CN115046321B - 一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统。系统储能时可利用多种不同形式的能量来源，释能时可实现多形式能量输出，实现热电联供的同时满足可再生能源的并网需求。设计不同运行模式，实现在太阳能供热、热泵供热之间灵活切换，从而消纳不同形式的能源。采用显热储热与潜热储热结合的模式，在储热单元主体中布置多个潜热储热单元，其余空间填充显热储热材料，通过调整潜热储热单元布置的数目和位置、进行合理的流道设计、强化潜热储热单元的换热来来调节储热容量。通过对系统中的储热子系统的形式、组合方式进行设计，从而提高储热密度、降低储热成本，具有较高的应用价值。

Description

一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及储热技术领域，特别涉及一种太阳能储放 电一体化的多能源综合利用系统。

背景技术

由于可再生能源本身固有的间歇性、波动性等问题，使得其难以直接并网 或直接为用户供能，为解决这一问题，储能技术应运而生。储热技术是储能技 术的重要分支，尤其是以太阳能光热发电为主体的储热技术，目前已经得到一 定规模的应用。

目前，太阳能光热发电系统结构较为单一，所能利用的能量形式有限，虽 然有少数研究将太阳能与泵式蓄热技术技术相结合，拓展了系统的能量来源， 但存在系统形式较为简单、运行工况有限等不足，而且没有考虑不同能源在一 天时间内时间分布的不均匀性，没有充分利用能源，具有改进空间。合理的系 统及储热单元结构设计与优化可以充分利用多种形式的能源、提高系统集成度、 灵活应对不同工况的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳能储放电 一体化的多能源综合利用系统，进行合理的结构设计与创新，使得系统可在6 种不同模式下工作，有效利用太阳能、风电、光伏、低谷电能等不同形式的能 量。本发明还对系统中的储热单元进行了结构设计及优化，通过布置潜热储热 单元的数目及位置，可以依据具体需求调节储热容量，通过合理的流道设计提 高储热密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，包括供热系统、槽式太 阳能集热系统、储热单元和动力系统；

所述供热系统与所述储热单元形成回路一；所述储热单元与所述动力系统 形成回路二；

所述槽式太阳能集热系统的热流体经换热器的热流体通道换热回流，所述 换热器的冷流体通道与所述储热单元形成回路三；

所述储热单元与用户形成回路四；所述动力系统接用户、电网和储能电池， 向其中一项或多项供电。

在一个实施例中，所述储热单元的入口和出口分别设置十字管路一和十字 管路二，储热单元的入口接十字管路一的D端口，储热单元的出口接十字管路 二的B端口，十字管路一的A端口和十字管路二的A端口处于所述回路一和回 路三；十字管路一的C端口和十字管路二的C端口处于所述回路二；十字管路 一的B端口和十字管路二D端口处于所述回路四。

在一个实施例中，所述回路一设置有压力泵一，所述回路二设置有压力泵 二。

在一个实施例中，所述储热单元为单个或多个，当为多个时，串联或并联 使用。

在一个实施例中，所述储热单元主体是圆柱形桶，内部放置多个由装有相 变材料的圆柱形罐构成的潜热储热单元，圆柱形桶的其余空间内填充显热储热 材料，所述圆柱形桶内设有两个不同的管道，分别供储热和放热使用，两个管 道缠绕设置，以实现多股流热交换。

在一个实施例中，通过改变潜热储热单元的数目和分布的位置，或通过改 变管道的盘绕方式调节储热容量；通过选择不同的显热储热材料和相变材料， 改变储热的温度范围，以适应供热系统及动力系统采用的不同热力循环的温限 要求。

在一个实施例中，所述回路一中，设置阀门一，所述阀门一处于且仅处于 回路一；所述回路二中，位于动力系统入口和出口，分别设置阀门四和阀门五， 所述阀门四和阀门五处于且仅处于回路二；所述回路三中，位于换热器的冷流 体通道的入口和出口，分别设置阀门六和阀门七，所述阀门六和阀门七处于且 仅处于回路三；所述回路四中，位于用户的入口和出口，分别设置阀门二和阀 门三，所述阀门二和阀门三处于且仅处于回路四。

在一个实施例中，通过控制阀门的开启和关闭，在多种不同储热模式中切 换：

当阀门一开启，其余阀门均关闭时，供热系统向储热单元提供热能，其循 环回路为：供热系统—阀门一—储热单元—供热系统；

当阀门六、阀门七开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能集热系统向储热单 元提供热能，其循环回路为：槽式太阳能集热系统向换热器放热的过程：槽式 太阳能集热系统—换热器—槽式太阳能集热系统；储热单元从换热器中吸热的 过程：换热器—阀门七—储热单元—阀门六—换热器；

通过控制阀门的开启和关闭，在多种不同的释能模式间转换：

当阀门四、阀门五开启，其余阀门关闭时，动力系统将储热单元中的热能 转化为电能，其循环回路为：动力系统—阀门五—储热单元—阀门四—动力系 统；

当阀门二、阀门三开启，其余阀门关闭时，储热单元直接向用户供热，其 循环回路为：储热单元—阀门二—用户—阀门三—储热单元；

通过控制阀门的开启和关闭，将槽式太阳能集热系统作为热源以同时进行 储能和释能：

当阀门六、阀门七、阀门二、阀门三开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能 集热系统向储热单元提供热能，储热单元直接向用户供热，其循环回路为：储 热过程：槽式太阳能集热系统—换热器—槽式太阳能集热系统，换热器—阀门 七—储热单元—阀门六—换热器；放热过程：储热单元—阀门二—用户—阀门 三—储热单元；

当阀门六、阀门七、阀门四、阀门五开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能 集热系统向储热单元提供热能，动力系统将储热单元中的热能转化为电能，其 循环回路为：储热过程：槽式太阳能集热系统—换热器—槽式太阳能集热系统， 换热器—阀门七—储热单元—阀门六—换热器；发电过程：动力系统—阀门五 —储热单元—阀门四——动力系统。

在一个实施例中，增加与槽式太阳能集热系统以及回路三相同的结构，以 满足两种不同释能模式使用不同工质的要求。

在一个实施例中，所述蓄热过程的能量来源：在太阳能充足的白天，利用 槽式太阳能集热系统及回路三向储热单元供热；在用电低谷时，将低谷电能通 过供热系统转化为热能；或利用弃风、弃光的电能，通过供热系统转化为热能。

与现有技术相比，本发明系统能量来源广泛、可以灵活选择，具有6种不 同的工作模式，其中包括两种储能模式、两种释能模式、两种储能和释能同时 进行的模式，通过阀门的调节可以灵活在所述多种工作模式间切换。本发明中 所述储热单元10中，通过布置潜热储热单元的数目及位置，可以依据具体需求 调节储热容量，通过合理的流道设计提高储热密度。相比于现有系统，本发明 所述系统集成度更高、使用更加灵活、能够满足的需求更加广泛，并且是一种 可再生能源并网与区域供电、供热的多功能一体化综合设施。

附图说明

图1为本发明的一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统。其中，1 为供热系统，2为压力泵一，3为槽式太阳能集热系统，4为换热器，5为阀门 七，6为阀门六，7为阀门一，8为十字管路一，9为十字管路二，10为储热单 元，11为阀门二，12为用户，13为阀门三，14为阀门四，15为压力泵二，16 为动力系统，17为阀门五，18为电网，26为储能电池。

图2为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第一种循环 回路图。

图3为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第二种循环 回路图。

图4为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第三种循环 回路图。

图5为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第四种循环 回路图。

图6为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第五种循环 回路图。

图7为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第六种循环 回路图。

图8为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统中储热单元 四种可能的设计方案(a)、(b)、(c)、(d)。其中，19为保温层，20为 显热储热材料，21为管道，22为圆柱形罐，23为相变材料，24为隔板，25为 圆柱形桶。

图9为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统的储热单元 中圆柱形罐和管路可能的强化换热设计方案。

图10为本发明所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统中十字管路 端口设置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统。系统储能时可 利用多种不同形式的能量来源，释能时可实现多形式能量输出，实现热电联供 的同时满足可再生能源的并网需求。设计不同运行模式，实现在太阳能供热、 热泵供热之间灵活切换，从而消纳不同形式的能源。

具体地，如图1所示，本发明主要包括供热系统1、槽式太阳能集热系统3、 储热单元10和动力系统16以及若干阀门、压力泵和连接管件。

在一个实施例中，压力泵一2后接供热系统1，供热系统1后接阀门一7， 阀门一7后连接十字管路一8的A端口，十字管路一8的D端口接储热单元10 的入口，储热单元10的出口接十字管路二9的B端口，十字管路二9的A端口 一路接压力泵一2，由此形成回路一。

十字管路一8的C端口接阀门四14，阀门四14后接压力泵二15，压力泵 二15后接动力系统16，动力系统16后接阀门五17，阀门五17后接十字管路 二9的C端口，由此形成回路二。动力系统16接用户12、电网18和储能电池 26，向其中一项或多项供电，即，可以向用户12供电，或向电网18送电，或 将电能储存在储能电池26中，也可多项同时进行。

槽式太阳能集热系统3热流体出口接换热器4热流体入口，换热器4热流 体出口接槽式太阳能集热系统3的冷流体入口。十字管路二9的A端口另一路 接阀门六6，阀门六6后接换热器4冷流体入口，换热器4冷流体出口接阀门七 5，阀门七5后接十字管路一8的A端口，由此形成回路三。

十字管路二9的D端口接阀门二11，阀门二11后接用户12，用户12接阀 门三13，阀门三13后接十字管路一8的B端口，由此形成回路四。

本发明十字管路一8和十字管路二9的端口设置可参考图10所示。

根据以上结构，供热系统1通过阀门一7与储热单元10并联连接；槽式太 阳能集热系统3及换热器4通过阀门六6、阀门七5与储热单元10并联连接； 储热单元10可选择性地与供热系统1或槽式太阳能集热系统3及换热器4并联 连接；用户12通过阀门二11、阀门三13与储热单元10并联连接；动力系统 16通过阀门四14、阀门五17与储热单元10并联连接；储热单元10可选择性 地与用户12或动力系统16并联连接。

本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，通过阀门的开启和关 闭可以如图2～图7所示在6种不同工作模式之间转换，可以利用多种不同形式 的能源，具体工作流程如下详述。其中，供热系统1和槽式太阳能集热系统3 用于向储热单元10提供热量，是储热单元10的能量来源，储热单元10作为储 热系统的核心组件，用户12和动力系统16作为储热单元10的放热对象，从储 热单元10中吸收热量。

图2为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第一种循环回路 图。此时系统工作于利用供热系统1储热的模式，阀门一7开启，其余阀门均 关闭，供热系统1向储热单元10提供热能，其具体循环回路为：压力泵2—供 热系统1—阀门一7—十字管路一8—储热单元10—十字管路二9—压力泵2。 循环原理为：高温工质从供热系统1流出后进入储热单元10，带有的热量被显 热储热材料20和相变材料23吸收，随后低温工质回流到供热系统1中。

图3为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第二种循环回路 图。此时系统工作于利用槽式太阳能集热系统3储热的模式，阀门六6、阀门七 5开启，其余阀门关闭，槽式太阳能集热系统3向储热单元10提供热能，其循 环回路为：槽式太阳能集热系统3向换热器4放热的过程：槽式太阳能集热系 统3—换热器4—槽式太阳能集热系统3；储热单元10从换热器4中吸热的过程： 换热器4—阀门七5—十字管路一8—储热单元10—十字管路二9—阀门六6— 换热器4。循环原理为：槽式太阳能集热系统3收集太阳辐射的热量并将热量传 递给传热工质，高温工质流出槽式太阳能集热系统3后从换热器4热流体入口 流入，并且在换热器4中放热然后回流到槽式太阳能集热系统3中，所释放的 热量用于加热从冷流体入口进入的低温工质，低温工质吸热后进入储热单元10 中放热，所释放的热量被显热储热材料20和相变材料23吸收，随后低温工质 流入换热器4低温工质入口。

图4为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第三种循环回路 图。此时系统工作于利用动力系统16发电的模式，阀门四14、阀门五17开启， 其余阀门关闭，动力系统16将储热单元10中的热能转化为电能，进而向用户 12供电或并入电网18或者将电能储存在储能电池26中，其循环回路为：动力 系统16—阀门五17—十字管路二9—储热单元10—十字管路一8—阀门四14— 压力泵二15—动力系统16。循环原理为：低温工质从动力系统16流出后进入 储热单元10，显热储热材料20和相变材料23放热给低温工质，低温工质温度 升高从储热单元10流出后变为高温工质，随后进入动力系统16中做功发电。

图5为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第四种循环回路 图。此时系统工作于储热单元10直接向用户供热的模式，阀门二11、阀门三 13开启，其余阀门关闭，其循环回路为：阀门三13—十字管路一8—储热单元 10—十字管路二9—阀门二11—用户12—阀门三13。循环原理为：冷水从用户 12流入储热单元10中，从显热储热材料20和相变材料23中吸热升温，从储热 单元10流出时变为高温水，随后流入供暖系统为用户12供热。

图6为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第五种循环回路 图。此时系统工作于槽式太阳能集热系统3向储热单元10供热，同时储热单元 10直接向用户供热的模式，其循环回路为：储热过程：槽式太阳能集热系统3— 换热器4—槽式太阳能集热系统3，换热器4—阀门七5—十字管路一8—储热单 元10—十字管路二9—阀门六6—换热器4；放热过程：阀门三13—十字管路一 8—储热单元10—十字管路二9—阀门二11—用户12—阀门三13。其循环原理 与图3所示第二种循环以及图5所示第四种循环中相同。

图7为本发明太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统第六种循环回路 图。此时系统工作于槽式太阳能集热系统3向储热单元10供热，同时动力系统 16从储热单元10中吸收热量做功发电，其循环回路为：储热过程：槽式太阳能 集热系统3—换热器4—槽式太阳能集热系统3，换热器4—阀门七5—十字管路 一8—储热单元10—十字管路二9—阀门六6—换热器4；发电过程：动力系统 16—阀门五17—十字管路二9—储热单元10—十字管路一8—阀门四14—压力 泵二15—动力系统16。其循环原理与图3所示第二种循环以及图4所示第三种 循环相同。

本发明中，供热系统1形式多样，包括但不仅限于基于朗肯循环或有机朗 肯循环、电加热循环的热泵。

本发明中，供热系统1能量来源多样，包括但不仅限于夜晚的低谷电能、 过剩的风电、光伏等可再生能源提供的电能。

本发明中，动力系统16形式多样，所采用的热力循环包括但不仅限于朗肯 循环、有机朗肯循环、高温布雷顿循环。

本发明中，动力系统16发出的电能既可以供给用户12使用，还可以输送 到电网18或者将电能储存在储能电池26中。

本发明中，储能电池26形式多样，包括但不仅限于锂离子电池、液流电池。

本发明还提供了储热单元10可能的结构设计方案，系统的储热单元10主 体是圆柱形桶25，储热单元10采用显热储热与潜热储热结合的模式，内部放置 多个由装有相变材料23的圆柱形罐22构成的潜热储热单元，圆柱形桶的其余 空间内填充显热储热材料20。

进一步地，通过调节潜热储热单元的数目和放置的位置可以依据需要调节 储热容量，通过合理的流道设计更加充分利用热能，进而提高储热密度。储热 单元10可能的结构设计方案包括但不仅限于图8所示的四种。

进一步地，如图8所示，圆柱形桶25外表面附加保温层19，减小热能损耗， 提高储热效率。

进一步地，如图9所示对于储热单元10可以在圆柱形罐22和管道21表面 加装强化换热结构，包括但不仅限于翅片、波纹。

进一步地，根据所需储热量的不同，储热子系统可以直接使用单个储热单 元10或将多个储热单元10经串联或并联后使用。

进一步地，可以选择不同的显热储热材料20和相变材料23，改变储热的温 度范围，以适应供热系统及动力系统采用的不同热力循环的温限要求。

进一步地，为满足同时储能和释能的需求，圆柱形桶25内设有两个不同的 管道，分别供储热和放热使用，其结构类似缠绕管式换热器，可以实现多股流 热交换。

本发明系统在具体实施时可采用低品位余热作为供热系统的热源，从而实 现热能的充分利用，而且可减少热污染。下面给出一种节能环保的储热单元10 的制造方案。储热单元10的主体即圆柱形桶25由工业废弃油桶制成，圆柱形 罐22由废弃易拉罐制成，显热储热材料20采用沙石或混凝土，相变材料23采 用工业石蜡。上述储热单元10的主要组成部件均为废弃物的再次利用，节能环 保；上述储热单元10的储热材料均成本低廉易于获取，有助于降低储热成本。

本发明系统的一个应用场景是为远离市区并且可再生能源丰富的地区进行 区域供电、供热。大型可再生能源发电设施如风力发电、太阳能光热发电、太 阳能光伏发电等通常建设于草原、戈壁、沙漠等远离市区的地带。本发明一方 面可以实现可再生能源的并网，另一方面可以保证以上地区的居民的用电、用 热需求，建成后可成为一个多功能一体化的综合设施。

总之，本发明系统集成度较高、能量来源广泛、工作模式多样灵活，因此 更易满足不同条件下的储热需求，为新型储热系统的设计与储热技术的发展提 供了参考方案。

Claims (9)

1.一种太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，包括供热系统(1)、槽式太阳能集热系统(3)、储热单元(10)和动力系统(16)；

所述供热系统(1)与所述储热单元(10)形成回路一；所述储热单元(10)与所述动力系统(16)形成回路二；

所述槽式太阳能集热系统(3)的热流体经换热器(4)的热流体通道换热回流，所述换热器(4)的冷流体通道与所述储热单元(10)形成回路三；

所述储热单元(10)与用户(12)形成回路四；所述动力系统(16)接用户(12)、电网(18)和储能电池(26)，向其中一项或多项供电；

所述储热单元(10)主体是圆柱形桶(25)，内部放置多个由装有相变材料(23)的圆柱形罐(22)构成的潜热储热单元，圆柱形桶的其余空间内填充显热储热材料(20)，所述圆柱形桶(25)内设有两个不同的管道，分别供储热和放热使用，两个管道缠绕设置，以实现多股流热交换。

2.根据权利要求1所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，所述储热单元(10)的入口和出口分别设置十字管路一(8)和十字管路二(9)，储热单元(10)的入口接十字管路一(8)的D端口，储热单元(10)的出口接十字管路二(9)的B端口，十字管路一(8)的A端口和十字管路二(9)的A端口处于所述回路一和回路三；十字管路一(8)的C端口和十字管路二的C端口处于所述回路二；十字管路一(8)的B端口和十字管路二D端口处于所述回路四。

3.根据权利要求1所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，所述回路一设置有压力泵一(2)，所述回路二设置有压力泵二(15)。

4.根据权利要求1所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，所述储热单元(10)为单个或多个，当为多个时，串联或并联使用。

5.根据权利要求1所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，通过改变潜热储热单元的数目和分布的位置，或通过改变管道(21)的盘绕方式调节储热容量；通过选择不同的显热储热材料(20)和相变材料(23)，改变储热的温度范围，以适应供热系统(1)及动力系统(16)采用的不同热力循环的温限要求。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，所述回路一中，设置阀门一(7)，所述阀门一(7)处于且仅处于回路一；所述回路二中，位于动力系统(16)入口和出口，分别设置阀门四(14)和阀门五(17)，所述阀门四(14)和阀门五(17)处于且仅处于回路二；所述回路三中，位于换热器(4)的冷流体通道的入口和出口，分别设置阀门六(6)和阀门七(5)，所述阀门六(6)和阀门七(5)处于且仅处于回路三；所述回路四中，位于用户(12)的入口和出口，分别设置阀门二(11)和阀门三(13)，所述阀门二(11)和阀门三(13)处于且仅处于回路四。

7.根据权利要求6所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，通过控制阀门的开启和关闭，在多种不同储热模式中切换：

当阀门一(7)开启，其余阀门均关闭时，供热系统(1)向储热单元(10)提供热能，其循环回路为：供热系统(1)—阀门一(7)—储热单元(10)—供热系统(1)；

当阀门六(6)、阀门七(5)开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能集热系统(3)向储热单元(10)提供热能，其循环回路为：槽式太阳能集热系统(3)向换热器(4)放热的过程：槽式太阳能集热系统(3)—换热器(4)—槽式太阳能集热系统(3)；储热单元(10)从换热器(4)中吸热的过程：换热器(4)—阀门七(5)—储热单元(10)—阀门六(6)—换热器(4)；

通过控制阀门的开启和关闭，在多种不同的释能模式间转换：

当阀门四(14)、阀门五(17)开启，其余阀门关闭时，动力系统(16)将储热单元(10)中的热能转化为电能，其循环回路为：动力系统(16)—阀门五(17)—储热单元(10)—阀门四(14)—动力系统(16)；

当阀门二(11)、阀门三(13)开启，其余阀门关闭时，储热单元(10)直接向用户供热，其循环回路为：储热单元(10)—阀门二(11)—用户(12)—阀门三(13)—储热单元(10)；

通过控制阀门的开启和关闭，将槽式太阳能集热系统(3)作为热源以同时进行储能和释能：

当阀门六(6)、阀门七(5)、阀门二(11)、阀门三(13)开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能集热系统(3)向储热单元(10)提供热能，储热单元(10)直接向用户供热，其循环回路为：储热过程：槽式太阳能集热系统(3)—换热器(4)—槽式太阳能集热系统(3)，换热器(4)—阀门七(5)—储热单元(10)—阀门六(6)—换热器(4)；放热过程：储热单元(10)—阀门二(11)—用户(12)—阀门三(13)—储热单元(10)；

当阀门六(6)、阀门七(5)、阀门四(14)、阀门五(17)开启，其余阀门关闭时，槽式太阳能集热系统(3)向储热单元(10)提供热能，动力系统将储热单元(10)中的热能转化为电能，其循环回路为：储热过程：槽式太阳能集热系统(3)—换热器(4)—槽式太阳能集热系统(3)，换热器(4)—阀门七(5)—储热单元(10)—阀门六(6)—换热器(4)；发电过程：动力系统(16)—阀门五(17)—储热单元(10)—阀门四(14)——动力系统(16)。

8.根据权利要求7所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，增加与槽式太阳能集热系统(3)以及回路三相同的结构，以满足两种不同释能模式使用不同工质的要求。

9.根据权利要求7所述太阳能储放电一体化的多能源综合利用系统，其特征在于，所述蓄热过程的能量来源：在太阳能充足的白天，利用槽式太阳能集热系统(3)及回路三向储热单元(10)供热；在用电低谷时，将低谷电能通过供热系统(1)转化为热能；或利用弃风、弃光的电能，通过供热系统(1)转化为热能。

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