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太陽(yáng)輻射物體以輻射的方式傳遞交換的能量?!?.1輻射的基本知識(shí)一、輻射及其特性輻射物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。輻射能基本特性波粒二象性波動(dòng)性V=λ·f波動(dòng)性的反映電磁波譜名稱波長(zhǎng)范圍紫外線100埃~0.4微米可見(jiàn)光0.4微米~0.76微米紅外線近紅外0.76微米~3.0微米中紅外3.0微米~6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米~15微米超遠(yuǎn)紅外15微米~1000微米微波毫米波1~10毫米厘米波1~10厘米分米波10厘米~1米色彩名稱波長(zhǎng)范圍紫0.40~0.43微米藍(lán)0.43~0.47微米青0.47~0.50微米綠0.50~0.56微米黃0.56~0.59微米橙0.59~0.62微米紅0.62~0.76微米不同電磁波的具體波長(zhǎng)范圍可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍粒子性其中h=6.626×10-34J·s,稱為普朗克常數(shù)。輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度輻射通量及單位:定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)任意面積上的輻射能量。單位:J·s-1或W輻射通量密度(E)及單位定義:?jiǎn)挝幻娣e上的輻射通量。單位:J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強(qiáng)度、輻射能力或放射能力。

§2.2太陽(yáng)輻射一、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(太陽(yáng)輻射通量密度)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及單位定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的太陽(yáng)輻射能量。單位:W·m-2

變化范圍:1325W·m-2

~1457W·m-2

我國(guó)采用的太陽(yáng)常數(shù)值為1382

W·m-2

。太陽(yáng)光量常數(shù)及范圍定義:大氣上界,太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的平均光照強(qiáng)度。范圍:1.35×105~1.4×105lx太陽(yáng)常數(shù)(S0)太陽(yáng)常數(shù)及變化范圍定義:當(dāng)?shù)厍蛭挥谌盏仄骄嚯x時(shí)(約為1.496×108km),在地球大氣上界投射到垂直于太陽(yáng)光線平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。二

地面太陽(yáng)輻射

當(dāng)入射到地球大氣層的太陽(yáng)輻射相對(duì)穩(wěn)定時(shí),影響地球表面輻射的主要因素是:大氣效應(yīng),包括吸收和散射當(dāng)?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同,如水蒸氣、云層和污染緯度位置不同一年中季節(jié)的不同和一天里時(shí)間的不同上述效應(yīng)影響了地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收,包括總的吸收能量和光譜含量的變化,以及光射到地球表面的角度變化。另外,不同的地方其太陽(yáng)輻射的易變性也有很大差別。

易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響,又受其它例如不同緯度白天的長(zhǎng)短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于云層等大氣現(xiàn)象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。而在赤道地區(qū),季節(jié)的變化也比較小。1.大氣影響

大氣效應(yīng)在幾個(gè)方面影響著地球表面的太陽(yáng)輻射。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域其主要影響為:由大氣吸收、散射和反射引起的太陽(yáng)輻射能量的減少。由于大氣對(duì)某些波長(zhǎng)的較為強(qiáng)烈地吸收和散射而導(dǎo)致光譜含量的變化。分散的或間接的光譜組合被引入到太陽(yáng)輻射中。當(dāng)?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰?、光譜和方向的額外改變。

這些影響總結(jié)在下圖中:

典型的晴空時(shí),大氣對(duì)入射太陽(yáng)光的吸收和散射。大氣層的吸收

當(dāng)太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí),氣體、灰塵和懸浮顆粒都將吸收入射光。特殊的氣體包括臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)和水蒸氣(H2O)都能強(qiáng)烈地吸收能量與其分子鍵能相近的光子。這樣的吸收將使得輻射光譜曲線深深地往下凹。氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強(qiáng)吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見(jiàn)光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見(jiàn)光水汽930~1500nm的紅外光(三個(gè)強(qiáng)吸收帶)600~700nm的可見(jiàn)光(三個(gè)弱吸收帶)主要的吸收成分各成分的吸收波段大氣層的吸收這些特殊氣體在改變地表太陽(yáng)輻射的光譜含量的同時(shí),并沒(méi)有相應(yīng)地明顯減少輻射的總能量。而空氣分子和塵埃通過(guò)對(duì)光的吸收和散射成為輻射能量減少的主要因素。這種吸收過(guò)程并不會(huì)產(chǎn)生光譜曲線的向下深凹,而是引起能量的減少(大小取決于穿過(guò)大氣的路徑長(zhǎng)度)。大氣層的吸收當(dāng)太陽(yáng)處在頭頂正上方的時(shí)候,大氣分子引起的吸收會(huì)導(dǎo)致光譜中可見(jiàn)光領(lǐng)域一整片的減少,所以入射光呈現(xiàn)白色。然而,當(dāng)路徑變得越長(zhǎng),能量更高(波長(zhǎng)更?。┑墓庾幽芨行У乇晃蘸蜕⑸?。所以在早上和傍晚太陽(yáng)會(huì)變得更紅,強(qiáng)度也比中午低。

藍(lán)色和紅色曲線分別為1.5和0大氣質(zhì)量時(shí)的輻射強(qiáng)度,綠色曲線代表溫度為6000k黑體的輻射強(qiáng)度,彩色柱子代表可見(jiàn)光的波譜。箭頭所指的位置代表被相應(yīng)氣體吸收的部分,黑色線顯示了能引起人類眼睛感覺(jué)的輻射強(qiáng)度。入射光的散射導(dǎo)致的徑直和分散的輻射當(dāng)光穿過(guò)大氣層被吸收的同時(shí)也發(fā)生散射。大氣中光的散射機(jī)制之一就是人們熟知的瑞利散射,它由大氣中的分子引起。瑞利散射對(duì)短波光(如藍(lán)光)作用效果顯著。氣溶膠和塵埃粒子也會(huì)使入射光產(chǎn)生散射。紅光的波長(zhǎng)大于多數(shù)的粒子線度,不會(huì)受影響。藍(lán)光的波長(zhǎng)與大氣中粒子線度相當(dāng),所以被強(qiáng)烈散射。入射光的散射導(dǎo)致的徑直和分散的輻射

散射光的方向是雜亂無(wú)章的,也叫分散光。由于散射光主要是藍(lán)光,所以除了太陽(yáng)所處的區(qū)域外,來(lái)自天空所有區(qū)域的光都呈現(xiàn)藍(lán)色。在天氣晴朗的日子,入射光線中大概有10%會(huì)被散射。紅光的波長(zhǎng)大于多數(shù)的粒子線度,不會(huì)受影響。藍(lán)光的波長(zhǎng)與大氣中粒子線度相當(dāng),所以被強(qiáng)烈散射。來(lái)自云層和其它大氣層的地方差異的影響

大氣對(duì)入射太陽(yáng)光的最終影響來(lái)自大氣層的地方差異。取決于覆蓋云層的類型,入射光能量將會(huì)有不同程度的減少。右圖分別顯示了晴天和多云天氣時(shí)光伏陣列的相對(duì)輸出電流,光伏陣列的傾斜角為60°墨爾本,光伏陣列傾斜角度60°相對(duì)輸出電流晴朗冬天多云冬天2大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量被定義為光穿過(guò)大氣的路徑長(zhǎng)度,長(zhǎng)度最短時(shí)的路徑(即當(dāng)太陽(yáng)處在頭頂正上方時(shí))規(guī)定為“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量”。“大氣質(zhì)量”量化了太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質(zhì)量由下式給出:

式中θ表示太陽(yáng)光線與垂直線的夾角,當(dāng)太陽(yáng)處在頭頂時(shí),大氣質(zhì)量為1。“大氣質(zhì)量”描繪了太陽(yáng)光到達(dá)地面前所需走過(guò)的路程與太陽(yáng)處在頭頂處時(shí)的路程的比例,也等于Y/X.

估算大氣質(zhì)量的一個(gè)最簡(jiǎn)單的方法就是測(cè)量一個(gè)垂直立著的標(biāo)桿的投影長(zhǎng)度。如上圖,大氣質(zhì)量等于斜邊的長(zhǎng)度除于標(biāo)桿的高度h,然后由勾股定理便得到:標(biāo)桿高度h影子長(zhǎng)度,s3太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)

“太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)”是由地球繞其軸自轉(zhuǎn)引起的表面現(xiàn)象,它改變著射入地球的光線的直射分量角度。從地面的一個(gè)固定位置來(lái)看,太陽(yáng)橫跨整個(gè)天空運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)的位置決定于地面上的點(diǎn)的坐標(biāo)、一天中的時(shí)間和一年中的日期。

太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)在很大程度上影響著太陽(yáng)能收集器件獲得的能量。當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射到吸收平面時(shí),在平面上的功率強(qiáng)度等于入射光的功率強(qiáng)度。當(dāng)太陽(yáng)光與吸收平面的角度改變時(shí),其表面的功率強(qiáng)度減小,相對(duì)的功率強(qiáng)度為最大值乘于cos(θ),其中θ為太陽(yáng)光與器件平面之間的夾角。

地球上某固定點(diǎn)與太陽(yáng)的夾角決定于其所處的位置(地點(diǎn)所在的經(jīng)度)、一年中的日期和一天中的時(shí)間。另外,太陽(yáng)升起和落下的時(shí)刻決定于位置所在的經(jīng)度。因此,刻畫(huà)地球上某固定地點(diǎn)的太陽(yáng)高度角需要緯度、經(jīng)度、一年中的日期和一天中的時(shí)間。4太陽(yáng)的偏向角

偏向角,用符號(hào)δ表示,由于地球繞其軸的自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)而存在季節(jié)性的變化。地球相對(duì)于公轉(zhuǎn)平面是傾斜了23.45°,偏向角的大小就在±23.45°之間變化。只有在春分日和秋分日的時(shí)候偏向角才會(huì)等于0°。

太陽(yáng)偏向角就是指赤道平面與地球中心點(diǎn)--太陽(yáng)中心點(diǎn)的連線的夾角。

在二分日(3月22日春分日和9月22日秋分日)時(shí)偏向角為0°,在北半球夏天時(shí)角度為正,冬天時(shí)為負(fù)。在夏至日6月22日偏向角達(dá)到最大值23.45°(北半球夏至日)而在12月22日達(dá)到最小值-23.45°(北半球冬至日)。5仰角與方位角

仰角指的是天空中太陽(yáng)相對(duì)于地平面的高度角。日出的時(shí)候高度角為0°,太陽(yáng)處在頭頂時(shí)高度角為90°(如在赤道地區(qū),春分和秋分時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況)。天頂角與高度角相似,但是相對(duì)于地平面的垂直線來(lái)說(shuō)的,因此可以計(jì)算天頂角=90°-高度角。

太陽(yáng)高度角在一天中不斷變化。其大小還決定于觀測(cè)位置的緯度和所在一年中的天數(shù)。

在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí),一個(gè)重要的參數(shù)是最大太陽(yáng)高度角,即一年中太陽(yáng)在天空的高度達(dá)到最大時(shí)的角度。最大高度角出現(xiàn)在正午時(shí)分,大小取決于所在的緯度和偏向角。計(jì)算正午太陽(yáng)高度角的公式如下:

α=90°+ф

–δ

式中ф為觀測(cè)位置所處的緯度,在南半球它的符號(hào)是負(fù)的而在北半球的時(shí)候符號(hào)為正。δ為偏向角,大小取決于所在一年中的天數(shù)。

夏至日,在北回歸線處,太陽(yáng)在頭頂正上方,其高度角為90°。夏天,在赤道與北回歸線之間觀測(cè)的正午太陽(yáng)高度角是大于90°的。這意味著陽(yáng)光是來(lái)自北方而不是南方的天空。相似的,在一年中的某個(gè)時(shí)期,在赤道和南回歸線之間,太陽(yáng)光是來(lái)自南方而不是北方。

最大太陽(yáng)高度角被應(yīng)用到非常簡(jiǎn)單的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,然而更精確的光伏系統(tǒng)仿真則需要知道高度角在一天中是如何變化的。

方位角

方位角就是太陽(yáng)光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角。它表示太陽(yáng)光線的水平投影偏離正南方向的角度,取正南方向?yàn)槠鹗键c(diǎn),向西(順時(shí)針?lè)较颍檎?,向東為負(fù)。6太陽(yáng)的方位

正午時(shí)分的太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角是擺放太陽(yáng)能電池板時(shí)所使用到的兩個(gè)重要角度參數(shù)。如果想要計(jì)算一整天的太陽(yáng)位置,就必須計(jì)算一整天的太陽(yáng)高度角和方位角。這些角度將使用“太陽(yáng)時(shí)間”來(lái)計(jì)算。按傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方式,地球被分成不同的時(shí)區(qū)。然而,在這些時(shí)區(qū)里,正午時(shí)分并不一定就是太陽(yáng)處在最高處的時(shí)候。由于一個(gè)時(shí)區(qū)橫跨了一定長(zhǎng)度的距離,當(dāng)太陽(yáng)剛照耀這個(gè)時(shí)區(qū)的某個(gè)地方的地平線時(shí),此刻的時(shí)間有可能與定義的日出時(shí)間(或官方承認(rèn)的日出時(shí)間)不同。而這種規(guī)定也是必要的,否則出現(xiàn)一街之隔的兩座房子的時(shí)間會(huì)相差幾秒的現(xiàn)象。另外,不同經(jīng)度的太陽(yáng)時(shí)間是不同的。如果要得到太陽(yáng)的位置,必須先計(jì)算當(dāng)?shù)氐奶?yáng)時(shí)間再計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角。

當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間(LST)和當(dāng)?shù)貢r(shí)間(LT)

當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間(LST)中午12時(shí)是指太陽(yáng)升到最高處的時(shí)刻。由于地球軌道的偏心率和人類對(duì)時(shí)區(qū)和夏令時(shí)的調(diào)整,當(dāng)?shù)貢r(shí)間(LT)一般不等于當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間。

當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間子午線(LSTM)

當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間子午線(LSTM)是特定時(shí)區(qū)所采用的基準(zhǔn)子午線,它類似于格林尼治時(shí)間使用的本初子午線。LSTM(當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間子午線)被使用在當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)。這里顯示的LSTM跨越了巴西和格陵蘭島的部分地區(qū).格林威治時(shí)間所使用的本初子午線(經(jīng)度=0°)

通過(guò)下列方程可計(jì)算LSTM:LSTM=15°×ΔTGMT

式中ΔTGMT表示當(dāng)?shù)貢r(shí)間與格林威治時(shí)間的差(一小時(shí)為單位)。

時(shí)間方程(EOT)時(shí)間方程(以分為單位)是糾正了地球公轉(zhuǎn)的偏心率和地球的軸向傾斜之后的經(jīng)驗(yàn)方程。

EOT=9.87sin(2B)–7.53cos(B)–1.5sin(B)

其中B=360(d-81)/365,單位為°。d為從一年的第一天開(kāi)始數(shù)起的天數(shù)。下圖描繪了時(shí)間糾正方程。

時(shí)間糾正因子時(shí)間糾正因子(以分為單位)解釋了在一個(gè)給定的時(shí)區(qū)內(nèi),當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間因時(shí)區(qū)內(nèi)經(jīng)度的變化而變化的現(xiàn)象,其方程也同時(shí)包含時(shí)間方程。

TimeCorrection=4(LSTM-經(jīng)度)+EoT

方程里的4分鐘源自地球自轉(zhuǎn)一度的時(shí)間是4分鐘的事實(shí)。

當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間

當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間(LST)可以通過(guò)使用前兩個(gè)矯正因子來(lái)調(diào)整當(dāng)?shù)貢r(shí)間(LT)得到.LST=LT+TC

時(shí)角(HRA)

時(shí)角把當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間(LST)轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)在天空運(yùn)動(dòng)的度數(shù)的數(shù)值。按照定義,正午時(shí)分的時(shí)角為0°。因?yàn)榈厍蛎哭D(zhuǎn)15°的時(shí)間為一個(gè)小時(shí),所以,與正午時(shí)分間隔一個(gè)小時(shí)就相當(dāng)于太陽(yáng)在太空轉(zhuǎn)過(guò)了15°角。在上午時(shí)角的符號(hào)是負(fù)的,下午是正的。

HRA=15°(LST-12)傾斜角在前面已經(jīng)給出了傾斜角的公式:

高度角

高度角可由下面的方程得到:高度角=sin-1[sin(δ)sin(ф)+cos(δ)cos(ф)cos(HRA)]

天頂角為太陽(yáng)與垂直線之間的夾角。天頂角=90°-高度角高度角天頂角

方位角

方位角就像羅盤一樣,正北方向?yàn)?°,正南方向?yàn)?80°。也有人使用稍微不同的定義(正南方向?yàn)?°)。

方位角可由上面的參數(shù)計(jì)算得到

日出和日落

日出與日落的時(shí)間可以分別通過(guò)下面式子得到:

三、太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)

對(duì)于光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),知道當(dāng)?shù)卦诓煌瑫r(shí)間的可利用輻射量是很有必要的。兩個(gè)描述太陽(yáng)輻射特征的常用方法是太陽(yáng)輻射(或輻射)和日照。太陽(yáng)輻射是一個(gè)瞬時(shí)的功率強(qiáng)度,以KW/m2為單位。一天中,太陽(yáng)輻射的大小從晚上的0KW/m2到最大值約1KW/m2之間不斷變化。太陽(yáng)輻射主要取決于觀測(cè)的位置和當(dāng)?shù)氐奶鞖狻?太陽(yáng)輻射測(cè)量

盡管太陽(yáng)輻射是最常被測(cè)量的數(shù)據(jù),但在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更常使用是日照度。日照度是指特定時(shí)間內(nèi)單位面積區(qū)域所接收到得總的太陽(yáng)輻射量,通常以KWhr/(m2day)為單位。雖然日照度的單位與太陽(yáng)輻射的單位都是功率強(qiáng)度,但是日照度與太陽(yáng)輻射還是很大不同的,日照度是在給定時(shí)間段里的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。平均每天、每月或每年的日照度一個(gè)月、一個(gè)季節(jié)或一整年的全球等輻射線日照時(shí)數(shù)基于衛(wèi)星云層覆蓋數(shù)據(jù)的日照度太陽(yáng)輻射的計(jì)算日照度常使用在簡(jiǎn)單的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,而太陽(yáng)輻射則在更為復(fù)雜的需要計(jì)算一天中每一時(shí)刻的情況的光伏系統(tǒng)中使用。日照度還可以用單位MJ/m2year來(lái)表示。特定位置的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以通過(guò)以下幾種方式表示:

描述太陽(yáng)輻射最常用的方式是典型氣象年(TMY),或者是由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室所使用的TMY2。TMY包含有每天數(shù)據(jù)的變化。然而,平均太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),特別是一年中每個(gè)月的的平均數(shù)據(jù)在粗略估計(jì)太陽(yáng)能電池板安裝數(shù)量時(shí)也是被廣泛使用的。2太陽(yáng)輻照度的數(shù)據(jù)分析

另外一個(gè)盡管較少見(jiàn)到但是非常有用的的數(shù)據(jù)是連續(xù)幾天出現(xiàn)陰天的概率,它可由全年輻射數(shù)據(jù)得到的,在這里,陰天被定義為地面實(shí)際接收到的光線要少于理論光線接收值的50%的日子。例如,某個(gè)地區(qū)連續(xù)4天出現(xiàn)陰天的概率為一年一次,連續(xù)5天出現(xiàn)陰天的概率5年一次。這些信息在估算足夠的必備條件的儲(chǔ)存時(shí)是非常有用的。3典型氣象年數(shù)據(jù)(TMY)

描述當(dāng)?shù)靥煳臍夂驎r(shí)最常用的數(shù)據(jù)叫典型氣象年的數(shù)據(jù)(TMY)。要測(cè)定TMY數(shù)據(jù),必須獲得幾年中每隔一小時(shí)測(cè)量的氣象變化結(jié)果,然后制成一副當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓瘓D表。人們選擇月平均數(shù)以最大程度代表當(dāng)?shù)厍闆r。整個(gè)月以及整個(gè)測(cè)量周期的其它月平均輻射值被測(cè)算出來(lái)。如果有一年的各月的平均輻射值最接近于整個(gè)測(cè)量周期的月平均值,那么這一年就被選為典型氣象年(TMY),而這一年的每月氣象數(shù)據(jù)也被叫做TMY數(shù)據(jù)。4月平均太陽(yáng)輻射

盡管典型氣象年(TMY)數(shù)據(jù)被常常用在光伏系統(tǒng)仿真中,然而對(duì)于基本的系統(tǒng)分析來(lái)說(shuō),擁有當(dāng)?shù)靥囟ㄔ路莸拿刻炱骄椛淞繑?shù)據(jù)就足夠了。這些數(shù)據(jù)有可能測(cè)量自地平面也有可能測(cè)量自與太陽(yáng)光垂直的平面(相當(dāng)于跟蹤式太陽(yáng)能系統(tǒng))。無(wú)論是那種情況,都需要加入一個(gè)關(guān)于組件平面的傾斜角的條件,才能算出光伏組件能夠利用的太陽(yáng)輻射的量。

峰值太陽(yáng)時(shí)

日平均日照度(單位為KWhr/m2day)有時(shí)也被叫做峰值太陽(yáng)時(shí)。峰值太陽(yáng)時(shí)一詞源于日照度的值相當(dāng)于當(dāng)?shù)靥?yáng)以峰值射入幾小時(shí)所獲得得能量。因?yàn)檩椛涞姆逯禃r(shí)1KW/m2,所以峰值太陽(yáng)時(shí)在數(shù)值上等于日平均日照度。峰值太陽(yáng)時(shí)是非常有用的,因?yàn)楣夥姵氐念~定輻射輸入通常為1

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