CN117117962B - 一种基于rsoc的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法。该系统包括制氢模式原料供给模块(耦合光热组件)、发电模式原料供给模块、RSOC能量转换模块、光伏模块、模式识别控制模块、建筑供电模块和供热模块。通过比较光伏电力和建筑电负荷的大小分三类运行方式：PV‑SOEC‑PTC、PV‑SOFC、SOFC。本发明的创新点在于：基于系统概念设计进一步提出了其完整构型；通过合理容量配置实现系统设备、控制信息流简化，提出了清晰的系统运行方法；提出了系统余热高效综合利用方式实现系统热自洽和热电氢三联产，极大提高了系统综合能源利用效率；实现了制氢、发电和太阳能利用过程的一体化耦合互补供能。
Description
技术领域
本发明属于建筑清洁能源分布式供能技术领域，特别涉及一种基于可逆固体氧化物电池(Reversible Solid Oxide Cell，RSOC)的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统及其运行方法。
背景技术
建筑作为社会耗能三大领域之一，具有巨大的节能减排潜力。不断提高可再生能源在建筑能源系统中的比重，最终实现对化石能源的替代，是建筑领域的必然发展趋势。然而，建筑负荷随气象参数实时变化，具有波动性，同时可再生能源具有间歇性与随机性，引入高比例的可再生能源为建筑供能产生严重的弃电现象。因此，亟需探索一种高效清洁的能源利用模式，既能满足建筑波动用能需求，又可以实现储能，吸收系统额外产出能量或弥补系统供能不足，有效提高系统供能可靠性与能源利用效率。
可逆固体氧化物电池(Reversible Solid Oxide Cell,RSOC)可以在同一装置上实现电解水制氢储电(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC模式)和燃料电池发电(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC模式)两种功能，起到一种“储能电池”的作用。得益于600-1000℃的高工作温度，相比于可逆碱性电池和可逆质子交换膜电池，RSOC具有更强的反应动力学和更快的电化学反应速率。SOFC发电效率可达60％以上，而目前SOEC实验室电解水效率几乎可以接近100％。同时，RSOC的高温余热还可以遵循“温度对口、梯级利用”的原理用于满足系统自身运行的热自洽或者为建筑供热，实现热电联产，进一步提高系统综合能源利用效率。
另外，太阳能技术的使用温度可以达到RSOC高温工作特性的要求，二者运行温度匹配度较好，耦合使用具有较好应用潜力。应对太阳能多余电力，RSOC可在SOEC模式下将电能转化为容易储存的燃料；在电力紧缺时RSOC可在SOFC模式下通过电化学反应将储存的燃料转化为电能供用户使用，进而可实现能源系统中氢能与电能之间的双向流动。
由于RSOC耦合可再生能源的分布式供能系统的源-网-荷-储形式复杂、用能场景规模多样，目前相关系统研究还处于概念性设计阶段，并未提出针对具体用能场景的完整系统构型，也尚未对系统中关键供能设备容量配置进行细致设计，实际推广应用困难。同时，在概念性设计时，由于能量供给来源复杂、用户能量需求多样且动态变化，导致储电与储热设备集成方式复杂、电氢负荷调度与运行方法冗杂，使得系统状态切换频繁且不稳定，实际运行困难。
现阶段也有相关技术将SOEC制氢系统和SOFC发电系统结合，即一个系统中同时使用SOFC电堆和SOEC电堆，以实现类似RSOC的功能。但同时使用两个电堆明显造成投资成本升高；同时相关研究只是将SOEC制氢系统和SOFC发电系统简单叠加，未根据物质流、能量流特点进行系统一体化综合设计，未充分利用RSOC可交替实现发电和储电的特点。
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基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法，解决现有RSOC多能互补分布式供能系统缺乏针对具体用能场景的完整系统构型、系统设备集成和运行方法冗杂、系统一体化程度低且余热利用不充分的技术缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，包括制氢模式原料供给模块、发电模式原料供给模块、RSOC能量转换模块、光伏模块、模式识别控制模块、建筑供电模块和建筑供热模块，制氢模式原料供给模块中耦合太阳能集热器；
所述制氢模式原料供给模块与发电模式原料供给模块以所述RSOC能量转换模块为共同能量转换装置相连接，当太阳能充足时，所述RSOC在SOEC模式下运行，联合所述光伏模块实现满足建筑电负荷以外的多余太阳能光伏电力制氢储能，所述制氢模式原料供给模块为所述RSOC能量转换模块供给水蒸气；当太阳能不足时，所述RSOC在SOFC模式下运行，实现燃料电池补充发电供能，与太阳能光伏电力共同满足建筑电负荷，所述发电模式原料供给模块为所述RSOC能量转换模块供给燃料氢气；
其中：发电模式原料供给模块供给到所述RSOC能量转换模块在SOFC模式下所需的燃料氢气，是所述RSOC能量转换模块在SOEC模式下由所述光伏模块和所述太阳能集热器能量供应下电解水得到的，实现太阳能电力的调峰；
供给到所述RSOC能量转换模块在SOEC模式下所需要的原料水蒸气一部分由该模式下电解水后的尾气经过水氢分离回收得到，一部分由SOFC模式下氢气与氧气发生电化学反应产生的水得到，实现水氢转换、循环流动，无需额外补水；
所述模式识别控制模块用于定量比较光伏电力和建筑电负荷大小，当光伏电力大于建筑电负荷时，控制制氢模式原料供给模块和RSOC能量转换模块SOEC模式运行；当光伏电力小于建筑电负荷时，控制发电模式原料供给模块和RSOC能量转换模块SOFC模式运行；
所述建筑供电模块与所述光伏模块的电力输出端以及所述RSOC能量转换模块在SOFC模式下的电力输出端相连接，为建筑供电；
所述建筑供热模块与所述制氢模式原料供给模块、所述发电模式原料供给模块的所有尾气相连接，采用换热器回收所有可利用余热，为建筑供热；
所述基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统的关键供能设备容量设计方法为：基于全年波动的建筑电负荷和光伏电力的实时匹配约束设备容量，同时容量配置需满足其投资成本与考虑电负荷和光伏电力逐时波动特性下的系统全年运行费用最低。具体地，系统关键供能设备容量配置保证全年运行中光伏电力和RSOC在SOFC模式下输出电力之和可以实时满足建筑逐时电负荷，RSOC在SOEC模式下的制氢量可以满足其在SOFC模式下进行发电的燃料需求，即：所述光伏模块的最大容量与所述RSOC能量转换模块的最大容量保证其二者输出逐时电力之和大于建筑逐时电负荷，系统无需额外储电装置；光热量可以实时满足系统热量需求，即：所述太阳能集热器的最大容量大于系统运行逐时热量需求的峰值，系统无需额外储热装置。从而实现系统能量自给自足，以及系统设备和控制信息流简化。
在一个实施例中，所述制氢模式原料供给模块包括水蒸气供给通路、第一空气供给通路和冷凝器；所述发电模式原料供给模块包括氢气供给通路、第二空气供给通路和后燃烧器；所述RSOC能量转换模块包括RSOC电堆，所述RSOC电堆包括燃料极和空气极；
所述水蒸气供给通路上设置水箱、水泵、太阳能集热器和水蒸气预热器，所述水箱储存液态水，所述水泵对液态水加压，所述太阳能集热器将液态水加热为水蒸气，为所述RSOC在SOEC模式电解水制氢提供所需热量，所述水蒸气预热器将所述水蒸气预热达到所述RSOC在SOEC模式下燃料极进气温度要求；
所述第一空气供给通路上设置第一风机和第一空气预热器，所述第一风机对空气加压，所述第一空气预热器将空气预热到所述RSOC在SOEC模式下空气极进气温度要求；第一空气预热器的出口产物余热通过所述建筑供热模块送入建筑供热；
所述冷凝器用于凝结水蒸气，以分离所述RSOC在SOEC模式下燃料极出口产物中的水蒸气和氢气，氢气作为所述氢气供给通路的气源，冷凝水蒸气获得的液态水通入所述水箱作为所述水蒸气供应通路的水源，冷凝热通过所述建筑供热模块送入建筑供热；
所述氢气供给通路上设置储氢罐、燃料压缩机和燃料预热器，所述储氢罐储存所述RSOC在SOEC模式下制得的氢气，所述燃料压缩机对氢气加压，所述燃料预热器将氢气预热达到所述RSOC在SOFC模式下燃料极进气温度要求；
所述第二空气供给通路上设置第二风机和第二空气预热器，所述第二风机对空气加压，所述第二空气预热器将空气预热达到所述RSOC在SOFC模式下空气极进气温度要求；
所述后燃烧器用于将所述RSOC在SOFC模式下燃料极出口的氢气与水蒸气混合物和所述空气极的出口尾气进行混合，并将剩余可燃氢气完全燃烧得到高温烟气，进一步提高余热温度。
在一个实施例中，所述RSOC在SOEC模式下，燃料极出口的氢气与水蒸气混合物，送至水蒸气预热器作为热源对水蒸气进行预热，实现模块热自洽，之后进入冷凝器凝结；所述空气极的出口尾气，送至第一空气预热器作为热源对空气进行预热，实现模块热自洽；
所述RSOC在SOFC模式下，所述后燃烧器得到的高温烟气，依次或分别作为第二空气预热器和燃料预热器的热源，对空气和氢气进行预热，实现模块热自洽。
在一个实施例中，所述光伏模块由光伏阵列与配电装置组成，所述配电装置用于将产生的光伏电力进行分配，光伏电力在满足全部建筑电负荷后的富余量通入RSOC能量转换模块，为所述RSOC在SOEC模式下电解水制氢提供所需电能。
在一个实施例中，所述建筑供电模块包括交/直流逆变器，所述交/直流逆变器用于将所述光伏模块和所述RSOC在SOFC模式输出的直流电转换为交流电送入建筑进行供电。
在一个实施例中，所述建筑供热模块包括第一建筑换热器和第二建筑换热器，所述第一建筑换热器与所述制氢模式原料供给模块的尾气相连，所述第二建筑换热器与所述发电模式原料供给模块的尾气相连，所述冷凝器直接由建筑生活热水作为冷却介质，用于将所有余热送入建筑进行供热，实现余热高效综合利用。
本发明还提供了一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统的运行方法，依据太阳能和建筑电负荷双重不确定性，由所述模式识别控制模块依据光伏电力和建筑电负荷两类信息流控制三类运行方式：
当有太阳辐射，且光伏电力>建筑电负荷，运行PV-SOEC-PTC模式；即：光伏供电富余量用于RSOC在SOEC模式下制氢储电，通过所述太阳能集热器(PTC)将太阳能转化为热能预热所述水泵送入的液态水；
当有太阳辐射，且光伏电力<建筑电负荷，运行PV-SOFC模式；即：光伏供电无法完全满足建筑电耗，所述RSOC转入SOFC模式进行补充发电，与光伏电力共同满足建筑电负荷；
当无太阳辐射，光伏电力＝0，运行SOFC模式；即：仅由所述RSOC在SOFC模式下运行为建筑提供电力。
在一个实施例中，所述PV-SOEC-PTC模式具体运行方式如下：
(1)，利用光伏阵列将太阳能转化为电能，再通过配电装置将建筑电负荷量通入交/直流逆变器，将直流电转换为交流电供给建筑；
(2)，配电装置将剩余光伏电力送入RSOC电堆，RSOC以SOEC模式运行；
(3)，液态水送入太阳能集热器加热为水蒸气，再进入水蒸气预热器，水蒸气达到燃料极入口温度要求后送入RSOC电堆的燃料极；
(4)，高温水蒸气在所述燃料极发生电解反应生成氢气：H2O+2e-→H2+O2-，氧离子穿过电解质到达空气极释放电子生成氧气：
(5)，空气加压送入第一空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入RSOC电堆的空气极，满足所述RSOC热平衡要求，并带走所述空气极生成的氧气；
(6)，燃料极出口处的氢气和水蒸气混合物通入水蒸气预热器预热入口水蒸气，空气极出口处的空气通入第一空气预热器预热空气，完成换热的氢气和水蒸气混合物再通入冷凝器凝结水蒸气，氢气储存到储氢罐中，凝结热和空气余热采用所述建筑供热模块进行回收，最后通入建筑满足用户热需求。
在一个实施例中，所述PV-SOFC模式具体运行方式如下：
(1)，利用光伏阵列将太阳能转化为电能，光伏电力全部通入交/直流逆变器，将直流电转换为交流电供给建筑；
(2)，储氢罐内的氢气加压进入燃料预热器，达到SOFC模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；
(3)，空气加压送入第二空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；
(4)，空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：H2+O2-→H2O+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；
(5)，燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器进行完全燃烧，充分利用其余热；
(6)，后燃烧器生成的高温尾气依次通过第二空气预热器、燃料预热器分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器为建筑供热。
在一个实施例中，所述SOFC模式具体运行方式如下：
(1)，储氢罐内的氢气加压进入燃料预热器，达到SOFC模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；
(2)，空气加压送入第二空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；
(3)，空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：H2+O2-→H2O+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；
(4)，燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器进行完全燃烧，充分利用其余热；
(5)，后燃烧器生成的高温尾气依次通过第二空气预热器、燃料预热器分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器为建筑供热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)针对具体的建筑用能场景，本发明提出了基于RSOC的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统的完整构型。解决了现有技术仅提出系统概念性设计、难以推广应用的缺陷。本系统包括模式识别控制模块、制氢模式原料供给模块(耦合光热组件)、发电模式原料供给模块、RSOC能量转换模块、光伏模块、建筑供电模块和建筑供热模块，针对各模块设计了完整的设备及其集成方式，易于实际应用。
(2)本发明通过合理的容量配置实现系统设备、控制信息流简化，提出了清晰完整的系统运行方法，系统利用光伏阵列、太阳能集热器、RSOC电堆和必要的辅助设备即可实现能量自给自足，无需额外加入储电、储热设备。解决了现有技术在概念性设计时由于系统能量供给来源复杂、用户能量需求多样且动态变化，导致储电与储热设备集成方式繁琐、电氢负荷调度方式与运行方法复杂，使得系统状态切换频繁且不稳定，实际运行困难的缺陷。本发明利用模式识别控制模块，依据光伏电力和建筑电负荷两种信息流即可实现系统运行方式调控切换。
(3)本发明针对具体的建筑用能场景提出了系统余热高效综合利用方式，构建了完备的热交换网络，极大提升了热电氢联产系统的综合能源利用效率。解决了现有技术高温余热利用不充分，不满足按质用能原则的缺陷。本发明在充分利用RSOC电堆尾气余热的基础上，各尾气余热分别用于预热入口组分；同时，将制氢模式原料供给模块中的冷凝器水氢分离的冷凝热进行完全回收；最后，将各个热能利用过程中未用完的余热整合，均通过建筑换热器进行热回收，送入建筑供热，从而完全实现系统热自洽。
(4)本发明利用RSOC消纳太阳能实现制氢、发电和太阳能利用过程的能量流、物质流耦合，真正实现了太阳能、氢能一体化耦合互补供能，完成了电氢互转、水氢循环转换流动。解决了现有技术将SOEC制氢系统和SOFC发电系统进行简单叠加从而导致系统复杂、投资成本高的缺陷。本发明中RSOC交叉发电和储电，将制氢模块和发电模块进行能量流交叉耦合，而非简单顺序连接；发电模式所需的燃料氢气由系统在制氢模式下将太阳能电力转化为氢能进行供给，而制氢模式所需的原料水又由系统在发电模式下氢气与氧气发生电化学反应生成的水提供，实现水、氢、氧气物质流循环耦合；太阳能集热器直接采用供给的原料液态水为工质，无需中间换热介质，将液态水加热为电解所需的水蒸气，多余光伏电力用于RSOC电解，从而同时为RSOC制氢提供电能和热能，实现太阳能利用和制氢过程物质流、能量流双耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统。
图2为本系统PV-SOEC-PTC模式运行方式示意图。
图3为本系统PV-SOFC模式运行方式示意图。
图4为本系统SOFC模式运行方式示意图。
图5为本系统实施例典型天逐时运行方式示意图。
图中，1-制氢模式原料供给模块，2-发电模式原料供给模块，3-RSOC能量转换模块，4-光伏模块，5-模式识别控制模块，6-建筑供电模块，7-建筑供热模块，11-水箱，12-水泵，13-太阳能集热器，14-水蒸气预热器，15-第一空气预热器，16-第一风机，17-冷凝器，21-储氢罐，22-压缩机，23-燃料预热器，24-第二风机，25-第二空气预热器，26-后燃烧器，31-RSOC电堆，41-光伏阵列，42-配电装置，61-交/直流逆变器，71-第一建筑换热器，72-第二建筑换热器。
具体实施方式
本发明提出了一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法，下面结合附图和实施例予以说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“通入”、“送入”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
图1为本发明实施例提出的基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，主要包括制氢模式原料供给模块1，发电模式原料供给模块2，RSOC能量转换模块3，光伏模块4，模式识别控制模块5，建筑供电模块6和建筑供热模块7。
RSOC能量转换模块3的主要组件是RSOC电堆31，RSOC电堆31包括燃料极、空气极和电解质。制氢模式原料供给模块1为RSOC电堆31提供水蒸气制氢，即电转氢。发电模式原料供给模块2利用制氢模式原料供给模块1得到的氢气，提供给RSOC电堆31作为燃料发电，即氢转电。制氢模式原料供给模块1与发电模式原料供给模块2以RSOC能量转换模块3为共同能量转换装置相连接，系统分为制氢模式和发电模式。
具体地，当太阳能充足时，RSOC在电解池SOEC模式下运行，实现多余太阳能电力制氢储电，缓解弃电，此时制氢模式原料供给模块1为RSOC能量转换模块3供给水蒸气，进行电解制氢。当太阳能不足时，RSOC在燃料电池SOFC模式下运行，实现燃料电池补充发电供能，与太阳能光伏电力共同满足建筑电负荷，此时发电模式原料供给模块2为RSOC能量转换模块3供给燃料氢气。本发明由同一装置交替实现储电和发电，降低投资成本。同时，RSOC在SOFC模式和SOEC模式下交叉运行有效改善SOFC阳极积碳以及SOEC阳极分层等显著影响电堆耐久性的问题，保证系统运行稳定性。
模式识别控制模块5用于定量比较光伏电力和建筑电负荷大小，当光伏电力大于建筑电负荷时，控制制氢模式原料供给模块1和RSOC能量转换模块3以SOEC模式运行；当光伏电力小于建筑电负荷时，控制发电模式原料供给模块2和RSOC能量转换模块3以SOFC模式运行。即，上述的制氢模式和发电模式，可由模式识别控制模块5自动控制转换。
在本发明中，供给到RSOC在SOFC模式下所需的燃料氢气，是RSOC在SOEC模式下由光伏模块4和太阳能集热器能量供应下电解水蒸气得到的，从而实现太阳能电力的调峰。而供给到RSOC在SOEC模式下所需要的原料水一部分由该模式下电解水后的尾气经过水蒸气与氢气分离回收得到，另一部分则由SOFC模式下氢气与氧气发生电化学反应产生的水得到，实现水氢转换、循环流动，无需额外补水。
建筑供电模块6与光伏模块4的电力输出端以及RSOC能量转换模块在SOFC模式下的电力输出端相连接，从而为建筑供电。
建筑供热模块7与制氢模式原料供给模块1、发电模式原料供给模块2的所有尾气相连接，采用换热器回收所有可利用余热，从而为建筑供热。
在本发明中，系统的关键供能设备容量设计方法为：基于全年波动的建筑电负荷和光伏电力的实时匹配约束设备容量，同时容量配置需满足其投资成本与考虑电负荷和光伏电力逐时波动特性下的系统全年运行费用最低。具体地，系统关键供能设备容量配置保证全年运行中光伏电力和RSOC在SOFC模式下输出电力之和可以实时满足建筑逐时电负荷，RSOC在SOEC模式下的制氢量可以满足其在SOFC模式下进行发电的燃料需求，即：所述光伏模块4的最大容量与所述RSOC能量转换模块3的最大容量保证其二者输出逐时电力之和大于建筑逐时电负荷，系统无需额外储电装置；光热量可以实时满足系统热量需求，即：所述太阳能集热器13的最大容量大于系统运行逐时热量需求的峰值，系统无需额外储热装置。从而实现系统能量自给自足，以及系统设备和控制信息流简化。
在本发明的实施例中，制氢模式原料供给模块1包括水蒸气供给通路、第一空气供给通路和冷凝器17。水蒸气供给通路包括水箱11，水泵12，太阳能集热器13和水蒸气预热器14。第一空气供给通路包括第一风机16和第一空气预热器15。
制氢模式以RSOC电堆31在储电模式即SOEC模式下运行为基础。水泵12将水箱11内的水依次送入太阳能集热器13和水蒸气预热器14，太阳能集热器13将液态水加热为水蒸气，为RSOC在SOEC模式电解水制氢提供所需热量，水蒸气预热器14将水蒸气预热到RSOC在SOEC模式下燃料极进气温度要求。第一风机16将空气送入第一空气预热器15，第一空气预热器15将空气预热到RSOC在SOEC模式下空气极进气温度要求。水蒸气预热器14和第一空气预热器15出口的水蒸气和氢气通入RSOC电堆31中，在光伏阵列41所加直流电作用下，发生电解反应产生氢气。燃料极和空气极出口产物首先分别通入水蒸气预热器14和第一空气预热器15，用于预热入口组分。水蒸气预热器14出来的氢气与水蒸气混合产物通入冷凝器17，用于凝结液态水实现水氢分离，即分离燃料极出口产物中的水和氢气，冷凝热由建筑生活热水带走；第一空气预热器15的出口产物余热也送入第一建筑换热器71为建筑供热；分离出的氢气送入储氢罐21进行存储，作为氢气供给通路的气源。示例地，太阳能集热器13为抛物线型槽式太阳能集热器(Parabolic Trough Collector，PTC)，耦合在制氢模式原料供给模块1中，将水供应通路的液态水加热为水蒸气，为RSOC在SOEC模式电解水制氢提供所需热量。本实施例第一空气供应通路一方面满足RSOC(SOEC模式)的热平衡，另一方面带走空气极生成的氧气。
在本发明的实施例中，发电模式原料供给模块2包括氢气供给通路、第二空气供给通路和后燃烧器26。氢气供给通路包括储氢罐21，压缩机22和燃料预热器23，第二空气供给通路包括第二风机24和第二空气预热器25。
发电模式以RSOC电堆31在发电模式即SOFC下运行为基础。压缩机22将储氢罐21内储存的氢气送入燃料预热器23，燃料预热器23将氢气预热到RSOC在SOFC模式下燃料极进气温度要求。第二风机24将空气送入第二空气预热器25，第二空气预热器25将空气预热到RSOC在SOFC模式下空气极进气温度要求；燃料预热器23和第二空气预热器25出口的氢气和空气通入RSOC电堆31，发生燃料电池反应产生直流电。后燃烧器26用于将燃料极出口的氢气与水蒸气混合物和空气极的出口尾气进行混合，并将剩余可燃组分完全燃烧得到高温烟气，进一步提高余热温度。
本发明制氢模式原料供给模块1、发电模式原料供给模块2分别为RSOC的SOEC模式、SOFC模式提供进气原料，RSOC分别在SOEC模式、SOFC模式下的出口尾气再连接到制氢模式原料供给模块1、发电模式原料供给模块2的原料预热器中，对进气原料进行预热，实现模块热自洽。
具体地，RSOC在SOEC模式下，燃料极出口的氢气与水蒸气混合物，送至水蒸气预热器14作为热源对水蒸气进行预热，之后进入冷凝器17凝结；空气极的出口尾气，送至第一空气预热器15作为热源对空气进行预热。
具体地，RSOC在SOFC模式下，后燃烧器26得到的高温烟气，依次或分别作为第二空气预热器25和燃料预热器23的热源，对空气和氢气进行预热。
在本发明的实施例中，光伏模块4与RSOC能量转换模块3连接，用于为SOEC模式电解以及建筑用户提供所需电能，光伏模块4由光伏阵列(Photovoltaic，PV)41与配电装置42组成，用于为RSOC在SOEC模式下电解水制氢提供所需电能，其中光伏阵列41可由多块光伏电池组成。配电装置42用于将产生的光伏电力进行分配，光伏电力在满足全部建筑电负荷后的富余量通入RSOC能量转换模块3，为RSOC在SOEC模式下电解水制氢提供所需电能。
在本发明的实施例中，建筑供电模块6包括交/直流逆变器61，交/直流逆变器61分别与光伏模块4和RSOC(SOFC模式)的电力输出端相连，用于将光伏模块4和RSOC在SOFC模式输出的直流电转换为交流电送入建筑进行供电。
在本发明的实施例中，建筑供热模块7包括第一建筑换热器71和第二建筑换热器72，第一建筑换热器71与制氢模式原料供给模块1的尾气相连，第二建筑换热器72与发电模式原料供给模块2的尾气相连，冷凝器17直接由建筑生活热水作为冷却介质，用于将所有余热送入建筑进行供热，实现余热高效综合利用。
基于实际应用场景下太阳能和建筑电负荷具有双重不确定性，本发明实施例划分为三类运行方式：PV-SOEC-PTC模式、PV-SOFC模式和SOFC模式。由模式识别控制模块5定量判断光伏电力和建筑电负荷大小，当光伏电力大于建筑电负荷时以PV-SOEC-PTC模式运行，即：光伏电力富余量用于RSOC在SOEC模式下制氢储能，太阳能集热器提供其所需热量。当光伏电力不为零且小于建筑电负荷，即有太阳辐射但光伏电力<建筑电负荷，此时以PV-SOFC模式运行；即：光伏供电无法完全满足建筑电耗，RSOC转入SOFC模式进行补充发电，与光伏电力共同满足建筑电负荷。当光伏电力为零，即无太阳辐射时，以SOFC模式运行；即：仅由RSOC的SOFC模式为建筑提供电力和热量。
如图2，当光伏电力大于建筑电负荷时，系统以PV-SOEC-PTC模式运行，实现热电氢联产。光伏阵列41经配电装置42分配所产生的直流电，首先将建筑所需电力送入交/直流逆变器61变换为交流电，满足全部建筑电负荷。利用水泵12将储水箱11内的液态水送入太阳能集热器13，液态水加热为水蒸气，再进入水蒸气预热器14达到RSOC电堆31在SOFC模式下燃料极入口水蒸气温度要求，之后将高温水蒸气通入燃料极；空气经第一风机16加压送入第一空气预热器15，达到空气极温度要求后送入空气极，满足RSOC热平衡要求，并带走空气极生成的氧气；光伏阵列41产生直流电，经配电装置42分配，将剩余光伏电力送入RSOC电堆31，RSOC电堆31施加直流电压，RSOC以SOEC模式运行，水蒸气在燃料极发生电解反应，电子通过连接体传导到燃料极与质子结合生成氢气分子，高温水蒸气在燃料极发生电解反应生成氢气：
H2O+2e-→H2+O2- (1)
氧离子穿过电解质到达空气极释放电子生成氧气：
燃料极和空气极的高温产物再分别通入水蒸气预热器14、第一空气预热器15，用于预热入口水蒸气和空气，水蒸气预热器14出口完成换热的氢气与水蒸气混合物再通入冷凝器17凝结水蒸气，分离水和氢气，将氢气进一步储存到储氢罐21中，冷凝热和第一空气预热器15出口的空气余热全部经建筑供热模块7换热回收，一起通入建筑满足用户热需求。
如图3，当光伏电力小于建筑电负荷时，系统以PV-SOFC模式运行，实现热电联产。利用光伏阵列41将太阳能转化为电能，光伏电力全部通入交/直流逆变器61，将直流电转换为交流电供给建筑。RSOC电堆31转入到SOFC模式进行补充供能，SOFC模式利用储氢罐21中储存的氢气进行发电。氢气和空气首先分别在压缩机21、第二风机24加压下进入燃料预热器23、第二空气预热器25，达到SOFC模式燃料极入口和空气极入口温度要求，再分别通入RSOC电堆31的燃料极和空气极。在其中发生电化学反应，空气中的氧气在空气极发生还原反应，得到电子生成氧离子：
生成的氧离子通过电解质层到达电解质与燃料极的交界面(三相界面)，与储存的H2发生电化学反应，结合并释放电子、生成水：
H2+O2-→H2O+2e- (4)
当有外部电路负载连接时，电子的流动就会产生电流，从而将储存的化学能直接转化为电能，即电子经外部电路流过负载产生电能。
将直流电经交/直流逆变器61变换为交流电，供给建筑使用。燃料极出口的高温尾气中仍含有部分未完全反应的可燃氢气(混有部分水蒸气)，将其和空气极出口处的尾气混合，继续通入后燃烧器26进行完全燃烧得到高温烟气，进一步提高尾气温度，充分利用其余热。高温烟气首先依次通过第二空气预热器25、燃料预热器23对入口氢气和空气进行预热，然后再进入第二建筑换热器72进行换热，为建筑提供热量。其中，因为仍有太阳辐射存在，光伏模块4仍会产生直流电，将其通入交/直流逆变器61变换为交流电，为建筑供能。
如图4，当无光伏电力时(夜间或阴天)，RSOC电堆31以SOFC模式运行，实现热电联产。RSOC电堆31通过SOFC模式利用SOEC模式下储存的氢气进行发电，热量由SOFC模式下的余热量进行供应。氢气和空气首先分别在压缩机22、第二风机24加压下进入燃料预热器23、第二空气预热器25，达到SOFC模式燃料极入口和空气极入口温度要求，再分别通入RSOC电堆31的燃料极和空气极分别发生电化学反应(3)、(4)产生电能，经交/直流逆变器61送入建筑。出口尾气混合继续通入后燃烧器26进行充分燃烧进一步提高温度，高温烟气依次通过第二空气预热器25、燃料预热器23对入口氢气和空气进行预热，再进入第二建筑换热器72换热，建筑提供热量。
本发明在实际应用场景下的实施例以西安地区某双层住宅建筑作为对象，总面积120.9m2，居住人员5名。考虑建筑负荷和太阳能的双重波动性，简化选取春分、夏至、秋分、冬至四个典型天进行“源-网-荷-储”供需匹配计算，制定本系统全年运行策略。如图5，对比光伏发电量和建筑电负荷，可以将典型日逐时划分为设计的三类运行方式：PV-SOEC-PTC模式、PV-SOFC模式、SOFC模式。以下对本发明实施例在具体应用场景下实际性能进一步详细说明。
春分日系统全天热电氢联产效率在80％以上，11时在PV-SOFC模式下达到最大热电联产效率94.12％；17时在PV-SOEC-PTC模式下达到制氢效率最大值76.7％；18时在PV-SOFC模式下达到发电效率最大值63.1％。夏至日热电氢联产效率也基本稳定在80％-90％，最高达到98.55％。夏季太阳辐射强度增强，RSOC在电解模式下运行的时间明显增长，且在上午不存在PV-SOFC这样的过渡模式，从7时起直接进入PV-SOEC-PTC模式进行储能。秋分日的整体太阳辐射强度和建筑电负荷均比春分日、夏至日低，系统整体耗能和产能处于一个更低的范围内，但最高热电联产效率达到98.62％。由于冬季太阳辐射强度低且日照时间变短，PV-SOEC-PTC模式运行时间明显变短，且只出现在12时之前，但系统热电联产效率在比较高的水平，最高达99％。
表1本发明实施例与传统火电厂性能对比
传统火电厂受限于卡诺循环，发电机组热效率仅在30％-40％，热电联产效率约70％左右。本系统提供具体用能场景下的系统完整构型，并经容量配置简化控制信息流为光伏电力和建筑电负荷两类，制定了高效运行方法，同时将制氢、发电和太阳能利用一体化，并将所有余热进行高效综合利用，因此实施例在一天内的任何时段，能量利用效率都具有极大优势。
本发明致力于在掌握建筑能源系统供需特性和RSOC系统运行特性的基础上，开发基于RSOC的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统。针对具体的建筑用能场景，本发明提出了基于RSOC的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统的完整构型；解决了现有技术仅提出系统概念性设计、难以推广应用的缺陷。本发明通过合理的容量配置设计实现系统设备、控制信息流简化，提出了清晰完整的系统运行方法；解决了现有技术在概念性设计时能量供给来源复杂、用户能量需求多样且动态变化，导致储电与储热设备集成方式繁琐、电氢负荷调度方式与运行方法复杂，使得系统状态切换频繁且不稳定，实际运行困难的缺陷。本发明针对具体的建筑用能场景提出了系统余热高效综合利用方式，构建了完备的热交换网络，极大提升了热电氢联产系统的综合能源利用效率，最高可达99％，完全实现了系统热自洽和热电氢三联产；解决了现有技术高温余热利用不充分，不满足按质用能原则的缺陷。本发明利用RSOC消纳太阳能实现制氢、发电和太阳能利用过程的能量流、物质流耦合，真正实现了太阳能、氢能一体化耦合互补供能。解决了现有技术将SOEC制氢系统和SOFC发电系统进行简单叠加从而导致系统复杂、投资成本高的缺陷。
应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。在不脱离本发明理论范围的前提下，针对不同的实际应用场景，本发明中各设备连接方式、运行容量、运行时间、运行策略和性能效率还会有变化和改进，这些变化和改进都在本发明要求保护的权利范围内。
Claims (8)
1.一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，其特征在于，包括制氢模式原料供给模块(1)、发电模式原料供给模块(2)、RSOC能量转换模块(3)、光伏模块(4)、模式识别控制模块(5)、建筑供电模块(6)和建筑供热模块(7)，所述制氢模式原料供给模块(1)中耦合太阳能集热器(13)；
所述制氢模式原料供给模块(1)与发电模式原料供给模块(2)以所述RSOC能量转换模块(3)为共同能量转换装置相连接，所述RSOC能量转换模块(3)可在SOEC模式与SOFC模式下交替运行，所述SOEC模式为制氢模式，所述SOFC模式为发电模式；当太阳能充足时，所述RSOC能量转换模块(3)在SOEC模式下运行，联合所述光伏模块(4)实现满足建筑电负荷以外的多余太阳能光伏电力制氢储能，所述制氢模式原料供给模块(1)为所述RSOC能量转换模块(3)供给水蒸气；当太阳能不足时，所述RSOC能量转换模块(3)在SOFC模式下运行，实现燃料电池补充发电供能，与太阳能光伏电力共同满足建筑电负荷，所述发电模式原料供给模块(2)为所述RSOC能量转换模块(3)供给燃料氢气；
其中：发电模式原料供给模块(2)供给到所述RSOC能量转换模块(3)在SOFC模式下所需的燃料氢气，是所述RSOC能量转换模块(3)在SOEC模式下由所述光伏模块(4)和所述太阳能集热器(13)能量供应下电解水蒸气得到的，实现太阳能电力的调峰；
供给到所述RSOC能量转换模块(3)在SOEC模式下所需要的原料水蒸气一部分由SOEC模式下电解水后的尾气经过水氢分离回收得到，一部分由SOFC模式下氢气与氧气发生电化学反应产生的水得到，实现水氢转换、循环流动，无需额外补水；
所述模式识别控制模块(5)用于定量比较光伏电力和建筑电负荷大小，当光伏电力大于建筑电负荷时，控制制氢模式原料供给模块(1)和RSOC能量转换模块(3)SOEC模式运行；当光伏电力小于建筑电负荷时，控制发电模式原料供给模块(2)和RSOC能量转换模块(3)SOFC模式运行；
所述建筑供电模块(6)与所述光伏模块(4)的电力输出端以及所述RSOC能量转换模块(3)在SOFC模式下的电力输出端相连接，为建筑供电；
所述建筑供热模块(7)与所述制氢模式原料供给模块(1)、所述发电模式原料供给模块(2)的所有尾气相连接，采用换热器回收所有可利用余热，为建筑供热；
所述制氢模式原料供给模块(1)包括水蒸气供给通路、第一空气供给通路和冷凝器(17)；所述发电模式原料供给模块(2)包括氢气供给通路、第二空气供给通路和后燃烧器(26)；所述RSOC能量转换模块(3)包括RSOC电堆(31)，所述RSOC电堆(31)包括燃料极、空气极和电解质；
所述水蒸气供给通路上设置水箱(11)、水泵(12)、太阳能集热器(13)和水蒸气预热器(14)，所述水箱(11)用于储存液态水，所述水泵(12)对所述液态水加压，所述太阳能集热器(13)将所述液态水加热为水蒸气，为所述RSOC在SOEC模式电解水制氢提供所需热量，所述水蒸气预热器(14)将所述水蒸气预热到所述RSOC在SOEC模式下燃料极进气温度要求；
所述第一空气供给通路上设置第一风机(16)和第一空气预热器(15)，所述第一风机(16)对空气加压，所述第一空气预热器(15)将空气预热到所述RSOC在SOEC模式下空气极进气温度要求；第一空气预热器(15)的出口产物余热通过所述建筑供热模块(7)送入建筑供热；
所述冷凝器(17)用于凝结水蒸气，以分离所述RSOC在SOEC模式下燃料极出口产物中的水蒸气和氢气，氢气作为所述氢气供给通路的气源，冷凝水蒸气获得的液态水通入所述水箱(11)作为所述水蒸气供给通路的水源，冷凝热通过所述建筑供热模块(7)送入建筑供热；
所述氢气供给通路上设置储氢罐(21)、燃料压缩机(22)和燃料预热器(23)，所述储氢罐(21)储存所述RSOC在SOEC模式下制得的氢气，所述燃料压缩机(22)对所述氢气加压，所述燃料预热器(23)将所述氢气预热到所述RSOC在SOFC模式下燃料极进气温度要求；
所述第二空气供给通路上设置第二风机(24)和第二空气预热器(25)，所述第二风机(24)对空气加压，所述第二空气预热器(25)将空气预热到所述RSOC在SOFC模式下空气极进气温度要求；
所述后燃烧器(26)用于将所述RSOC在SOFC模式下燃料极出口的氢气与水蒸气混合物和所述空气极的出口尾气进行混合，并将剩余可燃氢气完全燃烧得到高温烟气，进一步提高余热温度；
所述建筑供热模块(7)包括第一建筑换热器(71)和第二建筑换热器(72)，所述第一建筑换热器(71)与所述制氢模式原料供给模块(1)的尾气相连，所述第二建筑换热器(72)与所述发电模式原料供给模块(2)的尾气相连，所述冷凝器(17)直接由建筑生活热水作为冷却介质，用于将所有余热送入建筑进行供热，实现余热高效综合利用；
所述RSOC在SOEC模式下，燃料极出口的氢气与水蒸气混合物，送至水蒸气预热器(14)作为热源对水蒸气进行预热，实现模块热自洽，之后进入冷凝器(17)凝结；所述空气极的出口尾气，送至第一空气预热器(15)作为热源对空气进行预热，实现模块热自洽；完成换热的氢气与水蒸气混合物再通入冷凝器(17)凝结水蒸气，凝结热和空气余热采用所述建筑供热模块(7)进行回收，最后通入建筑满足用户热需求；
所述RSOC在SOFC模式下，所述后燃烧器(26)得到的高温烟气，依次或分别作为第二空气预热器(25)和燃料预热器(23)的热源，对空气和氢气进行预热，实现模块热自洽，最后进入所述第二建筑换热器(72)为建筑供热。
2.根据权利要求1所述基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，其特征在于，所述光伏模块(4)由光伏阵列(41)与配电装置(42)组成，所述配电装置(42)用于将产生的光伏电力进行分配，光伏电力在满足全部建筑电负荷后的富余量通入RSOC能量转换模块(3)，为所述RSOC在SOEC模式下电解水制氢提供所需电能。
3.根据权利要求1所述基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，其特征在于，所述建筑供电模块(6)包括交/直流逆变器(61)，所述交/直流逆变器(61)用于将所述光伏模块(4)和所述RSOC在SOFC模式输出的直流电转换为交流电送入建筑进行供电。
4.根据权利要求1所述基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统，其特征在于，所述光伏模块(4)的最大容量与所述RSOC能量转换模块(3)的最大容量保证二者输出逐时电力之和大于建筑逐时电负荷，系统无需额外储电装置；所述太阳能集热器(13)的最大容量大于系统运行逐时热量需求的峰值，系统无需额外储热装置，实现系统设备和控制信息流简化。
5.一种用于权利要求1所述基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统的运行方法，其特征在于，依据太阳能和建筑电负荷双重不确定性，由所述模式识别控制模块(5)依据光伏电力和建筑电负荷两类信息流控制三类运行方式：
当有太阳辐射，且光伏电力>建筑电负荷，运行PV-SOEC-PTC模式；即：光伏电力(PV)满足建筑电负荷，光伏电力富余量用于所述RSOC在SOEC模式下制氢储电，通过所述太阳能集热器(PTC)将太阳能转化为热能预热所述水泵(12)送入的液态水；
当有太阳辐射，且光伏电力<建筑电负荷，运行PV-SOFC模式；即：所述RSOC转入SOFC模式进行补充发电，与光伏电力共同满足建筑电负荷；
当无太阳辐射，即光伏电力＝0，运行SOFC模式；即：仅由所述RSOC在SOFC模式下运行为建筑提供电力。
6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述PV-SOEC-PTC模式具体运行方式如下：
利用光伏阵列(41)将太阳能转化为电能，再通过配电装置(42)将建筑电负荷量通入交/直流逆变器(61)，将直流电转换为交流电供给建筑；
配电装置(42)将剩余光伏电力送入RSOC电堆(31)，RSOC以SOEC模式运行；
液态水送入太阳能集热器(13)加热为水蒸气，再进入水蒸气预热器(14)，水蒸气达到燃料极入口温度要求后送入RSOC电堆(31)的燃料极；
高温水蒸气在所述燃料极发生电解反应生成氢气：H2O+2e-→H2+O2-，氧离子穿过电解质到达空气极释放电子生成氧气：
空气加压送入第一空气预热器(15)，达到空气极入口温度要求后通入RSOC电堆(31)的空气极，满足所述RSOC热平衡要求，并带走所述空气极生成的氧气；
燃料极出口处的氢气和水蒸气混合物通入水蒸气预热器(14)预热入口水蒸气，空气极出口处的空气通入第一空气预热器(15)预热空气，完成换热的氢气与水蒸气混合物再通入冷凝器(17)凝结水蒸气，氢气储存到储氢罐(21)中，凝结热和空气余热采用所述建筑供热模块(7)进行回收，最后通入建筑满足用户热需求。
7.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述PV-SOFC模式具体运行方式如下：
利用光伏阵列(41)将太阳能转化为电能，光伏电力全部通入交/直流逆变器(61)，将直流电转换为交流电供给建筑；
储氢罐(21)内的氢气加压进入燃料预热器(23)，达到SOFC模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；
空气加压送入第二空气预热器(25)，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；
空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：H2+O2-→H2O+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；
燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器(26)进行完全燃烧，充分利用其余热；
后燃烧器(26)生成的高温尾气依次通过第二空气预热器(25)、燃料预热器(23)分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器(72)为建筑供热。
8.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述SOFC模式具体运行方式如下：
储氢罐(21)内的氢气加压进入燃料预热器(23)，达到SOFC模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；
空气加压送入第二空气预热器(25)，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；
空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：H2+O2-→H2O+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；
燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器(26)进行完全燃烧，充分利用其余热；
后燃烧器(26)生成的高温尾气依次通过第二空气预热器(25)、燃料预热器(23)分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器(72)为建筑供热。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112038664A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-04 | 上海海洋大学 | 混合锂电池组与可逆固体氧化物电池的动力系统及其应用 |
| CN112701771A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 国网天津市电力公司电力科学研究院 | 一种近零能耗零碳建筑多能互补供能系统及方法 |
| CN115513977A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-23 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 基于rsoc技术的风光-氢综合能源系统、方法、设备及介质 |
| WO2023284602A1 (zh) * | 2021-07-12 | 2023-01-19 | 浙江大学 | 多能源耦合互补和有序转化系统与方法 |
-
2023
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112038664A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-04 | 上海海洋大学 | 混合锂电池组与可逆固体氧化物电池的动力系统及其应用 |
| CN112701771A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 国网天津市电力公司电力科学研究院 | 一种近零能耗零碳建筑多能互补供能系统及方法 |
| WO2023284602A1 (zh) * | 2021-07-12 | 2023-01-19 | 浙江大学 | 多能源耦合互补和有序转化系统与方法 |
| CN115513977A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-23 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 基于rsoc技术的风光-氢综合能源系统、方法、设备及介质 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 光伏、光热联合SOC制氢、发电系统设计;吕泽伟等;储能科学与技术;20170301;第06卷(第02期);275-279 * |
| 新型电力系统背景下的电制氢技术分析与展望;潘光胜等;电力系统自动化;20230525;第47卷(第10期);1-12 * |
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