CN106050586B - 基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置 - Google Patents

基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置。光能转换器件一侧吸收聚焦太阳光转换为热能,热能传递到光能转换器件另一侧,转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,并向吸热腔内辐射换热。回热器出口的气体工质进入吸热腔,立体吸收辐射能,温度迅速升高。加热后的高温工质进入透平机膨胀做功,膨胀之后的工质流经回热器换热,温度降低后依次进入冷却器、压缩机和回热器,回热器出口的工质再进入吸热腔内立体加热,完成一个热功转换循环。本发明采用光能转换器件,将太阳能转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,工质直接立体吸收辐射能,大幅减少了吸热表面积,吸热器结构简单,效率高,成本低。

Description

基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电技术领域,特别是涉及一种气体体吸热太阳能发电方法及装置。
背景技术
减少化石能源的使用、大力开发和利用可再生清洁能源是解决能源危机和环境污染的一个重要举措。太阳能是一种普遍存在、储量丰富、经济环保的可再生能源,太阳能的光热发电技术是当前太阳能利用技术的研究热点和重点之一。太阳能光热发电技术的基本原理是利用聚光型抛物面反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,加热收集装置内的吸热介质,再通过换热系统加热发电系统的工质,驱动透平机做功发电。根据聚光方式的不同,光热发电可分为四种方式:槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。这几种发电方式都由聚光系统、集热系统、储热系统、发电系统四个基本系统组成。
太阳能吸热器是太阳能热发电系统的核心部件,在不同的应用场合下有不同的结构和型式。太阳能吸热器按工作介质的吸热方式,主要可分为间接式和直接式两大类。间接式吸热器的特点是受热面吸收入射的聚焦太阳光,温度升高后再通过壁面将热量传递给吸热介质,这是一个间壁式换热的过程。间接式吸热器是太阳能吸热器中很常见的一种,如外露式管状吸热器和腔式吸热器都属于间接式吸热器。这种吸热器的优点是能够采用的吸热介质较多,结构较为简单,技术相对成熟。但是,它的缺点是必须有大量的吸热面积或换热管道进行间壁式换热,吸热器效率低、成本高。直接式太阳能吸热器一般含有吸热体,吸热介质是空气。具有多孔结构的吸热体吸收太阳辐射,空气被强制通过吸热体,与吸热体发生对流换热后升至高温。这种吸热器要求吸热体具有较高的吸热性、优良的导热性和渗透性,并且具有较强的耐热性和较大的比表面积。这种吸热器能够达到很高的出口空气温度,但结构较复杂,技术难度大。
发明内容
本发明为了克服目前的太阳能吸热器需要大量吸热表面积及吸热效率低等缺点,提出了一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置。目前的太阳能吸热器采用的面吸热和间壁式换热方式,是通过吸热面吸收入射的太阳光,吸热面的温度升高,并通过壁面将热量传递给吸热工质。本发明采用的气体体吸热方式,主要是通过光能转换器件吸收聚焦太阳光并辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,气体工质直接立体吸收辐射能完成吸热。本发明采用气体体吸热方式,能够大幅减少吸热器的吸热和换热表面积,吸热器结构简单,效率高,成本低。
本发明的具体技术方案如下:
本发明所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:光能转换器件的一侧吸收聚焦太阳光转换为热能,热能传递到光能转换器件的另一侧,转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,并向吸热器腔体内辐射换热,流经回热器换热后温度升高的气体工质进入太阳能吸热器中,立体吸收从光能转换器件辐射到吸热器腔体中的辐射能,温度迅速升高,加热后的气体工质膨胀做功,进行发电循环。
所述的光能转换器件包括光吸收器、中间层和光辐射器,是三层堆叠的结构,其材料是金属或半导体。光吸收器和光辐射器是由纳米尺度的结构构成的,如采用银材料的金属纳米棒以一定间距和角度排列,并多层堆叠,就可以形成一种光吸收器或辐射器。当太阳光入射在光吸收器的表面时,光吸收器通过其内部的纳米结构能够高效地吸收太阳光,并转换为热能,使得光吸收器的温度升高;中间层的材料是导热性良好的金属或半导体,吸收来自光吸收器的热能,温度升高,而光吸收器的温度降低;光辐射器吸收来自中间层的热能,温度升高,并通过内部的纳米结构辐射出光波。当光能转换器件达到能量平衡状态时,其温度会达到一个稳定值。光吸收器和光辐射器的原理是类似的,都是通过材料内部的纳米结构实现光波的吸收或辐射。光吸收器不只是吸收太阳光,也会辐射光波,光辐射器不只是辐射光波,也会吸收光波,只是各自的吸收辐射比不相同。光辐射器是光能转换器件的核心部件,其作用是辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能。该辐射能的本质是不同强度和不同波长的光波,其光谱具有一个中心波长和谱线宽度,中心波长值主要取决于光辐射器的温度,谱线宽度主要取决于光辐射器的材料和微观结构,而辐射能的强度主要取决于入射太阳光的能量。光能转换器件实现的是一个能量的传递和转换的过程,先将太阳辐射能转换为热能,热能经传递后再转换为辐射能的过程。
所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。每种气体工质都有其特征吸收光谱,有若干个特征吸收峰,每个吸收峰有一定的谱线宽度。气体工质对其特征吸收峰邻近范围内的光波的吸收强度较大,吸收效率较高。光辐射器辐射出的辐射能的光谱线型和气体工质的特征吸收峰的线型是类似的,只是中心波长和谱线宽度可能不相同,中心波长决定了光谱的波长分布的中心值,谱线宽度决定了光谱的能量分布的集中程度。设计光辐射器的一个原则是:辐射出的辐射能的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同,辐射能的谱线宽度比气体工质的特征吸收峰的谱线宽度小并尽可能地小。在这种情况下,辐射能的能量更多地集中于气体工质特征吸收峰邻近较窄的波长范围内,气体工质对辐射能的吸收效率会较高。但是,辐射能的谱线宽度越小,光辐射器的设计难度越大。一般而言,光辐射器的设计是基于气体工质的某一个特征吸收峰,辐射能的谱线宽度主要取决于气体工质的特征吸收光谱以及光辐射器的材料和内部结构。
所述的太阳能吸热器的吸热工质包括二氧化碳、水蒸汽或有机质如六氟丙烷、丁烷或丁烯等。目前的太阳能吸热器采用面吸热及间壁式换热的方式,吸热工质主要是空气、水蒸汽和熔融盐;而基于气体体吸热方式的太阳能吸热器采用的吸热工质可以是无机气体工质如二氧化碳、氨气、水蒸汽等,也可以是有机气体工质如五氟丙烷、六氟丙烷、丁烷、丁烯等。每种气体工质都有其特征吸收光谱,有若干个特征吸收峰。基于某个特征吸收峰可以设计特定的光能转换器件,通过特定的光能转换器件可以辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,该气体工质可以高效地吸收辐射能。一般说来,无机气体工质在高温下不易分解,可以用于温度较高的循环;有机气体工质能承受的温度不高,可以用于温度较低的循环。
所述的发电循环的过程是,气体工质在太阳能吸热器中立体吸收辐射能,温度升高后的气体工质进入透平机中膨胀做功,透平机通过轴带动发电机发电,膨胀之后的工质流经回热器换热,温度降低后依次进入冷却器、压缩机和回热器,回热器出口的气体工质再进入太阳能吸热器中立体吸收辐射能,完成一个发电循环。其中,气体工质在太阳能吸热器中立体吸收辐射能的过程主要是一个分子内部化学键吸收的过程,这个过程快速、高效、稳定。此外,在聚焦太阳光入射的情况下,光能转换器件的温度升高。因此,在太阳能吸热器的吸热腔体内可以布置一些管道,进行辅助的传热过程,将光能转换器件表面的热量传递给气体工质。这样,一方面提高了吸热器的整体效率,另一方面能够降低光能转换器件表面的温度,减少热应力,延长吸热器的寿命。
所述的发电循环包括布雷敦循环或朗肯循环。发电循环的基本型式可以采用蒸汽动力循环如朗肯循环,工质是水蒸汽、二氧化碳、部分有机气体如丁烷、丁烯等;也可以采用气体动力循环如布雷敦循环,工质是二氧化碳等。实际的发电循环可能含有再热、回热、再压缩、部分冷却、中间冷却等过程,循环较为复杂。此外,在太阳能热发电系统中,发电循环一般和储热系统结合以提高发电的稳定性,储热系统可以以熔融盐为储热介质。
所述的太阳能吸热器的聚焦太阳光由槽式聚光系统、塔式聚光系统、碟式聚光系统或线性菲涅尔式聚光系统中的一种或者多种提供。在塔式或碟式聚光系统中,可以采用一次聚光的方式聚焦太阳光并将其入射到太阳能吸热器,把太阳能吸热器和发电装置的其他主要部件放置在位置较高的聚光系统的周围,使得发电装置更紧凑;也可以采用二次反射下聚光方式,以便于把发电装置的各部件放置在地面上。
实现如上所述的气体体吸热太阳能发电方法的装置,其特征在于:包括冷却器、压缩机、回热器、太阳能吸热器、透平机、发电机和轴,太阳能吸热器包括吸热器腔体、玻璃窗口和光能转换器件,玻璃窗口嵌在吸热器腔体中,光能转换器件镀在玻璃窗口表面,冷却器、压缩机、回热器、太阳能吸热器和透平机通过管道依次相连,透平机的出口和回热器的热侧入口相连,回热器的热侧出口和冷却器入口相连,形成一个闭式的循环,压缩机、透平机和发电机由同一根轴联接。
所述的光能转换器件采用镀膜的方式镀在玻璃窗口的表面,玻璃窗口内嵌在吸热器腔体中,并采用法兰进行连接和密封。光能转换器件一般较薄,采用镀膜的方法能很牢固、稳定地将光能转换器件固定在玻璃的表面。玻璃和吸热器腔体的热膨胀系数不一样,如果采用高温胶进行连接和密封,玻璃容易碎裂,承受不了内部的高温高压环境,难以满足实际应用的要求。比较妥当的方式是采用法兰和吸热器腔体连接,玻璃嵌在法兰或吸热器腔体中,玻璃与法兰或吸热器腔体之间有垫片,这样的方式既能使得光辐射器辐射出的光波透过玻璃进入太阳能吸热器中,又能安全、稳定地维持吸热腔内高温高压的环境。
所述的玻璃窗口对光辐射器辐射出的光波有较高的透过率,其材料可以是二氧化硅、氧化铝等,一般依据光辐射器辐射出的辐射能的光谱、吸热腔内的温度和吸热腔内的压力选择玻璃的材料。
与现有技术相比,本发明的优点和有益效果在于:
1.本发明采用气体体吸热方式,气体内部直接对辐射能进行体吸收,其吸热过程快速、高效、稳定,可采用的气体工质可以是水蒸汽、二氧化碳或部分有机质等多种介质,吸热量大小可灵活变化,该技术可方便地应用于需要进行太阳能吸热及发电的场合。
2.本发明采用气体体吸热方式,气体工质立体吸收辐射能,大幅减少了太阳能吸热器的吸热和换热面积,节省钢材,吸热器结构简单,效率高,成本低。
3.本发明采用光能转换器件吸收太阳光并辐射出光波,减少了对吸热器表面换热的需求,吸热器表面的温度分布可以更加均匀,降低了吸热表面的局部热应力,吸热器的寿命增加。
附图说明
此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,但并不构成对本发明的不当限定。
图1是一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电装置的示意图。
图2是图1中的光能转换器件的结构示意图。
图3是一种基于气体体吸热和熔融盐储热的太阳能发电系统的示意图。
图中:冷却器1,压缩机2,回热器3,太阳能吸热器4,吸热器腔体5,玻璃窗口6,光能转换器件7,透平机8,发电机9,轴10,光吸收器11,中间层12,光辐射器13,阀门14,阀门15,换热器16,二氧化碳储罐17,熔融盐冷罐18,熔盐泵19,熔融盐热罐20,熔盐泵21,换热器22,阀门23,阀门24。
具体实施例
下面将结合附图以及实施例来详细说明本发明,其中的实施例及说明仅用来示意本发明,但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示的是一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电装置,包括冷却器1、压缩机2、回热器3、太阳能吸热器4、透平机8、发电机9和轴10。其中,太阳能吸热器4包括吸热器腔体5、玻璃窗口6和光能转换器件7。光能转换器件7的结构示意图如图2所示,包括光吸收器11、中间层12和光辐射器13,是一个三层堆叠的结构。光能转换器件7较薄,采用镀膜的方式镀在玻璃窗口6的外表面,玻璃窗口6内嵌在吸热器腔体5中,采用法兰进行吸热器腔体5和玻璃窗口6的连接与密封。玻璃窗口6的材料是二氧化硅或氧化铝等,呈半透明状态,能够透过光辐射器13辐射出的光波。
本发明的基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,实际应用时吸热工质和发电循环工质可采用水蒸汽、二氧化碳、部分有机质如六氟丙烷、丁烷、丁烯等,循环的基本型式可采用朗肯循环或布雷敦循环等,吸热量大小可灵活变化,因此可方便地应用于太阳能吸热及发电的场合如塔式或碟式太阳能发电系统。该实施例以本发明在塔式太阳能发电系统中的应用为例,以二氧化碳为吸热工质和发电循环工质,采用简单回热布雷敦循环,以此作为优选例进行详细说明。下面进行太阳能吸热器吸热面积和吸热效率的分析与计算,并和目前采用面吸热方式的太阳能吸热器作对比。进一步地,计算系统的发电效率,并和目前的太阳能热发电系统作对比。
采用二次反射下聚光方式聚焦的太阳光,其聚焦倍率是1000,热流密度是600kW/m2,太阳能吸热器的入口光孔面积为50cm2-100cm2,进入吸热器总热流是3kW-5kW。如果采用气体体吸热方式,光能转换器件的一侧表面直接吸收聚焦太阳光,另一侧辐射出二氧化碳的特征吸收峰邻近的辐射能。吸热腔内充满了二氧化碳工质,直接立体吸收辐射能,同时吸热腔内还布置有少量的换热管道,进行辅助的换热过程。吸热器的吸热面积是入口光孔面积的1.5-2.0倍,太阳能吸热器的总换热表面积为100cm2-200cm2。如果采用面吸热和间壁式换热方式,吸热器内布置大量换热管道,吸热工质二氧化碳在管内流过,二氧化碳的换热系数为0.5KW/(m2·K)-1.5KW/(m2·K),管壁和管内工质的温差为50℃-80℃,太阳能吸热器的总换热表面积为400cm2-1200cm2。可见,与面吸热方式相比,采用气体体吸热方式,总的换热表面积能减少60%-80%。此外,在面吸热及间壁式换热方式中,吸热腔内布置有大量的换热管道,会占用更大的吸热腔的空间,吸热腔体积会更大,管道的设计和布置也更复杂。管道之间的连接一般采用焊接方式,焊点的增加进一步增加了吸热器的成本,其安全性和稳定性也降低。因此,采用气体体吸热方式能大幅减少换热管道,节省大量的钢材,成本大幅降低,吸热器的结构更简单,寿命增加。
聚焦太阳光入射在光能转换器件7一侧表面,另一侧的光辐射器13辐射出二氧化碳的以4.2μm为中心波长的特征吸收峰邻近的光波辐射。该特征吸收峰在常温常压下的谱线宽度约为112cm-1,因此,在设计该光辐射器时,要使得辐射出的光波的中心波长为4.2μm,且谱线宽度小于112cm-1。光能转换器件7辐射出的光波波长为4.1μm-4.3μm,玻璃窗口6对该波长范围的光波透过率为90%-95%,光波透过玻璃窗口6进入太阳能吸热器4内,被流入吸热器内的二氧化碳工质吸收。光能转换器件吸收聚焦太阳光到辐射出辐射能,这个过程的效率主要取决于光吸收器和光辐射器,为80%-85%。二氧化碳工质吸收光辐射器辐射出的特征吸收峰邻近的辐射能,完成吸热升温,这个过程是二氧化碳分子内部的化学键吸收过程,其效率为85%-90%。采用气体体吸热方式的太阳能吸热器的效率主要取决于上述的两个过程的效率,为70%-75%,比目前的太阳能吸热器效率高5%-10%。
经回热器3换热后的二氧化碳工质,温度为465℃,压力为20.3Mpa,流入太阳能吸热器4中吸热,立体吸收光辐射器13辐射出的辐射能,温度迅速升高为650℃,压力为20.0Mpa。之后二氧化碳工质进入透平机8完成膨胀做功,通过轴10带动发电机9发电,膨胀之后的工质温度为516℃,压力为6.9Mpa。流经回热器3换热,温度降低为75℃,压力为6.8Mpa。之后工质进入冷却器1被冷却水冷却,温度降低为35℃,压力为6.7Mpa。被冷却之后的工质进入压缩机2被压缩高压状态,温度为65℃,压力为20.4Mpa。压缩机2分两级进行压缩,压缩一次进行中间冷却后再压缩一次。工质再流经回热器3换热,温度升高为465℃,压力为20.3Mpa,再流入太阳能吸热器4中吸热。至此,二氧化碳工质完成了一个发电循环过程。该发电循环是一个简单回热布雷敦循环,其发电效率为48%-50%。
在该实施例中,太阳能吸热器采用气体体吸热方式,以二氧化碳作为吸热和循环工质,循环是简单回热布雷敦循环。进入太阳能吸热器的热流是3KW-5KW,太阳能吸热器效率是70%-75%,比目前的太阳能吸热器效率高5%-10%,二氧化碳工质的实际吸热量是2KW-4KW。此外,采用气体体吸热方式,太阳能吸热器的总换热表面积能减少60%-80%。循环的发电效率是48%-50%,太阳能热发电效率是33%-38%,比目前的采用面吸热以水蒸汽为工质的太阳能热发电系统发电效率高10%-15%。
实施例2
由于太阳辐射的不稳定性,太阳能热发电系统需要有储热系统来保证发电的持续性和稳定性。如图3所示的是一种基于气体体吸热和熔融盐储热的太阳能发电系统,由发电循环和熔融盐储热系统两部分组成。发电循环和图1中所示的相同,是一个简单回热布雷敦循环,包括冷却器1、压缩机2、回热器3、太阳能吸热器4、透平机8、发电机9和轴10。其中,太阳能吸热器4包括吸热器腔体5、玻璃窗口6和光能转换器件7。熔融盐储热系统包括阀门14、阀门15、换热器16、二氧化碳储罐17、熔融盐冷罐18、熔盐泵19、熔融盐热罐20、熔盐泵21、换热器22、阀门23和阀门24。
发电循环的发电过程和实施例1中所述相同,不再叙述,该实施例主要说明熔融盐储热系统的工作过程。当白天太阳辐射充足时,除了进行发电循环外,还要进行储热过程。从太阳能吸热器4流出的高温高压的超临界二氧化碳工质中的一部分流经阀门14,进入换热器16进行换热过程,温度降低,流入二氧化碳储罐17。熔融盐冷罐18中温度较低的熔融盐通熔盐泵19泵入换热器16中换热,温度升高,再流入熔融盐热罐20,完成储热过程。二氧化碳储罐17中的二氧化碳工质可依次流经阀门23和换热器22,与来自太阳能吸热器4中流经阀门24的二氧化碳工质汇合,进入透平机8中膨胀做功。当太阳辐射不充足时,从太阳能吸热器4流出的超临界二氧化碳工质流经阀门15进入二氧化碳储罐17,再经过阀门23流入换热器22进行换热,温度升高,进入透平机8膨胀做功。熔融盐热罐20中温度较高的熔融盐通过熔盐泵21泵入回热器22的热侧入口,与二氧化碳工质进行换热,温度降低,流入熔融盐冷罐18,完成所储存热量的释放过程。

Claims (9)

1.一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:光能转换器件(7)的一侧吸收聚焦太阳光转换为热能,热能传递到光能转换器件(7)的另一侧,转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能,并向吸热器腔体(5)内辐射换热,流经回热器(3)换热后温度升高的气体工质进入太阳能吸热器(4)中,立体吸收从光能转换器件(7)辐射到吸热器腔体(5)中的辐射能,温度迅速升高,加热后的气体工质膨胀做功,进行发电循环;所述的光能转换器件(7)的材料是金属或半导体,光能转换器件(7)包括光吸收器、中间层和光辐射器,光吸收器吸收聚焦太阳光并转换为热能,中间层传递热能,光辐射器辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:所述的太阳能吸热器(4)的吸热工质包括二氧化碳、水蒸汽、六氟丙烷、丁烷、丁烯。
4.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:所述的发电循环的过程是,气体工质在太阳能吸热器(4)中立体吸收辐射能,温度升高后的气体工质进入透平机(8)中膨胀做功,透平机(8)通过轴(10)带动发电机(9)发电,膨胀之后的气体工质流经回热器(3)换热,温度降低后依次进入冷却器(1)、压缩机(2)和回热器(3),回热器(3)出口的气体工质再进入太阳能吸热器(4)中立体吸收辐射能,完成一个发电循环。
5.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:所述的发电循环包括布雷敦循环或朗肯循环。
6.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法,其特征在于:所述的太阳能吸热器(4)的聚焦太阳光由槽式聚光系统、塔式聚光系统、碟式聚光系统或线性菲涅尔式聚光系统中的一种或多种提供。
7.实现权利要求1-6任一项所述的气体体吸热太阳能发电方法的装置,其特征在于:包括冷却器(1)、压缩机(2)、回热器(3)、太阳能吸热器(4)、透平机(8)、发电机(9)和轴(10),太阳能吸热器(4)包括吸热器腔体(5)、玻璃窗口(6)和光能转换器件(7),玻璃窗口(6)嵌在吸热器腔体(5)中,光能转换器件(7)镀在玻璃窗口(6)表面,冷却器(1)、压缩机(2)、回热器(3)、太阳能吸热器(4)和透平机(8)通过管道依次相连,透平机(8)的出口和回热器(3)的热侧入口相连,回热器(3)的热侧出口和冷却器(1)入口相连,形成一个闭式的循环,压缩机(2)、透平机(8)和发电机(9)由同一根轴(10)联接。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于:所述的光能转换器件(7)采用镀膜的方式镀在玻璃窗口(6)的表面,玻璃窗口(6)内嵌在吸热器腔体(5)中并采用法兰进行连接和密封。
9.根据权利要求7或8所述的装置,其特征在于:所述的玻璃窗口(6)能够透过光辐射器辐射出的光波,玻璃的材料可以是氧化铝。
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