牛力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用性研究

李鵬　孟濤

摘 要：該文敘述了我國能源現(xiàn)狀及生物質(zhì)能的開發(fā)利用情況，提出了“牛力發(fā)電“的概念。通過實(shí)驗(yàn)測試及分析計(jì)算，論證了牛力發(fā)電的可行性，得到了牛力發(fā)電過程生物質(zhì)能到電能的轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)出了牛力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案。通過對牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)社會效益進(jìn)行分析，為我國有效解決偏遠(yuǎn)農(nóng)牧地區(qū)用電問題提供智力參考。

關(guān)鍵詞：牛力 發(fā)電 農(nóng)牧區(qū) 生物質(zhì)能 轉(zhuǎn)化效率

中圖分類號：S211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0004-02

在傳統(tǒng)能源日益短缺的今天，為了獲得更多的電能，人們設(shè)計(jì)了各種各樣的發(fā)電方法和發(fā)電裝置。例如利用人力發(fā)電的鞋子和自行車，利用海水動能發(fā)電的人造魚，收集汽車尾氣或爐口熱量發(fā)電，甚至有人提出利用人體血流來發(fā)電。人們在費(fèi)盡心思尋找新的發(fā)電方式時似乎從來沒有想到過一種更為簡單，更加有效的發(fā)電方式—利用牛馬等大型牲畜來驅(qū)動動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。本項(xiàng)目簡稱“牛力發(fā)電”，主要研究以牛為動力進(jìn)行發(fā)電的可行性，生物能到電能的轉(zhuǎn)化效率，整個牛力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式及相關(guān)關(guān)鍵問題的解決方案。

1 牛力發(fā)電的意義

1.1 牛力發(fā)電的可行性

回顧中國古代史，我們可以發(fā)現(xiàn)牛馬等大型牲畜幾乎是支持整個社會運(yùn)轉(zhuǎn)的動力之源。它們可以肩負(fù)起整個華夏的農(nóng)業(yè)耕作，可以承擔(dān)整個社會的交通運(yùn)輸，可以驅(qū)動萬乘戰(zhàn)車進(jìn)行無數(shù)場規(guī)模浩大的戰(zhàn)爭，清朝末期甚至出現(xiàn)過馬拉火車的場景，當(dāng)然它們沒有理由不能勝任發(fā)電的任務(wù)。牛的食物來源極其廣泛，從草木枝葉到幾乎全部糧油作物秸稈都能直接被牛食用。牛力發(fā)電的實(shí)質(zhì)是牛作為中間介質(zhì)將草木秸稈等生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

1.2 牛力發(fā)電的現(xiàn)實(shí)意義

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，其中農(nóng)牧區(qū)面積占國土總面積的近70%，農(nóng)牧業(yè)人口占我國總?cè)丝诘慕?0%。然而我國電力資源分布卻并不均衡，由于路途遙遠(yuǎn)，交通不便，且分布分散等原因，相當(dāng)一部分農(nóng)牧地區(qū)目前仍處于用電難的狀態(tài)。我國農(nóng)牧地區(qū)每年都產(chǎn)生大量的草木秸稈等生物質(zhì)能，同時也有很多因?yàn)闊o處可用而被焚燒或廢棄。隨著國家對能源問題的重視，一部分生物質(zhì)能也開始逐漸被用來發(fā)電，目前生物質(zhì)能發(fā)電主要通過燃燒發(fā)電和沼氣發(fā)電兩種方式進(jìn)行。

燃燒發(fā)電產(chǎn)生大量二氧化碳溫室氣體，二氧化硫等污染性氣體，處理相當(dāng)困難；且由于技術(shù)不成熟，工藝流程復(fù)雜，發(fā)電成本較高等問題其發(fā)展受到了限制。沼氣發(fā)電技術(shù)不僅流程復(fù)雜不易掌控，建造維護(hù)成本高昂，而且生物質(zhì)能到電能的轉(zhuǎn)化率較低，這些因素阻礙了沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。牛力發(fā)技術(shù)電流程簡單同時沒有任何環(huán)境污染，作為一種生物質(zhì)能的創(chuàng)新利用方式和有效解決偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)用電問題的途徑其研究探索空間巨大。

2 牛力發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 牛力發(fā)電系統(tǒng)流程

牛力發(fā)電系統(tǒng)主要由牛，交流發(fā)電機(jī)，電力系統(tǒng)組成，其工作流程如圖1所示。

2.2 牛力發(fā)電基本驅(qū)動形式研究

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)每臺發(fā)電機(jī)由4頭牛通過十字形驅(qū)動桿同時進(jìn)行驅(qū)動。由于牛行走的速度較慢，為了獲得較高的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動桿與發(fā)電機(jī)通過齒輪增速變速器傳遞動力，其基本機(jī)構(gòu)形式如圖2所示。

2.3 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛力發(fā)電的電力系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)勵磁裝置，廠用變壓器，主變壓器，配電裝置等部分組成。勵磁裝置用于為發(fā)電機(jī)提供工作磁場，廠用變壓器用于為發(fā)電廠其他用電設(shè)備提供合適的低壓電流，主變壓器用于將發(fā)電機(jī)發(fā)出的低壓電轉(zhuǎn)變成高壓電然后輸出，配電裝置用于對電能流向進(jìn)行合理分配。電力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 發(fā)電頻率的穩(wěn)定性控制方案

3.1 基本穩(wěn)頻控制方法研究

為減小沖擊力對發(fā)電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速的影響，驅(qū)動桿的設(shè)計(jì)具有一定的減震功能。實(shí)現(xiàn)減震功能的設(shè)計(jì)方法有多種，本實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動桿端部利用撓性連接器與變速器輸入軸連接。為了防止牛蹄與地面的打滑影響牛行走速度的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)周圍地面應(yīng)能產(chǎn)生足夠的摩擦力，如鋪設(shè)沙土地面或橡膠地面，本實(shí)驗(yàn)中為沙土地面。通過多次模擬測試，運(yùn)行過程中磨盤的旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)穩(wěn)定，各牛之間瞬時速度的不協(xié)調(diào)可以相相互抵消。

3.2 專用速度控制牛套設(shè)計(jì)

在整個研究試驗(yàn)過程中，最關(guān)鍵的技術(shù)問題是依然是如何更好確保發(fā)電機(jī)50 Hz頻率的穩(wěn)定性，即讓牛在模擬發(fā)電過程中每12 s行走一圈，平均角速度30度/s。通過研究耕牛的控制方式和不斷的試驗(yàn)測試，總結(jié)出促使牛加速前行的方法最主要有物理擊打或電擊對其后半身的刺激，最有效的作用部位是牛尾根處稍上部位。迫使牛減速或停止的方法主要是對牛頭施以向后的拉力，最有效的牽拉部位是牛鼻。根據(jù)這些研究結(jié)果，設(shè)計(jì)出了可促使牛加速或減速行走的專用速度控制牛套。

牛套主要由電擊裝置和牽引裝置構(gòu)成（見圖4），前者用于對牛尾根上部施加電擊刺激，促使其加速；后者用于對牛鼻施加向后的拉力，促使其減速。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，能夠促使牛加速前進(jìn)的最低電擊電壓約為10 V，最合適電壓約為15 V。

此外，牛套裝置的有效工作還需要一個指令發(fā)生設(shè)備，這就是安裝在驅(qū)動桿上的速度檢測控制器。該控制器可隨時檢測驅(qū)動桿單位時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)動角速度，當(dāng)速度小于設(shè)定值時發(fā)出電擊指令，電擊裝置啟動促使牛加速；當(dāng)速度大于設(shè)定值時發(fā)出后牽指令，后牽裝置啟動促使牛減速，以此來控制牛的行走速度進(jìn)而達(dá)到控制發(fā)電頻率的目的。專用速度控制牛套裝置示意圖如圖4。

4 發(fā)電機(jī)可持續(xù)工作方案研究

考慮到牛的體能消耗，一頭牛不可能一直不間斷的工作，為此研究設(shè)計(jì)了定時輪換工作機(jī)制。根據(jù)測試及農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)，在讓每頭牛充分發(fā)揮勞動能力又不至于超越其體能承受范圍的原則下，設(shè)計(jì)每隔15 min換一頭牛，即每頭牛單次最大工作時間45 min。換下的牛去飲食和休息，這樣能保證讓所有參與工作的牛在最好的狀態(tài)下進(jìn)行工作。

維持一臺發(fā)電機(jī)在12 h內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)共需要5頭牛不斷相互輪換，另12 h則由另外5頭牛來驅(qū)動，這樣每頭牛在24 h內(nèi)的實(shí)際累計(jì)工作時間為8 h。為了在更換某頭牛的過程中不至于影響其他牛的工作情緒，給每頭正在工作的牛都戴上眼罩以遮擋視線。同時為消除一頭牛突然換下對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，研究測試了兩種改善方法。

其一是優(yōu)化設(shè)計(jì)牛套與驅(qū)動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅(qū)動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當(dāng)需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發(fā)電機(jī)至少在由四頭牛驅(qū)動，從而避免了換牛時可能造成的發(fā)電機(jī)短暫減速。通過實(shí)驗(yàn)測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速可持續(xù)的工作。

5 生物質(zhì)能到電能的轉(zhuǎn)化效率研究

6 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)社會效益

6.1 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的輪換工作機(jī)制及相關(guān)計(jì)算，單臺發(fā)電機(jī)的日發(fā)電量為480kWh，平均每頭牛日累計(jì)工作八小時的發(fā)電量為48kWh，一年的發(fā)電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當(dāng)于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發(fā)電所具有的巨大經(jīng)濟(jì)潛力。據(jù)調(diào)查，目前我國全國范圍內(nèi)秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發(fā)電廠建在廣大農(nóng)村地區(qū)，不僅可以充分利用當(dāng)?shù)卮罅渴Ｓ嗟牡霓r(nóng)作物秸稈來增加農(nóng)民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發(fā)電廠建在我國西部畜牧區(qū)，便可很好利用牧區(qū)數(shù)量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國西部畜牧業(yè)養(yǎng)牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計(jì)工作8 h進(jìn)行發(fā)電，則年發(fā)電量約為1.1萬億千瓦時，超過當(dāng)年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當(dāng)于13個三峽大壩的年發(fā)電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，而且還有效支持了我國的西部大開發(fā)戰(zhàn)略。

6.2 牛力發(fā)電的社會效益

牛力發(fā)電不僅技術(shù)流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發(fā)電資源的限制，可有效幫助解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。隨著牛力發(fā)電的大量使用和發(fā)展，即可以減少水電工程對河流等生態(tài)環(huán)境的破壞，又可取代一部分火力發(fā)電進(jìn)而減少大氣污染，維護(hù)我國生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，與建設(shè)美麗中國的指導(dǎo)思想相一致。

7 結(jié)語

研究證明，牛力發(fā)電無論在理論上還是實(shí)踐中都是可行的，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。牛力發(fā)電方式直到目前還沒進(jìn)入公眾的視線，不是因?yàn)槠渥陨淼目尚行詥栴}或者其他技術(shù)問題，而是因?yàn)槿藗儗ξ覈哪茉床蛔悻F(xiàn)狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進(jìn)行大膽的創(chuàng)新和嘗試。我國偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的用電問題應(yīng)該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發(fā)電為解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電難問題又開辟了一條新路。

參考文獻(xiàn)

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[2] 雷奶華，陳筱鐵.同步發(fā)電機(jī)效率檢測研究[J].檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊，2009（4）：16-18.

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[4] 崔文文，梁軍鋒.中國規(guī)?；斩捳託夤こ态F(xiàn)狀及存在問題[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2013（11）：121-125.

[5] 張莉萍.我國農(nóng)作物秸稈資源化綜合利用的思考[J].中國農(nóng)業(yè)信息， 2013（10）：15-21.

[6] 楊飛，楊世琦，諸云強(qiáng).中國近30年畜禽養(yǎng)殖量及其耕地氮污染負(fù)荷分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013（5）：1-11.

維持一臺發(fā)電機(jī)在12 h內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)共需要5頭牛不斷相互輪換，另12 h則由另外5頭牛來驅(qū)動，這樣每頭牛在24 h內(nèi)的實(shí)際累計(jì)工作時間為8 h。為了在更換某頭牛的過程中不至于影響其他牛的工作情緒，給每頭正在工作的牛都戴上眼罩以遮擋視線。同時為消除一頭牛突然換下對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，研究測試了兩種改善方法。

其一是優(yōu)化設(shè)計(jì)牛套與驅(qū)動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅(qū)動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當(dāng)需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發(fā)電機(jī)至少在由四頭牛驅(qū)動，從而避免了換牛時可能造成的發(fā)電機(jī)短暫減速。通過實(shí)驗(yàn)測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速可持續(xù)的工作。

5 生物質(zhì)能到電能的轉(zhuǎn)化效率研究

6 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)社會效益

6.1 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的輪換工作機(jī)制及相關(guān)計(jì)算，單臺發(fā)電機(jī)的日發(fā)電量為480kWh，平均每頭牛日累計(jì)工作八小時的發(fā)電量為48kWh，一年的發(fā)電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當(dāng)于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發(fā)電所具有的巨大經(jīng)濟(jì)潛力。據(jù)調(diào)查，目前我國全國范圍內(nèi)秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發(fā)電廠建在廣大農(nóng)村地區(qū)，不僅可以充分利用當(dāng)?shù)卮罅渴Ｓ嗟牡霓r(nóng)作物秸稈來增加農(nóng)民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發(fā)電廠建在我國西部畜牧區(qū)，便可很好利用牧區(qū)數(shù)量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國西部畜牧業(yè)養(yǎng)牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計(jì)工作8 h進(jìn)行發(fā)電，則年發(fā)電量約為1.1萬億千瓦時，超過當(dāng)年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當(dāng)于13個三峽大壩的年發(fā)電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，而且還有效支持了我國的西部大開發(fā)戰(zhàn)略。

6.2 牛力發(fā)電的社會效益

牛力發(fā)電不僅技術(shù)流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發(fā)電資源的限制，可有效幫助解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。隨著牛力發(fā)電的大量使用和發(fā)展，即可以減少水電工程對河流等生態(tài)環(huán)境的破壞，又可取代一部分火力發(fā)電進(jìn)而減少大氣污染，維護(hù)我國生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，與建設(shè)美麗中國的指導(dǎo)思想相一致。

7 結(jié)語

研究證明，牛力發(fā)電無論在理論上還是實(shí)踐中都是可行的，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。牛力發(fā)電方式直到目前還沒進(jìn)入公眾的視線，不是因?yàn)槠渥陨淼目尚行詥栴}或者其他技術(shù)問題，而是因?yàn)槿藗儗ξ覈哪茉床蛔悻F(xiàn)狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進(jìn)行大膽的創(chuàng)新和嘗試。我國偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的用電問題應(yīng)該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發(fā)電為解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電難問題又開辟了一條新路。

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維持一臺發(fā)電機(jī)在12 h內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)共需要5頭牛不斷相互輪換，另12 h則由另外5頭牛來驅(qū)動，這樣每頭牛在24 h內(nèi)的實(shí)際累計(jì)工作時間為8 h。為了在更換某頭牛的過程中不至于影響其他牛的工作情緒，給每頭正在工作的牛都戴上眼罩以遮擋視線。同時為消除一頭牛突然換下對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，研究測試了兩種改善方法。

其一是優(yōu)化設(shè)計(jì)牛套與驅(qū)動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅(qū)動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當(dāng)需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發(fā)電機(jī)至少在由四頭牛驅(qū)動，從而避免了換牛時可能造成的發(fā)電機(jī)短暫減速。通過實(shí)驗(yàn)測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速可持續(xù)的工作。

5 生物質(zhì)能到電能的轉(zhuǎn)化效率研究

6 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)社會效益

6.1 牛力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的輪換工作機(jī)制及相關(guān)計(jì)算，單臺發(fā)電機(jī)的日發(fā)電量為480kWh，平均每頭牛日累計(jì)工作八小時的發(fā)電量為48kWh，一年的發(fā)電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當(dāng)于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發(fā)電所具有的巨大經(jīng)濟(jì)潛力。據(jù)調(diào)查，目前我國全國范圍內(nèi)秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發(fā)電廠建在廣大農(nóng)村地區(qū)，不僅可以充分利用當(dāng)?shù)卮罅渴Ｓ嗟牡霓r(nóng)作物秸稈來增加農(nóng)民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發(fā)電廠建在我國西部畜牧區(qū)，便可很好利用牧區(qū)數(shù)量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國西部畜牧業(yè)養(yǎng)牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計(jì)工作8 h進(jìn)行發(fā)電，則年發(fā)電量約為1.1萬億千瓦時，超過當(dāng)年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當(dāng)于13個三峽大壩的年發(fā)電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，而且還有效支持了我國的西部大開發(fā)戰(zhàn)略。

6.2 牛力發(fā)電的社會效益

牛力發(fā)電不僅技術(shù)流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發(fā)電資源的限制，可有效幫助解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。隨著牛力發(fā)電的大量使用和發(fā)展，即可以減少水電工程對河流等生態(tài)環(huán)境的破壞，又可取代一部分火力發(fā)電進(jìn)而減少大氣污染，維護(hù)我國生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，與建設(shè)美麗中國的指導(dǎo)思想相一致。

7 結(jié)語

研究證明，牛力發(fā)電無論在理論上還是實(shí)踐中都是可行的，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。牛力發(fā)電方式直到目前還沒進(jìn)入公眾的視線，不是因?yàn)槠渥陨淼目尚行詥栴}或者其他技術(shù)問題，而是因?yàn)槿藗儗ξ覈哪茉床蛔悻F(xiàn)狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進(jìn)行大膽的創(chuàng)新和嘗試。我國偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的用電問題應(yīng)該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發(fā)電為解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電難問題又開辟了一條新路。

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