太阳能光伏应用中的蓄电池研究

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第 ３ 卷 第 １ ６ 期　
２ ０ｊ ０ １年
电　
池
Ｖ０ ． ６ １ ３ ．Ｎｏ １ ． Ｆ ｂ ，０ ６ ｅ ．２ ０　
２月　
ＢＡＴＴＥＲＹ Ｂ Ｍ ＯＮＴＨＬＹ Ｉ
太 阳能 光伏 应 用 中 的蓄 电池研 究　
陈 维　一沈 ． ， 辉　
（． １ 中山大学太阳能系统研究所， 广东 广州 ５０７ ； ．中国科技 大学热科 学和能源工程系， １２５ ２ 安徽 舍肥 ２０２ ） ３０６
摘要 ： 分析 了 在光 伏应用中的蓄 电池的主要 特 点。 阐述 了当前在 太 阳能光伏 系统 中主要使 用 的蓄电池是 铅 酸、 ｄＮ、 并 Ｃ／ ｉ ＭＩ Ｎ 电池 ， 和比较 了价格 、 Ｌ ｉ ／ 分析 充放 电效率、 放 电和寿命等基 本性 能， 于光伏 系统 中对 蓄 电池 的性 能和寿命有 重大 自 对
影响的因素 （ 电深度、 放 充放 电电流和工作温度等） 进行 了分析 。 关键词 ： 光伏 系统 ； 蓄 电池 ； 太阳能
中围分类号 ： Ｍ １．。 Ｍ １ Ｔ ９４４ Ｔ ９２
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： ０ —１７（０６０ — ０７ ０ １ １ ５９２０ ）１ ０６ — ２ ０
Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｔ ｒ ｇ ａ ｔｒｅ ｎ ｐ ｏ ｏ ｏｔ ｉ　ｙ ｔｍ ｐ ｉａ ｉｎ ｒ ｓａ ｃ ｆｓｏ ａ ｅｂ ｔｅ ｉｓ ｉ ｈ ｔ ｖ ｌａｃ ｓ ｓｅ
Ｃ ＨＥＮ Ｗ ｅ　一 Ｓ ｉ．， ＨＥＮ Ｈｕ ｉ
（ ． ｏａ　ｙｔｍ Ｒｓ ｒｈＩｓ ｔｔ， ｕ ａ—ｅ ｎｖｒｉ ，Ｇ ａｇ ｈ ｕ ｕ ｎ ｄ ｎ １２５ ｈｎ ； ． ｅａ ｔ ｎ ｏ １ Ｓ ｌｒＳｓ ｅ ａｃ　ｎｔ ｕｅ Ｓ ｎ Ｙ ｔ ｎＵ ｉ ｓｙ ｕ ｎ ｚｏ ，Ｇ ａｇ ｏｇ ５ ０ ７ ，Ｃ ｉ ２ Ｄ ｐ ｒ ｔｆ ｅ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｔ ａ ｍｅ Ｔｅｍａ　ｃ ｎｅ ｎ ｎｒｙＥ ｇｎｅｉ Ｕ ｉｅ ｉ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈｏｏｙｏ　ｈｎ ，ｎｆｉ ｈｒ ｌ ｉ ｃ ｄＥ ｅｇ ｎ ｉｅｒ ｇ， ｎｖｒ ｔ ｏ Ｓｉ ｃ ｄ Ｔｃｒｌ Ｃ ｉａ ｅｅ，Ａｎ ｕ ２ ０ ２ ，Ｃ ｉ ） Ｓｅ ａ ｎ ｓｙｆ ｅ ａ ｉｇ ｆ ｈ ｉ ３０ ６ ｈｎ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｅ ｔｒ　ｏ　ｔｒｇ　ａｔｒ ｓｕｅ ｈ ｔｖ ｈａ ｙ ｔｍｓｗａ　ｅｃ ｂ ｄ． ｉ　ｔｒｇ ａｔｒ ｓｄｉ　ｈ ｔｖ ｈ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｅｆａｕｅｆｒｓｏａｅｂ ｔ ｉ ｓｄｉ ｐ ｏｏ ｏ ｉ ｓｓｅ ｇｄ ｓｒ ｅ Ｍａｎｓｏ ａ

ｅｂ ｔｅｉ ｕ ｅ ｐ ｏｏ ｏ ａ ｅｅ ｎ ｅ ｉ ｓ ｅ ｎ ｉ
ｓ ｓ ｍ ，ｓ ｃ ８ｌａ ｃｄ， Ｎ ／ ｎ ／ Ｈ ａ ｔｒｅ ｅ ｅ ｄ ｓｒｂ ｄ ｉ ｅ ａｌ ｔ ｅｒ ｍａｎ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｓ ｃ ８ｃ ｓ ， ｈ ｒ ｅ ｙｔ ｅ ｕ ｈａ ｄ ａｉ ｅ ｉ Ｃｄ ａ ｄ Ｎｉ Ｍ ｂ ｔｅ ｉｓ ｗ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｄ ｔｉ， ｈ ｉ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｕ ｈ ａ ｏ ｔ ｃ ａ ｇ － ｉ ｉ ｃ
ｄｓａｇ　ｆｃ ｎ ｙｓｌｄ ｈ ｇ　ｎ　ｆｔ ｅｗ ｒ ａａｙｅ　ｎ　ｏ ａｅ ． ｈ ｆ ｅ ｃｓ（ ｓｈｒｅｄｐｈｃａｇ－ ｓｈ ｇ ｒ ｉ ｒ ｅ ｆｉ ｃ ， ｆ ｉ ａ ｅ ｄｌｅｉ ｅｅ ｎｌｚｄａ ｄ ｍｐｒｄ Ｔ ｅｎ ｕｎｅ ｄ ｃａｇ　ｅ ｔ，ｈ ｅｄ ａ ｅｃ — ｈ ｅ ｉｅ ｅ－ｓ ｒ ａ ｉ ｍ ｃ ｃ ｉｌ ｉ ｒ ｉ ｒ ｃ ｕ　
ｒｎ，ｐ ｒｔ ｇｔ ｅｒｔｒ）ｉ ｐｏｏ ｏ ａ ｓ ｍ ｎｔｅｐｒ ｒ ｎｅａｄｌｅｉ ｅｏ ｏａｅｂｔ ｒｓｗ ｒ ｓｕ ｅ ． ｅｔｏｅａ ｎ ｍｐ ａｕｅ ｎ ｈ ｔｖｈ ｃｓ ｔ ｓ ｈ ｆ ｍａｃ　ｎ　ｆ ｍ ｆ ｔｒｇ　ａｔ ｉ ｅｅ ｔｄｄ ｉ ｅ ｉ ｙｅ ｏ ｅ ｏ ｉｔ ｓ ｅｅ ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｈ ｔｖｈａｃｓｓｅ ｙ ｗｏ ｄ ｐ ｏｏ ｏ ｉ ｙｔｍ； ｓｏａ ａｔｒ ； ｓｌｒｅ ｅｇ ｔｒｇ ｂ ｔｅｉ ｅ ｓ ｅ ｏａ　ｎ ｒｙ
在独立 的光伏系统 中， 产生 的 电能 不能一直满 足用 电负载　
～
０ ０ 很少达到 ０ １ ． … ； ．２ Ｃ， ． ～０２ Ｃ ③放 电电流小 ， 电倍率通 放
的需求， 需要用储能装置进行能量调节。在光伏系统中， 蓄电　
池 的主要作 用是 ： ①储 存 能量 。在 大部 分独立 光伏 系统 中 ， 光　
常为 ００４ ０００ｃ 但放电时间长、 ． ～ ． ， ０ ５ 频率高， 蓄电池长时间处　
于放 电状 态， 有时候甚至 出现过 放 电； ④相对 于放电时 间来讲 。
一
伏 阵列产能和负载用 电不一致 ， 晚上 或多 云等情 况下 。 伏 在 光 阵列不能提供足够的能量而用 电负载又必 须工作 时， 电池 是 蓄 必要 的。②对太 阳电池 的工 作 电压 的钳位作 用。太 阳电池 的　
工作特性受太 阳辐 照度 、 度等影 响很 大 ， 阳电池组 件 直接 温 太
次 充电时间较 短 。 即使长 的时候 也仅为 白天 ， １　， 约 ０ｈ光伏系　
统很少 能完全 、 速地给 蓄 电池充 满电 ， 电池往往 会处 于欠 快 蓄
充 电状 态 ； ⑤除大 型光伏 电站 有专 门的放 置蓄 电池 的房间 ， 能 做到较

好 的维 护以外 。 其他光 伏系统 。 如太 阳能路灯、 草坪灯等　
连接负载时。 负载常常不能处在最佳工作点附近。 系统效率低，
雨蓄电池对 太 阳电池 的工作 电压具有钳位 作用 ， 能够保证 光伏　
使用的蓄电池 ， 工作环境都较恶劣。 经常在夏季高温和冬季低　
温条件下工作。
阵列处在最佳工作点附近。③提供启动电流。由于受到最大 短路电流的限制， 光伏阵列可能不能满足负载的启动电流要　
求， 而蓄电池 能够在 短时间内提供大 电流给负载启动。
２ 目前光伏系统中常用的蓄电池
２ １ 铅酸蓄 电池 ． 广泛用于光伏系统 中的铅酸 蓄电池 ， 主要是 固定 式铅酸蓄　
１ 光伏系统中蓄电池的使用环境　
应用于光伏系统 中的蓄 电池与其 他用 途 时的工作 特 点不　
电池 、 型阀 控密 封铅 酸 蓄电 池及 小 型 阀控密 封 铅酸 蓄 电 工业
池。
同。 这些特点对蓄电池性能有很 大 的影 响。光 伏系统 中的蓄 电
池工作特点是 ： 晚上 以及 阴、 ① 雨天放 电 。 白天充 电， 属于循 环、
２ １１ 影 响铅酸 蓄电池寿命 的因素 ．．
作为光伏发电中的关键部件 ， 蓄电池的失效和寿命短是阻　
碍光伏独立发 电系统推广 的原因之一 。光 伏发电系统 中， 响 影
浮充混合工 作方式 ； 充 电倍 率低 ， 均充电 电流一般 为 ＯＯ ② 平 ．１
作者简介 ： 陈 ￣（９ ７ ， 湖北人 ， １７ 一） 男， 中国科技 大学热科 学和能 源工程 系博士生 ， 究方向 ： 阳能光伏应用； 研 太 沈 辉 （９ ６ ， 江苏人 ， １５ 一） 男， 中山大学太阳能系统研 究所教授 ， 究方 向 ； 研 太阳能光伏应 用， 本文联 系人。 基金项 目： 国家“ 十五” 攻关项 目（０４ Ａ １Ａ ９ ２ ０ Ｂ ４ １ １ ） 广东省科技计 划项 目（０ ４ １０ ５ ０ ） ２ ０ Ｂ ４ ０ ，０ ４ Ａ １ Ａ ９ ， １ ２０ Ａ ０ ０２ １
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电 池 Ｂ Ｔ ＲＹ Ｂ ＭＯ Ｔ Ｙ ＡＴ Ｅ Ｉ Ｎ ＨＬ
第３ ６卷　
铅 酸蓄电池寿命 的因素主要有 ：
袭 １ 光伏系统用蓄电池的比较 ｂｅｌ ｏ ａｉ ｏ ｆｓｏａ ｅｂ ｔｅｉ ｓｄｉ ｐ ｏｏ ｏ ｉ ｙｔｍ ｓ ｅ ｎ ａ 放电深度 ： 蓄电池循 环使 用时 ， ， 在 寿命 主要决 定于 放 电 Ｔａ ｌ Ｃ ｍｐ ｒ ｉｎｏ　ｔｒｇ ａｔｒ ｓｕｅ ｈ ｔｖｈａｅｓ ｓｅ
深度… 。蓄电池正极活性物质 Ｐ Ｏ 在充放电过程中， １ ｂ２ 将反复 发生收缩和膨胀， Ｐ

Ｏ 粒子逐渐松弛， 使 ｂ２ 易于从板栅上脱落。
随着放电深度 的增 加 ， 收缩 和膨胀 的 程度 增大 ， 结合 力 的破坏 变大 ， 使得蓄电池的循环寿命变短。 ｂ 长期欠 充电 ： ． 由于太 阳能资源 的随机性 ， 系统应用 光伏 中的蓄 电池常难 以得 到完 全 的再 充 电 ， 往处 于欠 充 电状 态 ， 往
导致蓄电池发生酸分层。极板上硫酸浓度的不同分布， 将导致　
正极板腐蚀和膨胀 ， 负极板底部硫酸盐化＿ 。 ２ Ｊ ｃ 小电流放 电： 系统 中 ， 电池 的放 电 电流通 常较小 ， ． 光伏 蓄 根据 蓄电池放 电时 Ｐ Ｓ ４ ｂ ｏ 的结晶机 理 ， 电池小 电流放 电时 ， 当 形成 的 ＰＳ ４ ｂ０ 晶体颗粒 数 目 少、 较 尺寸 较大 ， 充 电时会加 速 再 极板 的极化 ， 响蓄 电池 的寿命 。 影 ３ Ｊ ｄ 过充电 ： 充电 时， ． 过 正极 活性物 质会受气 体的 冲击 而脱　
落 ， 电池寿命 缩短 。 蓄
１ Ｏ ）８ ％赦 电深度 时的寿命　
都 具有一定 的耐过放能力 ， 能够完全放 电。在完全放电（ 终止电 压 １ ～１１ ）深循环的条件下 ， ． ．ｖ 、 ０ 也有很好 的寿命 。当应用 于 太 阳能草坪灯 时 ， 只需 要 为系 统设 计合 适 的太 阳能 电池板 容　
量， 而不需要过充、 过放电保护电路 ， 这使得系统成本降低。锂 离子电池的效率最高， ９ ％；ｄＮ 电池为 ６％ 一 ５ Ｍ ／ 为 ５ Ｃ／ ｉ ７ ７％； Ｈ
Ｎ 电池只有 ６ ％， ｉ ６ 相对于铅 酸蓄 电池 的 ９ ％明显偏低 。锂离 ０ 子 电池的寿命 最长 ， Ｈ Ｎ 电池 和 Ｃ／ ｉ Ｍ ／ｉ ｄＮ 电池 的循环使 用寿命 也长于小型 阀控密封铅 酸蓄 电池。ＭＨ Ｎ 电池 和 Ｃ ／ ｉ ／ｉ ｄＮ 电池　
ｅ 温度影 响 ： ． 温度升 高 ， 会引起 蓄 电池 失水 干涸、 热失 控 ， 影响寿命。在设计太 阳能光伏 系统时 ， 应保 证蓄电池有 良好 的 工作环境 ， 工作温度控制在 ２ Ｏ一３ Ｏ℃， 能延 长铅酸蓄电 池的寿　
命。
的自 放电率比较高， 而在光伏系统中常用的固定式和密封铅酸　
蓄 电池的 自放电率只有 ５ 月。 ＭＨ Ｎ 电池和 Ｃ ／ ｉ ％／ ／ｉ ｄ Ｎ 电池具　
有较好 的低温放 电特性 ， 即使是在 一 Ｏ℃的环境温度下 ， ２ 采用 ｌ Ｃ 电， ／ ｉ 放 ＭＨ Ｎ 电池放 出的容量 也 能达到 标称容 量的 ８％以 ５ 上， 因此在 高寒 地带使用 的光伏 系统 ， 一般使用 ＭＨ Ｎ 电池和 ／ｉ
Ｃ／ ｉ ｄ Ｎ 电池。
２ １２ 太 阳能光伏系统 中铅 酸蓄 电池 的设计 ．． 板栅材料对 蓄

电池 的寿命 和性能有 很大 的影 响 ， 作板栅 制
的合金材料通常有低锑 和铅钙合金 。低 锑合金 板栅抗拉 、 展 延
性好， 与活性物质有较好的结合力， 循环时不易变形， 循环性能 ４ 结语 良 铅钙台金板栅析氢电位高， 好； 充电时水的分解较少， 适台予 在独立太 阳能光伏系统中 ， 蓄电池是 仅次于太 阳电池组件 长期浮充使用 ， 但循环性能差 。大 型光伏 电站 中的蓄电池一 般 处于循环使用状态， 选用低锑合金板栅较好， 在小型光伏系统　
中使用 的阀控密封 铅酸蓄 电池 ， 一般 使用 Ａ ＧＭ 技术 的铅钙 合　
的重要组成部分 ， 也是对 系统性能 可靠 性影 响最大 的部分。蓄 电池的成本在光伏 系统 的寿命 期 内， 考虑更 换成本 ， 若 与太 阳
金。普通阀控密封铅酸蓄电池在光伏系统中使用寿命不理想， 为此， 一些公司在进行太阳能光伏系统专用的胶体铅酸蓄电池 研究［ ５ ４ 】 － 。由于胶体本身的固定作用 ， 胶体铅酸蓄电池内部几　
乎消除了电解液的分层 现象 ； 胶体 电池 比 Ａ Ｍ 电池有 更好 的 Ｇ
电池组件相差不大。发展新的储能技术和先进的控制技术 ， 是　
降低光伏系统成本的重要途径。目前还没有一种蓄电池适合　
所有的光伏 系统 ， 也有许 多因索影 响蓄 电池 的选择 和性能 。在 现阶段 ， 考虑到高 的性 价 比和可 靠性 ， 酸蓄 电池 是应 用最广 铅
深放电恢复特性。 在较高的环境温度下也有更长的使用寿命 ， 更适合太阳能光伏系统使用。
２２ Ｃ／ ｉ ， ｄ Ｎ 电池　
泛的， 在某些场合， Ｈ Ｎ 电池和 Ｃ／ ｉ Ｍ ／ｉ ｄＮ 电池将有很好的应用。
参考文献 ：
［］ Ｓｉｓ ， ａ ｎｏｉ ， ｒ ｉｉ ｅ ｅｖｅｉｔ ｅ ｆｅ ／ １ ｐ ｒ ＤＪ Ｒｓ ｋｓ Ｄ Ｐｅ ｃｎ ｔ ａｌ ｅｍ ａ ｅ ｉ ｋＡ ｄ ｔｇ ｈ ｓ－ｃ ｌ ｉ ｏ ｌｄ ｆ ａｄｂｔ ｒｓｎ ｈｔ ｄａ ａ ｍ ［］ Ｊ ｏ ｅ ｕｃ 。 ９５ ５ ｃ ｔ ｅ ｉｐｏ ｖ ｔｃ ｙ ｅ ｓＪ． ｗ ｒ ｏｒ ｓ １９ ， ３ ｉ ａ ｅ ｏ ｉｓ ｔ ｉ Ｐ Ｓ ｅ
（） ２ ５—２ ３ ２ ：４ ５．
ｃ／ ｉ ｄ Ｎ 电池由于生 产工艺 的原 因 ， 晶粒较 粗。如果 电池 镉 在完全放电之前就 重新 充 电， 晶粒 容易 聚集成 块 ， 电池放 镉 使 电时形成 次级放 电平 台， 具有记忆效应 。Ｃ／ ｉ ｄＮ 电池 的废弃物 ，
会对环境造成污染 。
２ ３ ＭＨ／ ｉ ， Ｎ 电池　
［３ Ｍ ｔ ｒ Ｆ Ｂｎｈｔｔ Ｄ Ｄ ｍ

ｔｅＤ ｅ ａ． ｒ ｅ ｉｅ ｕ ｈｔｎ ２ ａｅ ， ｅｃｅ ｌ 。 ｅ ｅｒ 。　１Ｉｅ ｒｂ ｌ ａｉ ｔａ ｒｅ ｓ ｔ ｔ ｒ ｖ ｓ ｌｓｐ ｏ ｉｐｏ ｖｈ ｅ ｔｒｓ Ｊ ． ｏ ｅ Ｓｕｃ 。 ０３ １６ １ ２ ： ｎ ｈｔ ｏ￣ ｔｉ ［］ Ｊ ｗ ｒ ｏｒ ｓ ２０ ， ｔ （ — ） ｏ ａ ｂ ｅｅ Ｐ ｅ
２ ８—２５ ４ ６．
Ｍ ／ｉ Ｈ Ｎ 电池的比能量密度高 ， 理论上 是 Ｃ／ ｉ ｄＮ 电池 的 １５ ．
～
［ Ｓｕ ｒＤ Ｕ，ＧａｃｅＪ ｐｉ ｍ ｂ ｔ ｒ ｅｉｎｆｒａｐｉａｏ ｓｉ ３ ａｅ Ｊ ｒｈ ．Ｏ ｔ ｍｕ ｔ ｙｄｓ ｏ　ｐｌ ｔ ｎ　ｎ ａ ｅ ｇ ｃｉ
２ 。ＭＨ Ｎ 电池的规格指 标和 Ｃ ／ ｉ 倍 ／ｉ ｄＮ 电池 大体一致 ， 在性　
ｐｏ ｖ ｔｃｓｓ ｍ ｈｔ ｏａ ｙｔ ｓ— ｔ ｏｅｃ ｏｓ ｅ ｔｎ Ｊ ｏ ｌｉ ｅ ｈ ｒ ｉｌｃｎｉ ｒ ｉ ｓ［ ］． Ｊ Ｐｗ ｒ ｅ ｔａ ｄ ａｏ ｏｅ　
Ｓ ｕｃｓ ２ ０ ， ５ １ ） ３ ｏ ｒ ， ０ １ ９ （ —２ ：１０—１４ ｅ ３．
能上也有不少相 同的地方 。与铅酸蓄电池相 比， Ｈ Ｎ 电池 和 Ｍ ／ｉ Ｃ ／ 电池的放 电电压更 平稳 ， ｄ 一般 标称 １２Ｖ的 Ｍ－ Ｎ 电 ． Ｉ ｉ Ｉ ／
池， 可在 １２ｖ以上释放 ８ ％的电量 。 ． ５
［］ ＦｒａｄｚＭ，Ｒ ｄｅ ＡＪ Ｖｓ Ｎ 酣 ａ．Ｄｖｌ ｍ ｎ ｏ Ｖ Ｌ ４ ｅ ｎｅ ｎ ｕｄｌ 。 ａ ， １ ｅ ｏ ｅｔ ｆ Ｒ Ａ ｌ ｔ ｅｐ
ｂ ｔｅｙ ｗｉｈ ｍｐ ｏ ｅ ｅ ａａｏｓ ａ ｄ ａ ｃ ａ ｇ ｏ ｔｏ ｒ ｏ　ｏ ａｔｒ ｔ　ｉ ｒ ｖｄ ｓｐ ｒｔ ｒ， ｎ ｈ ｒｅ ｅ ｎｒ￣ｅ 。ｆｒｌｗ　
ｃｓ ｐｏ ｖｈｉ ａｄ ｗｎ ｏ ｅｅ ｉ ｔｌｉ ｓ Ｊ ｏ ｈｔ ｏａ ｉ ｐｗ ｒ ｎ ａａｏ ［ ］． ＪＰｗ ｒ ｔ ｏ ｃｎ ｄ ｄ ｓｌｔｎ ｏｅ
Ｓ ｕｃｓ ２ ０ ， ５ １ ） ３ ｏ ｒ ， ０ １ ９ （ —２ ：１５—１０ ｅ ４．
３ 太阳能光伏系统中常用蓄 电池的比较　
太 阳能光伏 系统 对蓄 电池 的要 求是 ： 格低 、 价 充放 电效率 高、 自放电低 、 长和维护 少。以下从 几个方 面 ， 寿命 对在光伏 系 统中常用 的蓄电池进行了 比较 ， 见表 １ 。
ＭＨ Ｎ 电池 和Ｃ ／ ｉ ／ｉ ｄ Ｎ 电池有 相对 简单 的充放电控制 电路 ，
［］ Ｔ Ｎ ｈｎ （ ５ Ａ ＧＺ ｅｇ 唐征 ） ，ＭＡ ｉ — ａ（ 贤仙 ） 胶体 电解 质在 ＯＸａ ｘ 毛 ｎ ｉ ｎ ．
ＶＬ Ｒ Ａ蓄电池中的研究 ［］ Ｂｔ ｒ Ｂ

ｏｔｙ（ Ｊ ． ａｅ ｉ ｎ ｌ 电池 ） ２０ 。４ ｔｙ ｍ ｈ 。 ０４３　
（） ３ ４ ０ ． ４ ：０ ．３６　
收稿 日期 ：０ ５ ９—１ ２ ０ —０ ５

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