德國能源大革命 安裝太陽能電板的機器人 - 全文
文章來源:未知時間:2022-02-06
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隨著價格的一落千丈，全球的太陽能量如今正在向上飆升。盡管如此，太陽能仍占世界總發(fā)電能力的不到2%。這并不奇怪。每平方米的板所產(chǎn)生的電力約為145瓦，僅能點亮兩三個燈泡。
這就意味著，要想讓太陽能發(fā)電的效益和一個大型化石燃料電廠的峰值容量媲美，就要把太陽能板覆蓋在面積相當于5～6個像華盛頓特區(qū)的國家廣場那么大的地方。更重要的，這么多的電池板，每一個都是人工安裝的。
可持續(xù)的機器人：在德國萊比錫附近，機械手臂正將一塊大型光伏板安裝在架子上。這里正建造一個太陽能發(fā)電站。光伏板大約占6平方米，重120千克。
目前，德國的一些企業(yè)，例如PV Kraftwerker 和Gehrlicher，正在研發(fā)能夠不分日夜、在各種天氣條件下自動安裝地面裝配型太陽能電池板的移動機器人。PV Kraftwerker所設計的機器人預計能夠組裝發(fā)電廠級的太陽能電池板，這種電池板的大小是家庭屋頂電池板的四倍大。
研發(fā)這種機器人的主要目的是節(jié)省勞動力成本，因為隨著電池板價格的日益降低，勞動力成本在太陽能發(fā)電中所占的比重就會隨之增大。據(jù)太陽能園區(qū)建筑公司PV Kraftwerker透露，以前需要35個工人才能完成的安裝工作，現(xiàn)在只需要3個，耗費的時間也只有原來的1/8。
該公司估計，對于一個發(fā)電能級為14兆瓦的太陽能發(fā)電廠，人工安裝電池板的成本大約要200萬美元。這個工作如果是由機器人代勞，成本可以減少將近一半。該公司還表示，這款標價90萬美元的機器人，持續(xù)使用不到一年，就可以收回成本了。
德國目前正雄心勃勃地計劃，在8年內(nèi)實現(xiàn)該國1/3的電力來自可再生能源，到2050年增至80%?？紤]到這一點，機器人的幫助將有利于這些目標的實現(xiàn)(見“德國能源大實驗”)。2011年，德國的太陽能裝機量在世界上處于領先地位，當年共安裝了足以產(chǎn)生約7.5千兆瓦(GW)電力的電池板，覆蓋了差不多50平方公里的地面和屋頂。
PV Kraftwerker打造的機器人，用的是來自日本的現(xiàn)成組件。它的機械手臂架設在一部有著類似坦克履帶的全地形車上。在吸盤抓住電池板的玻璃面后，機械手臂根據(jù)相機提供的現(xiàn)場三維視圖指導，將電池板擺放到正確的位置上。
機器人的局限也讓人看到，完全自動化安裝過程是一件非常困難的工作。德國的大部分太陽能電力都來自屋頂?shù)奶柲茈姵匕尻嚵?，但由于屋頂?shù)男螤詈头较蛴刑嗟淖兓o機器人的安裝工作增加了難度。更何況PV Kraftwerker的營銷主管Markus Gatnl?hner表示，即使是安裝小型太陽能農(nóng)場中使用普通尺寸電池板的太陽能電池，人類工人的工作速度也比機器人快，成本亦比后者低。
弗勞恩霍夫可持續(xù)能源系統(tǒng)中心(Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems)(的科學總監(jiān)Chrisan Hoepfner也認為，機器人的作用會很有限?！暗珜τ诖笮偷摹⒓茉O在地面的安裝工程，我能看到它們的好處，”他說?！爱斈阋孟嗤碾姵匕甯采w一大片的地方時，你自然會這么想，‘為什么不讓機器人來安裝這些東西呢?’隨著安裝規(guī)模的增大，對機器人的使用就不可避免了?！?br> 到目前為止，PV Kraftwerker研發(fā)的機器人只能做一件事：把電池板放在人類已經(jīng)安裝好的金屬架上。還需要兩個工人走在機器人旁邊，用螺釘將電池板固定在金屬架上并接通上。
然而，隨著機器人其他組件逐漸變得自動化，機器人在安裝過程中的應用可能會變得越來越普遍?，F(xiàn)在，PV Kraftwerker和其他同類型的公司也在研發(fā)另外一種機器人，它們在全球定位系統(tǒng)()的引導下，能在地面上鑿出洞來，再把電池板裝在里面，這樣就不需要人類工人來安裝金屬架了。一些較新型的太陽能電池組件無需人類用螺釘固定，可以被“抓”到或粘到位置上。特制的插頭甚至可以讓機器人進行電路連接。
這些機器人可以在惡劣的環(huán)境中提供電力。日本政府已經(jīng)委托PV Kraftwerker公司開發(fā)一種適合本國的機器安裝工人。它們將能夠獨立在福島廠災害現(xiàn)場附近受輻射的地區(qū)安裝一個太陽能電廠。Gattenl?hner說，日本政府希望在六個月內(nèi)就收到這些機器人。
德國能源大實驗
德國西部的北萊茵-威斯特法倫州的鄉(xiāng)村路邊，居住著一位名叫諾伯特?羅爾(Norbert Leu)的農(nóng)夫。36歲的他為人和藹，雙手長滿了老繭，有兩個年幼的孩子。直到最近，他都在從事著平淡的行當：種馬鈴薯和養(yǎng)豬。不過他的業(yè)務卻表明歐洲最大的經(jīng)濟體在能源政策上做出了非同尋常的轉變。2003年，一家小型風能公司在羅爾斯的一塊土豆田里豎起了一座70米高的風機。在點綴于德國鄉(xiāng)間的數(shù)百個風電場中，有大約22000個這樣的風機。羅爾斯可以得到6%的電力銷售收入，每年大約9500美元。他正考慮再多增加2到3個風機，每個都相當于第一個風機的2倍高。
從這些風機獲得的收益與他在太陽能電池板中賺到的比還不算多。在2005年，羅爾斯得知政府正要求地方電力部門高價購買屋頂太陽能。于是他貸了款，在接下來的7年內(nèi)逐步為他的豬圈、谷倉和房屋都覆蓋上了太陽能電池板——也不管經(jīng)常陰天以及屋頂朝向并不都很理想。他從最終安裝好的690千瓦的電池板上每年可以賺到280000美元，而且預計在償清貸款后可以獲得超過200萬美元的收入。
德國高明(G?rmin)正在建造中的風力渦輪機，這樣的風機在全國有大約22000多個。
羅爾斯這樣的故事可以幫助解釋，為何在2011年，德國來自于可再生能源的發(fā)電量占據(jù)總發(fā)電量的比例能從2010年的6%上升到20%。德國保證風能、太陽能、生物質(zhì)能以及水電的高價格，把成本轉移到電價上。像羅爾斯這樣的參與者和建造他的風機的小能源公司采用的是現(xiàn)成的技術并且可以確保收益。對于他們來說，綠色是相當容易實現(xiàn)的。
但接下來就沒那么容易了，德國政府在2010年宣布將要實施被稱為Energiewende的計劃，這是一次能源政策的轉變，或者說是一場能源革命。這次由化石能源到可再生能源的轉換是一個重工業(yè)國家所進行過的最具野心的嘗試：其目標是到2020年要把溫室氣體排放量在1990年的基礎上削減40%，到本世紀中葉削減80%。這個目標相當具有挑戰(zhàn)性，但考慮到德國已經(jīng)有20%的電力是來自于幾乎完全不產(chǎn)生溫室氣體的核能，要實現(xiàn)就容易了一些。而到了去年，為了應對公眾對于海嘯后日本福島核事故的擔憂，總理安格拉?默克爾(Angela Merkel)下令立刻關閉了德國最老的8座。在幾個月后，政府完成了一個方案，將在2022年前關閉剩余的9座?，F(xiàn)在，Energiewende也包括了離棄德國最主要的低碳電力來源。
德國已將自身置于一場會在嚴重依賴德國經(jīng)濟力量的全歐洲引發(fā)巨大反響的宏大能源試驗中。這個國家必須在降低能耗的同時，付出巨大而難以估量的代價，以前所未有的規(guī)模來開發(fā)和應用可再生能源技術。這些都要在工業(yè)不受到損傷的前提下進行，而工業(yè)依賴的是價格合理且穩(wěn)定可靠的能源?！皬哪撤N意義上說，Energiewende是一個沒有技術解決方案支持的政治主張，”通用電氣能源集團德國公司的首席執(zhí)行官斯蒂芬?萊梅特(Stephan Reimelt)說，“德國正強迫自己進行革新，這導致了一座規(guī)模前所未有的巨型工業(yè)試驗室的出現(xiàn)。我們必須嘗試多種不同的技術來達到目標?！?br> 德國能源工業(yè)的主要企業(yè)正同時采用數(shù)種策略。為了取代核能，它們競相在遠離德國海岸的北海中建設巨大的風電場;并且正在計劃建造把電力輸送到德國工業(yè)區(qū)的新輸電設施。與此同時，、通用電氣和RWE這幾個德國最大的電力供應商，正在尋找讓工廠在風能和太陽能出現(xiàn)斷檔時保持正常運作的方法。他們正在尋找廉價、大規(guī)模的儲能形式，并且希望可以智能協(xié)調(diào)可能多達數(shù)百萬個的分布式電源。
德國羅斯托克北海港口附近的船塢。西門子正建造一個巨大的平臺，管理遠離岸邊的風電場發(fā)電的設備將會安放在這個平臺上。
對這一轉變成本的估算分歧很大，部分取決于新技術的采用有多迅速，以及它們價格的下降有多快。不同的經(jīng)濟智庫預測德國在未來8年內(nèi)大約會在基礎設施擴建以及政府補貼上花費1250到2500億美元——相當于德國2011年GDP的3.5%到7%。
德國已經(jīng)為此付出了顯著的成本，每月的電費額外多了15%的可再生能源附加費(重工業(yè)用電除外)。自從8個核電站關閉后批發(fā)電價上升了大約10%。德國電網(wǎng)前所未有的緊張。而且，諷刺的是，Energiewende的目標是削減溫室氣體排放，而關閉核電站的決定卻增強了對燃煤電廠的依賴。
雖然花費巨資，但德國也可以從其宏大的試驗中獲得巨大的利益。在過去的數(shù)十年中，德國不僅開發(fā)了風能和太陽能，也有些不太引人注目的能源技術，例如管理軟件和高效的工業(yè)流程。據(jù)柏林自由大學環(huán)境策略研究中心主任米蘭達?西羅斯(Miranda Schreurs)稱，合起來考慮，這些“綠色”技術已經(jīng)創(chuàng)造出價值120億美元的出口產(chǎn)業(yè)，而且有潛力進一步增長。政府的政策可以為新技術的發(fā)展與應用提供進一步的激勵。“這是從中獲益的訣竅，”西羅斯說，“從長遠看來，德國的競爭之道是成為最為節(jié)能和節(jié)約資源的市場，并且在這個過程中擴大出口市場?！?br> 如果德國能夠成功實現(xiàn)轉變，那么它將為其他工業(yè)國家提供可行的藍圖，這些國家也正面臨著能源消費轉型的壓力。“人們正密切關注Energiwende，如果它能在德國實現(xiàn)，那就為其他國家樹立了一個樣板?！?RWE的首席經(jīng)濟學家格雷厄姆?威爾(Graham Weale)說，該公司正努力解決怎樣在關閉核電站的同時保持電力供應的問題?！叭绻荒?，那將會對德國乃至整個歐洲的經(jīng)濟造成非常嚴重的破壞?！?br> 遭遇瓶頸
在紐倫堡以北20千米處的埃朗根城，坐落著安保嚴密的工業(yè)建筑群，能源巨頭西門子的實驗室和工廠就位于這里。西門子正是參與Energiwende的承包商之一。其中的一座建筑如字面上一樣充滿“能量”(30兆瓦的電能)地嗡嗡作響。在建筑里面是一個用鋼鐵與銅制成，用來大規(guī)模地把交流電轉換為直流電的巨型機器。這樣的機器預定要裝在離岸平臺上，這些平臺必須要承受幾十年強勁的北海風暴。
德國需要這種技術，因為它正在尋求所能找到的最穩(wěn)定的風能來源。而這只有在遠離岸邊的海上才能找到——距離太遠以至于標準的交流輸路不能勝任輸電工作。到目前為止，德國只建造了裝機總容量大約500兆瓦的離岸風力發(fā)電設施，都在距離陸地90千米的范圍內(nèi)，水深則在40米內(nèi)?，F(xiàn)在能源公司正計劃建造10000兆瓦的風電設施，到岸邊距離遠至160千米，水深達到70米。數(shù)個10000到20000噸的離岸變電站會把數(shù)十億瓦的交流電轉換為直流電，直流電在跨越這樣的長距離進行傳輸時能量損失很小。負責德國北海大規(guī)模建設部分工程的荷蘭電網(wǎng)公司Tennet的企業(yè)發(fā)展總監(jiān)萊克斯?哈德曼(Lex Hartman)說：“世界上沒有任何一個地方這樣做過——以這樣的方式和這樣的規(guī)模建設離岸電網(wǎng)和輸電線路?！?br> 當然，這一切僅僅是將電能傳輸?shù)胶０渡?，電力還需要穿越德國送抵國家南部的主要工業(yè)中心。這需要大約3800千米的新輸電線路，但由于不情愿的土地所有者和地方政治家拖延了進展并制造阻礙，已經(jīng)建成的只有約200千米。進度的拖延以及對新技術的采用使得的德國的離岸風電項目本身成為了一場豪賭?！皼]有人真正知道Energiwende到底要花費多少，”慕尼黑大學的能源經(jīng)濟學家卡倫?皮特爾(Karen ttel)說，“尤其是那些風電場，它們大致上就是些試點項目?！?br> 不確定性還不僅于此，即使是現(xiàn)在的風電利用水平，在大風的日子，電網(wǎng)管理者也必須關閉風機，因為無處容納這些電能。而在另外某個晴天，當云層蔓延過南部德國時，這些區(qū)域的光伏電池板發(fā)電能力可能會下降幾兆瓦。其影響相當于關閉了一座中等規(guī)模的燃煤發(fā)電站，增加了停電的危險。
沒有了廉價可靠的能源來支持高技術產(chǎn)業(yè)和交通系統(tǒng)，德國經(jīng)濟，以及整個歐洲的經(jīng)濟都會陷入困境。已經(jīng)有一些德國公司開始在其他地方建設新生產(chǎn)設施，例如，去年化工制造商瓦克化學公司決定在田納西州建一座多晶硅工廠，部分原因就是德國能源成本太高了。威爾說;“能源供應的質(zhì)量只要下降一點，對高科技產(chǎn)業(yè)就會帶來嚴重的影響。即使沒有停電，這些行業(yè)也越發(fā)緊張了?！?br> 為了避免災難發(fā)生，德國必須開始更大規(guī)模地運用儲能技術以及負載平衡策略。現(xiàn)在，整個國家有31座抽水蓄能電站。這種電站可以在夜間把水抽到高處，然后讓向下的水流推動水輪機發(fā)電。它們總共可以存儲38兆千瓦時的電能，這聽起來好像很多，但還不到德國風電場以峰值功率在90分鐘內(nèi)輸出的電能。
電池或許能幫上忙，但目前它們成本太高，難以承擔大任。在埃朗根的另一座建筑里，西門子正基于三種不同的鋰離子技術來制造拖車大小的電池。每個電池可以為40個德國家庭供電一天，但是這些電池作為備用電源來說就太貴了。取而代之的是，高科技企業(yè)可能利用它們平安度過供電不穩(wěn)定之時，例如持續(xù)15分鐘，8兆瓦的波動，這樣的話那些特殊設備就無需經(jīng)歷耗時漫長的重啟過程。價格至少還需要下降一半，才能為風機在數(shù)小時內(nèi)輸出的額外電能提供一種經(jīng)濟的存儲方法。
其他存儲技術也正處在開發(fā)中，不過即使它們最終可以投入實用，也還是要等很多年。例如，西門子正在研究的一項新技術，是利用過量的電能分解水來制取氫。不過這是實驗性質(zhì)的技術，而且在目前這個階段價格很昂貴。
不可避免的，當承受著巨大壓力的電力系統(tǒng)把歐洲拖入泥淖之時，7月最炎熱的幾周卻即將到來，當被烈日炙烤的德國人向求救時，風力渦輪機卻都停在那里。直到有大規(guī)模且價格低廉的儲能技術可用之前，可以迅速且高效地啟動的天然氣發(fā)電站會是用來協(xié)調(diào)這種狀況的最為實用的方法。但人們沒有充足的動機來建造這種電站。天然氣發(fā)電站要滿足高峰期電力需求，已經(jīng)不能再每次運行固定的幾個小時了。因為電力需求變化也不再是可以預測的了，曾經(jīng)在工作日下午固定下降的需求，現(xiàn)在則是隨著太陽和風變動。波茨坦氣候影響研究院的首席經(jīng)濟學家，奧特瑪·埃登霍費爾(Ottmar Edenhofer)說：“電力市場的設計將會發(fā)生根本性的變化。需求是浮動的，與此同時供應也是浮動的。這兩個維度的聯(lián)系和互動已經(jīng)成為熱門的研究課題。會出現(xiàn)新的和正在形成中的市場失效情況。
虛擬電力
杜伊斯堡是埃森市西邊的一座堅韌的城鎮(zhèn)，它在二戰(zhàn)中曾是主要的軍火制造中心，被盟軍轟炸成一片瓦礫。而今在這里，德國四大電力公司之一的RWE集團正在進行另一項關鍵技術：虛擬發(fā)電站的前沿研究，在這種技術中，軟件智能控制海量的小型電源(最終還會包括分布式的儲能站)協(xié)調(diào)它們的電力輸出，用于在能源市場上出售。其目標是把數(shù)千個單獨供電時都不可靠的可再生能源，轉換成電力部門可以信賴的巨大網(wǎng)絡。這是一個光彩奪目的構想，但仍處在襁褓中。
在一個坐落在納粹防空洞前，形似尖頂巫師帽的實驗室中，RWE的研究人員正在對十幾個設計用來熱電聯(lián)供的燃氣鍋爐和進行。理論上，在必要時候電力公司可以征集成千上萬個家庭用機組，以及為公寓和寫字樓供能的大型機組，來制造額外的電力提供給電網(wǎng)。德國用電量差不多有5%可以通過這種方式獲得，大約相當于電力公司預計可從新的離岸風電場所得到的發(fā)電量。
個人用戶和企業(yè)需要逐漸替換已有的鍋爐，基礎設施也必須落實到位才能同步成千上萬個電源，要達到這一步需要花費數(shù)十年。但在杜伊斯堡以東一小時路程，多特蒙德邊的上一棟20世紀60年代的辦公樓內(nèi)，作為起點，工程師們正在測試一種比較適度的網(wǎng)絡。有一個地下服務器機房作用相當于120個小型發(fā)電站的通訊樞紐，這些電站依靠可再生能源(主要是風能，另外也有太陽能和生物質(zhì)能)發(fā)電，總發(fā)電能力為160兆瓦。軟件把氣象預報納入考慮，收集大量來自風能和太陽能的可再生電力，通過切換生物質(zhì)發(fā)電廠的開啟和關閉來平衡電力輸出的波動，從而制造出穩(wěn)定的電力。
類似這個網(wǎng)絡的早期項目是通向更為復雜系統(tǒng)的進身之階，未來的系統(tǒng)也會包括需求管理，電力公司會給愿意在電力需求高峰期自動削減用電量的用戶提供折扣。有朝一日，系統(tǒng)也可以從?？康碾妱悠囍刑崛‰娏Γ蚴前央娔軆Υ嬖谒鼈冎?，以補償風能的變動。
通用電氣和其他公司也正在追求這樣的理念?！敖裉煳覀兯氖悄茉词袌鰧稚⒒?，將會成為一個碎片化的市場，”通用電氣的萊梅特說，“過去，我們有四家電力公司，現(xiàn)在我們有350家發(fā)電公司，今后還會增加到1000家，而如果你把每個屋頂有太陽能電池板的人計算在內(nèi)的話，這個數(shù)字會增加到上百萬。所以我們看到的一個趨勢是：需要強調(diào)的不再是發(fā)電，而是電力的管理。
巴伐利亞的困惑
透過巴伐利亞小鎮(zhèn)貢德雷明根的鎮(zhèn)長沃爾夫岡?邁耶(Wolfgang Mayer)書桌后面的落地窗，可以俯瞰這個小鎮(zhèn)。在1英里之外，矗立著貢德雷明根核電站B和C兩個機組的一對冷卻塔。這個電站是德國最大的核電站，恰好位于斯圖亞特和慕尼黑兩個工業(yè)中心中間，電站的裝機容量為26億瓦。Energiwende令邁耶感到很困惑，這個計劃威脅著城鎮(zhèn)的數(shù)百個工作機會，并且會影響稅收?！八麄冋f2017年會關閉B機組，到2021年關閉C機組，”他指向核電站說，“可是它們都是在1989年啟動的!正常人理解不了，這是什么邏輯?”
業(yè)主在房頂安裝太陽能電池從補貼獲益，房子后面則可以看到貢德雷明根核電站的冷卻塔，這家電站已預定要關閉。
感到困惑的并不止邁耶自己，許多有爭議的現(xiàn)行政策都是不合邏輯的。至少在短期內(nèi)，關閉核電站的決定意味著Energiwende實際上會使電力公司更加依賴煤。例如去年，RWE在靠近比利時國境的已有設施內(nèi)啟動了兩座計劃了許久的鍋爐，這些鍋爐燃燒的是所有化石燃料中最臟的一種：褐煤。雖然這些鍋爐比它們所替代的前任更清潔，但這座燃煤電站是同類中世界最大的，而且為了滿足電力需求，這些天它一直保持滿負荷運轉。
“如果關閉掉8座不排放碳的核電站，一夜之間，碳排放量就會增加，”威爾說，“德國不得不比先前所預料的更依賴來于煤，如國家想要的那樣迅速減少二氧化碳排放量恐怕是很困難的?！爆F(xiàn)在建設何種電站的決定將會影響未來幾十年，他說;“你不可能突然從一種換到另一種?！?br> 另一個問題是即使涉及到替代能源，德國所獎勵的也不是二氧化碳減排。相反的是，它為一些特定的技術設立了定義明確的政府補貼：1千瓦時的太陽能獲得的補貼要比來自離岸風機的等量電能多，后者則要比陸地風機多。即使太陽能補貼已經(jīng)下降得遠比羅爾投入的時候低，但太陽能獲得的補貼率依然是最高的?？墒侨绻P注的是碳減排的話，更多的錢應該投入到減少能源消耗上。慕尼黑的能源經(jīng)濟學家皮特爾說：“如果選擇最理想的手段，把精力集中在可以最廉價地讓你實現(xiàn)目標的領域，那么你將會更專注于能源的利用效率，而不是可再生能源?！?br> 現(xiàn)行的補助政策讓現(xiàn)有技術得以盈利，但創(chuàng)新卻沒有從中獲得同樣程度的鼓勵，比方說，對革命性新光伏技術的開發(fā)就沒獲得什么激勵，即使最終可能只有這類技術才能讓沒有補貼的太陽能便宜到足以和化石燃料競爭。
在一些德國經(jīng)濟學家看來，這個國家的能源政策就是完全錯誤的。慕尼黑大學o經(jīng)濟研究所主席漢斯-韋爾納?辛恩(Hans-Werner Sinn)的批評尤為嚴厲，“Energiewende是朝向虛幻的轉變，因為綠色技術還不足以替代傳統(tǒng)能源滿足現(xiàn)代社會的能源需求，”他說，“關閉核電站是錯誤的，因為這是種廉價的能源，而風能和太陽能決不可能替代它。它們昂貴得多，并且輸出能量的品質(zhì)也較差。能源密集型產(chǎn)業(yè)將會外遷，而且德國制造業(yè)的競爭力將會下降，或者收入會降低?！?br> 當然，德國的政治家們把賭注壓在辛恩是錯的上。而且也有許多令人振奮的跡象表明不必像他那么悲觀。太陽能電池板的成本正在飛速下降，這意味著太陽能將會越來越有競爭力。電池的成本可能也會一樣下降。如果化石燃料價格繼續(xù)持續(xù)升高，可再生能源看起來就會更具吸引力?！?0年是很長的一段時間，人們總是不斷為優(yōu)秀技術的發(fā)展而感到驚訝，例如現(xiàn)在太陽能電池價格下降的方式，”威爾說，“在我看來，我想強調(diào)Energiewende是多么具有挑戰(zhàn)性。此刻，要推進這個計劃看起來很困難。但是在適當?shù)募顧C制下，有充足的理由相信技術的進步速度將會比我們現(xiàn)在所預期的快得多?！?
