒸汽 ,循环使用发电的 . 后者是在主系统使用 一种沸点高于水的熔盐或液态钠 , 通过热交换加热辅
年总辐射量 ( × 118 kJ / m2 ?) 4 a 全年日照时数 ( h) 地区 平均峰值日照时数 ( h) 新疆 北 部 , 东 北 , 内 蒙 东部 , 华北 , 陕北 , 宁 夏 ,甘肃部分 , 青 藏 高 原东 ,海南 ,台湾
东北 北 部 , 内 蒙 , 长 江 下游福建 、 广东 、 广西 , 贵州部分 , 云南 , 河南 ,
陕西
表2 太阳能年辐射量与日平均峰值日照时数
100 3119 110 3150 120 3182 130 4114 140 4146 150 4178 160 5110 170 5142 180 5175 年总辐射量 ( × 118 kJ / m2 ?) 4 a
助系统 ( 二次系统 ) 内的工质 —— — 水或低沸点流体 , 产 生蒸汽驱动汽轮发电机组发电 . 前者系统简单 ,但热效 率较低 ,一般难以得到高温蒸汽 . 目前 , 世界上太阳能 热发电系统大致有 3 类 : 即式线聚焦系统 、 塔式系统和 碟式系统 . 塔式太阳能热发电系统的基本型式 , 是利用一群 独立跟踪太阳的定日镜 , 将阳光聚集到一个固定在塔 顶部的接收器上 ,聚焦产生高温并加热工质产生过热 蒸汽 ,驱动汽轮发电机组发电 ,从而将太阳能转变为电 能 . 塔式太阳能发电 , 又称 “高温太阳能发电” 是一种 , 大型太阳能发电型式 . 现在 , 美 、 日和欧洲的许多国家 都已建成了几千至上万 kW 级的太阳能试验电站 . 塔 式太阳能发电的部件主要有反射镜 ( 定镜) 阵列 、 、 高塔 集热器 、 蓄热器和汽轮发电机组等 . 表 3 列出了目前世界上几个主要的塔式太阳能热 发电厂的特征参数 . 美国 L U Z 公司在加洲 MOJ AV E 沙漠地区成功投 入商业运行的抛物槽镜聚焦型的分散太阳能热发电系 统 ( SEGS) ,是太阳能热发电的重大突破 , 是当今世界 上最大的太阳能热能发电站 . 从 1985 年第一台试验性 14 MW 的 SEGS - 1 投运 , 到 1994 年 6 台 30 MW 的 SEGS Ⅱ- Ⅶ 6 台 80 MW 的 SEGS Ⅲ - Ⅸ 和 投运 , 总 装机容量已达 700 MW , 发电成本约 5 美分/ kWh , 与 火电相当 , 但可年减排 20 多万 t 二氧化碳等温室气 体 ,降低对大气环境的污染 .
3 光伏发电简史与机理
311 光伏发电简史与展望
自人类在 1954 年制造出现代硅太阳能电池 , 到
20 世纪 60 年代初 ,空间太阳能电池的设计已经成熟 .
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第4期
徐海荣 ,等 : 充分利用我国太阳能资源 ,开发太阳能光伏产业
表3 世界上几个主要的塔式太阳能热发电厂
301 ? ?
电站名称 国别 地点 投运日期 发电功率 ( kW) 定日镜数 定日镜 尺寸 ( m ) 塔高 ( m) 接收器型式 接收器尺寸 ( m) 蓄热系统 蓄热介质 蓄热容量 ( MW1 h) 占地面积 ( m2 ) 2
EU REL IOS
SUNSHIN E
SSPS - CRS
SOLAR - 1
THEMIS
CESA - 1
SO IAR - 2
意大利 西西里
198115 1 000 182 55
日本 仁尾
198119 1 000 807 4× 4 69
西班牙 阿美利亚
198119 500 93 40 43
美国 巴斯托夫
198215 10 000 1 818 3919 80
法国 比利牛斯
198315 2 500 200 54 100
西班牙 阿美利亚
198316 1 200 300 40 60
美国 巴斯托夫
199616 10 000 1 926 91
52 ( 70 个) 23 ( 112 个)
40 ( 1 818 台) 95 ( 108 台)
空腔
空腔
空腔
3× 3
外露
空腔
4× 4
空腔
外露
单容器 压水
015 513
) 汽轮机参数 ( MPa/ ℃
系统效率 ( 峰) ( %)
150 × 100
进入 70 年代 ,太阳能电池的转换效率明显提高 , 制造 成本下降 ,地面应用太阳能电池的数量已超过空间应 用的数量 . 20 世纪 80 年代至今 ,晶体硅太阳能电池的 效率从 18 %增加到 25 % ,根据惟一的诺贝尔环境奖获 得者马丁格林教授预言 , 太阳能电池转换效率可以达 80 %以上 . 这就是说 ,100 年以后 , 人类主要电力来源 于太阳能电池是十分可能的 . 312 光伏发电的机理与产业基础 太阳能光伏电池是一种半导体器件 , 是一个 PN 结 ,除了当太阳光照射在上面时能够产生直流电外 ,它 还具有 PN 结的一切特性 . 在标准光照条件下 ,它的额
定输出电压为 0148 V. 太阳能光伏系统中的太阳能电 池组件都是由多片太阳能电池连接构成的 , 它具有负 的温度系数 ,温度上升 1 ℃,电压下降 2 mV. 目前太阳能光伏电池大多采用单晶硅 、 多晶硅片 做为原材料 , 太阳能光伏电池结构简单 , 寿命可达 25 年以上 . 原材料来源丰富 ,可靠性高 ,工作无污染 、 无噪 声 ,是清洁的可再生能源 . 几十年来 ,发达国家的微电子产业发展较快 ,为发 展太阳能光伏产业提供了强有力的产业链支撑 . 如太 阳能硅片所用的头 、 尾料 , 高纯度多晶硅原料 , 单晶硅 片和多晶硅片的制造 , 以及太阳能电池电极的银浆和
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615/ 510
Φ415
150 × 180
112/ 187 5
Φ815 单 压水
3
双
Na 5
300 × 300
1012/ 520 /
银铝浆的生产和供应 , 为光伏产业大规模快速发展奠 定了良好的基础 .
4 我国光伏产业的简况
411 我国光伏产业现状
多年的努力 ,已达到了一定的技术水平和生产规模 . 由 于种种原因 ,以往国内电池的生产成本比国际同类产 品高 30 %左右 ,转换效率低 1 %～2 %. 近 20 年来 , 我国光伏产业长期维持在全球市场 1 %左右的份额 . 2003 年和 2004 年分别有了大幅度增 长 ,2003 年达 12 MW ,约占世界份额的 212 % ,2004 年 增至 35 MW ,约占世界份额的 3 %. 而日本在 2002 年 占全世界份额的 4412 % ,居世界第一 ,德 、 美次之 . 目前 ,国内市场主要集中在西部边远地区的生活 和工业用电 ( 如交通 、 通讯站) 的独立发电系统 ,和沿海 http://www.cnki.net
经济较发达的广东 、 福建 、 浙江 、 江苏一带的太阳能草 坪灯的制造加工上 . 大规模的光伏并网发电正在试点 示范之中 . 随着我国能源形势日益紧张 ,常规化石能源 供不应求和环境容量的承载压力 , 政府对可再生能源 越发重视 . 2005 年 2 月 28 日 ,十届人大常委会第十四 次会议通过了 《中华人民共和国可再生能源法》 相信 ,
Φ7 × 17 13 单 油 + 岩石
28 10/ 510 1315 579 × 762
双
熔融盐
4
7 000 000
我国光伏产业从 20 世纪 80 年代初开始 ,经过 20
318/ 430 712
1 000 000
314 × 14 3
单
熔融盐
3
10/ 520 1113
Φ511 × 12 6 双 混合盐
107 10/ 565 / 760 × 580
302 ? ?
沈阳工程学院学报 ( 自然科学版)
第2卷
随着 《可再生能源法》 的实施 , 中国的光伏市场会很快 地发展起来 . 我国光伏产业链的发展极不平衡 , 大多数光伏企 业通过外购电池片封装加工组件 . 电池制造主要以无 锡尚德公司 、 保定天威公司为主 , 它们的生产能力为 40～50 MW/ a. 目前我国已具有超
过 100 MW/ a 的太 阳能级单晶硅棒的制造能力 ,但 90 %的硅棒出口到日 本和欧洲 . 我国硅片切割能力很小 ,太阳能级硅片的年 切割能力为 40 MW 左右 . 同时 , 太阳能级多晶硅原料 的提炼在我国尚属空白 . 与国际相比 ,我国光伏产业的 技术支撑较差 ,无论是材料 、 、 、 设备 工艺 检测手段等方 面都缺乏研究的投入 ,特别是缺乏人才 . 412 尚德太阳能电池 尚德太阳能电力有限公司 , 已进入国际太阳能电 池制造业前 18 名 ,并拟订了向世界前 5 名冲刺的中期 目标 . 该公司的生产水平处于国内领先 、 国际先进地 位 ,这主要体现在电池转换效率和制造成本 2 个方面 . 高效单晶硅电池的典型参数为开路电压 ( Voc ) 620 mV ; 电 流 密 度 ( Isc ) 36 mA/ cm3 ; 填 充 因 子 ( FF ) 为 77 % ;转换效率为 1515 %. 单晶硅和多晶硅太阳能电 池的平均转换效率分别为 1615 %和 15 %. 由 72 片单 晶或多晶电池 ( 125 mm × 125 mm) 做成的组件均超过
180 Wp . 尚德公司目前采用 2 种手段降低太阳能电池
能光电灯安装在滨州市 —— — 旅游度假村 , 使其成为目 前我国安装太阳能光电灯数量最多 、 规模最大的电灯 照明节能工程之一 , 它让太阳能光电灯大规模替代电 灯成为了现实 . 该公司除庭院灯 、 草坪灯 、 次干路灯 、 交 通灯等 100 多种灯饰产品外 , 还可根据顾客要求提供 个性化的光电解决方案 . 3) 深圳光伏并网发电系统 . 深圳国际园林花卉博 览园太阳能光伏并网发电系统分布于园内的标志性建 筑圆形屋顶 ,总覆盖面积 5 325 m2 ,发电总容量达到 1 MW. 它是由我国和英国合作建设的 ,2004 年 8 月 30 日竣工投产 ,2005 年 1 月该博览园正式对外开放 . 它 是目前中国乃至亚洲总装机容量最大的并网光伏发电 系统 ,也是世界上为数不多的兆级大型太阳能光伏发 电系统之一 . 它采用 4 000 多个 B P 太阳能单晶及多晶 光伏组件 ( 160 W 和 170 W 组件 ) 将太阳光能转换成 电能 ,并与深圳电网并网运行 ,年送电 100 万 kWh. 该 系统装配 24 个从 215～90 kW 容量不等的逆变器 ,以 使损失最小 ,同时实现自动控制和降低成本的目标 . 4) 敦煌 8 000 MW 光伏并网发电系统 . 2004 年 9 月 ,甘肃敦煌 8 000 kW 光伏并网发电系统通过了预可 研评审 ,并向国家发改委上报了项目建议书 ,如项目顺 金的预期投资收益率为每年 80 %. 成本 : ① 降低硅片厚度 , 从 330 μm 降低到 250 μm , 并 控制生产过程中的破碎率 ; ② 在不提高制造成本的情 况下 ,提高电池转换效率 . 公司要求 ,到 2010 年单晶和 多晶电池转换效率分别达到 20 %和 17 %.
5 我国的光伏发电站
目前 ,我国利用太阳能光伏发电已为 16 万无电户 解决了用电问题 ,全国已建设多座光伏电站 ,总容量为 50 MW ,主要为边远地区居民供电 . 近来 , 一些城镇也
结合房屋建筑安装了一些并网光伏电站 . 1) 西藏安多县光伏发电站 . 安多县光伏电站已运 行 5 年多 ,容量为 100 kW ,是目前我国最大的 、 设备配 套最完善的 、 应用技术最先进的独立运行的实用光伏 电站 . 该电站是我国第一个也是惟一一个自行设计 、 施 工完成的大型光伏发电系统 . 在此基础上 ,配合相当完 整的高低压输配电系统 , 形成了我国乃至世界上惟一 的以光伏发电为核心的独立运行的电力系统 . 同时 ,由 于其地处海拔 4 800 m 的青藏高原 , 使之成为世界上 海拔最高的大型光伏电力系统 . 2) 山东皇明太阳能公司 . 该公司将 300 多盏太阳
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利建成 ,将成为世界上最大的并网光伏电站 . 该项目选 址于敦煌市七里镇西南的砂砾戈壁滩 , 采用 “集中安 装 ,多支路上网” 技术方案 , 项目总投资 32 247 万元 , 装机容量 8 000 kW , 年均发电量 1 280 万 kWh , 在获 得税收优惠和补贴的条件下 ,上网电价将为 11683 元/ kWh ,如参与分红的资本金比例为 70 % , 则分红资本
6 我国中长期光伏并网发电发展规划
到 2010 年要建立 2 个 5 000 kW 的荒漠并网光伏 示范电站 , 到 2020 年要建立 20 座万 kW 级的荒漠并
网光伏电站 ,国家发改委计划到 2010 年和 2020 年 ,光 伏发电装机容量要分别达到 600 MW 和 1 600 MW. 而中科院和中国太阳能学会的一些专家更是希望到 2020 年实现 30 000 MW 的光电装机容量 , 届时光伏 发电量可达到国内总用电量的 1 %.
7 几点建议
1) 积极发展我国光伏产业 . 在世界经济一体化和
WTO 的原则下 ,国外的光伏市场可以拉动我国光伏产
业的发展 ,但拉动不了我国的光伏市场 . 在目前我国尚 未出台光伏市场政策法规的情况下 , ( 下转第 344 页)
http://www.cnki.net
344 ? ?
沈阳工程学院学报 ( 自然科学版)
第2卷
Study on single station passive location method based on TDOA and DOA measurement QIAO Liang
( Ea st China University of Science &Technology ,Shanghai 200072 ,China ) Abstract : Passive locating and t racking technologies for mobile target in space are t he key problems in recent years. tion prospect s. Discusses a new met hod to locate and t rack mobile target by immovable single station ,which is based on t he information of arrival time difference and arrival direction of emitter signal. On t he basis of building target movement model and measuring equation ,applying M GE KF algorit hm ,realizes t he locating and t racking for mobile and effectiveness of t his met hod. These technologies have been widely applied in t he fields of aviation ,cont rol and guidance ,and have expansive applica2 Key words : single station passive location ;M GE KF ;azimut h angle ;elevation angle ;azimut h angle changing rate (上接第 302 页 ) 应充分利用国际市场快速发展的机
target . Discusses many technology problems ,location principle and algorit hm. By simulation ,validates t he correct ness
遇 ,积极发展光伏产业 ,为我国光伏市场的大发展做好 产业准备 ,避免出现类似 “送电下乡” 工程 90 %以上光 伏电池来自国外的局面 . 应实现光伏产业及其产业链 的产业联盟 ,技术研发单位和企业应相互合作 ,优势互
类型和成本水平 ,确定不同的上网电价 ,营造清洁电能 的市场公平竞争法则 . 4) 积极营造光伏发电市场环境 . 在目前的市场条 件下 ,应加强宣传和政策扶持 , 降低投资风险 ; 应先建 示范站并网发电 ,待取得经验后 , 再逐步推广 , 以营造 市场环境 . 参考文献
补 ,实现共赢 , 只有这样才能使我国光伏产业做大做 强. 2) 尽快出台扶持和优惠政策 , 建立太阳能光伏发 电补贴基金 ,以补贴电价 ; 同时给予无息贷款 , 加快偿 还期 ; 实施减免税收等优惠政策 , 使其成本降低 , 使之 快速发展 . 3) 尽快实施 《可再生能源法》 对可再生能源发电 , 实行 “强制上网” 和分类上网电价制度 , 即按照风力发 电、 太阳能发电 、 小水电 、 生物质能发电等不同的技术
[ 1 ] 吴红清 . 太阳能光伏工程应用 [ G]/ / 江苏能源研究会 . 江苏 省能源研究会学术年会论文集 . 无锡 : 江苏能源研究会 , 2004. [2 ] 张耀明 . 塔式太阳能热发电系统研究进展 [ G]/ / 江苏能源 研究会 . 江苏省能源研究会学术年会论文集 . 无锡 : 江苏能
源研究会 ,2004. [3 ] 王建华 . 新能源发电战略 [J ] . 能源研究与利用 ,1999 ( 2 ) : 40 - 42.
Make f ull use of our country’ solar energy resource , s develop solar energy photovoltaic industry
XU Hai - rong1 ,ZHONG Shi - ming2
put s forward t he suggestions to quicken t he development of photovoltaic indust ry and it s market . Key words : solar energy ;t hermal power generation ;photovoltaic power generation
Abstract : Int roduces t he dist ribution sit uation of solar energy resource ,combining t he examples summarizes t he de2 velopment sit uation of solar energy generation ( including t hermal power generation and photovoltaic power genera2 tion) . On t he basis of t his ,int roduces emphatically t he principle ,indust ry foundation of photovoltaic power genera2 tion ,as well as t he sit uation of photovoltaic power generation in our count ry. Combining t he sit uation of our count ry ,
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( 11Nanjing Thermal Power Engineering De sign Institute ,Nanjing 210011 ,China ;21 Southea st University ,Nanjing 210096 ,China )
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