《风力发电原理》教案(2014版)
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全国风能实际可开发量为 2.53×1011W 有效风能密度和可利用的年累计小时两个指标表示 等级 风资源丰富区 风资源次丰富区 风资源可利用区 风资源贫乏区 年有效风功率密 度 W/m2 >200 200-150 150-100 <100 风速年累计小时数 h >5000 5000-4000 4000-2000 <2000 年平均风速 m/s >6 5.5 5 4.5
1.3 风能的数字描述
1.3.1 风特性 100m 高度以下的地表层的风 风特性分为平均风特性和脉动风特性 平均风特性包括： 平均风速 平均风向 风速轮廓 风频曲线 脉动风特性包括： 脉动风速 脉动系数 风向 湍流强度 平均风速和风向 瞬时风速由平均风速和脉动风速组成： V t V V t
10
1.3.2 风能公式 1. 空气密度
2.
p 0.378e 1.276 1 0.00366t 1000
p—气压，hPa t—气温，℃ e—水汽压，hPa 风的统计特性的重要形式是风速的频率分布， 资料的长度至少有 3 年以上的观测记 录，风电场前期的风资源测量工作要求 1 年以上，且数据的完成率为 95% 风速的统计特性 威布尔分布
2.
山谷风
3
1.1.3 风力等级 根据风速大小来划分的。 国际上采用英国人蒲福于 1805 年所拟定的， 称为 “蒲福风级” 。 从静风到飓风共分为 13 级。1946 年以来风力等级修改，由 13 级变为 17 级。 风 级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 称谓 无风 calm 软风 light air 轻风 slight breeze 微风 gentle breeze 和风 fresh breeze 清风 strong breeze 强风 near gale 疾风 gale 大风 strong gale 烈风 violent strom 狂风 storm 暴风 violent storm 飓风 hurricane 一般描述 烟直上 仅烟能表示风向，但不能转动风标 人面感觉有风， 树叶摇动， 普通之风标转动 树叶及小枝摇动不息，近期飘展 尘土及碎纸被风吹扬，树分枝摇动 有叶小树开始摇摆 树木枝摇动， 电线发出呼呼啸声， 张伞困难 小树枝被吹折，步行不能前进 建筑物有损坏，烟囱被吹倒 树被风拔起，建筑物有相当破坏 极少见，如出现必有重大灾害 m/s <0.3 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 32.7-36.9
P x
k x cc
k 1
x k exp c
其中，k 和 c 为威布尔分布的两个参数，k 称为形状参数，c 称为尺度参数
c=1，标准威布尔分布 k=1，指数型；k=2，瑞利分布；k=3.5，正态分布 风速频率分布一般为偏态，风力愈大的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移
第 1 章 绪论
风力发电过程中，风轮将风能转化机械能，发电机将机械能转化电能 在能量转化与传递过程中，风能的特性是决定因素 自然风是一种随机的湍流运动，影响风电机组中机械设备、电气设备的稳定性，对电网 造成冲击 风能是太阳能的一种表现形式 风能密度高低关系到风电度电成本高低
1.1 风的形成
5
1.2 风能资源
1.2.1 风能的特点 在 1 个标准大气压、0℃条件下，空气的密度是淡水密度的 1.293‰，淡水密度是空气密 度的 773.3 倍 风能资源的储量取决于这一地区风速的大小和有效风速的持续时间 风吹过后必须经过前后、左右各 10 倍直径距离后才能恢复到原来的速度 理论开发风能储量： R W S / 100a 实际可开发量： R 0.785R / 10
3.
风能公式 风能： E
1 1 mV 2t AV 3t d 2V 3t W h 2 2 8
温度不是独立参量，而是系统的几何参量、力学参数、化学参数和电磁参量的函数 大气运动遵循大气动力学和热力学变化的规律。空气运动与大气压力的分布及变化 静力学方程： dp pgdz 当 dz>0 时，dp<0，即气压是随高度的增加而减小的。 气压随高度增加而减少的快慢主要取决于空气的密度。 某一高度 z 上的气压等于从该高度直到大气上界的单位截面积空气柱的重量。 这是 大气静力学气压定义。 单位气压高度差（气压差） ：在垂直气柱中，每改变单位气压时所对应的高度差 1. 2. 3.
生产中用到图种类 风速分布图 风功率密度分布图
9
4.
风速功率密度月变化图 风速功率密度日变化图 风向玫瑰图 风功率玫瑰图 风速和功率分布 月风向玫瑰图 月风能玫瑰图 月风速功率玫瑰图
平均风速随高度变化 在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律称为风剪切或风速廓线 风速廓线符合对数律分布或指数分布 对数律分布 在近地层中，造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素
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Leabharlann Baidu
1.
平均风速： V
1 t2 V t dt t 2 t1 t1
2.
不同时距计算平均风速时，其值不同，时距 10min 到 1h 范围内功率谱曲线比较平 坦 我国规范规定的时距为 10min 我国规范规定的高度为 10m 平均风向 风向一般由 16 个方位表示，即北东北（NNE） 、东北（NE） 、东东北（ENE） 、 东（E） 、东东南（ESE） 、东南（SE） 、南东南（SSE） 、南（S） 、南西南（SSW） 、 西南（SW） 、西西南（WSW） 、西（W） 、西西北（WNW） 、西北（NW） 、北 西北（NWN） 、北（N） 。静风记为 C 平均风向 以正北为基准，顺时针，东风为 90°，南风为 180°，西风为 270°，北风为 360° 脉动风速 在某时刻 t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值，其时间的平均值为零：
2.
2p 1 p p0 p V 2 1 c V 2 1 c
1/ 2
3.
散热式风速计：被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关 声学风速计 2. 风速记录 机械式，电接式，电机式，光电式 3. 风速表示 风速大小与风速计安装高度和观测时间有关 高度：10m 时间：2min，10min 和瞬时风速。风能资源计算时选用 10min 平均风速 风向测量 分类：单翼型、双翼型和流线型等 组成：尾翼、指向杆、平衡锤和旋转主轴 传送和指示方法：电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘。最常用的是光电码 盘 风向杆的安装方位指向正北
风力等级换算
V N 0.1 0.824 N 1.505 V N max 0.2 0.824 N 1.505 0.5 N 0.56 V N min 0.1 0.824 N 1.505 0.56
4
1.1.4 风的测量 1. 测风系统 风的测量包括风向测量和风速测量 风向测量：风的来向 风速测量：单位时间内空气在水平方向上所移动的距离 组成 传感器：将模拟信号转换成数字信号。包括：风速传感器、风向传感器、温度传感 器、气压传感器 主机：对传感器发出的信号进行采集、计算和存储，由数据记录装置、数据读取装 置、微处理器、就地显示装置组成 数据存储装置： 电源：提高系统工作可靠性，要求两备用电源 安全与保护装置：要求在输入信号和主机、环境之间增设保护和隔离装置。提高数 据准确的可靠性 风速测量 1. 风速计 旋转式风速计：风杯和螺旋桨叶片，最常用的传感器是风杯 压力式风速计：利用流体的全压力与静压力之差来测定风的动压
u
u* Z ln K Z0
u*
指数律分布
0
Zn un u1 Z 1
类别 A B C D α 值的变化与地面粗糙度有关 α值 0.12 0.16 0.20 0.30 场所
近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠 田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市 郊区 密集建筑物群的城市市区 密集建筑群且建筑面较高的城市市区
1
三圈环流
2
1.1.2 季风环流 季风环流 季风：在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季风变化。这种在一年 内随着季节的不同，有规律转变风向的风 东北亚季风和南亚季风对我国天气气候变化都有很大影响 形成季风环流的因素： 海陆差异：冬季，风从大陆吹向海洋；夏季，风从海洋吹向大陆 行星风带的季节转换转换：5 个风带在北半球的夏季向北移动，冬季向南移动 地形特征：青藏高原 季风指数 它是由地面冬夏盛行风向之间的夹角来表示的，当夹角在 120°-180°之间，认为是 属于季风，然后 1 月和 7 月盛行风向出现的频率相加除以 2，即 I=（f1+f2）/2 为 季风指数 I>40%季风区 I=40%-60%为较明显区季风区 I>60%为明显季风区。 2. 局地环流 1. 海陆风：以日为周期（湖陆风） 1.
h
1. 2.
dz 1 8000 1 t dp g p
气压愈低（即温度愈高） ，单位气压高度差愈大 温度愈高，单位气压高度差愈大
1.1.1 大气环流 环流原因：日地距离和方位不同，所接受的太阳辐射强度各异 科氏力：由于地球自转形成的地球偏向力的存在，这种力称为科里奥利力，简称偏向力 或科氏力。在此力作用下，在北半球使气流向右偏转，在南半球使气流向左偏转。
V ' t V t V
湍流强度：描述风速随时间和空间变化的程度，反映风的脉动强度，是确定结构所 受脉动风载荷的关键参数。 湍流强度 描述风速随时间和空间变化的程度， 反映风的脉动强度， 是确定结构所受脉动 风载荷的关键参数。 湍 流 强 度 ： 10min 时 距 的 脉 动 风 速 均 方 根 与 平 均 风 速 的 比 值 ：
8
u' v' w' / 3 u' v' w' / 3
2 2 2 2 2 2
u v w
2
2
2
V
3.
与离地高度与地表面粗糙度有关 阵风因子：阵风持续期内平均风速的最大值与 10min 时距的平均风速之比 持续期越大，对应的阵风因子越小 阵风系数同湍流强度有关，湍流强度越大，则阵风系数越大 湍流功率谱密度 形成原因： 许多不同尺度的涡运动组合而成的， 空间某点的脉动风速是由不同 尺度的涡在该处形成的各种频率的脉动叠加而成的 作用：描述涡流中不同尺度的涡的动能在湍流脉动动能所占的比例 平均风速和风向的表示 风（向）玫瑰图：根据各方向风出现的频率按相应的比例长度绘制在图上 盛行风向 风向旋转方向 最小风向频率 平均风速和风向的表示 风能玫瑰图：反映风能资源，包含风向和风速的信息 风向频率：在一段时间内各种风向出现的次数占观测总次数的百分比 风速频率： 在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的 百分比。 直线的长度表示一年内这个方向的风的时间百分数
风资源丰富区 东南沿海、山东和辽东 半岛沿海及岛屿 内蒙古和甘肃北部 松花江下游地区
风资源次丰富区 沿海地区 三北地区 青藏高原中部和 北部地区
风资源可利用区 两广沿海 大、小兴安岭山地 三北中部
风资源贫乏区 以四川为中心 雅鲁藏布江河谷 塔里木盆地西部
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1.2.2 中国风能资源分布特点
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全国风能实际可开发量为 2.53×1011W 有效风能密度和可利用的年累计小时两个指标表示 等级 风资源丰富区 风资源次丰富区 风资源可利用区 风资源贫乏区 年有效风功率密 度 W/m2 >200 200-150 150-100 <100 风速年累计小时数 h >5000 5000-4000 4000-2000 <2000 年平均风速 m/s >6 5.5 5 4.5
1.3 风能的数字描述
1.3.1 风特性 100m 高度以下的地表层的风 风特性分为平均风特性和脉动风特性 平均风特性包括： 平均风速 平均风向 风速轮廓 风频曲线 脉动风特性包括： 脉动风速 脉动系数 风向 湍流强度 平均风速和风向 瞬时风速由平均风速和脉动风速组成： V t V V t
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1.3.2 风能公式 1. 空气密度
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p 0.378e 1.276 1 0.00366t 1000
p—气压，hPa t—气温，℃ e—水汽压，hPa 风的统计特性的重要形式是风速的频率分布， 资料的长度至少有 3 年以上的观测记 录，风电场前期的风资源测量工作要求 1 年以上，且数据的完成率为 95% 风速的统计特性 威布尔分布
2.
山谷风
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1.1.3 风力等级 根据风速大小来划分的。 国际上采用英国人蒲福于 1805 年所拟定的， 称为 “蒲福风级” 。 从静风到飓风共分为 13 级。1946 年以来风力等级修改，由 13 级变为 17 级。 风 级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 称谓 无风 calm 软风 light air 轻风 slight breeze 微风 gentle breeze 和风 fresh breeze 清风 strong breeze 强风 near gale 疾风 gale 大风 strong gale 烈风 violent strom 狂风 storm 暴风 violent storm 飓风 hurricane 一般描述 烟直上 仅烟能表示风向，但不能转动风标 人面感觉有风， 树叶摇动， 普通之风标转动 树叶及小枝摇动不息，近期飘展 尘土及碎纸被风吹扬，树分枝摇动 有叶小树开始摇摆 树木枝摇动， 电线发出呼呼啸声， 张伞困难 小树枝被吹折，步行不能前进 建筑物有损坏，烟囱被吹倒 树被风拔起，建筑物有相当破坏 极少见，如出现必有重大灾害 m/s <0.3 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 32.7-36.9
P x
k x cc
k 1
x k exp c
其中，k 和 c 为威布尔分布的两个参数，k 称为形状参数，c 称为尺度参数
c=1，标准威布尔分布 k=1，指数型；k=2，瑞利分布；k=3.5，正态分布 风速频率分布一般为偏态，风力愈大的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移
第 1 章 绪论
风力发电过程中，风轮将风能转化机械能，发电机将机械能转化电能 在能量转化与传递过程中，风能的特性是决定因素 自然风是一种随机的湍流运动，影响风电机组中机械设备、电气设备的稳定性，对电网 造成冲击 风能是太阳能的一种表现形式 风能密度高低关系到风电度电成本高低
1.1 风的形成
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1.2 风能资源
1.2.1 风能的特点 在 1 个标准大气压、0℃条件下，空气的密度是淡水密度的 1.293‰，淡水密度是空气密 度的 773.3 倍 风能资源的储量取决于这一地区风速的大小和有效风速的持续时间 风吹过后必须经过前后、左右各 10 倍直径距离后才能恢复到原来的速度 理论开发风能储量： R W S / 100a 实际可开发量： R 0.785R / 10
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风能公式 风能： E
1 1 mV 2t AV 3t d 2V 3t W h 2 2 8
温度不是独立参量，而是系统的几何参量、力学参数、化学参数和电磁参量的函数 大气运动遵循大气动力学和热力学变化的规律。空气运动与大气压力的分布及变化 静力学方程： dp pgdz 当 dz>0 时，dp<0，即气压是随高度的增加而减小的。 气压随高度增加而减少的快慢主要取决于空气的密度。 某一高度 z 上的气压等于从该高度直到大气上界的单位截面积空气柱的重量。 这是 大气静力学气压定义。 单位气压高度差（气压差） ：在垂直气柱中，每改变单位气压时所对应的高度差 1. 2. 3.
生产中用到图种类 风速分布图 风功率密度分布图
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风速功率密度月变化图 风速功率密度日变化图 风向玫瑰图 风功率玫瑰图 风速和功率分布 月风向玫瑰图 月风能玫瑰图 月风速功率玫瑰图
平均风速随高度变化 在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律称为风剪切或风速廓线 风速廓线符合对数律分布或指数分布 对数律分布 在近地层中，造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素
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Leabharlann Baidu
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平均风速： V
1 t2 V t dt t 2 t1 t1
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不同时距计算平均风速时，其值不同，时距 10min 到 1h 范围内功率谱曲线比较平 坦 我国规范规定的时距为 10min 我国规范规定的高度为 10m 平均风向 风向一般由 16 个方位表示，即北东北（NNE） 、东北（NE） 、东东北（ENE） 、 东（E） 、东东南（ESE） 、东南（SE） 、南东南（SSE） 、南（S） 、南西南（SSW） 、 西南（SW） 、西西南（WSW） 、西（W） 、西西北（WNW） 、西北（NW） 、北 西北（NWN） 、北（N） 。静风记为 C 平均风向 以正北为基准，顺时针，东风为 90°，南风为 180°，西风为 270°，北风为 360° 脉动风速 在某时刻 t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值，其时间的平均值为零：
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2p 1 p p0 p V 2 1 c V 2 1 c
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散热式风速计：被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关 声学风速计 2. 风速记录 机械式，电接式，电机式，光电式 3. 风速表示 风速大小与风速计安装高度和观测时间有关 高度：10m 时间：2min，10min 和瞬时风速。风能资源计算时选用 10min 平均风速 风向测量 分类：单翼型、双翼型和流线型等 组成：尾翼、指向杆、平衡锤和旋转主轴 传送和指示方法：电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘。最常用的是光电码 盘 风向杆的安装方位指向正北
风力等级换算
V N 0.1 0.824 N 1.505 V N max 0.2 0.824 N 1.505 0.5 N 0.56 V N min 0.1 0.824 N 1.505 0.56
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1.1.4 风的测量 1. 测风系统 风的测量包括风向测量和风速测量 风向测量：风的来向 风速测量：单位时间内空气在水平方向上所移动的距离 组成 传感器：将模拟信号转换成数字信号。包括：风速传感器、风向传感器、温度传感 器、气压传感器 主机：对传感器发出的信号进行采集、计算和存储，由数据记录装置、数据读取装 置、微处理器、就地显示装置组成 数据存储装置： 电源：提高系统工作可靠性，要求两备用电源 安全与保护装置：要求在输入信号和主机、环境之间增设保护和隔离装置。提高数 据准确的可靠性 风速测量 1. 风速计 旋转式风速计：风杯和螺旋桨叶片，最常用的传感器是风杯 压力式风速计：利用流体的全压力与静压力之差来测定风的动压
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u* Z ln K Z0
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指数律分布
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Zn un u1 Z 1
类别 A B C D α 值的变化与地面粗糙度有关 α值 0.12 0.16 0.20 0.30 场所
近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠 田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市 郊区 密集建筑物群的城市市区 密集建筑群且建筑面较高的城市市区
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三圈环流
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1.1.2 季风环流 季风环流 季风：在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季风变化。这种在一年 内随着季节的不同，有规律转变风向的风 东北亚季风和南亚季风对我国天气气候变化都有很大影响 形成季风环流的因素： 海陆差异：冬季，风从大陆吹向海洋；夏季，风从海洋吹向大陆 行星风带的季节转换转换：5 个风带在北半球的夏季向北移动，冬季向南移动 地形特征：青藏高原 季风指数 它是由地面冬夏盛行风向之间的夹角来表示的，当夹角在 120°-180°之间，认为是 属于季风，然后 1 月和 7 月盛行风向出现的频率相加除以 2，即 I=（f1+f2）/2 为 季风指数 I>40%季风区 I=40%-60%为较明显区季风区 I>60%为明显季风区。 2. 局地环流 1. 海陆风：以日为周期（湖陆风） 1.
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dz 1 8000 1 t dp g p
气压愈低（即温度愈高） ，单位气压高度差愈大 温度愈高，单位气压高度差愈大
1.1.1 大气环流 环流原因：日地距离和方位不同，所接受的太阳辐射强度各异 科氏力：由于地球自转形成的地球偏向力的存在，这种力称为科里奥利力，简称偏向力 或科氏力。在此力作用下，在北半球使气流向右偏转，在南半球使气流向左偏转。
V ' t V t V
湍流强度：描述风速随时间和空间变化的程度，反映风的脉动强度，是确定结构所 受脉动风载荷的关键参数。 湍流强度 描述风速随时间和空间变化的程度， 反映风的脉动强度， 是确定结构所受脉动 风载荷的关键参数。 湍 流 强 度 ： 10min 时 距 的 脉 动 风 速 均 方 根 与 平 均 风 速 的 比 值 ：
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u' v' w' / 3 u' v' w' / 3
2 2 2 2 2 2
u v w
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2
2
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3.
与离地高度与地表面粗糙度有关 阵风因子：阵风持续期内平均风速的最大值与 10min 时距的平均风速之比 持续期越大，对应的阵风因子越小 阵风系数同湍流强度有关，湍流强度越大，则阵风系数越大 湍流功率谱密度 形成原因： 许多不同尺度的涡运动组合而成的， 空间某点的脉动风速是由不同 尺度的涡在该处形成的各种频率的脉动叠加而成的 作用：描述涡流中不同尺度的涡的动能在湍流脉动动能所占的比例 平均风速和风向的表示 风（向）玫瑰图：根据各方向风出现的频率按相应的比例长度绘制在图上 盛行风向 风向旋转方向 最小风向频率 平均风速和风向的表示 风能玫瑰图：反映风能资源，包含风向和风速的信息 风向频率：在一段时间内各种风向出现的次数占观测总次数的百分比 风速频率： 在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的 百分比。 直线的长度表示一年内这个方向的风的时间百分数
风资源丰富区 东南沿海、山东和辽东 半岛沿海及岛屿 内蒙古和甘肃北部 松花江下游地区
风资源次丰富区 沿海地区 三北地区 青藏高原中部和 北部地区
风资源可利用区 两广沿海 大、小兴安岭山地 三北中部
风资源贫乏区 以四川为中心 雅鲁藏布江河谷 塔里木盆地西部
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1.2.2 中国风能资源分布特点
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